实时数据库及其在工业综合自动化中的应用

7工业自动化中常用的数据库技术内容回顾数据库基本概念电子商务企业信息自动化数据仓库实时数据库工厂生产过程控制电力或数据网络管理证券交易等本课程主要讨论的现代数据库技术分布式数据库电子商务企业信息自动化数据仓库实时数据库工厂生产过程控制电力或数据网络管理证券交易等现代数据库应用要求

数据库应用正在并将继续从传统领域不断地迅速向新的现代领域扩展：CAD/CAM/CIMS或工厂自动化、过程控制等工程应用；数据通信、电力调度、电话交换等网络管理；电子银行事务、证券股票交易、电子商务；雷达跟踪、空中交通管制、武器制导、指挥系统；图像处理与模式识别、实时仿真等。现代应用的对数据库的要求

强有力的数据建模能力新的查询设施支持元数据处理强有力的数据存储与共享能力高级的现代事务管理先进的图形设施“识时”的系统执行触发器或主动能力现代数据库研究

现代数据库就是支持现代应用、满足上述现代应用要求的数据库，它是一个范畴，不是一类数据库，更不是一种数据库（像Oracle，SQLServer）。知识表示：语义模型、过程模型、事件模型、时态模型体系结构：面向对象、时态、实时、主动事务模型：系统、结构、语义执行模型：资源模型现代数据库的研究领域

现代数据库就是支持现代应用、满足其除传统应用要求以外还有特殊要求的数据库。整体系统方面：面向对象数据库、时态数据库、实时数据库、主动数据库体系结构方面：内存数据库、分布式数据库、并行数据库、数据仓库应用方面：工程数据库、科学与统计数据库、超文档数据库、演绎数据库等

分布式数据库技术分布式数据库自20世纪80年代以来一直是数据库与信息系统中的一个重要而热门领域，是数据库和网络技术相互渗透有机结合的结果。克服了集中式数据库的许多缺点，适合于一般企业的分散型结构。一个分布式数据库由一系列的场地组成，通过某种通信网络连接在一起每个场地自身有一个完全的数据库系统所有场地都可以协同工作分布式数据库系统的特点

从“集中计算”到“分布计算”“分布计算”的概念处理分布数据是集中的，处理是分布的。网络上的结点用户从同一个DB中存取数据，然后在各自的结点上作应用处理。数据分布数据是分布的，物理上分布在不同的结点，逻辑上是一个整体。每个结点可以存取其他结点上的数据。功能分布C/S模式。服务器完成事务处理和数据访问控制，客户机专门处理用户的应用程序。客户/服务务器模模式数数据库库技术术客户/服务务器模模式的的结构构数据库服务器客户机群网络通信系统给出数据查询请求接收数据查询请求，执行查询计算给出数据查询结果接收数据查询结果客户/服务务器模模式数数据库库技术术逻辑结结构数据库1数据库2数据库3……数据库N数据库1接口数据库2接口数据库3接口……数据库N接口公共接口API网络通信接口应用程序2应用程序1应用程序3应用程序N例如ODBCJDBC等等客户/服务务器模模式数数据库库技术术扩充的的客户户/服服务器器模式式数据据库技技术数据库服务器应用服务器各种应用的组件库用户认证系统网络通信网络通信各种应用界面1通过界面给出用户标识经过认证，对合法用户给出用户应用程序所需的各个组件23给出数据查询请求结果数据64处理过的查询请求查询结果5客户/服务务器模模式数数据库库技术术B/S结构构的数数据库库技术术数据库服务器应用服务器各种应用的组件库用户认证系统各种应用界面www服务器信息的的分散散+计计算机机网络络技术术的发发展分布式式数据据库指指的是是由一一组数数据组组成，，这些些数据据物理理上分分散在在计算算机网网络的的不同同地点点上，，逻辑辑上是是属于于同一一个系系统。。