自動化測控系統實時數據庫設計

陳雙全

（武漢船舶職業技術學院，湖北 武漢 430050）

1 引言

自動化測控系統是一種無人為直接參與下的控制系統，按照預定程序控制生產設備完成預期生產任務。它主要是由傳感器、PLC、工控機、工控軟件、數據庫等部分組成，傳感器實時采集測控對象信息，通過PLC與上位機通信進行數據交換，工控軟件進行過程監控管理，數據庫則負責數據的處理與存儲[1]。隨著工業生產過程中對溫度、流量、速度、頻率等物理量即時控制需求的不斷提高，對數據庫限時處理數據的要求也越來越高，如：實時過程控制、實時監控、實時仿真等。而傳統數據庫其對數據的處理主要追求數據的一致性和完整性，而在定時限制中明顯不足，無法達到數據處理與應用的即時效果，為此亟需一款實時數據庫滿足自動化測控系統應用的需求。

2 實時數據庫系統體系結構設計

自動化測控系統一方面采集生產現場的實時數據，另一方面對數據進行監控管理，其中架設在二者之間實時數據庫系統結構的穩定性對于數據管理與應用具有關鍵性的作用。本文采用“高內聚低耦合”的思想對實時數據庫系統采用三層架構（3-tier architecture）進行設計，將數據庫整個業務的應用劃分為界面層（User Interface layer）、業務邏輯層（Business Logic Layer）和數據訪問層（Data Access Layer）。界面層為用戶提供數據的可視化操作，如：報表服務、數據分析應用等；業務邏輯層進行數據的應用處理，如：組態服務、實時數據服務、歷史數據服務等；數據訪問層進行數據的采集與通信[2]，實時數據庫系統架構如圖1所示。

圖1 實時數據庫系統架構

采用三層架構設計可以清楚劃分系統各層次的功能，界面層是基于WinCC數據庫的應用客戶端，利用OPC接口訪問數據庫，進行數據報表的處理、圖形的加工及其他應用。業務邏輯層由實時數據服務、歷史數據服務、組態服務等部分組成，實時數據服務提供實時數據的讀取與腳本語言的執行；歷史數據服務提供歷史數據的查詢與視圖展示；組態服務是系統配置與初始化工具。數據訪問層接口軟件利用OPC、串口、以太網等獲取PLC、智能儀表等實時采集的數據，寫入WinCC數據庫中，為了保證不同接口的獨立性對每個接口進行封裝，使接口軟件相互獨立。

3 實時數據庫系統功能設計

目前，自動化測控系統廣泛應用于工業生產、農業生產、軍事技術等多個領域，如：工業方面的機械制造系統；農業方面的大棚溫控系統；軍事方面的制導與控制系統等。這些系統對實時數據庫系統的基礎功能要求主要包括：數據實時采集、實時測控、快速處理和完整存儲的功能[3]。

3.1 實時采集功能

自動化測控系統采用傳感器、智能儀表等通過PLC模擬量輸入和RS-485總線網絡與上位機通信，實時數據庫系統對采集的數據進行實時處理、存儲和應用。實時數據庫的即時采集功能利用WinCC接口作為數據采集接口與各類通信接口進行通信，首先對不同的類型接口進行封裝，其次，使用腳本語言調用不同的接口，將采集到數據傳輸到實時數據庫中。

3.2 實時測控功能

自動化測控系統的各個檢測點采集到的數據通過接口軟件發送到WinCC數據庫后進行實時管理，將實時數據與設定的數據參數進行比較，通過設置數據參數范圍對測控目標的運行狀態進行管理，并生成動態的數據趨勢圖。若采集到的數據出現異常，即數據值超過了參數設定的最大或最小范圍，則會向PLC控制端發出預警或者是向PLC發出控制指令。

3.3 數據處理功能

數據處理功能是對檢驗數據進行處理，一方面計算數據在規定時間內的統計量，另一方面生成可視化曲線便于檢驗分析。實時數據庫系統的數據處理分為兩個部分，一部分有WinCC數據庫進行實時數據的處理，生產動態的報表及圖形，另一部分有WinCC轉存到SQL Server服務器中進行長期存儲，可用于歷史數據的分析和數據挖掘。

3.4 數據存儲功能

數據存儲功能是對采集到的數據進行分類存儲，包括內存存儲、WinCC存儲和SQL存儲[4]。其中內存存儲響應效率高，存儲速度快，用于即時存儲數據；WinCC數據庫接收實時采集到的數據進行實時數據服務；SQL Server存儲體量大，需要長期存儲和進行歷史數據分析的數據可以通過WinCC數據庫轉儲到SQL Server服務器中進行歷史查詢與數據分析。

數據存儲功能由自動化測控系統的PLC經過接口寫入WinCC自定義數據庫SQL Server，并轉存到SQL數據服務器中，用于永久保存。當調用數據時，通過網絡調用SQL服務器中的數據，按照定義模板顯示數據報表和視圖。

