一個(gè)DCS系統(tǒng)軟件體系的設(shè)計(jì)

1、一個(gè)DCS系統(tǒng)軟件體系的設(shè)計(jì)(二)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)The Design of Software Architecture in DCS System鄭宗漢摘要：本文敘述一個(gè)DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，說(shuō)明了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的組成及其關(guān)系模式，系統(tǒng)中分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的刷新方法，以及內(nèi)存中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的組織。關(guān)鍵詞： DCS系統(tǒng)，分布式數(shù)據(jù)庫(kù)Abstract:The paper describes the design of DCS system databases，explains componentand relational mode of system databases，

2、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 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的組織DCS系統(tǒng)的運(yùn)行，包括系統(tǒng)組態(tài)和系統(tǒng)監(jiān)控兩大部分。系統(tǒng)組態(tài)牽涉到系統(tǒng)配置、過(guò)程控制組態(tài)、工藝流程圖生成和報(bào)表生成等多項(xiàng)內(nèi)容，而系統(tǒng)監(jiān)控要按照所組態(tài)

3、的要求和條件，進(jìn)行控制、監(jiān)視和操作。所有這些，牽涉到成千上萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)，分布在各個(gè)監(jiān)控級(jí)和過(guò)程級(jí)設(shè)備之中。如何組織這些數(shù)據(jù)和操作這些數(shù)據(jù)，便成了分散型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容。系統(tǒng)的一切活動(dòng)，實(shí)際上是對(duì)這成千上萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作?？梢园阉鼈兘y(tǒng)一在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)里進(jìn)行，按照關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式來(lái)組織和建立它們。例如，過(guò)程控制組態(tài)這一項(xiàng)目，包含了對(duì)模擬量輸出入、數(shù)字量輸出入等數(shù)十個(gè)項(xiàng)目的組態(tài)。而對(duì)模擬量輸入，必須規(guī)定它們的上下限量程、工程單位、采樣周期、信號(hào)處理方式、報(bào)警處理方式和報(bào)警范圍等等。對(duì)此，可以定義如下一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： 字段名稱 數(shù)據(jù)類型 字段屬性 字段說(shuō)明 其他 ID I4 DU 全局標(biāo)識(shí) （略

4、） ST B DU 狀態(tài)字 ALT I6 DU 最后報(bào)警時(shí)間 RU I DU 當(dāng)前碼值 FRU F DU 當(dāng)前工程值 CZ B CFC 操作字 AS B CFC 報(bào)警級(jí)別及屏敝 UT I CF 工程單位 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 濾波方式 CT I CF 轉(zhuǎn)換類型 CC I CF 轉(zhuǎn)換系數(shù) CJ I CF 冷端補(bǔ)償 IL F CFC 變化率限制值 IS F CFC 變化率不靈敏區(qū) AH F CFC 上限報(bào)警值 AHH F CFC 上上限報(bào)警值 AL F CFC 下限報(bào)警值 ALL F CFC 下下限報(bào)警值 AD F CFC

5、 報(bào)警不靈敏區(qū) SF I CF 采樣周期 CN I CF 通道號(hào) PI I CF 分布式數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)序 RS I CF 刷新周期 NAME S CF 工位號(hào) DS S CF 描述 由此，確定了模擬量輸入AI文件的文件結(jié)構(gòu)。AI文件的每一個(gè)記錄，由上述所有字段組成。其中，字段屬性標(biāo)記為DU的字段，是必須實(shí)時(shí)刷新的字段；標(biāo)記為CF的字段，是必須組態(tài)的字段；標(biāo)記為CFC 的字段，是必須組態(tài)且可以由操作人員操作的字段，如此等等。于是，在這個(gè)結(jié)構(gòu)里，定義了對(duì)模擬量所可能進(jìn)行的各種操作，以及進(jìn)行相應(yīng)處理所必要的參數(shù)。類似于此，對(duì)系統(tǒng)的所有過(guò)程點(diǎn)和控制點(diǎn)，定義它們的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。組態(tài)時(shí)，按數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立各類過(guò)程點(diǎn)和控