网络络中的的每个个结点点具有有独立立处理理能力力，可可以执执行局局部应应用。。同时时，每每个结结点也也能通通过网网络通通信子子系统统执行行全局局应用用分布式式数据据库技技术结结构数据库数据库数据库服务器群客户机群给出数据查询请求接收数据查询请求，执行查询计算给出数据查询结果接收数据查询结果给出数据查询请求接收最后的查询结果将查询询请求求分成成到不不同服服务器器上的的子查查询请请求接收数据子查询请求，执行子查询计算接收数据子查询请求，执行子查询计算将所有的子查询结果汇集后，得到最后的结果集数据库数据库数据库客户机群服务器群子查询结果分布式式数据据库技技术重重点1、数数据分分片：：实现现将整整体的的数据据库分分成多多个不不相交交的片片段，，分别别存放放在不不同的的数据据库服服务器器中。。2、全全局到到局部部的映映射：：用户户给出出的是是一个个查询询语句句，但但需要要分成成多个个不同同的子子查询询语句句，并并能分分别在在不同同的片片段上上执行行。3、查查询优优化：：查询询的代代价是是I/O代代价+CPU代代价+通信信代价价。要要考虑虑在网网络中中传输输数据据的大大小。。4、分分布式式事务务处理理：为为了保保证数数据库库的完完整性性和安安全性性，提提供2PC协议议实现现分布式式数据据库应应用技技术数据库1数据库2数据库N网络络复制数据库网络分布式式数据据库系系统的的特点点什么是是分布布式数数据库库系统统（DDBMS）分布式式数据据库系系统是是地理理上分分布在在网络络的不不同结结点而而逻辑辑上属属于同同一个个系统统的数数据库库系统统。局部应应用，，全局局应用用分布式式数据据库系系统的的特点点1.数数据据是分分布的的2.数数据据是逻逻辑相相关的的3.结结点点自治治性计算机机计算机机计算机机通信网网络数据库库数据库库数据库库分布式式数据据库系系统与与集中中式数数据库库系统统的比比较集中控控制与与局部部自治治数据独独立性性：逻逻辑独独立性性、物物理独独立性性、分分布透透明性性数据冗冗余数据的的一致致性、、可串串行性性、可可恢复复性分布式式数据据库系系统的的特性性1．自治性性好；；不同部部门的的数据据可按按需定定制、、局部部控制制2．效率高高，可可用性性好；；就近存存放、、多副副本增增加可可用性性3．提高资资源利利用率率；可以将将已有有数据据库联联合成成DDB4．结构灵灵活，，易于于扩充充。新应用用增加加新结结点，，勿扩扩充原原系统统分布式式数据据库系系统的的特点点同构（（数据据模型型相同同）系系统、、异构构系统统LDBMSGDBMSGDDCM分布式数据据库管理系系统的组成成1．局部数数据库管理理系统(LDBMS)2．全局数数据库管理理系统(GDBMS)3．全局数数据字典GDD4．网络通通信管理CM分布式数据据库系统的的特点分布式数据据库技术分布式数据据库系统是是数据库技技术和网络络技术两者者相互渗透透和有机结结合的结果果。概念：分布式数数据库由一一组数据组组成，这些些数据物理理上分布在在计算机网网络的不同同结点上，，逻辑上属属于同一个个系统。特点：分布性、逻逻辑整体性性分布式数据据库技术所谓的“分分布式数据据库”实际际上是一种种虚拟的数数据库，它它的各个组组成部分物物理地存储储在许多不不同场地上上的不同数数据库中。。为什么要实实施分布式式数据库企业自身经经常就是分分布是的，，一个企业业在逻辑上上和地理上上被分为公公司、部门门、工作组组等等。每个部门都都会有自己己的数据。。这样，企企业的整个个信息资源源就被分裂裂成信息孤孤岛。分布式数据据库系统正正是为把这这些孤岛联联系在一起起的桥梁。。使数据库的的结构能够够反映企业业的结构。。