组态软件实时数据库的设计与实现

系统独立运行， 即在不启动开发系统的情况下运行系统可以取 得工程组态参数， 这种情况下共享内存存在一定的局限
性。所以， 通常采用文件管理系统以磁盘文件的形式保存组态 参 数 。鉴 于 ＸＭＬ 具 有 极 强的 描 述 能 力 ， 以 ＸＭＬ 作 为 组 态 参 数 的描述工具， 以 ＭＳＸＭＬ ＤＯＭ 为基础， 通 过 ＤＯＭ 提供 的 一 系列 接口函数， 取得节点中保存的数据， 完成对工程组态文件中的 组态参数的解析， 使用户可以很方便地描述工程的组态信息和 交换数据。
ｉｎｔ ｉＩｎｄｅｘ； ／／实时数据对象的序号 ＣＳｔｒｉｎｇ ｓＮａｍｅ； ／／名称 ＣＳｔｒｉｎｇ ｓＤｅｓｃｉｐｔｉｏｎ， ／／描述 ｉｎｔ ｖａｒＴｙｐｅ； ／／数 据 类 型：整 型 、长 整 型 、浮 点 型 、双 精 度 型 以及字符串型 ｉｎｔ ｖａｒＰｏｐｅｄｏｍ； ／／访问权限：只读、只写或者读写 ｉｎｔ ｖａｒＳｔｏｒａｇｅ； ／／存储类型：保存或不保存 ｉｎｔ ｖａｒＳａｆｅｔｙ； ／／安全级别：系统管理员级、普通操作员级 ＲＴＤａｔａ ｖａｉＩｎｉｔ； ／／初始值 ＲＴＤａｔａ ｖａｒＭａｘ； ／／原始最大值 ＲＴＤａｔａ ｖａｒＭｉｎ； ／／原始最小值 ＳＹＳＴＥＭＴＩＭＥ ｃｕｒＴｉｍｅ； ／／本次采集时间 ＲＴＤａｔａ ｃｕｒＶａｌｕｅ； ／／本次运行值 ＳＹＳＴＥＭＴＩＭＥ ｐｒｅＴｉｍｅ； ／／上次采集时间 ＲＴＤａｔａ ｐｒｅＶａｌｕｅ； ／／上次运行值 ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｕＣｏｌｌｅｃｔＴｉｍｅ； ／／采样周期，以毫秒为单位 ｂｏｏｌ ｉｓＳａｖｅ； ／／是否存盘 ｂｏｏｌ ｉｓＡｌａｒｍ； ／／是否报警 实时数据使用联合存储， 从而可以满足不同类型的数据对 象的要求， 联合的定义如下： ｔｙｐｅｄｅｆ ｕｎｉｏｎ ｔａｇＲｅａｌＴｉｍｅＤａｔａ ｛ ｉｎｔ ｉＶａｌｕｅ； ｌｏｎｇ ｌＶａｌｕｅ； ｆｌｏａｔ ｆＶａｌｕｅ； ｄｏｕｂｌｅ ｄＶａｌｕｅ； ＣＳｔｒｉｎｇ ｓＶａｌｕｅ； ｝ＲＴＤａｔａ； 实时数据库变量以红黑树的形式存储， 并保存在动态链接 库的全局内存中， 该块内存是由动态链接库启动时按照数据库 组态信息分配的， 分配时使用的是 Ｗｉｎｄｏｗｓ 的全局内存分配函数： ＨＧＬＯＢＡＬ ＧｌｏｂａｌＡｌｌｏｃ （ ＵＮＩＴ ｕＦｌａｇｓ， ＤＷＯＲＤ ｄｗＢｙｔｅｓ ）； 把 ｕＦｌａｇｓ 设为 ＧＭＥＭ＿ＳＨＡＲＥ， 这可以 保 证实 时 数 据库 的 共享性及最快的响应速度， 而且规模不受限制。 ３．２ 利用 ＤＬＬ 建立系统运行实时数据库系统 动 态 连 接 库 （ＤＬＬ）是 Ｗｉｎｄｏｗｓ 中 的 一 种 特 殊 的 程 序 单 元 ， 被称为非任务化的可执行模块， 它是由调用者的任务驱动的。 Ｗｉｎｄｏｗｓ 中动态连接库的单实例运行特性使得它成为存放共享 代码及资源的理想场所。通过动态连接库中的函数， 所有使用 动态连接库的应用程序可以存放动态连接库所拥有的全局数
新 行读操作， 将现场设备值写入内存缓冲区。
（５） 读写数据模块：根 据实 时 数 据库 类 对 象的 属 性 调用 相 应 的读、写方法， 实现对数据对象的读写操作。将存储在数据缓冲 区的现场值写入实时数据库的数据对象的对应属性值， 或者读 取数据对象中的当前值。
（６） 屏幕显示模块：主 要完 成 动 态显 示 、实 时趋 势 功 能， 使 图 形 、实 时 数 据 报 表 、实 时 曲 线 图 的 显 示 与 现 场 数 据 的 变 化 保 持 一致。
度。由于本文的主题是组态软件实时数据库， 所以这里我们不
对红黑树结构的复杂度进行详细的分析。
２．２ 实时数据库的功能模块
我 们 采 用 面 向 对 象 编 程 （ＯＯＰ）技 术 ， 将 实 时 数 据 库 定 义 为
类 的 形 式 。各 功 能 模 块 通 过 对 实 时 数 据 库 的 接 口 函 数 调 用 实 现
３ 实时数据库系统的实现
