【文章內容簡介】 時數(shù)據(jù)庫組態(tài)開發(fā)階段，不考慮實時性問題:運行狀態(tài)是實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要狀態(tài)，它不同于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的執(zhí)行模式，是一種基于優(yōu)先級的事務執(zhí)行模式。一旦系統(tǒng)進入實時運行模式，系統(tǒng)就根據(jù)事先定義的事務優(yōu)先級進行執(zhí)行，不能動態(tài)增減。因此監(jiān)控組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分為以下幾個部分：組態(tài)數(shù)據(jù)庫(數(shù)據(jù)典)、事件庫、主動規(guī)則庫及其規(guī)則編輯系統(tǒng)、優(yōu)先級庫、歷史數(shù)據(jù)庫、內存實時數(shù)據(jù)庫和實時運行系統(tǒng)。(1) 組態(tài)數(shù)據(jù)庫由于其主要用于系統(tǒng)項目工程的特殊配置，記錄項目中的設備配置情況，數(shù)據(jù)點的屬性，時間相關性等，考慮到充分利用操作系統(tǒng)的功能和現(xiàn)有成熟技術的廉價性，采用傳統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫，用于記錄組態(tài)信息，以便構造實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。如今傳統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫發(fā)展比較成熟，各個公司都開發(fā)出相應的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)比如 ORACLE, SQLSERVER, ACCESS, FOXPRO 等，為了方便不同數(shù)據(jù)庫的互聯(lián)，各數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都對統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫訪問接口提供了支持，比如 ODBC, DAO, ADO 等。ADO 是目前在 Windows 環(huán)境中比較流行的客戶端數(shù)據(jù)庫編程技術。(2) 事件(報警)數(shù)據(jù)庫事件庫也可稱為報警庫。當系統(tǒng)的 1/0 數(shù)據(jù)發(fā)生故障或故障狀態(tài)變化11 / 62時(如故障結束時)，系統(tǒng)的操作站通過聲音、文字、變色、圖形閃爍等方式通知操作人員，以引起注意。報警數(shù)據(jù)庫通過報警確定唯一性，記錄報警類型、文本信息、音頻報警的支持文件、報警條件、響應操作等信息。報警數(shù)據(jù)庫的功能:①對從實時數(shù)據(jù)庫中獲取的數(shù)據(jù)對象的值或狀態(tài)，與報警數(shù)據(jù)庫中的報警設置值進行比較，判斷是否產(chǎn)生報警。②記錄用戶對報警的響應。③將報警狀態(tài)及用戶對報警的響應等信息通知整個系統(tǒng)，并將相關信息存入指定的歷史數(shù)據(jù)庫。由于報警數(shù)據(jù)庫主要是針對實時數(shù)據(jù)進行比較和處理，基于實時數(shù)據(jù)庫完成操作。在物理層、邏輯層和視圖層上的數(shù)據(jù)模型和處理方式與實時數(shù)據(jù)管理基本相同，開發(fā)工具也相同。目前廣泛使用的工業(yè)組態(tài)軟件將其并入實時數(shù)據(jù)庫。(3) 主動規(guī)則庫及其規(guī)則編輯系統(tǒng)報警與否的評測正是主動規(guī)則的體現(xiàn)。對于復雜的情形，某種事務活動有可能與多個數(shù)據(jù)狀態(tài)相關，多個數(shù)據(jù)狀態(tài)必須滿足一定條件，事務活動才能觸發(fā)執(zhí)行，因此主動規(guī)則庫功能如下:(事件與條件)；；，則觸發(fā)執(zhí)行相應的活動。主動機制規(guī)則的編輯是系統(tǒng)組態(tài)的一部分。在運行狀態(tài)下，也需要載入內存中以提高運行速度，系統(tǒng)線程周期性掃描該規(guī)則庫，同時觸發(fā)相應的事務。(4) 優(yōu)先級庫其功能在于評測實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級狀態(tài)，為事務調度提供依據(jù)。