（检测技术与自动化装置专业论文）工业监控组态软件实时历史数据库的分析与实现.pdf

中文摘要 随着电力企业对信息化需求的提高，实时数据库管理系统己经成为电力企业 自动化系统中必不可少的重要部分。监控组态系统是用于工业自动化过程监视和 实时控制的应用软件，并为自动化项目提供人机接口或数据采集控制系统。通过 监控组态软件的使用，可以使操作员能够方便、直观地获取现场的实时数据，及 时监控现场的运行状况，快速查找到现场的设备故障，并能实时监视控制效果， 从而提高劳动生产率。因此，组态软件已在大型发电企业中广泛使用。 实时数据库系统的设计是组态软件设计的关键部分，也是其难点部分。本文 基于一个具有自主知识产权的实际电力机组组态软件开发系统，根据实时数据库 系统的总体需求和组态软件的系统结构，设计了一种可应用于实际机组的实时历 史数据库系统，主要进行了如下工作： 1 设计了一种存储密度大，存储空间利用率高的存储文件结构； 2 创新性的引用内存映射文件技术处理数据文件的读取，提高了数据文件的 f o 读取速度； 3 采用死区压缩和一种改进型旋转门压缩算法的压缩策略，进行数据压缩并 得到了很好的效果。 本文所依托的课题项目已经通过用户验收，所设计的实时数据库系统完全能 够满足客户需求。 关键词：组态软件；实时数据库；历史数据库；压缩算法；文件结构；内存映射 文件 分类号：t k 2 6 3 7 a b s t r a c t k e c e n t l y b e c a u s eo ft h eh i g hr e q u i r e m e n t so nt h ei n f o r m a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y o ft h e e l e c t r i cp o w e re n t e r p r i s e s ，r e a l t i m ed a t a b a s es y s t e mh a sb e c o m eo n eo f t h em o s t l m p o r t 锄tp a n s0 ft h ep o w e re n t e r p r i s ea u t o m a t i o ns y s t e m t h e c o n f i g u r a t i o ns y s t 锄o f m o n l t o n n g 塔a p p l i c a t i o ns o f t w a r ew h i c hi su s e di n t h ea u t o m a t i c i n d u s t r ya n d r e a l - t i m ec o n t r o l i tp r o v i d e sa u t o m a t i cp r o j e c tw i t h t h em a n m a c h i n ei n t e 而c e0 r s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) s y s t 锄s 0 p e r a t o r sc a n o b t a i nt h e r e a lt i m ed a t ai nt h ef i e l d c o n v e n i e n t l ya n di n t u i t i v e l ya n dt h ea i mo fm o n i t o ra tt l l er e a l t i m eb yu s i n gt h e c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eo f m o n i t o r i n g c o n s e q u e n t l y , 、他c 锄k n o wt h e 叩e r a r i n gs t a t e st i m e l ya n df i n dt h ed e v i c e st r o u b l eq u i c k l yi nt h ef i e l d t h c r e b y ，t h e p r o d u c t i v i t yw i l lb ep r o m o t e d n o w , t h e c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei sp o p u l a ri nt 1 1 ee l e 硎c p o w e re n t e r p r i s e s t h ed e s l g n i n go ft h er e a l t i m ed a t a b a s ei st h ek e y a n dt h em o s td i f f i c u l t yp a ni n t h ec o n t i g u r a t l o n s o f f w a r e a c c o r d i n gt ot h eo v e r a l ld e m a n df o rr e a l t i m ed a t a b a s e 