（电力系统及其自动化专业论文）混凝土生产监控系统实时数据库的研究与设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 ： ：= = = = = = = = = = ；= ；= = = = = = = = = = = = = = = = = 一 1绪论 课题概述 ( ) 研究背景 混凝土生产监控系统是一套工业控制系统，它利用自动控制技术、计算机技 术列混凝土生产过程进行整个工艺流程的监控，以达到优化生产、提高产品质 量、降低成本、减少环境污染的目的。 举世瞩目的三峡工程是目前世界上在建的、规模最大的水利水电工程。其设 计、施工、管理和运行所涉及的理论与技术，代表了当今世界水电工程建设科学 技术的最高水平，备受国际学术和工程界的关注。三峡工程混凝土的生产、输 送、浇筑系统十分复杂，主要有以下几个特点：一、工程量大、工期紧、施工强 度高；二、施工场面广、立体交叉作业、干扰多；三、工序复杂、技术要求高； p q 、施工设备先进、种类多、容量大。尤其是混凝土浇筑强度大，坝体结构复 杂。中国长江三峡工程开发总公司为确保三峡工程施工质量和进度，订购了中国 长沙华工成套机电设备公司开发的“三峡工程混凝土生产监控系统”，其目标是 建立：一个能够及时地、直观地反映混凝土生产设备的运行状况；简单、灵活地操 纵q 产设备；具有强大的实时生产数据处理功能和丰富、完备的历史数据记录功 能的r 业控制系统。 一! ，课题的提出 二零零一年十二月，根据校研究生基金任务要求，进行了混凝土生产监控系 统软件框架的总体设计，并基于组件技术开发了一个嵌入式图形组态软件原型。 为验证软件原型的性能，在“三峡工程混凝土生产监控系统”进行了试验，并由 此考虑设计一个具有数据通信机制的实时数据库管理模块。 混凝土生产监控系统是一个较复杂的软件系统，其核心包括四个部分： j ：艺流程控制系统，它控制整个生产过程。 华中科技大学硕士学位论文 ： ：= = = = = = = = = = ；= ；= = = = = = = = = = = = = = = = = 一 1绪论 课题概述 ( ) 研究背景 混凝土生产监控系统是一套工业控制系统，它利用自动控制技术、计算机技 术列混凝土生产过程进行整个工艺流程的监控，以达到优化生产、提高产品质 量、降低成本、减少环境污染的目的。 举世瞩目的三峡工程是目前世界上在建的、规模最大的水利水电工程。其设 计、施工、管理和运行所涉及的理论与技术，代表了当今世界水电工程建设科学 技术的最高水平，备受国际学术和工程界的关注。三峡工程混凝土的生产、输 送、浇筑系统十分复杂，主要有以下几个特点：一、工程量大、工期紧、施工强 度高；二、施工场面广、立体交叉作业、干扰多；三、工序复杂、技术要求高； p q 、施工设备先进、种类多、容量大。尤其是混凝土浇筑强度大，坝体结构复 杂。中国长江三峡工程开发总公司为确保三峡工程施工质量和进度，订购了中国 长沙华工成套机电设备公司开发的“三峡工程混凝土生产监控系统”，其目标是 建立：一个能够及时地、直观地反映混凝土生产设备的运行状况；简单、灵活地操 纵q 产设备；具有强大的实时生产数据处理功能和丰富、完备的历史数据记录功 能的r 业控制系统。 一! ，课题的提出 二零零一年十二月，根据校研究生基金任务要求，进行了混凝土生产监控系 统软件框架的总体设计，并基于组件技术开发了一个嵌入式图形组态软件原型。 为验证软件原型的性能，在“三峡工程混凝土生产监控系统”进行了试验，并由 此考虑设计一个具有数据通信机制的实时数据库管理模块。 混凝土生产监控系统是一个较复杂的软件系统，其核心包括四个部分： j ：艺流程控制系统，它控制整个生产过程。 华中科技大学硕士学位论文 八机接口系统，它商观反映全部生产状况并为其提供了灵活的操作生产没备 的力式。 吱时数掘库系统，它是实时数据管理的小一l 、，i = 【为其它核心模块提供了数扒 通信的、f 台。 历史数据库系统，它是历史数据管理的平台，为其它核心模块提供了所需的 历史数据。 本论文就是为混凝土生产监控系统实时数据库的研制而提出来的。首先，i ： 艺流程控制需要所有的设备运行状况的实时数据，同时优化生产也需要大量的实 州数据存储，修改，交换等。数据的维护最好的办法就是用数据库来管理。近年 柬，在国外工业控制系统中有一种新的发展趋势，采用典型商用数据库代替以前 使用的层次型数据库。采用商用数据库到工业控制系统中也是必然的，因为商用 数掘库在数据的存储、管理、备份、恢复、安全机制、以及数据库的调用接【 可 扩展性、方便灵活的优势是很明显的。然而，仅仅使用商用数据库作为混凝土生 产监控系统数据库的平台有很大的缺陷，因为生产过程监控系统的数据库有其特 殊性，由于其要求较高的存储效率，即需要一个能够快速存储数据而又能实现数 掘共享特点的数据库，这一点对于商用数据库来说是不可能的，因为商用数据库 奉身设计就不是一个实时数据库。本课题就是为解决这一对矛盾而提出的。 ( 3 ) 课题的目的和意义 在现代工业生产中，自动化技术是保证工业生产高质、高效、安全、连续运 钆| ! = 0 垂婴于段。