陳雙全

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050）

1 引言

自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)是一種無(wú)人為直接參與下的控制系統(tǒng)，按照預(yù)定程序控制生產(chǎn)設(shè)備完成預(yù)期生產(chǎn)任務(wù)。它主要是由傳感器、PLC、工控機(jī)、工控軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)等部分組成，傳感器實(shí)時(shí)采集測(cè)控對(duì)象信息，通過(guò)PLC與上位機(jī)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，工控軟件進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控管理，數(shù)據(jù)庫(kù)則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)[1]。隨著工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)溫度、流量、速度、頻率等物理量即時(shí)控制需求的不斷提高，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)限時(shí)處理數(shù)據(jù)的要求也越來(lái)越高，如：實(shí)時(shí)過(guò)程控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)仿真等。而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)其對(duì)數(shù)據(jù)的處理主要追求數(shù)據(jù)的一致性和完整性，而在定時(shí)限制中明顯不足，無(wú)法達(dá)到數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用的即時(shí)效果，為此亟需一款實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)滿(mǎn)足自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用的需求。

2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)一方面采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，另一方面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控管理，其中架設(shè)在二者之間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對(duì)于數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用具有關(guān)鍵性的作用。本文采用“高內(nèi)聚低耦合”的思想對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用三層架構(gòu)（3-tier architecture）進(jìn)行設(shè)計(jì)，將數(shù)據(jù)庫(kù)整個(gè)業(yè)務(wù)的應(yīng)用劃分為界面層（User Interface layer）、業(yè)務(wù)邏輯層（Business Logic Layer）和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層（Data Access Layer）。界面層為用戶(hù)提供數(shù)據(jù)的可視化操作，如：報(bào)表服務(wù)、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用等；業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行數(shù)據(jù)的應(yīng)用處理，如：組態(tài)服務(wù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)等；數(shù)據(jù)訪問(wèn)層進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與通信[2]，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)架構(gòu)

采用三層架構(gòu)設(shè)計(jì)可以清楚劃分系統(tǒng)各層次的功能，界面層是基于WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用客戶(hù)端，利用OPC接口訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)表的處理、圖形的加工及其他應(yīng)用。業(yè)務(wù)邏輯層由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)、組態(tài)服務(wù)等部分組成，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的讀取與腳本語(yǔ)言的執(zhí)行；歷史數(shù)據(jù)服務(wù)提供歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)與視圖展示；組態(tài)服務(wù)是系統(tǒng)配置與初始化工具。數(shù)據(jù)訪問(wèn)層接口軟件利用OPC、串口、以太網(wǎng)等獲取PLC、智能儀表等實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，寫(xiě)入WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)中，為了保證不同接口的獨(dú)立性對(duì)每個(gè)接口進(jìn)行封裝，使接口軟件相互獨(dú)立。

3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

目前，自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，如：工業(yè)方面的機(jī)械制造系統(tǒng)；農(nóng)業(yè)方面的大棚溫控系統(tǒng)；軍事方面的制導(dǎo)與控制系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能要求主要包括：數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)測(cè)控、快速處理和完整存儲(chǔ)的功能[3]。

3.1 實(shí)時(shí)采集功能

自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)采用傳感器、智能儀表等通過(guò)PLC模擬量輸入和RS-485總線網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通信，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、存儲(chǔ)和應(yīng)用。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的即時(shí)采集功能利用WinCC接口作為數(shù)據(jù)采集接口與各類(lèi)通信接口進(jìn)行通信，首先對(duì)不同的類(lèi)型接口進(jìn)行封裝，其次，使用腳本語(yǔ)言調(diào)用不同的接口，將采集到數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2 實(shí)時(shí)測(cè)控功能

自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)的各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)接口軟件發(fā)送到WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)后進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)定的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行比較，通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)參數(shù)范圍對(duì)測(cè)控目標(biāo)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理，并生成動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖。若采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，即數(shù)據(jù)值超過(guò)了參數(shù)設(shè)定的最大或最小范圍，則會(huì)向PLC控制端發(fā)出預(yù)警或者是向PLC發(fā)出控制指令。

3.3 數(shù)據(jù)處理功能

數(shù)據(jù)處理功能是對(duì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一方面計(jì)算數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的統(tǒng)計(jì)量，另一方面生成可視化曲線便于檢驗(yàn)分析。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理分為兩個(gè)部分，一部分有WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理，生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的報(bào)表及圖形，另一部分有WinCC轉(zhuǎn)存到SQL Server服務(wù)器中進(jìn)行長(zhǎng)期存儲(chǔ)，可用于歷史數(shù)據(jù)的分析和數(shù)據(jù)挖掘。

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)，包括內(nèi)存存儲(chǔ)、WinCC存儲(chǔ)和SQL存儲(chǔ)[4]。其中內(nèi)存存儲(chǔ)響應(yīng)效率高，存儲(chǔ)速度快，用于即時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)接收實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)；SQL Server存儲(chǔ)體量大，需要長(zhǎng)期存儲(chǔ)和進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)可以通過(guò)WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到SQL Server服務(wù)器中進(jìn)行歷史查詢(xún)與數(shù)據(jù)分析。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能由自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)的PLC經(jīng)過(guò)接口寫(xiě)入WinCC自定義數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server，并轉(zhuǎn)存到SQL數(shù)據(jù)服務(wù)器中，用于永久保存。當(dāng)調(diào)用數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)用SQL服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，按照定義模板顯示數(shù)據(jù)報(bào)表和視圖。