锄d t n es y s t e ms t r u c t u r eo fc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e ，ah i s t o r yo ft h er e a l t i m ed a t a b a s e s y s t 锄w i t h1 加e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t si sd e s i g n e db a s e d0 n a c 0 加g u r a t i o ns y s t e mf o rp o w e r u n i t s t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r e l i s t e d 勰 1 ak i n d 。f s t 。r a g ef i l es t r u c t u r e 。fh i g h - d e n s i t ya n dh i g s t o r a g es p a c eu t i l i z a t i o n i sd e s i g n e d 一 2 u s i n gm e m 。驴m a p p e df i l et 。d e a lw i t hr e a d i n gd a t af i l e s ，d a t af i l e i 0s p e e d h a sb e e ne n h a n c e d j d e a d - z o n ec o m p r e s s i o na n da n i m p r o v e dc o m p r e s s i o na 1 9 0 r i t h mo ft h e s w l n g l n gd o o ro ft h ec o m p r e s s i o ns t r a t e g yi su s e dt o c o m p r e s sd a t 雹w h i c ha c h i e v e d g o o dr e s u l t s t h e l t e r nw h i c ht h et h e s i sb a s e do n h a sb e e nc h e c k e da n da c c e p t e d ，t h er e a l t j m e d a t a b a s es y s t e ms a t i s f i e sa l lt h er e q u i r e m e n t so f c l i e n t s k e y w o r d s ：c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；r e a l t i m e d a t a b a s e ；h i s t o r j c a ld a t a b a s e ： c o m p r e s s 啪a l g o r i t h m ；f i l es t r u c t u r e ；m e m o r y - m a p p e df i l e c l a s s n o ：t k 2 6 37 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签 p 例槲期：冲年 石月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 弹日嗍年 导师签名：砂钉麦、j 签字眺加净b nt g 日 致谢 在论文即将完成之际，对那些曾教导鼓励我的师长、帮助我的朋友、支持我 的亲人，表示诚挚的感谢，没有他们，不可能完成本论文的工作。 本论文的工作是在我的导师王爽心教授的悉心指导下完成的，在此向导师王 爽心教授表示深深的感谢和崇高的敬意。王爽心教授悉心指导我们完成了实验室 的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助。王老师渊博的专 业知识、严谨求实的治学态度以及孜孜不倦的科研精神一直激励着我前进。导师 诲人不倦的同时又富有启发性，不论在学业上还是做人上，她的言传身教都将使 我终生受益。 论文的研发工作是在北京某公司完成的，首先要感谢该公司的曹玉山总经理、 研发部陈君经理等给予的热情帮助和悉心指导。其次要感谢研发部王玎婷师姐、 廉昊鹏工程师、肖焰俊工程师等配合软件设计的所有工作人员，在大家的通力协 作下才能顺利迅速完成本课题的设计和现场应用。 在实验室工作及撰写论文期间，李涵、王智琴等同学对我论文中研究工作给 予了很多建议和热情帮助，在此向她们表达我的感激之情。还要感谢董肠、刘海 瑞师妹们。实验室良好、和谐、融洽、积极向上的学习和工作氛围为我的学习和 论文工作的顺利完成提供了保证。 最后，我要感谢我的父母。感谢他们对我生活上无微不至的关怀和学业上无 怨无悔的支持，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业，谨以此文 献给他们! 