随着现代科学技术的迅猛发展，自动化技求也 j 新j j 异。第一次 n 动化技术的飞跃是在七八十年代，集散型控制系统d c s 的出现，对工业控制 技术的发展起到了极大的推动作用，而这次飞跃是以计算机技术的飞速发展为基 础的。 工业控制技术对工业生产过程进行计算机控制是提高产品质量、降低生产成 本、减少环境污染的必由之路，计算机控制系统已成为生产设备及过程控制等重 要的组成部分，它代替人的思维成为工业设备及工艺过程控制、产品质量控制的 2 华中科技大学硕士学位论文 指j 1 二矛监督， - 心。一r ：业生产过程的计算机控制系统，随着计算机的进步、一j 、i k 牛 ，、i 岂过稃控制要求的提高和生产管理的完善而小断发展。 随着混凝土市场竞争越来越激烈，食业必须强化g ：产管理，优化生产，稳定操 作提高产品质量，降低成本，才能保持强有力的市场竞争力。面对市场竞争和企 、j 身发展的需要，近几年来企业非常重视生产过程信息的采集和利用，纷纷加入 了竹t 这方面的投入，增强了对生产装置实时监控、先进控制、局部优化的能力，为 逊步实现优化生产的目标打下了基础。 混凝土生产是个实时性很强的过程，产品的质量要求很高，手工操作质量难 以控制，通过计算机对生产任务的下达与执行、配料、搅拌时间的设定，各种组成 材料的数量与投放顺序等进行自动控制管理，使操作控制人员对拌和楼的工作情况 进行实时监控，从而有效的保证混凝土的质量，管理人员也可以监控搅拌楼的工作 情况。 存生产数据处理上如采用手工方法带来极大的不便，造成工作效率不高、生 产受人为因素影响较大等不足。生产监控系统正是基于混凝土的生产流程，对各 个环节进行生产调节和管理，产生所需的各种统计报表，从而提高生产效率。同 f 寸系统为用户提供了友好的人机界面，操作简便、灵活，为员工快速进入角色， 提高各部门的工作效率打下了坚实的基础。并且系统具有强大的查询功能，能满 足不同层次的工作人员的工作需要。混凝土生产监控系统将给混凝土生产企业带 来显著的经济效益和社会效益。 要艾现财，+ ，、7 过程进行有效的实时的监控，实州数据库足必，：司少的软翻、f ? 台。 实时数据库是生产数据的集成平台 实时数据库系统能与各种底层控制设备相连接，包括p l c ( 可编程逻辑控制 器) 以及其他数据源等，实现双向数据传送。另外，实时数据库均可方便地列关 系数掘库进行读取或写入数据，同时，还可以用关系数据库和实时数据库二者的 3 华中科技大学硕士学位论文 敏州，联合生成报表。这样，装置数抛就能真【f ：与业务管理数掘集成在一起，j j j 个产调度及_ i 产计划等生产管理。 实时数据库是操作信息、生产数据监测显示的平台 利用实时数据库可以快速建立实时数据监测系统。它提供了动态显示、实时 报臀、事件驱动等功能。 实时数据库是先进控制、装置优化的平台 实时数据库系统的核心是一个数据吞吐量巨大的生产数据档案库，它可为先 进拧制、计划调度、模拟优化等应用提供所需的实时数据和历史数据。实时数据 库般都采取了先进的数据压缩技术，可以存线长期存贮多达数卜力点的牛产现 场数据，而不需要大量的磁盘空间；从历史数据库中抽取数据时，响应速度快， 而t 取出的数据满足所要求的精度。通常，所保存的数据均为秒级数据，完全满 足各种用户或应用程序对数据的要求。实施生产装置先进控制和优化可以提高装 置处理能力，提高反应深度，降低能耗，提高产品质量等等，效益很大，因此它 是提高效益的有效途径。全世界混凝土生产工业已成功实旎了数千个先进控制和 优化项目，所有这些成功的项目，无一不需要实时数据库的支持。另外，实时数 据库全面保存了多年的工艺数据，为我们分析设备运行周期、事故分析和预测、 生产的瓶颈问题及装置潜力分析，并进行工艺改造等提供依据。 ( 4 ) 课题的主要内容 混凝土生产监控系统课题内容包括以下几个部分： j 二岂流程控制系统 动画和语音系统 操作接口设计 实时数据库的设计 历史数据库平台的建立 本论文主要是实时数据库的研究，设计及其实现。 4 华中科技大学硕士学位论文 1 2 课题的文献及技术要求 混凝一卜生产监控系统是一个较复杂的软件系统，因此设计应该按照软件r 挥 的0 法和原则来实施程序的编制。本课题的软件二【：程规范按照一九九六年中吲标 准版社 f 版的计算机软件工程规范国家标准“编来实行。 混凝土生产监控系统的总体要求有以下几点： 实时性 要求系统应能实时地反映当前各个生产设备的运行状态和报警状态，反映当 盼子个生产子流程和整个生产过程的静态或动态过程。 应与实际生产系统有一一对应的给料机、胶带机、筛分机、洗砂机、气动弧 门、鼓风机、电动阀、水泵等设备，应能分别独立的反映其状态。在发生启停事 件、报警事件时，系统应能忠实地再现启停的动态过程和语音报警。 应与控制台有一对一的图形化按钮，应能分别独立的反映其状态。在发生按 钮事件时，系统应能及时反映其状态和输出控制生产设备的信号。 以上监控功能应有快速的实时响应。 逼真性 要求能逼真地再现生产设备的状态和生产流程的状况。