实时数据库库技术现实世界中中，有许多多应用包含含了对数据据的“定时时”存取和和对“短暂暂有效”数数据的存取取。这些应应用一方面面需要维护护大量共享享数据和控控制知识；；另一方面面其应用活活动有很强强的时间行行们要求在在一定的时时刻和一定定的时间期期限内从外外部采集数数据，按比比例之间的的联系存取取已获得的的数据和处处理采集的的数据，再再及时作出出响应。同时需要数据库技术术和实时数据处处理技术实时数据库库技术实时数据库库系统就是是其事务和和数据都可可以具有定定时特性或或显式的定定时限制的的数据库系系统。数据库研究究工作的动机在于利用数数据库技术术的特点或或优点来解解决实时系系统中的数数据管理问问题；实时时系统研究究工作则为为给实时数数据库系统统提供时间间驱动调度度和资源分分配算法。。实时应用要要求结构复杂性性可计划性分布规律性性实时特性可预报性合作性不可逆性应急计划数据库与实实时系统数据库系统统的主要功功能：数据据描述、数数据正确性维护、有效效的数据库库存取、查查询与事务务的正确执执行、数据据的安全和和可靠性保保护当前实时系系统处理的的信息量很很大，对数数据库的功功能要求也也越来越迫迫切。但这这种数据库库系统不适适合于实时时应用，关关键在于没没有考虑与与数据及其其处理相联联系的定时限制。系统的性能能目标是吞吞吐量和平平均响应时时间。数据库与实实时系统实时系统所所支持的应应用具有很很强的时间间性要求，，其处理活活动与数据据都是定时性的。实时系统强强调的是定定时性，系系统目标是是满足各种种时间限制制。数据库与实实时系统的的结合导致致了实时数数据库系统统的产生。。实时数据库库的特征一个典型的的实时系统统包括被控系统：：考虑的应应用过程、、外部环境境/物理世世界执行控制系系统：监视视被控系统统的状态、、协调和控控制它的活活动数据系统：：有效地存存储、操纵纵与管理实实时（准确确和及时））的信息实时数据库库的特征数据以记录录的结构存存储在内存存中特点：高速的数据据存储和恢恢复使用预定义义的数据结结构可加快快实施进度度嵌入式的数数据进程处处理，如数数据时间标标签、变化化率的计算算、报警上上下限的监监测。实时数据库库的记录结结构一个记录是是一组各相相关数据的的集合。每每一个记录录必须有一一个为宜的的名字，每每一个数据据项在记录录中作为一一个域存储储。记录中中的每个域域包括：绝对时间时间间隔指向其它记记录或域的的指针整型、字符符型、浮点点型当前主流的的实时数据据库产品OSIsoftPIHoneywellPHDAspenTechInfoplus.21WonderwareInSQL衡量一个实实时数据库库产品的标标准性能和稳定定性服务器端管管理工具客户端工具具数据收集接接口与关系型数数据库和管管理软件的的连接支持的数据据类型实时数据库库体系结构构实时数据库库在工业控控制中的应应用近年来，各各种控制系系统在电力力、化工、、钢铁、造造纸、水泥泥、烟草等等流程工业业中得到了了广泛的应应用，在这这些控制系系统中蕴含含着大量的的生产实时时数据，这这些数据是是企业生产产状况的实实际体现，，同时也是是分析、优优化运行和和管理的基基础。因此此，如何消消除企业内内部的信息息孤岛，建建立全厂统统一的生产产实时数据据平台，就就成了流程程企业今后后生产信息息化的关键键。工业应用实实时数据库库的主要功功能功能：1．提供企业级级的生产实实时数据平平台2．优异的跨平平台性3．良好的可管管理性和维维护性4．随时随地享享用生产信信息工业过程的的分类工业过程大大致可以分分为：连续过程工工业：主要包括括石油化工工、炼油、、电力、冶冶金、化工工、建材、、制药、造造纸等。连续流动着着的物料，，可测量，，但不可点点数，有误误差离散过程工工业：机械制造造业、汽车车装配等。。