引言 1 1课题的研究背景和意义 1 1 1 课题来源和研究背景 1 引言 本课题作为我们实验室与北京爱信特测控技术有限公司具有自主知识产权的 合作项目p m c 通用工业监控组态软件设计的一部分，用来实现组态软件里所 需要的实时数据库系统。此软件是针对火力发电厂开发的监控组态软件，是发电 厂综合自动化系统的重要组成部分，用来针对发电机组的运行进行监视，控制和 管理。 1 1 2 研究意义 计算机自从诞生以来，无时无刻不在与数据打交道。离开了数据，计算机应 用甚至人们的绝大多数工作将无从谈起。计算机用于数据管理，早期( 2 0 世纪5 0 年代) 为文件管理，后来( 2 0 世纪6 0 年代) 发展为数据库管理。自七十年代关系 数据库诞生，数据库管理已在商务和事务型的应用领域中取得了极大的发展和广 泛的应用。以关系型为代表的三大经典类型数据库( 层次、网状、关系) 在传统 的应用领域( 商务和管理的事务性) 获得了极大的成功【i 】。 然而，随着过程工业在过去的十几年内得到了巨大的发展，传统的数据库越 来越难以满足工业发展的要求。这是因为在工业控制等场合，由于数据的实时限 制和高流量使得传统关系数据库难以得到好的效果。在传统的数据库系统中，其 设计与开发主要强调维护数据的正确性、保持系统代价低、提供友好用户接口。 关系数据库的工作集中于查询与事务处理及数据的正确性及一致性。这种数据库 系统对传统的商务( b u s i n e s s ) 和事务型应用是有效的，也是成功的，但它不适合实 时应用。最关键的是因为它不考虑与数据及其处理相联系的定时限制 ( t i m i n g c o n s t r a i n t ) ，并且这种数据库系统的性能目标不是以吞吐量和平均响应时 问而是以各个事务的限制来表示的，故传统的数据库管理系统( d b m s ) 不能满足 这种实时应用的需要。实时数据库就是为了解决传统数据库这些问题而产生的。 实时数据库系统就是是实时系统( r t s ) 和数据管理系统( d b m s ) 在概念、技术、 方法与机制的“无缝集成”( s e a m l e s si n t e g r a t i o n ) 。其具备了数据的定时性和一致 性。 随着电力体制的改革深入，厂网分开、竞价上网已成为必然趋势，电力企业 的经营方式发生了很大的变化。其发电企业自动化水平已经有了长足的提高，在 现场运行的各种控制系统( 如d c s 系统、水系统、煤系统、灰系统、脱硫系统、 电气系统等) 中，包含着大量的生产实时数据。这些数据是企业生产状况的实际 体现，同时也是优化运行、事故分析的基础。所以说在电力自动化系统中引入数 据库技术，配备实时数据库系统是优化生产运营的需要，是极其必要的【引。 在电厂监控系统中，当监控软件处于运行状态时，其能够通过界面系统实时 地反映各个被监控对象的状态，并实现预定的采集和控制策略。而在软件中需要 配置的现场对象复杂多样，与对像的数据交互方式也千差万别，而且数据量巨大， 这就需要在监控组态软件中有一个实时数据库系统作为整个系统数据处理、数据 组织和管理的核心。这导致系统一方面要维护大量的共享数据和控制知识；另一 方面其应用活动有很强的时间性，需要实时数据库技术以“识时 的数据查询、 事务优先级调度、并发控制、主动机制、历史数据的缓冲转储等来保证实时性和 确定性。现在市场上较先进的组态软件具备独立的实时数据库组件、其实时性和 数据处理、组织及管理能力有明显的提高。但出于商业的考虑、各公司对其组态 软件中的实时数据库技术细节严加保掣副1 4 j 。 因此，开发研制适合用户需求的的监控组态软件的实时数据库意义重大。 1 2工业监控组态软件简介 1 2 1 组态软件的产生及其发展 组态的概念最早来自英文c o n f i g u r a t i o n ，含义是使用软件工具对计算机及软件 的各种资源进行配置，使计算机或软件按照预先设置，达到自动执行特定任务、 满足使用者要求的目的i 引。 组态软件是完成数据采集与过程控制的专用软件，它以计算机为基本工具， 为实施数据采集、过程监控、生产控制提供了基础平台和开发环境。组态软件功 能强大，使用方便，其预先设置的各种软件模块可以非常容易地实现监控层的各 项功能，并可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接1 2 1 ，使用组态软件可以方 便、快速地进行系统集成，构造不同需求的数据采集与监控系统。 组态软件产品大约8 0 年代中期在国外出现，在中国也已有将近2 0 年的历史。 早在8 0 年代未9 0 年代初，有些国外的组态软件就开始进入中国市场，但是组态 软件在中国经历一段相当困难的时期。一开始，人们对此产品处于不认识、不了 引言 解阶段，项目中没有组态软件预算，或宁愿投入人力物力针对具体项目做长周期 的繁冗的上位机编程开发，而不采用组态软件。另一方面，由于早期进口的组态 软件价格都偏高，一般的中国用户在观念和承受能力上还较难接受，客观上制约 了这个市场的发展。 