操作员所在的中控室 中，在控制屏和上位机产生一个多媒体环境，即与实际生产设备有相同或相近形 状的图形，有逼真的实际生产设备运行的动态效果，与实际生产流程有一样的南 j ，i 纷构操作员在中控室监控日、j 就有一种身临其境的感觉，从| f j 取得良蚶的搿浮? 效粜。这样，操作员可以直观地监控整个生产过程，获得设备故障时的快速反应 能力。 灵活性 要有灵活的控制功能。操作员可很方便地控制各生产设备的启动和停止。操 f 1 一应灵活方便，只需鼠标一点就能执行控制命令，以提高生产效率。 实用性 5 华中科技大学硕士学位论文 央h j 性使系统更富有牛命力。 牛产流稃和各个子流程的具体功能都成按照月j 户的要求设计，操作。式刈b i r l 定义。各个参数可由用户给出，也i ，由系统计算给出。各种历史数掘自z 力记 ? r f 询疗便灵活、转储备份简便易行。 开放l 生 为了适应计算机技术的飞速发展、监控系统的软件有更长的生命期，系统应 白良好的开放性。在计算机硬件不断更新的今天，它必须遵循开放式标准，它的 操f j 系统、人机接口、数据库、开发工具等，应具有下列开放式特点：与硬件无 是：可移植性好：可扩展性好( 指硬件的扩充) ；连续可升级性好( 指性能的改 进和扩充) 。其中最为关键的是可移植性好，能做到系统在硬件系统更新时，维 持软件代码不变或只需少量修改。 i 3 本文的主要内容 本文研究的主要内容是关于混凝土生产监控系统的实时数据库系统的应用研 究，方案设计以及实现技术。混凝土生产监控系统的实时数据库系统是其核心模 块之一，整个混凝土生产监控系统是构建在数据库平台的基础之上。本文首先分 析厂混凝土生产豁摔系统的整体功能，提出了混凝土生产监控系统实时数据库系 统的设计方案。然后介绍了实时数据库的基本理论，在基于实时数据库的基本理 论1 1 对t q p 控制实时数据库做了应用研究。最后作者给出了混凝土生产监控系统 实时数据库系统的实用化设计及实现实例。 6 华中科技大学硕士学位论文 央h j 性使系统更富有牛命力。 牛产流稃和各个子流程的具体功能都成按照月j 户的要求设计，操作。式刈b i r l 定义。各个参数可由用户给出，也i ，由系统计算给出。各种历史数掘自z 力记 ? r f 询疗便灵活、转储备份简便易行。 开放l 生 为了适应计算机技术的飞速发展、监控系统的软件有更长的生命期，系统应 白良好的开放性。在计算机硬件不断更新的今天，它必须遵循开放式标准，它的 操f j 系统、人机接口、数据库、开发工具等，应具有下列开放式特点：与硬件无 是：可移植性好：可扩展性好( 指硬件的扩充) ；连续可升级性好( 指性能的改 进和扩充) 。其中最为关键的是可移植性好，能做到系统在硬件系统更新时，维 持软件代码不变或只需少量修改。 i 3 本文的主要内容 本文研究的主要内容是关于混凝土生产监控系统的实时数据库系统的应用研 究，方案设计以及实现技术。混凝土生产监控系统的实时数据库系统是其核心模 块之一，整个混凝土生产监控系统是构建在数据库平台的基础之上。本文首先分 析厂混凝土生产豁摔系统的整体功能，提出了混凝土生产监控系统实时数据库系 统的设计方案。然后介绍了实时数据库的基本理论，在基于实时数据库的基本理 论1 1 对t q p 控制实时数据库做了应用研究。最后作者给出了混凝土生产监控系统 实时数据库系统的实用化设计及实现实例。 6 ， 华中科技大学硕士学位论文 2混凝土生产监控系统的体系结构 2 1硬件结构 奉l 艺的自动化监控硬件系统主要由p l c 和上位机组成。 对 二工业上的工艺流程控制而苦，大部分的p l c 硬件采用的是美国a b 公 司的p l c 5 系列，其它的硬件有西门子、会钟一默勒、三菱、欧姆珑等。 本控制系统采用是o m r o n h o s t l i n k ，它的性能满足本系统的需求，而且价 格偏便宜。 p i ，c 负责采集系统所需的关于生产设备的各种模拟量和开关量，输出各种 控制信号到生产设备。 显示屏负责显示各种开关量( 利用小灯泡的亮，灭、闪等状态) 。 控制台负责将其上的按钮信号发往p l c 。 上位机采用一台研华的工控机。硬件配置为p 41 4 g h z ，5 1 2 m 内存，1 9 寸 显示器，外置音箱，u p s 。 上位机负责接受p l c 的监视数据并用图形、动画和语音反映监视数据，向 p i _ ，c 发控制数据。 数掘库服务器采用一台高性能的p c 机，硬件配置为p 4l g h z ，2 5 6 m 内 存，8 0 g 外存，打印机。 数掘库服务器负历史数据记录的生成希 存储。 p l c 与各种需要监控的生产设备以及显示屏、控制台之间用电缆连接起 束。 p l c 和上位机之间采用r s 4 8 5l i n k 串口通讯。 上位机和数据库服务器采用并口直接电缆连接。 l ：作站通过基于t c p i p 的1 0 0 m 带宽e t h e r n e t 网络向数据库服务器请求各 种上层应用所需要的数据。 7 ， 华中科技大学硕士学位论文 2混凝土生产监控系统的体系结构 2 1硬件结构 奉l 艺的自动化监控硬件系统主要由p l c 和上位机组成。 