工控系統(tǒng)中實時數(shù)據(jù)庫關鍵技術研究與實現(xiàn)

　　 文章介紹了在面向工控自動化過程的實時監(jiān)控系統(tǒng)建設中，實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設計。針對實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點，分析了實時數(shù)據(jù)庫的功能模塊、存儲結構、事務調(diào)度和并發(fā)控制等關鍵技術并給出了具體實現(xiàn)方法。在實現(xiàn)過程中采用了多媒體定時器、內(nèi)存映射文件、多線程、同步對象等技術，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和強實時性。

　　1 引言

　　現(xiàn)代工業(yè)的特點要求全過程的實時監(jiān)控，高速的實時數(shù)據(jù)處理、長期的歷史數(shù)據(jù)存儲以及生產(chǎn)信息的集成與共享。要滿足上述對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的處理要求僅靠大量采用集散控制系統(tǒng)(DCS)和關系數(shù)據(jù)庫技術并不能完全解決問題。DCS數(shù)據(jù)存儲能力有限，同時企業(yè)中異構的DCS無法進行有效的數(shù)據(jù)共享。而關系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)處理速度低，無法對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進行及時高效的存儲。

　　為了解決上述問題，實時數(shù)據(jù)庫作為一個關鍵的支撐技術引入工業(yè)控制系統(tǒng)。在生產(chǎn)設備運行過程中，實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實時采集設備的運行數(shù)據(jù)，隨時掌握裝置的運行情況，并通過對生產(chǎn)過程的關鍵數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控分析，對出現(xiàn)的問題即時進行處理，使生產(chǎn)的運行狀態(tài)保持平穩(wěn)。實時數(shù)據(jù)庫還是是連接工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)與企業(yè)上層管理系統(tǒng)的橋梁，企業(yè)可以通過實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)平臺，為經(jīng)營決策、計劃調(diào)度、先進過程控制，質(zhì)量監(jiān)控等分系統(tǒng)提供同一的數(shù)據(jù)平臺。

　　2 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概念和特點

　　實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(RTDBS)就是其事務和數(shù)據(jù)都可以有定時特性或顯式的定時限制的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。系統(tǒng)的正確性不僅依賴于邏輯結果，而且還依賴于邏輯結果產(chǎn)生的時間。對于實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的一致性和執(zhí)行的周期性是重要的目標，由于在實時系統(tǒng)中經(jīng)常以固定的時間周期收集被控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，相應的控制系統(tǒng)也必須周期性地處理數(shù)據(jù)和作出響應;由于傳統(tǒng)的關系型數(shù)據(jù)庫在一些時限要求嚴格的場合不能滿足實時系統(tǒng)對數(shù)據(jù)實時性的要求，而內(nèi)存直接尋址是一種具有高速的數(shù)據(jù)訪問方式，在技術上采用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫是解決這一問題的理想解決方案。

　　整個實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)方案的設計分為駐內(nèi)和留外兩個部分，駐內(nèi)部分即為內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，是實時數(shù)據(jù)庫的主體，存儲形式可采用順序結構，B樹結構或多目錄搜索哈希技術(散列技術)。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫定時進行事務處理，對超過一定時間的數(shù)據(jù)從內(nèi)存中清除，寫到外存數(shù)據(jù)庫中。外存數(shù)據(jù)庫即磁盤數(shù)據(jù)庫或歷史數(shù)據(jù)庫，用于歷史記錄分析，報表生成答應或相關決策等等。本系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫采用的是Microsoft公司的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品SQLServer。

　　3 關鍵技術研究和實現(xiàn)

　　3.1數(shù)據(jù)的實時采集

　　在工業(yè)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集程序的實時性和穩(wěn)定性對于整個工控系統(tǒng)的性能起著至關重要的作用。Windos提供的定時器TImer遠達不到要求，必須使用精度更高的定時器來取代。

　　Windows系統(tǒng)下的多媒體定時器API函數(shù)timeSetevent和timeKillEvent就能很好的滿足實時性的要求。該多媒體定時器工作在自己的線程內(nèi)，且它的線程優(yōu)先級(threadprioritylevel)設定為THREAD_PRIORITY_TIME_CRITICAL,這比絕大部分的線程優(yōu)先權數(shù)值都高，相比工作在用戶界面線程內(nèi)的Timer定時器來說，它不受消息機制的影響，能夠達到很高的定時精度。它的最高定時精度能夠達到1ms,能夠滿足較高實時性的要求。

　　3.2內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術

　　內(nèi)存數(shù)據(jù)庫指數(shù)據(jù)庫常駐內(nèi)存及事務的數(shù)據(jù)存取只涉及內(nèi)存。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫是支持實時事務的一種最佳技術，其本質(zhì)特征是其“主拷貝”或“工作版本”常駐內(nèi)存，活動事務只與實時內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的內(nèi)存拷貝交互，顯然，它需要較大的內(nèi)存量。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫可以簡記為MMDB。MMDB的“工作版本”常駐內(nèi)存，在任何一個事務執(zhí)行過程中沒有內(nèi)外存間數(shù)據(jù)I/O。這為系統(tǒng)較準確估算和安排事務的運行時間、實現(xiàn)事務的定時限制打下了基礎，從而滿足外部事務應用對響應時間和事務吞吐率的需求。

　　3.2.1利用內(nèi)存映射文件共享內(nèi)存

　　共享內(nèi)存是實時數(shù)據(jù)庫核心技術之一。所謂內(nèi)存映射文件，即在內(nèi)存中申請一塊內(nèi)存空間，將一個文件與這塊空間相聯(lián)系，再進行內(nèi)存映射，這樣，操作文件就有和操作內(nèi)存一樣的效率，幾個進程可以通過操作該映射文件，實現(xiàn)進程間在內(nèi)存一級的高速數(shù)據(jù)交互。當采用內(nèi)存映射文件方式時，Windows對于再次使用該文件的進程不在創(chuàng)建新的映射文件對象而共享前一段內(nèi)存映射對象，并將該對象映射成兩個地址空間，這種機制不僅有效地利用了內(nèi)存，同時也實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享。要在Windows2000下實現(xiàn)內(nèi)存讀寫一級的數(shù)據(jù)通信效率，唯一的辦法就是使用內(nèi)存映射文件。內(nèi)存映射文件使用方法如下：

　　(1)創(chuàng)建或打開文件內(nèi)核對象

　　創(chuàng)建或打開一個文件內(nèi)核對象，總要調(diào)用CreateFileCreateFile函數(shù)：HANDLECreateFile

　　(2)創(chuàng)建一個文件映射內(nèi)核對象。