大约1 9 9 5 年底至1 9 9 6 年，随着中国改革开放的深入，人们对软件的观念有 了重大改观；早些年组态软件的应用推广工作已打下一定的基础，业内人士已经 认识到组态软件的重要性并接受它而不再热衷于在项目中搞低层次的编程开发； 一些组态软件的生产商和供货商亦逐步加大了在中国市场的推广力度，并在价格 方面做出了政策性调整；加之微软3 2 位w i n d o w s 9 5 和n t 的推出，为组态软件提 供了一个更适宜的操作系统平台，使各生产供应商同随后跟进的3 2 位组态软件产 品的性能指标和功能进一步加强。所有这些因素的综合，给组态软件在中国的市 场带来了新的生机。从那时起，更多的项目中正式有了组态软件的专项预算，各 种相关设计方案和招投标书中也都出现了单列的组态软件栏目，越来越多的专业 销售商和系统集成商加入了这个市场。现在组态软件已在中国市场确立了其应有 的地位，并逐步进入了上升期。 1 2 2 组态软件的功能特性【6 8 】 组态软件最早出现时，h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 是其主要内涵，其主要 是解决人机图形界面的问题。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、通信 及联网、开放数据库接口、对i o 设备的支持等已成为它的主要内容。 组态软件主要的组成内容：图形界面系统，实时数据库系统，第三方程序接 口组件，控制功能的组件。组态软件的主要特点： ( 1 ) 整体结构相似。监控组态软件一般都是由系统开发环境( 或组态环境) 与系 统运行环境两大部分组成。系统开发环境是自动化工程设计师为实施其控制方案， 在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境，通过 建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，供系统运行环境运行 时使用。系统运行环境将目标应用程序装入计算机内存并投入动态运行。维系组 态环境与运行环境的纽带是动态数据库。 ( 2 ) 动态多任务。在实际工业控制中，同一台计算机往往需要同时进行动态数 据的采集、处理、存储、检索、管理、输出，算法的调用，实现图形、图表的显 示，报警输出，动念通信等。 ( 3 ) 接口开放。在实际应用中，用户可以很方便地用v b 或v c + + 等编程工具 自行编制或定制所需的设备构件，装入设备工具箱，不断充实设备工具箱。很多 3 监控组态软件提供了一个高级开发向导，自动生成设备驱动程序的框架，给用户 开发i o 设备驱动程序工作提供帮助。用户还可以使用自行编写动态链接库( d l l ) 的方法在策略编辑器中挂接自己的应用程序模块。 ( 4 ) 系统安全。监控组态软件提供了一套完善的安全机制。用户能够自由组态 控制菜单、按钮和退出系统的操作权限，只允许有操作权限的操作员对某些功能 进行操作，防止意外地或非法地关闭系统、进入开发系统修改参数或者对未授权 数据进行更改等操作。一些监控组态软件还提供了工程密码、锁定软件狗、工程 运行期限等功能，来保护使用组念软件开发所得的成果，开发者还可利用这些功 能保护自己的合法权益。 1 3f 8 集散控制系统简介 本文设计的p m c 实时历史数据库系统是结合北京爱信特测控技术有限公司的 a c t c c hf 8 系统开发研究的，并结合该系统实际运行，因此有必要对该系统进行简 单介绍。 a c t e c hf 8 系统是具有数字处理能力的高性能专用计算机控制系统。a c t e c hf 8 系统具有模块化、可扩展的体系结构，可广泛用于工业和生产过程的实时控制。 下文从硬件与软件两个方面对系统进行简单的介绍。 1 3 1f 8 d c s 硬件简介 f 8 d c s 硬件由系统网络、人机接口、分散处理单元、i o 网络和过程i o 卡 件组成。现场信号通过压力变送器、热电偶等一次执行元件进入i o 卡件，并通过 i o 网络传送至分散处理器，完成工业控制的数据采集功能。分散处理器通过系统 网络向工程师站、操作员站等提供或接受实时控制信息。对于系统公共部分，采 用1 0 0 冗余设计，如分散控制器和i o 网络等。图1 1 为一个典型的f 8 d c s 硬 件系统配置图【9 j 。 ( 1 ) 系统网络 系统通过冗余的以太网接口( r j 4 5 ) 、热备连接端口( r j 4 5 ) 、冗余的d i o 通 讯连接端口( b n c ) 、r s 2 3 2 连接端口( d 型9 针公口) 等接口和铜轴电缆、双绞 线等传输介质在工控机、控制器、通讯模件和i o 模件之间建立了高效、可靠的分 布式控制网络。作为通讯主干，能够真j 下实现全双工运行，多点同步通讯，是一 个快速交换型的以太网络。 ( 2 1 人机接口 4 ；i 言 f 8 d c s 硬件系统采用高性能的工业控制机作为人机接口配置若干套操作员 站和工程师站。 ( 3 ) 分散处理单元 f 8 d c s 的分散控制器采用基于p e n t i u m p r ox 8 6 的架构，c p u 主频高达 5 3 3 m h z ；系统闪存为1 2 8 m ，程序存储空问6 4 m 并可扩展：指令时间o0 11 1s ； 支持冗余的快速以太网通讯，通讯速率高达1 0 0 mb p s ；接口丰富，支持自冗余和 快速无扰切换，并具有系统自检和运行诊断功能。 ( 4 ) 过程i 0 卡件 过程f o 卡件连接全场的数干个过程变量和可控制的终端元件设备至f 8 一d c s 系统，它与控制器的功能是分离的。所有i o 卡件均为智能型，数据采集和处理功 能包括扫描、数据整定、数字化输入和输出、线性化、热电偶冷端温度补偿等。 分散控制器仅执行控制程序、上下级通讯和自身及其f o 卡件的诊断程序。 嗣n ：i 品_ 2 一 ，2 d ”日1 6 7 ir一- ”：；嚣l l o i ；l 型 ；i 。 蛆 ： i 怒m m o u o - ol o 器m l “l m l l o 陛l1 - l 一个舆剧的f 8 ，d c s 堙忭系统配置 a t y p i c a lh a r d w a r es y s l e r ac o n f i g u r a t i o n b y f 8 d c s 1 3 2f 8 d c s 软件简介 f 8 d c s 的软件系统包括监控组态软件和程序组态软件两部分。 ( 1 ) 系统监控组态软件p m c 监控软件p m c 以w i n d o w s 9 8 n t 2 0 0 0 中文操作系统作为操作平台，具备矢量 图形、面向对象的特点，能够快捷地把整个工艺过程构成监控画面并以动画形式 显示、报警和查询历史趋势。并且具备网络在线组态、网络冗余、节点冗余、超 大数据库容量的特点，其功能结构图如图1 2 所示。 监控系统一f ：位机软件 通ii 数 讯i l 据 管li 管 理ii 理 控l l 辅 制i l 助 调il 管 整i i 理 耋li薹fi蚕li 蓁i 蓁；l 耋il蓁 图1 - 2 监控系统功能结构图 f i g 1 2c h a r to fm o n i t o r i n gs y s t e mf e a m m s p m c 包括人机界面组态程序m c d r a w e x e ，人机界面运行程序m c v i e w e x e ， 报警声音提示a l m s e x e ，历史数据查询及打印程序h i s q e x e ，事件查询及打印 e v t q e x e ，实时数据服务程序p i n e d e x e 等。此外还有与研华、施耐德、a b b 等各 种实际硬件连接的相应驱动程序【1 0 1 。 ( 2 ) 系统程序组态软件c o n d u c t o r 控制组态软件c o n d u c t o r 用于过程控制系统的设计、逻辑组态和调试，适用于 包括w i n d o w s9 8 ，w i n d o w s2 0 0 0 ，w i n d o w sx p 和w i n d o w sn t 等多种操作系统。 开发过程中，集控制、诊断、通信于一体的c o n d u c t o r 软件采用了符合i e c l l 3 1 标 准的功能块图( f b d f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m ) 和结构化文本( s t - s t r u t u r e dt e x t ) 相结合的组态方式【1 1 】，具有图形功能块编程、在线组态、文本优化、开放式构架 和支持先进控制等优点。 功能块图采用类似于数字逻辑门电路的图形符号，通过插入所需算法块，用 线条将算法连接在一起，填写适当参数，可组成多种类型的工业控制方案，具有 逻辑直观，使用方便的优点，可以解决范围广泛的逻辑问题。结构化文本语言f 8 c 6 引言 主要用于功能块的开发，其编程界面如图卜3 所示。 图i - 3c o n d u c t o r 编程界面 f i g1 - 3c o m p i l i n g i n t e r f a c e o f c o n d u c t o r 1 4 实时历史数据库概述及国内外现状 1 41 实时历史数据库概述 实时历史数据库是自动化组态软件中的一个重要组成部分。通常在工业控制 中，实时历史往往作为实时数据库系统的一部分集成在其中。它通过实时数据库 提供的通用接口进行交互。 历史数据有助于工艺流程的改进、设各性能的维护和故障原因的诊断。它一 般同趋势分析、报表生成、和打印等服务紧密结合，在实时数据库系统中发挥着 越来越重要的作用。 从性能上看，对实时历史数据库的性能要求始终围绕着以下几个方面，第一 个是要求极高的数据压缩比，用尽可能少的磁盘空间保存最多的数据信息；第二 个是希望历史数据采样的频率能够进一步提高，这样可阻提高数据的正确性和精 确性。第三个是希望存储尽可能多的点数，能够在极大规模的工业现场运用。第 四个是要有丰富多样的历史数据记录方式，阻便记录不同性质的历史数据，邯十 也为了能目磁盘存储空问，例如对于变化频率较低且时 日j 性要求不高的记录点应 采取较大的记录周期方式。第五要具有高教的历史数据查询功能，这是体现实时 历史数据库系统性能的重要标准【l “。 从需求t - 看，流程工业对实时历史数据库的需求表现在两个方面：一个是先 进控制和寅时优化等臆用的需要，它们需要的历史数据的特点是近期和实时性， 也就是说，它们需要常常或者按照某固定的周期尽快地得到近期的历史数据：另 一个是永久存储，提供实时性要求不高的历史数据查询。针对两种需求截然不同 的实施历史数据查询，可以采取两级历史数据的存储。