对 二工业上的工艺流程控制而苦，大部分的p l c 硬件采用的是美国a b 公 司的p l c 5 系列，其它的硬件有西门子、会钟一默勒、三菱、欧姆珑等。 本控制系统采用是o m r o n h o s t l i n k ，它的性能满足本系统的需求，而且价 格偏便宜。 p i ，c 负责采集系统所需的关于生产设备的各种模拟量和开关量，输出各种 控制信号到生产设备。 显示屏负责显示各种开关量( 利用小灯泡的亮，灭、闪等状态) 。 控制台负责将其上的按钮信号发往p l c 。 上位机采用一台研华的工控机。硬件配置为p 41 4 g h z ，5 1 2 m 内存，1 9 寸 显示器，外置音箱，u p s 。 上位机负责接受p l c 的监视数据并用图形、动画和语音反映监视数据，向 p i _ ，c 发控制数据。 数掘库服务器采用一台高性能的p c 机，硬件配置为p 4l g h z ，2 5 6 m 内 存，8 0 g 外存，打印机。 数掘库服务器负历史数据记录的生成希 存储。 p l c 与各种需要监控的生产设备以及显示屏、控制台之间用电缆连接起 束。 p l c 和上位机之间采用r s 4 8 5l i n k 串口通讯。 上位机和数据库服务器采用并口直接电缆连接。 l ：作站通过基于t c p i p 的1 0 0 m 带宽e t h e r n e t 网络向数据库服务器请求各 种上层应用所需要的数据。 7 华中科技大学硕士学位论文 系统结构如图2 j 1 所示。 2 2 软件结构 图2 1 1混凝土生产监控系统硬件结构 = r + 控软件按功能分为五大模块。它包括i 0 模块，实时数据库模块，生产控 制模块，历史数据库模块，管理分析模块。 1 1 0 模块是个驱动程序接1 ：3 模块，它主要完成上层软件与p l c 之间的数据信 号的转换和缓存。 实时数据库模块，它由以下几块组成：实时数据库控制模块、图形动画模 块、语音报警模块、事件序生成模块。 ，l 产控制模块，它根据实时数据、实时事件和管理分析模块输入的参数完成 与生产过程有关的计算，向实时数据库模块输出控制数据，并控制历史数掘 的生成和记录。 历史数据库模块，它由以下几块组成：历史数据库控制模块、报表模块、历 ，赶曲线模块、备份库生成模块、历史数据分析模块 管理分析模块，它对历史数据库进行维护和管理，提供对历史数据的自动分 析和辅助分析，计算与优化生产过程有关的参数，输出给生产控制模块。 8 华中科技大学硕士学位论文 系统结构如图2 j 1 所示。 2 2 软件结构 图2 1 1混凝土生产监控系统硬件结构 = r + 控软件按功能分为五大模块。它包括i 0 模块，实时数据库模块，生产控 制模块，历史数据库模块，管理分析模块。 1 1 0 模块是个驱动程序接1 ：3 模块，它主要完成上层软件与p l c 之间的数据信 号的转换和缓存。 实时数据库模块，它由以下几块组成：实时数据库控制模块、图形动画模 块、语音报警模块、事件序生成模块。 ，l 产控制模块，它根据实时数据、实时事件和管理分析模块输入的参数完成 与生产过程有关的计算，向实时数据库模块输出控制数据，并控制历史数掘 的生成和记录。 历史数据库模块，它由以下几块组成：历史数据库控制模块、报表模块、历 ，赶曲线模块、备份库生成模块、历史数据分析模块 管理分析模块，它对历史数据库进行维护和管理，提供对历史数据的自动分 析和辅助分析，计算与优化生产过程有关的参数，输出给生产控制模块。 8 华中科技大学硕士学位论文 以 各模块的关系可见图2 2 1 所1 i 。 图2 2 1 工业控制软件的层次结构 9 华中科技大学硕士学位论文 2 3 数据库设计方案 混凝j ：生产监控系统的的数据库设计方案采用了大型商用数据库与自行设训 ”戈时数据库相结合的办法。用o r a c l e 数据库管理系统维护历史数据库，r n j j 丈时数据库系统维护实时数据。 采用o r a c l e 数据库主要目的是利用其管理二维关系数据表的强大功能。本 系统的历史数据包括运行记录，报警记录和操作记录，这些数据可以存储在刁i 同 的跫系型表中。采用o r a c l e 使维护简便，可靠，数据安全。 另外o r a c l e 提供强大编程接口和网络功能使程序设计简便。利用o r a c l e 提 供的网络层n e t 8 完全可以实现上位机与数据库服务器的c s 访问模式。 用o r a c l e 来管理历史数据和对实时性要求不高的生产控制模块所需的数据。 历史数据库设计包括以下几部分： 系统数据库的设计 系统数据库标志了一个o r a c l e 数据库的实例，系统的设计应考虑历史数据 库的特点，避免不需要的o r a c l e 后台服务进程占用大量的系统资源，同时应该 规划好o r a c l e 数据的系统全局区，在满足历史数据库性能要求的基础上，尽量 少的占用内存资源。 历史数据库的表空间设计 表卒间是数据存储的空间，应充分考虑分配较大的数据空间，提高磁盘操作 的奴率，应考虑不同的表空间的不同存储特性，将i i ；i 剥表空删和滚农空间甲独 存放。 