4 實時數據庫系統數據模型設計

自動化測控系統采集到的數據包含多種類型，要針對數據管理對象、存儲內容及業務需求對數據進行分類管理，用數據模型描述具有共性特征根的數據。

4.1 變量模型

結合自動化測控系統采集和存儲數據的需求，利用變量模型對數據進行分類，將其劃分為過程變量、內部變量和腳本變量三種類型。過程變量是用來存儲現場采集數據的變量，包括通信的數據地址和在項目中使用的名稱；內部變量是用來存儲數據的變量，主要是用戶錄入的數據；腳本變量是用戶編輯腳本程序時定義的變量，主要是用戶設置數據。

4.2 數據存儲模型

自動化測控系統的數據包括過程數據、管理數據和組態數據。過程數據是系統實時采集的過程數據，數據數量小，實時需求高的數據主要存儲在WinCC數據庫中，數據量大、需要加工的數據通過WinCC自定義數據庫傳輸到SQL Server數據庫服務器中進行長期的存儲；管理數據包括組態信息數據、系統日志、參數設置等，主要存儲在配置文件或者注冊表中；組態數據如服務器信息、變量存儲在組態文件中[5]。數據存儲分類如圖2所示。

圖2 數據存儲分類

4.3 數據服務模型

自動化測控系統實時數據經過接口軟件寫入WinCC數據庫，長期存儲的數據經過轉儲到SQL Server數據服務器，用戶可以通過WinCC數據庫進行實時數據的應用，如實時報表和動態曲線圖形等，通過SQL Server數據服務器進行歷史數據的查詢與分析。數據服務流圖如圖3所示。

圖3 數據服務流圖

自動化測控系統需要實時數據庫能夠提供OPC(OLE for Process Control)、ODBC(Open Database Connectivity)、Web等多種數據服務方式。OPC服務方式能夠使系統作為OPC客戶端訪問實時數據庫中的數據，并對數據進行分析；ODBC服務方式能夠支持SQL查詢ODBC訪問模塊，便于客戶端實時獲取檢測數據，實現實時數據庫與關系數據庫的無縫連接；Web服務方式支持數據的遠程管理與應用。

5 實時數據庫系統實現

基于實時數據庫系統的功能及數據模型，采用面向對象的設計方法對系統主要功能予以實現。主要包括：數據采集業務實現、數據存儲業務實現和數據庫通訊業務實現。

5.1 數據采集業務實現

WinCC數據庫采用腳本語言實現數據的預處理、讀寫、量程及單位轉換等功能，基于ActiveX Scripting技術控制應用程序。實時數據庫系統數據采集由WinCC數據采集接口根據控制系統通訊方式和系統結構進行接口類型的封裝，利用腳本語言調用不同接口類型，實現將不同采集控制系統采集到的數據寫入WinCC數據庫。

5.2 數據存儲業務實現

實時數據庫系統數據存儲分為兩個部分，一部分是WinCC數據庫系統，該系統對實時數據進行存取，為了保證數據的實時交互，建立內存數據庫。將自動化測控系統中由PLC、智能儀表等采集到的數據存儲到實時數據庫中，根據用戶需求進行實時觀測，或者是在WinCC數據庫中調取數據繪制曲線和打印報表。另一部分是SQL Server服務器，WinCC數據庫中需要長期保存的數據轉儲到SQL Server服務器中，當需要分析數據時，通過WinCC數據庫調取SQL Server服務器中的數據進行分析。

5.3 數據庫通訊業務實現

自動化測控系統的采集系統將實時數據利用ODBC連接WinCC數據庫。根據所需連接的SQL Server服務器名稱、數據庫名稱、數據表名稱確定連接字符串，實現連接的主要程序：

Set objCon=CreateObject("ADODB.Connection")

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

DATABASE="數據名稱"

為了使數據既可以實時檢測又可以進行歷史數據分析，將WinCC數據庫中需要長期存儲的數據轉儲到SQL Server服務器上，同時利用WinCC數據庫也可以調用SQL Server服務器中的數據進行數據分析，二者實現數據交換。采用ADO（ActiveX Data Objects）技術進行操作，利用Connection對象建立數據源連接，Command命令操作數據庫，Recordset記錄集對數據進行維護。

6 結語

實時數據庫是工業自動化生產的核心，是實現生產調度與過程控制的基礎，它連接設備控制網絡與管理網絡，提供完整實時數據采集、存儲、管理與應用功能。通過采用WinCC數據庫與SQL Server服務器相結合的方式能實現檢測數據的實時處理與交換，其中WinCC數據庫進行數據的即時處理，SQL Server服務器進行數據的存儲與分析，二者之間進行數據的共享與交換，基本滿足測控系統對工業自動化生產數據服務的需求。