該優(yōu)先級與數(shù)據(jù)點的實時特性和現(xiàn)在的時間息息相關，為了滿足系12 / 62統(tǒng)的時間一致性和定時限制，動態(tài)調整優(yōu)先級，使最需要更新的數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)資源。從而保證實時性。(5) 歷史數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)庫是一種時態(tài)數(shù)據(jù)庫，它存儲的是隨時間變化的信息，具有時間相關性。是按一定的策略將實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)值、報警事件、記錄事件進行存儲，形成一種數(shù)據(jù)表。在監(jiān)控組態(tài)系統(tǒng)中，有些數(shù)據(jù)是需要以時間作為橫坐標進行歷史存儲的，為系統(tǒng)將來的決策提供歷史依據(jù)。大規(guī)模，頻繁的磁盤調度不僅減慢系統(tǒng)的運行，而且也降低磁盤的使用壽命，甚至造成系統(tǒng)癱瘓破壞。因此歷史數(shù)據(jù)的轉儲機制也相當重要，為了不丟失歷史數(shù)據(jù)，又減輕磁盤的I/0 重負，引入歷史數(shù)據(jù)的緩沖技術。緩沖區(qū)滿，才將數(shù)據(jù)轉儲到磁盤上，緩沖區(qū)的大小，可以根據(jù)系統(tǒng)可用內存和歷史數(shù)據(jù)的采樣周期而定。即便如此，我們又會看到新的問題，歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量是很大的，而磁盤的容量有限，怎樣才能保證系統(tǒng)不會因磁盤容限而導致系統(tǒng)癱瘓。一種是采用數(shù)據(jù)壓縮技術，盡可能使磁盤能存儲更大的數(shù)據(jù)量。再就是，當磁盤容量到達危險容量值時，做出報警，要求將歷史數(shù)據(jù)轉儲到別的備份磁盤。二者結合起來就能保證歷史數(shù)據(jù)的正常轉儲。(6) 內存實時數(shù)據(jù)庫內存實時數(shù)據(jù)庫包含對內存數(shù)據(jù)庫的訪問、數(shù)據(jù)庫索引、歷史數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、內存實時數(shù)據(jù)的時間戮，以及實時數(shù)據(jù)本身的各種屬性，是系統(tǒng)交互的核心區(qū)，系統(tǒng)驅動運行的數(shù)據(jù)來源。(7) 實時運行系統(tǒng)利用 Windows 多線程機制，在多線程內完成事件管理，實時事務優(yōu)先級分派，實時調度算法(價值函數(shù)評估優(yōu)先級)，實時并發(fā)控制策略，歷13 / 62史數(shù)據(jù)緩沖轉儲以及主動機制等功。 MCGS 組態(tài)軟件的系統(tǒng)構成 MCGS 組態(tài)軟件的整體結構MCGS 軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分，如圖 所示。組態(tài)環(huán)境相當于一套完整的工具軟件，幫助用戶設計和構造自己的應用系統(tǒng)。運行環(huán)境則按照組態(tài)環(huán)境中構造的組態(tài)工程，以用戶指定的方式運行，并進行各種處理，完成用戶組態(tài)設計的目標和功能。組態(tài)環(huán)境：組態(tài)生成應用系統(tǒng)運行環(huán)境：解釋執(zhí)行組態(tài)結果組態(tài)結果數(shù)據(jù)圖 MCGS 組態(tài)軟件的整體結構MCGS 組態(tài)環(huán)境是生成用戶應用系統(tǒng)的工作環(huán)境，由可執(zhí)行程序 支持，其存放于 MCGS 目錄的 Program 子目錄中。用戶在MCGS 組態(tài)環(huán)境中完成動畫設計、設備連接、編寫控制流程、編制工程打印報表等全部組態(tài)工作后， 的工程文件，又稱為組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫，其與 MCGS 運行環(huán)境一起，構成了用戶應用系統(tǒng)，統(tǒng)稱為“工程” 。MCGS 運行環(huán)境是用戶應用系統(tǒng)的運行環(huán)境，由可執(zhí)行程序 支持，其存放于 MCGS 目錄的 Program 子目錄中。在運行環(huán)境中完成對工程的控制工作。14 / 62 MCGS 組態(tài)軟件五大組成部分MCGS 組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五部分構成。如圖 所示。