历史数据库的安全设计 合理设计历史数据库用户的权限，定义合理的历史数据库用户的角色。 历史数据库网络设计 利用o r a c l en e t 8 提供的网络功能设计c s 数据库访问体系。 历史数据库的数据段对象设计 1 0 华中科技大学硕士学位论文 历史数掘库段对象包括数据表段、索引段、回滚段以及簇段的设计。 历史数据库用户视图设计 视图是一个虚拟表段，建立合适的视图有利于提高数据的安全，简化数折：奄 i 旬删处理操作。 历史数据库的备份和恢复设计 备份和恢复是数据库管理非常重要的部分，采用合理的备份和恢复策略将有 f lr 数据的安全。 o r a c l e 数据库在管理非实时数据是可行的解决方案，但是将o r a c l e 数据库应 用j 二1 业控制的实时环境则有一个致命的缺点：实时性差，存取速度慢，因为磁 盘操作速度慢；另外o r a c l e 数据库本身体系结构复杂，它是专为信息管理设计 的数据管理系统，需要保证在任何恶劣情况下数据的安全性、完整性、一致性。 凶此，频繁的大量的存取o r a c l e 数据库中的数据将使系统开销很大，使得访问 数掘不仅速度不快，而且拖慢了整个系统运行的效率。 w i n d o w s 机制可以较好的解决数据的共享存储和快速访问的问题。一方 面，在程序运行时，数据库中的数据被调入内存中的共享存储器中，因此无需磁 盘操作，速度可达最快( 访问速度为访问本程序内自定义数据的9 8 ) ，充分 满足实时要求：另一方面，共享内存中的数据可以实现不同进程共享，它可以作 为小同进程数据通信的平台。 e 位机主存达到5 1 2 m ，而实际使用的共享数据目前仅为2 m ，所以在该系 绩资游n 乙伞囱条件建立实时数据j 车。 实时数据库的设计主要包括以下几部分： 数据的存储设计 合理的存储结构设计使实时数据库能够有效地利用宝贵的内存资源，提高内 存资源利用率。 数据库索引的设计 华中科技大学硕士学位论文 良好的索引技术的应用，将大大提高实时数抓库的存储效率，尽可能避免相 什拽良费系统宝贵的时间。 j f 发访问的分析与设计 于任何对共享空间的访问，都会出现爿发访问的问题，合适的并发访问挣 制将保证数据的完整和一致，也系统运行的更加一常，避免出现意外的冲突。 接l _ 】函数库的设计 接厂| 函数的设计要保证用户使用的方便、快捷、安全。并且考虑各种出错情 况的处理。 与o r a c l e 数据库的联接 实时数据库与o r a c l e 数据库的接口采用p r o * c c + + 技术。p r o * c c + + 技术 是由o r a c l e 提供的数据库应用程序专用接口开发工具，使用它能够在c c + + 程 序中嵌入s q l 语句，进行数据库操作。实时数据库需要提供与o r a c l e 数据库接 【j 的函数库。 实时数据库虽然在存储效率上是o r a c l e 不可比的，但是实时数据库的数据结 构是面向记录类型的，而o r a c l e 数据库是面向关系型的数据库，因此实时数据 库要处理大量具有关系型数据结构的历史数据是不太可能的。而且实时数据库要 垌到共享内存的存储方式，其存储容量也是有限的。因此综合实时数据库和 o r a c l e 数据库的优势将是一个较好的解决方案。 2 4 本章小结 本章分析了混凝土生产监控系统的软硬件体系结构。在基于软件模块的划分 和其关系的分析的基础上提出了数据库的解决方案，即利用o r a c l e 管理非实时 数赫i 而专门开发一个实时数据库解决实时要求的需要，并将其作为各个模块数 捌通信的平台。实时数据库提供与o r a c l e 数据库的接口库，以便于o r a c l e 数据 库棚连接。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 良好的索引技术的应用，将大大提高实时数抓库的存储效率，尽可能避免相 什拽良费系统宝贵的时间。 j f 发访问的分析与设计 于任何对共享空间的访问，都会出现爿发访问的问题，合适的并发访问挣 制将保证数据的完整和一致，也系统运行的更加一常，避免出现意外的冲突。 接l _ 】函数库的设计 接厂| 函数的设计要保证用户使用的方便、快捷、安全。并且考虑各种出错情 况的处理。 与o r a c l e 数据库的联接 实时数据库与o r a c l e 数据库的接口采用p r o * c c + + 技术。p r o * c c + + 技术 是由o r a c l e 提供的数据库应用程序专用接口开发工具，使用它能够在c c + + 程 序中嵌入s q l 语句，进行数据库操作。实时数据库需要提供与o r a c l e 数据库接 【j 的函数库。 实时数据库虽然在存储效率上是o r a c l e 不可比的，但是实时数据库的数据结 构是面向记录类型的，而o r a c l e 数据库是面向关系型的数据库，因此实时数据 库要处理大量具有关系型数据结构的历史数据是不太可能的。