单独的零部部件组成最最终产成品品的方式。。因为其产产成品的最最终形成是是以零部件件的拼装为为主要工序序，所以装装配自然就就成了重点点间隙过程工工业：批量生产过过程工业过程控控制的“金金字塔”工业自动化化系统的发发展机械继电器器、电气继继电器组成成的逻辑控控制系统控制器、PLC初步大型PLC，，DCS现场总线，先先进控制、模模糊控制、人人工神经网络络控制、智能能技术与专家家系统，CIMS2000年，，“集成化、、网络化、智智能化”流程工业的企企业综合自动动化综合自动化(CIPS，，流程工业的的CIMS)是流程企企业提高核心心竞争力的重重要技术手段段之一，是企企业自动化技技术的发展趋趋势。企业自动化的的发展概况70年代以前前，自动化孤孤岛模式的阶阶段，其控制制目标只能是是保证生产平平稳和少出事事故。70～80年年代分布式工工业控制计算算机系统(DCS)得到到大力的发展展，为实现先先进控制创造造了条件，多多变量预测控控制等先进控控制方法的应应用，使自动动化达到了新新的水平，在在实现优质、、高产、低消消耗的控制目目标方面前进进了一大步。。流程工业的特特点流程工业是加加工业的一个个大类。泛指指炼油、石化化、化工、冶冶金、制药、、电力等原材材料加工和能能源工业行业业，其特点是是对生产原料料的连续加工工过程，一般般伴有化学、、物理等物性性变化的过程程。流程工业在国国民经济中占占主导地位的的行业，全球球500强企企业中，有70余家。流程工业的特特点流程工业的生生产过程是连连续进行的，，不能中断。。原材料按照照一定的工艺艺流程连续不不断地通过一一系列设备和和装置，被加加工处理成产产品。化工、、炼油、造纸纸、制药、炼炼钢等流程生生产过程的典典型。流程工业的特特点生产过程连续续，生产批量量大，加工能能力强。生产工艺复杂杂，涉及多种种化学变化与与物理变化，，生产控制技技术要求高，，信息量大。。生产环境苛刻刻，如高温、、高压、低温温、低压、易易燃易爆等。。产品结构复杂杂，除了主产产品外，还会会产生大量副副产品和中间间产品。产品种类繁多多，同一类产产品根据规格格可以细分为为不同的产品品，不同规格格的产品相互互混合可以产产生更多规格格的产品。流程工业的特特点对产品的存储储要求较高，，大部分产品品不允许混装装，存储的时时候需要保持持一定的温度度和压力。对公用工程的的供应要求较较高，需要大大量不同形式式的水、汽、、风等能源的的供应。基础自动化水水平比较高，，对自动化的的依赖性比较较强，绝大部部分的物料变变量依靠仪表表进行测量或或间接获得，，少量人工计计量。生产以安全、、稳定、长周周期、满负荷荷、优质、均均衡、高产、、低耗和减少少污染为主要要目标。企业自动化的的发展概况80年代后期期，随着多学学科间的相互互渗透与交又又，人工智能能和智能控制制被引入实际际的过程控制制中。信号处处理技术、数数据库、通讯讯技术以及计计算机网络的的发展为实现现高水平的自自动控制提供供了强有力的的技术工具。。工业自动化化开始突破自自动化孤岛的的传统模式，，采用计算机机集成制造的的思想和方法法来组织、管管理和指挥整整个生产过程程，出现了集集控制、优化化、调度、管管理于一体的的新模式。在在连续工业中中，也将这种种模式称为综综合自动化CIMS或CIPS(Computerintegratedprocesssystem)。企业综合自动动化的结构ERP企业资源计划系统MES制造执行系统企业信息化平台生产过程控制MESERP生产过程控制ERP的概念念ERP（EnterpriseResourcePlanning）：是20世纪90年代的一种种企业管理理理论，其当今今国际上先进进的企业管理理模式，其目目标是对企业业的人力、资资金、材料、、设备、工艺艺方法、信息息、时间等资资源进行综合合平衡和优化化。