6、制點(diǎn)的相應(yīng)文件。于是，在整個(gè)系統(tǒng)中，建立了由這些文件所組成的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)。2 數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)成把系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)劃分為系統(tǒng)配置庫(kù)SYSB、算法程序庫(kù)ALGB、過(guò)程對(duì)象庫(kù)PROB、運(yùn)算控制庫(kù)CTRB、畫面操作庫(kù)DISB和日常維護(hù)庫(kù)MAIB等等，按照關(guān)系模式來(lái)建立它們。系統(tǒng)配置庫(kù)SYSB由系統(tǒng)配置文件，模板配置文件等等組成，其中的每一個(gè)元素稱為一個(gè)配置點(diǎn)，它描述系統(tǒng)各種軟硬件部件的配置，其內(nèi)容包括該配置點(diǎn)的全局標(biāo)識(shí)、外部名稱、狀態(tài)及有關(guān)的事務(wù)操作及參數(shù)。算法程序庫(kù)ALGB由各種運(yùn)算控制子程序組成，每一個(gè)子程序稱為一個(gè)算法模塊。它主要由系統(tǒng)提供，用戶也可通過(guò)系統(tǒng)，定義自己的算法模塊。算法庫(kù)由二部分組成，一部分是

7、由算法模塊本身組成的子程序庫(kù)，一部分是描述算法模塊的算法描述文件。它說(shuō)明算法名稱、參數(shù)描述、入口、估計(jì)最壞的運(yùn)行時(shí)間等等。過(guò)程對(duì)象庫(kù)PROB由模擬量輸出入文件AI、AO、數(shù)字量輸出入文件DI、DO、脈沖量輸入文件PI等等組成。它描述過(guò)程對(duì)象的構(gòu)成及操作的有關(guān)所有信息，其中的每一個(gè)元素稱為一個(gè)過(guò)程點(diǎn)。其內(nèi)容包括該過(guò)程點(diǎn)的全局標(biāo)識(shí)、外部名稱、狀態(tài)及有關(guān)的事務(wù)操作及參數(shù)。運(yùn)算控制庫(kù)CTRB由報(bào)警監(jiān)視塊文件、運(yùn)算控制塊文件、順序控制塊文件、計(jì)算塊文件等等組成，它描述系統(tǒng)的控制策略。其中的每一個(gè)元素稱為一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，其內(nèi)容包括該監(jiān)控點(diǎn)的全局標(biāo)識(shí)、外部名稱、狀態(tài)（包括運(yùn)算結(jié)果）、所引用的算法模塊名稱、輸入源

8、、控制參數(shù)等等。畫面操作庫(kù)DISB由操作組文件、趨勢(shì)組文件、工藝流程圖文件、各種細(xì)目文件等組成，它描述人對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控操作事務(wù)。其中的每一個(gè)元素稱為一個(gè)顯示操作點(diǎn)，其內(nèi)容包括該點(diǎn)的全局標(biāo)識(shí)、外部名稱、狀態(tài)，有關(guān)的事務(wù)操作及參數(shù)。日常維護(hù)庫(kù)MAIB，由各種報(bào)表文件、報(bào)表定義文件、歷史數(shù)據(jù)文件、歷史數(shù)據(jù)定義文件、實(shí)時(shí)趨勢(shì)文件、實(shí)時(shí)趨勢(shì)定義文件、及運(yùn)行日記文件等等組成，它們描述系統(tǒng)的各種日常維護(hù)和操作事務(wù)。其中的每一個(gè)元素分別稱為報(bào)表文件點(diǎn)，歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)、實(shí)時(shí)趨勢(shì)點(diǎn)等等，其內(nèi)容包括全局標(biāo)識(shí)、外部名稱、狀態(tài)、及有關(guān)的事務(wù)操作和參數(shù)。上述數(shù)據(jù)庫(kù)除MAIB外，均以內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)形式存放于帶電池后備的RAM 中，而