对于第一种情况，建立内 存历史数据库，保证查询的实施、快速性，但是数据量有限；对于第二种情况， 则使用磁盘历史数据库来实现。 1 4 2 国内外常用实时数据库系统简介 1 p i 实时数据库【1 3 1 当前广泛使用的实时数据库是美国o s i 软件公司开发的p i 实时数据库系统 ( p l a n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) 。p i 实时数据库系统是应用在流程工业上层，用于记录 和分析生产数据和管理数据的数据库，它可在线存储每个工艺过程点的多年数据， 且提供了清晰准确的操作情况画面，用户既可以浏览当前的情况，也可以回顾过 去的生产情况【1 4 】。 p l 系统可实现c s 和b s 的结构配置。它所使用的智能结构可在多种系统配 置下运行p i 服务器软件，提供现场实时数据的采集和存储。p i 服务器的容量配置 灵活，从数千点的小系统到几十万点的大系统不等，每台p i 服务器都可同时与一 个或多个现场控制系统连接，并可读写几乎任何实时设备或数据库。p i 可被用来 在多个不同控制厂商的产品之间传送数据信息，这种灵活的功能和强大的结构为 实时信息系统结构设计的优化提供了极大的自由度【l 5 1 。 图l _ 4p l 实时数据库服务器系统的体系结构 f i g 1 - 4p iu d sw i t hs e r v e ra p p l i c a t i o n s ，c l i e n t s ，a n dm u l t i p l er e m o t ed a t ac o l l e c t i o nn o d e s 引言 p i 实时数据库服务器系统的体系结构图如图1 4 所示，由核心子系统、网络 管理器、服务器组件等组成。 p i 实时数据库接收来自现场的实时数据。首先在接口机里通过例外测试后， 被送往快照子系统，成为当前值；先前的快照值经过压缩后，被送到归档子系统。 p i 数据库采用旋转门压缩算法，根据数据的变化趋势进行精度可调的有损压缩， 只提取重要数据。在历史数据查询时通过数据插值快速解压缩。实时数据的产生 具有周期性和波动性特点，而每次磁盘操作都需要花费较长的时间，须要对磁盘 访问进行优化。p i 数据库设置了事件队列和归档缓存区。经过压缩算法过滤后的 实时数据被保存在事件队列中，由归档进程写入归档缓存。在事件队列已满并且 归档进程忙的情况下，事件队列中的数据将被写入磁盘文件，等归档可用时再转 入归档数据库。当归档缓存已满或者距离上次归档超过规定时间，归档缓存中的 数据将被写入归档数据库，成为历史数据。其流程图如图1 5 所示。 例外测试 现场 数据 图1 - 5p l 系统的数据流程图 f i g 1 5d a t af l o wo fp is y s t e m p i 实时数据库系统采用了旋转门压缩专利技术和独到的二次过滤技术，使进 入到p i 数据库的数据经过了最有效的压缩，极大的节省了硬盘空间。据计算每秒 一万点数据存储一年，仅需要4 g 的空间。是效率最高，使用最简单，使用最广泛 的实时数据库。 2 e d n a 实时数据库【】 作为大型实时数据库和历史数据库，e d n a ( e n t e r p r i s ed i s t r i b u t e dn e t w o r k a r c h i t e c t u r e ) 数据库系统可在线存储每个工艺过程点的多年数据，并提供清晰、精 确的操作情况画面，用户既可浏览电厂当前的生产情况，也可回顾过去的生产情 况，可以说e d n a 完全符合电厂系统数据库要求容量大、可靠性高和响应速度快 的要求。 e d n a 数据库是一种基于p 2 p ( p e e rt op e e r ) ，核心很小，可以灵活扩展的分 布式实时数据库系统。 e d n a 数据库系统在逻辑功能上分为服务器、客户端和接口。e d n a 服务器服 务包括目录服务、安全服务、b o s s 服务、历史服务、应用服务、报警服务、p u s h 9 服务、数据服务和通知服务等各组件，提供现场实时数据的采集和存储；e d n a 客 户端服务包括a l a r mv i e w 、e d n a v i e w 、e l i n k 、e z t r e n d 和计算服务等组件，最 大限度地浏览和处理生产信息；e d n a 接口软件为和e d n a 数据库的通信提供了 有力支持。e d n a 以目录服务为中心，以安全服务为外围，将e d n a 各个组件服 务包含在一个安全网络内，构成e d n a 的安全网络。e d n a 的管理员和一般用户 都是经过e d n a 安全服务的审核才能对e d n a 数据库进行访问。 在物理上，所有的e d n a 服务都是真正的分布式的。即其可以安装在一台或 多台计算机上。e d n a 各个组件服务可以分布在物理网络的任何一个地方，其各个 组件服务之间互相通讯构成e d n a 虚拟网络。因此，e d n a 的服务端和客户端并 不像其他数据库系统那样区分的十分明确，这样使得数据库的使用更加灵活。 目录服务、安全服务及其他服务的逻辑关系如图1 - 6 所示。