注重产品品和批次，以以分钟、小时时为单位跟踪踪产品的制造造过程。面向向市场，协调调企业各部门门围绕市场导导向开展业务务活动，使企企业能够在市市场竞争中全全面发挥各种种资源的作用用，从而获得得最佳经济效效益。处于企业综合合自动化的最最上层，经营营计划系统以以产品的生产产和销售为处处理对象，聚聚焦于定货、、交货期、成成本、和顾客客的关系等，，以月、周、、日为单位。。MES基本概概念ManufacturingExecutionSystem，，MES——制造执行系统统美国国家标准准协会(NIST)对““MES”的的定义:“从生产计划/工工单下达到成品产出的的整个过程中中，采集所有有过程信息的的数据，从而而使我们能够够完成生产管管理以及生产产优化。是生生产过程控制制PCS与管管理信息集成成BPS的重重要桥梁和纽纽带。”“它以生产行为信息息为核心，为企企业决策系统统提供直接的的支持”(MESA1997)其他功能模块块其它功能模块块库存管理模块块订单/工单管管理系统采购模块生产计划模块块ERP办公室生产执行MES生产过程控制制企业综合自动动化数据流做什么如何做做了什么（实实时数据））做了什么（信信息--决策策依据）企业管理信息息化的需求如何利用现有有的DCS系系统、远距离离抄表系统和和电气监督系系统，将过程程实时数据和和生产信息集集成，解决生生产运行中的的问题如何连续跟踪踪各套生产装装置的实时信信息，实现动动态成本计算算，在迅速变变化的市场环环境下获取机机会利润企业管理信息息化的需求如何将商品的的销售、价格格状况与生产产的实时工况况结合起来，，实现优化调调度如何连续监视视、跟踪生产产过程，将采采集到的大量量生产数据经经加工提炼和和挖掘，在更更高的层次上上提供决策支支持，实现管管理信息系统统与生产现场场的无缝连接接将管理者设定定的各类生产产指标（单耗耗、能耗、关关键参数稳定定性等）在MES环境下下进行连续跟跟踪和绩效考考核，提升操操作技能和运运行水平实施企业综合合自动化带来来的效益MESA协会会近期调查结结果表明,实实施MES所带来的效效益：生产周期缩短短数据输入工作作减少半成品的积压压减少交接班的纸面面工作减少次品减少交货时间缩短短企业的信息流流和物流缩短信息流和和物流之间的的时间差，是是度量管理信信息系统功能能优劣的重要要指标。实施企业综合合自动化的关关键技术实时数据库关系数据库信息集成平台台企业综合自动动化系统中的的数据在企业综合自自动化体系结结构中，各层层次之间关联联的关键在于于各类信息的的有序流动，，需要将正确确的数据在正正确的时间以以正确的格式式送到正确的的地方。在流流程工业自动动化系统中中中，各类信息息一般分为两两类，一类是是与生产过程程直接相联系系的称之为实实时信息。另一类是与各各职能部门相相联系的称之之为管理信息息。与这两类类不同性质的的数据相对应应的数据库管管理系统也分分别由实时数数据库和关系系数据库两部部分组成。实实时数据库是是综合自动化化体系结构中中的一个重要要组成部分，，它与关系数数据库一起构构成了系统的的信息集成环环境。实时数据库技技术实时数据本身身具有许多区区别于管理数数据的性质，，用户在使用用实时数据时时有区别于管管理数据的方方式，特别指指出，实时数数据库针对过过程特点而设设计，从结构构和功能上保保证了从过程程数据采集、、传输、预处处理到数据存存储、访问、、以及保证数数据安全等各各项任务的实实现，从而有有能力构成过过程监控和先先进控制的支支撑平台。实时数据库系系统的作用