而且实时数据库要 垌到共享内存的存储方式，其存储容量也是有限的。因此综合实时数据库和 o r a c l e 数据库的优势将是一个较好的解决方案。 2 4 本章小结 本章分析了混凝土生产监控系统的软硬件体系结构。在基于软件模块的划分 和其关系的分析的基础上提出了数据库的解决方案，即利用o r a c l e 管理非实时 数赫i 而专门开发一个实时数据库解决实时要求的需要，并将其作为各个模块数 捌通信的平台。实时数据库提供与o r a c l e 数据库的接口库，以便于o r a c l e 数据 库棚连接。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 3实时数据库基本理论 随着测控技术的发展，实时领域的研究玎发人员逐渐认识到数据库管理系统 的事务管理、并发控制、存储管理等技术在实时系统中是非常需要的。同时数据 库领域的专家也注意到了实时领域对数据库的需要，这样实时技术和数据库技术 州结合就诞生了实时数据库系统( r t d b s ) 。与普通商用数据库系统不同，实 时数据库系统的主要目标是使尽量多的事务在规定的时间要求内完成，而不是公 州也分配系统以使所有的事务都得到执行。由于主要目标的不同，一方面使得商 用数据库管理系统不能满足实时领域的要求：一方面又要求人们重新研究数据库 系统的实时实现策略，以保证其主要目标的实现。 3 1时间约束 实时数据库系统的主要特征是在数据对象和事务上施加了时间约束。对数 据的时间约束，就是在数据库的普通一致性要求以外，又规定了时态一致性要 求。在实时系统中，具有时间约束的数据主要来自予外部的动态数据，如由传感 器采集的现场数据，和由这些数据导出的数据。因此，可以将数据的时间约束分 为蹲类，即数据的绝对一致性和数据的相对一致性。数据的绝对一致性是指实时 数据库中的数据应与外部数据( 又称为环境数据) 相一致，即要求数据库中的数 据能及时地反映外部环境的状念。例如，在飞行控制系统中，要求数据库中记录 的飞机的高度、速度、方向等信息，应该与飞机的实际高度、速度、方向等参数 保持一致。这种一致性的破坏有时可能会导致灾难性后果。从形式化的角度来 说，数据库中具有绝对时间约束的数据可抽象地表示为如下的一个三元组： d ：( v a l u e l ，a v i ，t i m e s t a m p )( 3 1 ) 其q ，d v a l u e 表示数据项d 的当前状态( 即值) ，d t i m e s t a m p 表示对数据 项d 的观察时间( 如数据的采集时间) ，而d a v i 表示d 的绝对有效时限，即在 1 3 华中科技大学硕士学位论文 3实时数据库基本理论 随着测控技术的发展，实时领域的研究玎发人员逐渐认识到数据库管理系统 的事务管理、并发控制、存储管理等技术在实时系统中是非常需要的。同时数据 库领域的专家也注意到了实时领域对数据库的需要，这样实时技术和数据库技术 州结合就诞生了实时数据库系统( r t d b s ) 。与普通商用数据库系统不同，实 时数据库系统的主要目标是使尽量多的事务在规定的时间要求内完成，而不是公 州也分配系统以使所有的事务都得到执行。由于主要目标的不同，一方面使得商 用数据库管理系统不能满足实时领域的要求：一方面又要求人们重新研究数据库 系统的实时实现策略，以保证其主要目标的实现。 3 1时间约束 实时数据库系统的主要特征是在数据对象和事务上施加了时间约束。对数 据的时间约束，就是在数据库的普通一致性要求以外，又规定了时态一致性要 求。在实时系统中，具有时间约束的数据主要来自予外部的动态数据，如由传感 器采集的现场数据，和由这些数据导出的数据。因此，可以将数据的时间约束分 为蹲类，即数据的绝对一致性和数据的相对一致性。数据的绝对一致性是指实时 数据库中的数据应与外部数据( 又称为环境数据) 相一致，即要求数据库中的数 据能及时地反映外部环境的状念。例如，在飞行控制系统中，要求数据库中记录 的飞机的高度、速度、方向等信息，应该与飞机的实际高度、速度、方向等参数 保持一致。这种一致性的破坏有时可能会导致灾难性后果。从形式化的角度来 说，数据库中具有绝对时间约束的数据可抽象地表示为如下的一个三元组： d ：( v a l u e l ，a v i ，t i m e s t a m p )( 3 1 ) 其q ，d v a l u e 表示数据项d 的当前状态( 即值) ，d t i m e s t a m p 表示对数据 项d 的观察时间( 如数据的采集时间) ，而d a v i 表示d 的绝对有效时限，即在 1 3 华中科技大学硕士学位论文 i i dt i m e s t a m p 丌始的da v i 时间i 、日j 隔之厉，刘认为数据d 无效，此时称数捌库 的叫态一致性遭到破坏。 1 | ! | _ 实时系统中，常常需要从。组数据项导另外的数据，例如根掘系统的f u 流电压导出系统的功率。此时往往要求用来导出新数据的一组数据在时 ：应 爆逯接近，这就形成了实时数据库系统中数掘的相对致性概念。 