每一部分分別進行組態(tài)操作，完成不同的工作，具有不同的特性。工程運行流程的控制編寫控制程序選用功能構件定義不同類型和名稱的變量設置工程中人機交互的界面配置設備注冊設備驅動程序定義數(shù)據(jù)變量設備窗口 用戶窗口 實時數(shù)據(jù)庫 運行策略MCGS 工控組態(tài)軟件圖 MCGS 組態(tài)軟件五大組成部分主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一個設備窗口和多個用戶窗口，負責調度和管理這些窗口的打開或關閉。主要的組態(tài)操作包括：定義工程的名稱，編制工程菜單，設計封面圖形，確定自動啟動的窗口，設定動畫刷新周期，指定數(shù)據(jù)庫存盤文件名稱及存盤時間等。 設備窗口：是連接和驅動外部設備的工作環(huán)境。在本窗口內配置數(shù)據(jù)采集與控制輸出設備，注冊設備驅動程序，定義連接與驅動設備用的數(shù)據(jù)變量。菜單設計設置工程屬性主控窗口15 / 62用戶窗口：本窗口主要用于設置工程中人機交互的界面，諸如：生成各種動畫顯示界面、報警輸出、數(shù)據(jù)與曲線圖表等。實時數(shù)據(jù)庫：是工程各個部分的數(shù)據(jù)交換與處理中心，它將 MCGS 工程的各個部分連接成有機的整體。在本窗口內定義不同類型和名稱的變量，作為數(shù)據(jù)采集、處理、輸出控制、動畫連接及設備驅動的對象。運行策略：本窗口主要完成工程運行流程的控制。包括編寫控制程序（if…then 腳本程序），選用各種功能構件，如：數(shù)據(jù)提取、歷史曲線、定時器、配方操作、多媒體輸出等。 MCGS 組態(tài)軟件的特點MCGS組態(tài)軟件要求在WINDOWS95,WINDOWS98或WINDOWSNT操作系統(tǒng)環(huán)境下運行。用戶在組態(tài)環(huán)境下進行系統(tǒng)配置,可創(chuàng)建或定義多達512個用戶策略,并生成數(shù)據(jù)庫文件在運行環(huán)境下運行。MCGS 工控組態(tài)軟件具有如下特點:（1） 功能全面、應用靈活, 提供從設備驅動、流程控制到數(shù)據(jù)處理、動畫及報表顯示、報警輸出等一套完整的系統(tǒng)軟件, 并且具有開放性結構, 用戶可以掛接自己的應用程序模塊, 具有良好的通用性和可維護性。（2） 真正的32位、多任務應用系統(tǒng), 該系統(tǒng)支持WINDOWS的多任務技術, 有效地優(yōu)化了計算機資源, 打印任務作為一個獨立工作而運行于后臺, 實現(xiàn)多任務的并行處理。（3） 組態(tài)軟件與設備無關, 系統(tǒng)提供各種標準設備驅動程序, 可與各種工控設備連接。對不同的外部硬件設備, 只需提供相應的設備構件, 系統(tǒng)的其他部分無須任何改動。16 / 62（4） 以實時數(shù)據(jù)庫為核心, 將有關信息以事件的方式發(fā)送到系統(tǒng)的各個部分, 解決了系統(tǒng)中各功能部件的相關性問題。該方法提高了系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)處理效率, 也為其他應用軟件進行數(shù)據(jù)調用提供了方便 [8]。（5） 支持網(wǎng)絡系統(tǒng),MCGS提供WWW版本, 用戶可通過網(wǎng)絡進行遠程采集數(shù)據(jù), 發(fā)送數(shù)據(jù)和事件,不同的工作站之間可實時交換數(shù)據(jù)、實現(xiàn)分布式控制、管理和系統(tǒng)集成。（6） 出于保護企業(yè)數(shù)據(jù)的考慮,MCGS 很好地解決了授權及安全性問題, 依據(jù)系統(tǒng)的授權, 用戶允許或禁止對系統(tǒng)進行操作, 允許或禁止對數(shù)據(jù)進行訪問。MCGS 在確保安全的情況下可以對多個系統(tǒng)模塊進行安全授權。 MCGS 組態(tài)軟件的工作方式MCGS 如何與設備進行通訊：MCGS 通過設備驅動程序與外部設備進行數(shù)據(jù)交換。包括數(shù)據(jù)采集和連接庫文件，設備驅動程序中包含符合各種設備通訊協(xié)議的處理程序，將設備運行狀態(tài)的特征數(shù)據(jù)采集進來或發(fā)送出去。MCGS 如何產(chǎn)生動畫效果：MCGS 為每一種基本圖形元素定義了不同的動畫屬性，如：一個長方形的動畫屬性有可見度，大小變化，水平移動等，每一種動畫屬性都會產(chǎn)生一定的動畫效果。所謂動畫屬性，實際上是反映圖形大小、顏色、位置、可見度、閃爍性等狀態(tài)的特征參數(shù)。