一个DCS系统软件体系的设计.doc

一个DCS系统软件体系的设计(二)系统数据库的设计The Design of Software Architecture in DCS System郑宗汉摘要：本文叙述一个DCS系统数据库的设计，说明了系统数据库的组成及其关系模式，系统中分布式数据库的建立、分布式数据库中实时数据的刷新方法，以及内存中实时数据库的组织。关键词： DCS系统，分布式数据库Abstract:The paper describes the design of DCS system databases，explains componentand relational mode of system databases， illustrations how to build the distributed databases in system，and refresh mechanism of real-time data in the distributed databases，and scheme of real-time databases in memory。Keyword: DCS system, distributed database 1 系统数据的组织DCS系统的运行，包括系统组态和系统监控两大部分。系统组态牵涉到系统配置、过程控制组态、工艺流程图生成和报表生成等多项内容，而系统监控要按照所组态的要求和条件，进行控制、监视和操作。所有这些，牵涉到成千上万个数据，这些数据，分布在各个监控级和过程级设备之中。如何组织这些数据和操作这些数据，便成了分散型系统设计的一个重要内容。系统的一切活动，实际上是对这成千上万个数据进行操作。可以把它们统一在一个数据库里进行，按照关系数据库模式来组织和建立它们。例如，过程控制组态这一项目，包含了对模拟量输出入、数字量输出入等数十个项目的组态。而对模拟量输入，必须规定它们的上下限量程、工程单位、采样周期、信号处理方式、报警处理方式和报警范围等等。对此，可以定义如下一个数据结构： 字段名称 数据类型 字段属性 字段说明 其他 ID I4 DU 全局标识 （略） ST B DU 状态字 ALT I6 DU 最后报警时间 RU I DU 当前码值 FRU F DU 当前工程值 CZ B CFC 操作字 AS B CFC 报警级别及屏敝 UT I CF 工程单位 SU F CF 量程上限 SD F CF 量程下限 EV F CFC 仿真操作值 FT I CF 滤波方式 CT I CF 转换类型 CC I CF 转换系数 CJ I CF 冷端补偿 IL F CFC 变化率限制值 IS F CFC 变化率不灵敏区 AH F CFC 上限报警值 AHH F CFC 上上限报警值 AL F CFC 下限报警值 ALL F CFC 下下限报警值 AD F CFC 报警不灵敏区 SF I CF 采样周期 CN I CF 通道号 PI I CF 分布式数据库点序 RS I CF 刷新周期 NAME S CF 工位号 DS S CF 描述 由此，确定了模拟量输入AI文件的文件结构。AI文件的每一个记录，由上述所有字段组成。其中，字段属性标记为DU的字段，是必须实时刷新的字段；标记为CF的字段，是必须组态的字段；标记为CFC 的字段，是必须组态且可以由操作人员操作的字段，如此等等。于是，在这个结构里，定义了对模拟量所可能进行的各种操作，以及进行相应处理所必要的参数。类似于此，对系统的所有过程点和控制点，定义它们的数据结构。组态时，按数据结构建立各类过程点和控制点的相应文件。于是，在整个系统中，建立了由这些文件所组成的全局数据库。2 数据库的构成把系统数据库划分为系统配置库SYSB、算法程序库ALGB、过程对象库PROB、运算控制库CTRB、画面操作库DISB和日常维护库MAIB等等，按照关系模式来建立它们。系统配置库SYSB由系统配置文件，模板配置文件等等组成，其中的每一个元素称为一个配置点，它描述系统各种软硬件部件的配置，其内容包括该配置点的全局标识、外部名称、状态及有关的事务操作及参数。算法程序库ALGB由各种运算控制子程序组成，每一个子程序称为一个算法模块。它主要由系统提供，用户也可通过系统，定义自己的算法模块。算法库由二部分组成，一部分是由算法模块本身组成的子程序库，一部分是描述算法模块的算法描述文件。它说明算法名称、参数描述、入口、估计最坏的运行时间等等。过程对象库PROB由模拟量输出入文件AI、AO、数字量输出入文件DI、DO、脉冲量输入文件PI等等组成。它描述过程对象的构成及操作的有关所有信息，其中的每一个元素称为一个过程点。其内容包括该过程点的全局标识、外部名称、状态及有关的事务操作及参数。运算控制库CTRB由报警监视块文件、运算控制块文件、顺序控制块文件、计算块文件等等组成，它描述系统的控制策略。其中的每一个元素称为一个监控点，其内容包括该监控点的全局标识、外部名称、状态（包括运算结果）、所引用的算法模块名称、输入源、控制参数等等。画面操作库DISB由操作组文件、趋势组文件、工艺流程图文件、各种细目文件等组成，它描述人对系统的监控操作事务。其中的每一个元素称为一个显示操作点，其内容包括该点的全局标识、外部名称、状态，有关的事务操作及参数。日常维护库MAIB，由各种报表文件、报表定义文件、历史数据文件、历史数据定义文件、实时趋势文件、实时趋势定义文件、及运行日记文件等等组成，它们描述系统的各种日常维护和操作事务。其中的每一个元素分别称为报表文件点，历史数据点、实时趋势点等等，其内容包括全局标识、外部名称、状态、及有关的事务操作和参数。上述数据库除MAIB外，均以内存数据库形式存放于带电池后备的RAM 中，而原始数据库和MAIB则存放在磁盘。