相对一致性概念可形式化地描述为，设有一个数据是由数据集r 导出的， j ! | jr 的相对时间约束可表示为一个与集合r 相关联的时间限制r r v i ，此刚称r 为个相对一致集。设d 是r 中的一个数据项，则d 的状态是正确的，当且仅 “1 ： d v a l u e 在逻辑上是一致的，即满足所有的完整性约束要求； 逗) d 是时态一致的，即： 绝对一致性： ( 当前时间一d t i m e s t a m p ) d a v i ： 相对一致性：对于r 中的另一个数据项 d ，t i m e s t a m p d t i m e s t a m p l 一 i o h z 。 。该系统需要处理的“测量信号”大约 0 表示停止生产设备运行。 。该系统需要处理的“启停信号”大约 响应时间 o 3 秒，响应时间指生产设备从实际发生运行状态变化( 从“停 止”到“运行”或从“运行”到“停止”) 到上位机出现响应画面( 出现“运行 动舸”或出现“停止画面”) 的时间。 数据库记录生成时间 1 0 h z 。 响应时间 0 3 秒，响应时间指生产设备从实际发生报警状态变化( 从“ f 常”到“报警”或从“报警”到“正常”) 到上位机出现响应画面( 出现“报警 ，：目觚”成出现“正常砸面”1 和语音报警r 播放“出现故障”或播放“故障。 复”的时间。 数据库记录生成时间 1 0 h z 。 华中科技大学硕士学位论文 叫应叫州 1 0 h z 。 响应时间 o 3 秒，响应时间指上位机按钮从发生按钮状态变化( 从“按 f ”到“恢复”或从“未按”到“按下”) 到生产设备实际发生运行状态变化 ( 从“停止”到“运行”或从“运行”到“停止”) 的时间。 数据库记录生成时间 3 5 华中科技大学硕士学位论文 叫应叫州 1 0 h z 。 响应时间 o 3 秒，响应时间指上位机按钮从发生按钮状态变化( 从“按 f ”到“恢复”或从“未按”到“按下”) 到生产设备实际发生运行状态变化 ( 从“停止”到“运行”或从“运行”到“停止”) 的时间。 数据库记录生成时间 3 5 华中科技大学硕士学位论文 延仃模l 的实体娃运行信号、运行动i f ! | j 、远行记求，m 运行模式的联系足延 j 。 运彳信号的属性有设备名称，运行状态变化的f 期、叫i 、h j 。 远行动l 画的内容有：动画所在窗l j 描述，动画的图形对象捕述，动画参数捅。i 述。 运行记录的内容有设备名称，运行状态变化的日期、时间。 运行模式的一个实例一一a l 胶带机运行。 在“上沙流程”窗口的左上部的“a 1 胶带机”虚线的动画参数设置为“1 ” f a l 胶带机开始运行) 。历史记录：“2 0 0 2 年1 2 月6 同1 7 时3 7 分9 秒a 1 胶 带机开始运行”添加到历史数据库的“运行记录”表中。 报警信号 匾叫 报警模式的实体是报警信号、报警动画、语音报警、报警记录，而报警模式 的联系是报警。 报警信号的属性囱设备名称，报警状态变化的h 期、时间。 报警动画的内容有：动画所在窗口描述，动画的图形对象描述，动画参数描 述， 报警记录的内容有设备名称，报警状态变化的f 1 期、时间。 报警模式的一个实例a 2 给料机报警。 往“上石料流程”窗口的左上部的“a 2 给料机”多边形的动画参数设置为 “i ”( a 2 给料机出现故障) 。语音报警：播放“a 2 给料机出现故障w a v ” 3 6 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = 2 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 1 1 义刊。报警记录：“2 0 0 3 年1 月6h 18 时2 4 分6 秒a 2 给料机出现故 障”添加到历史数据库的“报警记录”表中。 安钮i f 占号 按钮模式的实体是按钮信号、按钮动画、操作记录，而按钮模式的联系是按 钮。 按钮信号的属性有按钮名称，按钮状态变化的日期、时间。 按钮动画的内容有：动画所在窗口描述，动画的图形对象描述，动画参数描 述。 按钮记录的内容有按钮名称，按钮状态变化的日期、时间。 按钮模式的一个实例“筛分流程启动”按钮按下。 在“筛分流程”窗口的右上部的“筛分流程启动”圆形按钮的动画参数设置 为“l ”( “筛分流程启动”按钮按下) 。操作记录：“2 0 0 3 年2 月6 同8 时4 ? 二 ：d 筛分流程启动按钮按下”添加到历史数据库的“操作记录”表巾。 测量信号 3 7 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = # = = = = = = = = = = 一 测最模式的实体是测量信号、测量动画，m 1 测量模式的联系是测量。 测量信号的属性有测量名称，测量值。 洲量动j 画的内容有：动画所在窗口描述，动画的图形对象捕述，动画参数描 述。 测量模式的一个实例一一“# 1 水泥罐”料位计测得4 1 8 米。 