MCGS 如何實施遠程多機監(jiān)控：MCGS 提供了一套完善的網(wǎng)絡機制，可通過 TCP/IP 網(wǎng)、Modem 網(wǎng)和串口網(wǎng)將多臺計算機連接在一起，構成分布式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡間的實時數(shù)據(jù)同步、歷史數(shù)據(jù)同步和網(wǎng)絡事件17 / 62的快速傳遞。同時，可利用 MCGS 提供的網(wǎng)絡功能，在工作站上直接對服務器中的數(shù)據(jù)庫進行讀寫操作。分布式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的每一臺計算機都要安裝一套 MCGS 工控組態(tài)軟件。MCGS 把各種網(wǎng)絡形式，以父設備構件和子設備構件的形式，供用戶調用，并進行工作狀態(tài)、端口號、工作站地址等屬性參數(shù)的設置。如何對工程運行流程實施有效控制：MCGS 開辟了專用的“運行策略”窗口，建立用戶運行策略。MCGS 提供了豐富的功能構件，供用戶選用，通過構件配置和屬性設置兩項組態(tài)操作，生成各種功能模塊（稱為“用戶策略”），使系統(tǒng)能夠按照設定的順序和條件，操作實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對動畫窗口的任意切換，控制系統(tǒng)的運行流程和設備的工作狀態(tài)。所有的操作均采用面向對象的直觀方式，避免了煩瑣的編程工作。18 / 62雙容水箱控制系統(tǒng)由過程控制對象雙容水箱、傳感器、變送器、調節(jié)器、執(zhí)行器、顯示器和計算機等組成。主要構件包括：（1）雙容水箱 （2）PLC（西門子 S7200） （3）PC/PPI 專用電纜線（4）計算機（5）上,下位機軟件本系統(tǒng)中通過采用 MCGS 軟件，把指令傳給 PLC，由 PLC 對裝置進行控制。裝置中的各參數(shù)返回 PLC 中，通過讀寄存器顯示在計算機的界面上。系統(tǒng)結構圖如圖 所示： PC 機裝有 MCGS西門子 S7200PLC雙容水箱系統(tǒng)液位變送器液位變送器PC/PPI專用電纜線圖 系統(tǒng)框結構圖19 / 62 系統(tǒng)基本硬件構成本設計中選用 CPU 224 DC/DC/DC PLC，數(shù)字量 14 入/10 出，模擬量I/O 物理區(qū)，有一個 RS485 通訊編程口。具有 PPI 通訊協(xié)議。選用 EM 231模擬量輸入擴展模塊，帶有 4 點模擬量輸入。系統(tǒng)的硬件接線圖如圖 所示。 固 態(tài)繼 電 器DCD固 態(tài)繼 電 器PC主 機PU24 旋 轉編 碼 器 旋 轉編 碼 器 壓 力變 送 器 壓 力變 送 器/I電 纜 電阻 擬 量 輸 入 EM231AIW0AIR+圖 雙容水箱監(jiān)控系統(tǒng)硬件接線圖 雙容水箱雙容水箱是本設計系統(tǒng)的控制對象，是本系統(tǒng)最重要的部分之一。本設計中的雙容水箱控制系統(tǒng)采用沈飛公司的SACJXGK小型過程控制裝置。該裝置充分模擬工業(yè)現(xiàn)場小巧精致，功能比較齊全，可以實現(xiàn)單回路控制、串級控制、比值控制、分程控制以及帶干擾等多種控制方式，且性能價格比高。，雙容水箱液位控制實驗儀主要由2個柱形水箱，1個20 / 62蓄水箱，2個抽水泵，2個出水口和5個比例控制閥門組成，其中柱形水箱分別設有進水和出水閥門，并且2水箱之間有連接閥。 蓄水箱中有2個出水口，分別與水泵相連。在實驗過程中，蓄水箱中的水被泵抽出后分別經(jīng)過比例閥比例閥2進入柱形水箱1和柱形水箱2 ,然后分別通過各自的出水閥門流回蓄水箱中。2個柱形水箱的進水流量和出水流量可分別由4個比例閥門進行調節(jié)。特別地，2個柱形水箱之間設有比例連接閥，通過調節(jié)連接閥的開度大小可以改變2個柱形水箱之間的水流量。所示。擾動 擾動 閥 2閥 4閥 1LT調節(jié)器變頻器 電機 泵圖 雙容水箱液位系統(tǒng)結構圖21 / 62此水箱系統(tǒng)具有以下特點：（1）靈活可變的對象。考慮到實際工業(yè)對象的復雜性即可以是一階的也可以是高階的。將相鄰液位之間的連通閥門打開就可以構成高階對象。閥門開度大小還可以改變具體對象的模型參數(shù)。實際對象通常具有時延，為了模擬對象時延還可以人為加入軟件延時以達到純延時的效果。（2） 簡單回路和耦合回路。復雜工業(yè)對象各控制回路間往往是相互耦合的，考慮到這一點在設計雙輸入雙輸出控制時通過打開連通閥使二個回路之間產(chǎn)生相互耦合，并通過改變閥門開度大小來改變耦合的強度。通過設計控制參數(shù)實現(xiàn)雙回路解耦。這樣可以感受到系統(tǒng)耦合對控制器參數(shù)設計的影響。（3） 不同的擾動方式。實際系統(tǒng)具有各式各樣的擾動。擾