3 分布式数据库的建立上述数据文件，分布于系统的各个节点之中，以上数据库中的所有文件，它们之中的每一个元素，都赋予一个全局标识，它由节点号，文件代码及记录序号组成。于是，元素的全局标识，构成元素在全系统中的名字空间。系统中的数据操作，以此全局标识为基础进行。操作的最大粒度为一个记录，最小粒度为记录中的一个字段。如果记局部于节点Pi所建立的数据库，标以下标i，记Di = SYSBi,PROBi,CTRBi *Di = Di,ALGB 则 *Di为局部于节点Pi的数据库，它是局部于节点Pi的所有配置点、过程点、监控点、以及算法库文件的集合。则D = D1,D2, *D = D,DISB,MAIB 为系统的全局数据库。在操作站中建立系统的全局数据库，而在过程控制站中，建立局部于该节点的局部数据库。于是，在系统中建立了一个分布式的数据库。3 投影数据库的建立为了便于和加快系统中实时数据的刷新，在各个节点中建立投影数据库。如果记Adui为过程站节点i 中A 数据库所有实时数据的投影，其中，A可以为SYSB、PROB、CTRB等，记Ddui = SYSBdui,PROBdui,CTRBdui i=1,2为过程站Pi的一个数据库，它是数据库Di中，所有实时数据的投影，在过程站及其通信控制器的共享存储器中，建立Ddui。同样，记Ddu = Ddu1,Ddu2.为操作站的一个数据库，它是数据库D 中所有实时数据的投影，在操作站及其通信控制器的共享存储器中建立Ddu。系统组态时，对数据库中的每一个元素，组态其刷新事务的周期。按刷新周期Tj，在过程站建立若干个刷新队列LSQj，和周期刷新任务LSTj，在操作站建立若干个刷新队列SQj、 和周期刷新任务STj。 按周期Tj启动过程站的任务LSTj，把过程站数据库Di中周期为Tj的所有的元素的实时数据，拷贝到Dduj，同时向通信控制器发出命令，把这些内容通过网络广播出去，从而刷新其他站Ddui及操作站Ddu的有关内容，同样在操作站，以周期Tj/2启动任务STj，从Ddu中把周期为Tj的所有实时数据拷贝到D，于是实现了系统数据库的刷新。4 内存数据库的组织把数据库建立在内存中，才能适应过程控制的实时要求，而大容量存器的出现，为建立内存数据库提供了条件。为了对数据库中数据项的访问，能尽可能快地进行定位，系统中所有文件，赋予一个内部文件代码，作为该文件的文件内部标识。文件中的每一个记录，以工位号（或记录名称）作为该记录的外部名称，而以记录的ID字段，作为该记录的内部标识。记录的ID字段，由节点号、文件代码、记录序号组成，它组成了该记录在全系统中的名字空间。对每一个节点，建立一个文件目录索引表，用于描述该节点中每一个文件的信息。表中每一个项目，由如下内容组成：FLID 文件内部代码FLNAME 文件名字FLTYPE 文件类型RECORDN 文件记录个数RECORDL 文件记录长度FILEDN 文件中每一个记录的字段个数FLSTRUCTP 文件的文件结构指针FLADDR 文件起始地址指针分散型控制系统内部的文件，可分为两大部分，一部分是用于过程控制及监视的文件，如模拟量输入文件AI、模拟量输出文件AO、数字量输入文件DI、数字量输出文件DO、运算控制块文件BC、工艺流程图文件EW、报表格式文件RF等等。它们有确定的文件格式，除工艺流程图文件EW、报表格式文件RF等外，它们分布于系统中的各个节点。另一部分虽有确定的文件格式，也用于过程监控，但一般存放于局部操作站，如背景位图、历史数据等等。第三部分是用户随机建立的，一般和过程控制无关，它们不是系统所固有的，没有确定的文件格式。系统仅对第一部分，在内存建立它们的数据库。由于它们有确定的文件格式，给每一个文件赋予一个文件内部代码，并按自然数序列生成。于是，用有序表建立各个节点的文件目录索引表，用文件内部代码作关键字，便可十分迅速地定位该文件的起始地址及其他参数。每一个文件的文件记录个数RECORDN ，限定了每一个文件的长度，也限定了内存数据库的大小。可用它来判断内存数据库所需的存储容量。系统初启时，置为缺省值，在系统配置组态时,根据实际使用的过程控制点和其他有关内容的点数，来改变RECORDN值，从而改变内存数据库的规模。文件中记录的字段个数FILEDN，确定每一个记录中所包含数据项的数目。文件结构指针FLSTRUCTP 指向该文件的文件结构。文件结构中的每一个项目FILDS，说明记录中每一个字段的具体属性，FILDS包含如下内容：FILID 字段序号FILNAME 字段名字FILTYPE 字段数据类型FILAT 字段属性FILOFF 字段相对于记录起址的偏移位置FILSELP 字段的输入选择指针FILCHP 字段的输入范围检查指针于是，可用如下形式来组织内存中的数据库：由此，给定一记录的全局标识ID和字段序号L，便可由ID中包含的节点号I、文件内部代码J及记录序号K，从节点I目录索引表的第J个目录，确定该文件的起址FLADDR、该文件每一个记录的长度RECORDL、及字段L相对于记录起址的偏移量FILOFF，假定记录从零开始排序，则该记录的位置RECOREAD，可由下式确定 RECORDAD = FLADDR + ( K - 1 ) * RECORDL而字段的位置FILEDAD，可由下式确定：FIELDAD = FLADDR + ( K - 1 ) * RECORDL + FILOFF = RECORDAD + FILOFF参考文献：1Foxblo Inc：I/A Series Integrated Control Software Concepts。2Westinghouse Inc：WDPF Engineers Console Users Guide。3ABB Process Automa