在“料位测量流程”窗口右下部的“# 1 水泥罐”矩形的填充量参数设置为 “418 ”( “# 1 水泥罐”当前料位为418 米) 。 启停信号 匝咄 笸回 启停模式的实体是启停信号、启停动画、启停命令及启停记录，而启停模式 的联系是启停。 启停信号的属性有启停设备的名称，启停命令发出的日期、时间。 稿停动画的内容有：动画所在窗口摘述，动画的图形对象描述，动画参数描 述。 寓停命令的属性有命令发往的p l c 内部地址和命令字内容。 启停记录的内容有启停设备的名称，启停命令发出的日期、时问。 启停模式的一个实例“拌和流程“启动。 在“拌和流程窗口的右上部的“拌和流程启动”圆形按钮的动画参数设置 为“l ”( “拌和流程”启动) 。操作记录： “2 0 0 3 年1 月2 日1 2 时5 4 分6 秒 拌刺流程启动”添加到历史数据库的“启停记录”表中。 3 8 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 根据现场数据类型和系统所用到的系统常量和中间变量 定义了多种变量类型，在本系统中定义了八种变量类型，即：内存离散犁、 f 1 7 i 整数型、内存实数型、内存字符串型、i 0 离散型、i 0 整数型、i 0 实数 i 0 字钧串型。 内存变量类型用于创建系统常量和中间变量，l - l 女j l 动画参数、报警内容、测 量r 1 ，问转换值。 i 0 变量类型是针对现场数据而言的，包括上述血种信号量( 实际：最二 = 要 的魁1 i 0 离散型数据) 。 实时数据库的结构设计针对不同的变量类型，本系统定义了不同实时数据库 类，这里以i 0 实数型类t i o f l o a t 为例分析它的主要结构，见表5 2 1 。 i n m o d u l a d d r ：i 0 驱动程序数据缓冲的输入模块对象地址。 o u t m o d u l a d d r ：i 0 驱动程序数据缓冲的输出模块对象地址。 r e a d w r i t e ：规定i o 实数型变量是只读、只写还是读写特性。 r e c o r d p r o p e r t y ：变量记录特性，有不记录、变化时记录和定时记录三种类 型。 u n i t ：变量值的工程转换单位。 v a l u e ：实时数据库中的实时变化的数值。 t r a n f e r ：此属性指明对实时值进行丌方或线性运算。 d e a l h a r e a ：死区范围是指发生报警后，如变量低于d o w n l i m i t 时产牛报 警，高于d o w n l i m i t 州并，1 ：立即复位报警标忐，商住高jd o w n l i m i t _ 一 d e a t h a r e a 后再复位。 d e v i a t i o n a l a r m t y p e ：此属性表示三种偏差报警类型：小偏差、大偏差、变 化率偏差。 3 9 华中科技大学硕士学位论文 域名作用数据类型长度 n u d i 序号 i n t s t a t i o n 站号 i n t i i ) 对应i 0 实数型标识 c h a r15 n a m e 对应i 0 实数型名称 c h a r3 0 r e a dw r i t e 读写特性 c h a r1 l e c o r d p r o p e r t y对应i o 实数型记录属性字 c h a r1 j n m o d u l a d d r 输入模块对象地址 i n t o u t m o d u l a d d r 输出模块对象地址 i n t u n i t i o 实数型工程单位 c h a r1 0 v a l l l 9t ，n 立黼刑信f i n a t f t r a n f e r 转换属性 c h a r1 d e a t h a r e a 死区范围 f l o a t r e c o r l o a t h a r e a 记录范围 f l o a t u p l i m i ti o 实数型报警上限 f l o a t d o w n l i m i t i 0 实数型报警下限 f 1 0 a t m a x l i m i t i o 实数型报警上上限 f l o a t m i n l i m i t i o 实数型报警下下限 f l o a t a l a r m g r a d e i o 实数型报警级别 i n t i ) e x i a t i o n a l a r m r i yi o 实数型偏差报警炎型 c h a r 】 d e v i a t i o n a r e a i 0 实数型偏差范围 f l o a t a l a r m a r e a 报警标志 i n t 表5 2 1实时数据库的结构设计 华中科技大学硕士学位论文 = = 一_ = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = p 帅1 i 关联一个单向链表，链表中的每一个结点对应有相同散列值的关键字。 a 川的构造如图5 3 3 所示。 每一个用户进程都维护这样一个