9、原始數(shù)據(jù)庫(kù)和MAIB則存放在磁盤。3 分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的建立上述數(shù)據(jù)文件，分布于系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之中，以上數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有文件，它們之中的每一個(gè)元素，都賦予一個(gè)全局標(biāo)識(shí)，它由節(jié)點(diǎn)號(hào)，文件代碼及記錄序號(hào)組成。于是，元素的全局標(biāo)識(shí)，構(gòu)成元素在全系統(tǒng)中的名字空間。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)操作，以此全局標(biāo)識(shí)為基礎(chǔ)進(jìn)行。操作的最大粒度為一個(gè)記錄，最小粒度為記錄中的一個(gè)字段。如果記局部于節(jié)點(diǎn)Pi所建立的數(shù)據(jù)庫(kù)，標(biāo)以下標(biāo)i，記Di = SYSBi,PROBi,CTRBi *Di = Di,ALGB 則 *Di為局部于節(jié)點(diǎn)Pi的數(shù)據(jù)庫(kù)，它是局部于節(jié)點(diǎn)Pi的所有配置點(diǎn)、過(guò)程點(diǎn)、監(jiān)控點(diǎn)、以及算法庫(kù)文件的集合。則D = D1,D2,

10、*D = D,DISB,MAIB 為系統(tǒng)的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)。在操作站中建立系統(tǒng)的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，而在過(guò)程控制站中，建立局部于該節(jié)點(diǎn)的局部數(shù)據(jù)庫(kù)。于是，在系統(tǒng)中建立了一個(gè)分布式的數(shù)據(jù)庫(kù)。3 投影數(shù)據(jù)庫(kù)的建立為了便于和加快系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的刷新，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)中建立投影數(shù)據(jù)庫(kù)。如果記Adui為過(guò)程站節(jié)點(diǎn)i 中A 數(shù)據(jù)庫(kù)所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的投影，其中，A可以為SYSB、PROB、CTRB等，記Ddui = SYSBdui,PROBdui,CTRBdui i=1,2為過(guò)程站Pi的一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，它是數(shù)據(jù)庫(kù)Di中，所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的投影，在過(guò)程站及其通信控制器的共享存儲(chǔ)器中，建立Ddui。同樣，記Ddu = Ddu1,Ddu2.為操

11、作站的一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，它是數(shù)據(jù)庫(kù)D 中所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的投影，在操作站及其通信控制器的共享存儲(chǔ)器中建立Ddu。系統(tǒng)組態(tài)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的每一個(gè)元素，組態(tài)其刷新事務(wù)的周期。按刷新周期Tj，在過(guò)程站建立若干個(gè)刷新隊(duì)列LSQj，和周期刷新任務(wù)LSTj，在操作站建立若干個(gè)刷新隊(duì)列SQj、 和周期刷新任務(wù)STj。 按周期Tj啟動(dòng)過(guò)程站的任務(wù)LSTj，把過(guò)程站數(shù)據(jù)庫(kù)Di中周期為Tj的所有的元素的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，拷貝到Dduj，同時(shí)向通信控制器發(fā)出命令，把這些內(nèi)容通過(guò)網(wǎng)絡(luò)廣播出去，從而刷新其他站Ddui及操作站Ddu的有關(guān)內(nèi)容，同樣在操作站，以周期Tj/2啟動(dòng)任務(wù)STj，從Ddu中把周期為Tj的所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)拷貝到D，于是實(shí)

12、現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的刷新。4 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的組織把數(shù)據(jù)庫(kù)建立在內(nèi)存中，才能適應(yīng)過(guò)程控制的實(shí)時(shí)要求，而大容量存器的出現(xiàn)，為建立內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)提供了條件。為了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)項(xiàng)的訪問(wèn)，能盡可能快地進(jìn)行定位，系統(tǒng)中所有文件，賦予一個(gè)內(nèi)部文件代碼，作為該文件的文件內(nèi)部標(biāo)識(shí)。文件中的每一個(gè)記錄，以工位號(hào)（或記錄名稱）作為該記錄的外部名稱，而以記錄的ID字段，作為該記錄的內(nèi)部標(biāo)識(shí)。記錄的ID字段，由節(jié)點(diǎn)號(hào)、文件代碼、記錄序號(hào)組成，它組成了該記錄在全系統(tǒng)中的名字空間。對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，建立一個(gè)文件目錄索引表，用于描述該節(jié)點(diǎn)中每一個(gè)文件的信息。表中每一個(gè)項(xiàng)目，由如下內(nèi)容組成：FLID 文件內(nèi)部代碼FLNAME 文件名字FLT