4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)包含多種類(lèi)型，要針對(duì)數(shù)據(jù)管理對(duì)象、存儲(chǔ)內(nèi)容及業(yè)務(wù)需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)管理，用數(shù)據(jù)模型描述具有共性特征根的數(shù)據(jù)。

4.1 變量模型

結(jié)合自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的需求，利用變量模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，將其劃分為過(guò)程變量、內(nèi)部變量和腳本變量三種類(lèi)型。過(guò)程變量是用來(lái)存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的變量，包括通信的數(shù)據(jù)地址和在項(xiàng)目中使用的名稱(chēng)；內(nèi)部變量是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的變量，主要是用戶(hù)錄入的數(shù)據(jù)；腳本變量是用戶(hù)編輯腳本程序時(shí)定義的變量，主要是用戶(hù)設(shè)置數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型

自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括過(guò)程數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和組態(tài)數(shù)據(jù)。過(guò)程數(shù)據(jù)是系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的過(guò)程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)數(shù)量小，實(shí)時(shí)需求高的數(shù)據(jù)主要存儲(chǔ)在WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)量大、需要加工的數(shù)據(jù)通過(guò)WinCC自定義數(shù)據(jù)庫(kù)傳輸?shù)絊QL Server數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中進(jìn)行長(zhǎng)期的存儲(chǔ)；管理數(shù)據(jù)包括組態(tài)信息數(shù)據(jù)、系統(tǒng)日志、參數(shù)設(shè)置等，主要存儲(chǔ)在配置文件或者注冊(cè)表中；組態(tài)數(shù)據(jù)如服務(wù)器信息、變量存儲(chǔ)在組態(tài)文件中[5]。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分類(lèi)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分類(lèi)

4.3 數(shù)據(jù)服務(wù)模型

自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)接口軟件寫(xiě)入WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)，長(zhǎng)期存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到SQL Server數(shù)據(jù)服務(wù)器，用戶(hù)可以通過(guò)WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，如實(shí)時(shí)報(bào)表和動(dòng)態(tài)曲線圖形等，通過(guò)SQL Server數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)與分析。數(shù)據(jù)服務(wù)流圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)服務(wù)流圖

自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)能夠提供OPC(OLE for Process Control)、ODBC(Open Database Connectivity)、Web等多種數(shù)據(jù)服務(wù)方式。OPC服務(wù)方式能夠使系統(tǒng)作為OPC客戶(hù)端訪問(wèn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；ODBC服務(wù)方式能夠支持SQL查詢(xún)ODBC訪問(wèn)模塊，便于客戶(hù)端實(shí)時(shí)獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的無(wú)縫連接；Web服務(wù)方式支持?jǐn)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理與應(yīng)用。

5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的功能及數(shù)據(jù)模型，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法對(duì)系統(tǒng)主要功能予以實(shí)現(xiàn)。主要包括：數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)通訊業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)。

5.1 數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)

WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)采用腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理、讀寫(xiě)、量程及單位轉(zhuǎn)換等功能，基于ActiveX Scripting技術(shù)控制應(yīng)用程序。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集由WinCC數(shù)據(jù)采集接口根據(jù)控制系統(tǒng)通訊方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行接口類(lèi)型的封裝，利用腳本語(yǔ)言調(diào)用不同接口類(lèi)型，實(shí)現(xiàn)將不同采集控制系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)。

5.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分為兩個(gè)部分，一部分是WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，為了保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，建立內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)。將自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)中由PLC、智能儀表等采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)用戶(hù)需求進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，或者是在WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取數(shù)據(jù)繪制曲線和打印報(bào)表。另一部分是SQL Server服務(wù)器，WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)中需要長(zhǎng)期保存的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到SQL Server服務(wù)器中，當(dāng)需要分析數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取SQL Server服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

5.3 數(shù)據(jù)庫(kù)通訊業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)的采集系統(tǒng)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)利用ODBC連接WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)所需連接的SQL Server服務(wù)器名稱(chēng)、數(shù)據(jù)庫(kù)名稱(chēng)、數(shù)據(jù)表名稱(chēng)確定連接字符串，實(shí)現(xiàn)連接的主要程序：

Set objCon=CreateObject("ADODB.Connection")

strCon="DRIVER"={SQLserver};SERVER=LINLIN-PC/WINCC;

DATABASE="數(shù)據(jù)名稱(chēng)"

為了使數(shù)據(jù)既可以實(shí)時(shí)檢測(cè)又可以進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)分析，將WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)中需要長(zhǎng)期存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到SQL Server服務(wù)器上，同時(shí)利用WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)也可以調(diào)用SQL Server服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，二者實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。采用ADO（ActiveX Data Objects）技術(shù)進(jìn)行操作，利用Connection對(duì)象建立數(shù)據(jù)源連接，Command命令操作數(shù)據(jù)庫(kù)，Recordset記錄集對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)。

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的核心，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度與過(guò)程控制的基礎(chǔ)，它連接設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)，提供完整實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理與應(yīng)用功能。通過(guò)采用WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)與SQL Server服務(wù)器相結(jié)合的方式能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理與交換，其中WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的即時(shí)處理，SQL Server服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析，二者之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享與交換，基本滿(mǎn)足測(cè)控系統(tǒng)對(duì)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)的需求。