３．１ 实时数据模型的建立 实时数据库模型中包含三方面的内容， 一个是实时数据对 象本身， 一个是对实时数据对象的操作， 还有一个是对实时数 据对象的完整性和一致性的约束。 工 业 控 制 中 的 数 据 包 括 组 态 参 数 、实 时 数 据 、中 间 数 据 和 控制数据。组态参数作为联系开发系统和运行系统的纽带， 描 述 工 程 信 息 如 设 备 、变 量 、图 形 等 等 的 信 息 ， 以 供 运 行 系 统 加 载、识别， 生成现场监控画面的数据。实时数据反映工业现场设 备的运行情况， 可以分为模拟量、数字量和逻辑量三种。中间数 据则 是 对组 态 参 数、实 时 数 据进 行 加 工得 到 的 数据 。控 制 数 据
２ 实时数据库系统的设计
２．１ 实时数据库的存储策略 设计实时数据库系统时， 需要处理时空矛盾， 此时应优先 考虑效率的要求。实时数据库是组态软件的核心部分， 应该根 据组态软件对不同类型的数据所要求的响应速度以及数据量 的大小来制定数据的存储策略。为此， 我们采用传统的数据库 系 统 、文 件 管 理 系 统 和 内 存 缓 冲 区 三 者 相 结 合 的 方 法 ， 利 用 多 种存储介质来构造组态软件的实时数据库。 （１） 采用 Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ 作为外存数据库， 存取现场设 备的历史数据和数据量大 而组态软件无特殊要求的共享数据等， 通过实时数据库提 供的接口函数对它进行操作。 （２） 采用 文 件管 理 系 统 直 接 存 取 需 要 长 期 保 存 的 非 共 享 型 数据， 主要是组态软件的组态参数。 组态软件通常由开发系统和运行系统两部分组成， 开发系 统 与 运 行 系 统 一 般 以 两 个 独 立 的 可 执 行 文 件 的 形 式 存 在 。组 态 参数 是 由开 发 系 统生 成 的 ， 用于 描 述 诸如 设 备 、变量 、图 形 等信 息 的 ， 供运 行 系 统加 载 、识 别， 生 成 现 场监 控 画 面的 数 据 。组态
技 询、更ห้องสมุดไป่ตู้和删除等等。
（３） 通 信 模 块：通 信 模 块 管 理 现 场 设 备 ， 读 取 其 当 前 工 作 状
术 态；并根据用户命令操作现场设备。
（４） 数据采集模块：实 时数 据 库 中的 每 个 数据 对 象 都对 应 于
创 工业现场的某种实时量，
并 与 现 场 状 态 保 持 一 致 。数 据 采 集 模 块 负 责 对 指 定 设 备 进
则涉及用户对组态软件的操作， 用于控制和监测组态软件运 行 。对 于对 实 时 性要 求 较 高、反 映 工 业现 场 设 备的 运 行 情 况 的 各种实时数据， 经过抽象归纳， 我们定义了一个统一的实时数 据模 型 ， 通 过利 用 类 的继 承 、派 生、重 载 等 特性 可 以 提高 程 序 质 量， 实现实时数据库各功能模块间的高内聚、低耦合。它的基本 属性如下：
张齐：副教授 基金项目：科技部科技基础平台项目（２００３ＤＩＢ４Ｊ １３７）
参数是开发系统和运行系统之间的联系纽带。
创
组 态 参 数 可 以 通 过 多 种 形 式 进 行 传 递 ， 共 享 内 存 、磁 盘 文
新 件 等 都 可 以 用 于 组 态 参 数 传 递 。但 运 行 系 统 往 往 需 要 脱 离 开 发
（３） 采用 内 存缓 冲 区 存 取 每 个 采 样 周 期 都 要 更 新 的 数 据 如 Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ、ＤＩ、ＤＯ 值， 以及各种经常变化的实时数据。
为了 提 高实 时 数 据库 的 查 询、插 入 、删 除和 更 新 的 效 率 ， 采
用 平 衡 二 叉 树 的 数 据 结 构 来 组 织 内 存 实 时 数 据 。这 里 我 们 选 择
（华南理工大学计算机系统结构研究所）张 齐 周 博 慧
ＺＨ ＡＮ Ｇ Ｑ Ｉ ＺＨ Ｏ Ｕ ＢＯ Ｈ Ｕ Ｉ
摘要：本文 结 合 作 者 从 事 组 态 软 件 设 计 开 发 的 实 际 经 验， 介 绍 了 基 于 面 向 对 象 技 术 的 组 态 软 件 实 时 数 据 库 系 统 的 设 计 思 想