13、YPE 文件類型RECORDN 文件記錄個(gè)數(shù)RECORDL 文件記錄長(zhǎng)度FILEDN 文件中每一個(gè)記錄的字段個(gè)數(shù)FLSTRUCTP 文件的文件結(jié)構(gòu)指針FLADDR 文件起始地址指針?lè)稚⑿涂刂葡到y(tǒng)內(nèi)部的文件，可分為兩大部分，一部分是用于過(guò)程控制及監(jiān)視的文件，如模擬量輸入文件AI、模擬量輸出文件AO、數(shù)字量輸入文件DI、數(shù)字量輸出文件DO、運(yùn)算控制塊文件BC、工藝流程圖文件EW、報(bào)表格式文件RF等等。它們有確定的文件格式，除工藝流程圖文件EW、報(bào)表格式文件RF等外，它們分布于系統(tǒng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。另一部分雖有確定的文件格式，也用于過(guò)程監(jiān)控，但一般存放于局部操作站，如背景位圖、歷史數(shù)據(jù)等等。第三部分是用

14、戶隨機(jī)建立的，一般和過(guò)程控制無(wú)關(guān)，它們不是系統(tǒng)所固有的，沒(méi)有確定的文件格式。系統(tǒng)僅對(duì)第一部分，在內(nèi)存建立它們的數(shù)據(jù)庫(kù)。由于它們有確定的文件格式，給每一個(gè)文件賦予一個(gè)文件內(nèi)部代碼，并按自然數(shù)序列生成。于是，用有序表建立各個(gè)節(jié)點(diǎn)的文件目錄索引表，用文件內(nèi)部代碼作關(guān)鍵字，便可十分迅速地定位該文件的起始地址及其他參數(shù)。每一個(gè)文件的文件記錄個(gè)數(shù)RECORDN ，限定了每一個(gè)文件的長(zhǎng)度，也限定了內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的大小?？捎盟鼇?lái)判斷內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)所需的存儲(chǔ)容量。系統(tǒng)初啟時(shí)，置為缺省值，在系統(tǒng)配置組態(tài)時(shí),根據(jù)實(shí)際使用的過(guò)程控制點(diǎn)和其他有關(guān)內(nèi)容的點(diǎn)數(shù)，來(lái)改變RECORDN值，從而改變內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)模。文件中記錄的字段個(gè)數(shù)

15、FILEDN，確定每一個(gè)記錄中所包含數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)目。文件結(jié)構(gòu)指針FLSTRUCTP 指向該文件的文件結(jié)構(gòu)。文件結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)項(xiàng)目FILDS，說(shuō)明記錄中每一個(gè)字段的具體屬性，F(xiàn)ILDS包含如下內(nèi)容：FILID 字段序號(hào)FILNAME 字段名字FILTYPE 字段數(shù)據(jù)類型FILAT 字段屬性FILOFF 字段相對(duì)于記錄起址的偏移位置FILSELP 字段的輸入選擇指針FILCHP 字段的輸入范圍檢查指針于是，可用如下形式來(lái)組織內(nèi)存中的數(shù)據(jù)庫(kù)：由此，給定一記錄的全局標(biāo)識(shí)ID和字段序號(hào)L，便可由ID中包含的節(jié)點(diǎn)號(hào)I、文件內(nèi)部代碼J及記錄序號(hào)K，從節(jié)點(diǎn)I目錄索引表的第J個(gè)目錄，確定該文件的起址FLADDR、

16、該文件每一個(gè)記錄的長(zhǎng)度RECORDL、及字段L相對(duì)于記錄起址的偏移量FILOFF，假定記錄從零開始排序，則該記錄的位置RECOREAD，可由下式確定 RECORDAD = FLADDR + ( K - 1 ) * RECORDL而字段的位置FILEDAD，可由下式確定：FIELDAD = FLADDR + ( K - 1 ) * RECORDL + FILOFF = RECORDAD + FILOFF參考文獻(xiàn)：1Foxblo Inc：I/A Series Integrated Control Software Concepts。2Westinghouse Inc：WDPF Engineer's Console User's Guide。3ABB Proc