从该图中可以看出， 在整个e d n a 系统中，各个服务在概念上讲是平等的，但在实际中由于各个服务 所起的作用、功能不同，所以所在的物理位置也不一样。目录服务在逻辑上是处 于中心位置的，也就是说，它是e d n a 系统内所有服务中最核心的服务。在启动 e d n a 其他服务之前，必须首先启动目录服务，然后由目录服务产生一系列目录列 表，用来引导各种类型的e d n a 服务的数据请求。目录服务一旦建立，它将自动 创建本地数据库文件s v c d i r d b ，将添加到系统的各项服务的信息( 如服务名，描 述，类型，创建日期等等) 保存下来。对服务目录配置完成之后，管理员可以进 行查看、修改、添加及删除服务条目的工作。服务目录可以在不同的计算机上创 建，其应用灵活方便。e d n a 各服务之间在个体上是独立的，不依赖于其他的e d n a 服务，而在整体上是相互关联的。 e d n a 目录服务和安全服务 萋ii 萎lj 萋ii 粪ij 蓁ii 蓁lj 蓁jl 萎jj 蓁 图1 - 6e d n a 服务分布 f i g 1 - 6e d n as e r v e rd i s t r i b u t i n g 如果一个用户想查询某个点一段时间的数据，用户将先发请求给服务目录， 服务目录通过里面包含的信息找到包含这些数据的服务的地址，然后返回给用户， 用户因此得以与所需的服务通讯，获得想要的信息。其通讯架构如图1 7 所示。 l o 引言 图l - 7e d n a 通讯架构 f i g 1 - 7e d n ac o m m u n i c a t i o nm o d e l e d n a 接口软件为现场和e d n a 数据库的通信提供了有力的工具。接口分为 三大类：定制接口为集散控制系统( d c s ) 和可编程逻辑控制器( p l c ) 等控制系统提 供的专用接口；标准接1 2 1 为提供支持工业标准的数据通信接e l ，如o p c m o d b u s 等；d n a - a p i ( d n a - a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 为第三方软件与e d n a 数据 库通信提供的应用程序接口。 e d n a 系统选择的数据压缩算法是以哈夫曼编码为基础的无损压缩。哈夫曼算 法首先是对数据集合中进行统计分析，并且通过将数据添加到哈夫曼树中来实现。 其优势在于：出现概率大的字符使用较少的位来描述，出现概率小的字符用较多 的位来描述，这样充分节约了空间，使资源得到最优利用。 3 w o n d e r w a r ei n d u s t r i a l s q ls e r v e r 实时数据库【1 7 1 w o n d e r w a r e 公司的l n d u s t f i a l s q l 是目前功能强大，性能卓越的实时关系型数 据库。它完美的解决了关系型数据库在存储和管理工厂环境下快速产生的大量的 实时数据时遇到的问题。它和m i c r o s o f ts q ls e r v e r 相结合，既能高效获取和处理 实时数据，又具有m ss q ls e r v e r 强大的数据库管理功能。它具有以下技术要点： ( 1 ) 它直接从大量的w o n d e r w a r ei 0s e r v e r 中获取数据。用w o n d e r w a r ei o s e r v e r 可以连结大量的数据源，使得i n d u s t r i a l s q ls e r v e r 可以直接存储来自于各种 不同设备的数据。它的存储速度要比传统关系型数据库快1 0 0 倍以上。 ( 2 ) 由于需要存储工业现场快速产生的大量数据，i n d u s t r i a l s q ls e r v e r 采用了 高效的实时压缩算法，使i n d u s t r i a l s q ls e r v e r 只用较小的存储空间就可以存储大 量的数据，它所需要的存储空间只是传统关系型数据库管理系统所需要的存储空 间的2 。 ( 3 ) s q l 语言虽然功能强大，但是它并不适合处理连续产生的大量数据。 i n d u s t r i a l s q ls e r v e r 扩展了内置的m ss q ls e r v e r 所使用的t r a n s a c ts q l 语言。使 它具备了查询连续的大容量数据的能力，它支持数据“分辨率 并能连续查询， 并内置了众多的时间域函数。满足了工业上需要查询和处理历史和实时数据的要 求。 ( 4 ) i n d u s t r i a l s q ls e r v e r 具有强大、灵活的事件系统。使用i n d u s t r i a l s q ls e r v e r 灵活的事件定义功能，我们可以定义复杂的事件。而且，我们还可以定义事件响 应动作，当所定义的事件发生时，系统会自动执行相应的动作。使我们可以对特 殊事件进行特殊处理。利用i n d u s t r i a l s q ls e r v e r 的事件功能，还可以实现“概要 数据的自动计算。 ( 5 ) i n d u s t r i a l s q ls e r v e r 内置了m ss q ls e r v e r 。