（７） 数据存 储模 块：将 需要 保 存 的数 据 存 入 ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ 数 据 库中。
（８） 报 警 模 块：读 取 数 据 对 象 的 报 警 上 下 限 ， 以 及 存 储 报 警 信息。
（９） 事故 处 理模 块：进 行事 故 判 断 、事 故 报 警（包 括 屏 幕 显 示 报 警和 声 音 报 警）、防 止 事 故 扩 大 对 有 关 设 备 的 操 作 ， 保 存 事 故 前的操作记录及现场参数值。
您的论文得到两院院士关注 文章编号：１００８－ ０５７０（２００７）０２－ ３－ ０１６１－ ０３
数据库 数据仓库 数据挖掘
组态软件实时数据库的设计与实现
Ｄｅ ｓ ｉｇ ｎ ａ ｎ ｄ Ｉｍ ｐ ｌｅ ｍ ｅ ｎ ｔａ ｔｉｏ ｎ ｏ ｆ ＲＴＤＢ ｏ ｆ Ｃｏ ｎ ｆｉｇ ｕ ｒａ ｔｉｏ ｎ Ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｏｂ ｊｅ ｃｔ － Ｏｒｉｅ ｎ ｔｅ ｄ Ｔｅ ｃｈ ｎ ｏ ｌｏ ｇ ｙ
和实现方法， 提出了利用动态连接库来建立实时数据库系统的方法， 给出了数据模型和接口机制的实现方法， 利用这种方
法建立的实时数据库系统其有全面的开放性和很强的通用性。
关键词：实时数据库；功能模块；数据模型；动态连接库；接口机制
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｐ ３１１
文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ’ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｉｎ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ， ＲＴＤＢ ｏｆ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ’ｓ ｄｅ－ ｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｏｂｊｅｃｔ － Ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔｅｄ ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｒｉｎｇｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ＲＴＤＢＳ ｕｓｉｎｇ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｌｉｎｋａｇｅ Ｌｉｂｒａｒｙ ， ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｗａｙ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｒｅａｌ－ ｔｉｍｅ ｄａｔａ ｍｏｄｕｌｅｓ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ． ＲＴＤＢＳ ｅｓｔａｂ－ ｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｏｐｅｎｎｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒｏｎｇ ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ ． Ｋｅｙ Ｗｏｒ ｄｓ：ｒ ｅａｌ－ ｔｉｍｅ ｄａｔａｂａｓｅ，ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｍｏｄｕｌｅｓ，Ｄａｔａ ｍｏｄｅｌｓ，Ｄｙｎａｍｉｃ Ｌｉｎｋａｇｅ Ｌｉｂｒ ａｒ ｙ，ｉｎｔｅｒ ｆａｃｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