使它具有和m ss q ls e r v e r 同样功能强大的数据库管理功能。i n d u s t r i a l s q ls e r v e r 的配置信息都存放在m s s q ls e r v e r 中，数据库的管理功能由m ss q ls e r v e r 实现，所有的实时和历史数据 都可以通过m ss q ls e r v e r 查询得到。 ( 6 ) i n d u s t r i a l s q ls e r v e r 采用了c l i e n t s e r v e r 结构，保证了数据的完整性和安 全性，并使客户桌面程序访问服务器数据更加方便、灵活。为客户程序提供了一 个访问工厂数据的统一接口。通过i n d u s t r i a l s q ls e r v e r ，客户程序可以访问工厂的 实时、历史数据，配置信息，统计数据，生产数据等所有信息。并且，由于 i n d u s t r i a l s q ls e r v e r 采用s q l 语言作为查询语言，使工厂中各个部分的数据具有 了广泛的开放性和灵活性。 i n d u s t r i a l s q ls e r v e r 采用了专门优化设计的算法来采集和存储模拟量和开关 量，在相同的硬件条件下，m d u s t r i a l s q ls e r v e r 的性能超过所有的传统关系型数据 库，使把高速产生的数据存储到关系型数据库成为可能。 w o n d e r w a r e 使用众多的i os e r v e r 来连接超过7 5 0 种控制和数据采集设备。 每个i os e r v e r 采集的数据都包含了时间戳和质量戳，并具有很高的数据采集速 率。i n d u s t r i a l s q ls e r v e r 采用的动态压缩算法是无所压缩算法，保证了数据的高分 辨率和高质量。 4 i n f o p l u s 2 1 实时数据库系统i l 8 】 i n f o p l u s 2 1 是美国a s p e n t e c h 公司的产品，是国际上最广泛使用的一个过程信 息系统开发软件包，其核心是一个实时数据库，外层有多个满足不同需要的层次 化产品，可作为工厂实施c i m s 的软件平台之一。i n f o p l u s 2 1 把生产装置操作信息、 生产数据、实验室数据及事务管理数据有机的结合在一起，填补了管理与控制的 火缝，起到了上下贯通、管理和控制系统的信息一体化的作用。 现代的过程信息管理系统要求能集成了大量的控制监测层的实时数据，并能 把这些数据提供给决策支持系统。为实现这种需求，并适应未来的发展，a s p e n t e c h 公司开发i n f o p l u s 2 1 ，一个企业内实时数据管理、监测、分析的软件包。i n f o p l u s 2 1 能适应多种开放系统，具有独立的平台，采用客户机月艮务器模式，使用s q l 存取 模式与其它的决策支持系统互联。i n f o p l u s 2 1 提供一个高度灵活的图形用户按口以 显示实时数据结构和历史趋势曲线，实时数据包括d c s 、p l c 、罐区系统、化验 1 2 引言 系统和其它数据源的信息。 用户能够通过多种桌面系统存取i n f o p l u s 2 1 的数据，包括w i n d o w s n t , w i n d o w s9 5 ，o rm s w i n d o w s3 1 。i n f o p l u s 2 1 具有用户组态数据结构和流程 图、多种主机系统数据存取、实时数据和历史数据分析工具、支持先进控制、生 产优化管理的特性。 i n f o p l u s 2 1 是企业的理想产品，除以上提到的特性外，还具有如下特点： ( 1 ) 适应性。l n f o p l u s 2 1 允许用户创建或修改数据结构。例如，一个有六种不 同的报警状态，则可在i n f o p l u s 2 1 的记录中创建六种报警级别。这种功能使 i n f o p l u s 2 1 能适应各种用户要求并提供安全确认。许多实时数据库只提供固定的数 据结构，对于用户的不同需求都只能处理到已存在的数据结构上。 ( 2 ) 实时性。多数实时数据库采集外部设备时，对同一个外部设备的各个位号， 只能以同一种频率采集。i n f o p l u s 2 1 能够接收主动提供的数据而不必等到下一个采 集周期，这使i n f o p l u s 2 1 能高度实时地反映现场的变化。 ( 3 ) 连通性。任何具有开放结构的系统都很容易和i n f o p l u s 2 1 连按，因为用户 能够创建合适的数据结构来满足特定设备的需求。a s p e n t e c h 还提供全功能的a p i 开发工具包开发接口和集成程序。许多用户利用a p i 开发出自己的接口程序。 ( 4 ) 分布式的系统。几个位于不同分厂的i n f o p l u s 2 1 系统能够共享信息。桌面 用户能够存取任何网络连接的i n f o p l u s 2 1 系统的信息。 ( 5 ) s q l 查询。i n f o p l u s 2 1 的s q l 功能允许