（计算机应用技术专业论文）基于bs结构的web+scada系统架构.pdf

摘要 本文详细论述了s c a d a 系统的特点，比较了基于c s 结构和基于b s 结构的 监控系统，给出了浚系统在国内外的发展情况，并在此基础上讨论基于b s 结构 的w e bs c a d a 系统的构架，依据此构架，同时按照相应的设计设计原则，本文给 出了相应的软件结构规划和其初步实现。 本文对基于8 s 结构的w e bs c a d a 系统的有关核心内容作了详细讨论，如基 于b s 结构的w e bs c a d a 系统的结构、现场监控单元( f s u ) 、集中监控单元( c s c ) 、 基于b s 结构的w e bs c a d a 系统的信息传输方式以及网络通信模块的设计等。 在上述基础上，本文进一步对基于b s 结构的w e bs c a d a 系统后台管理体系 结构进行了设计，如后台管理系统结构软件的整体规划、网络通信的分析设计、 监控数掘的采集分析、网络流量采集计费的分析设计、查询报表系统设计以及 网络安全监控子系统等。 最后本文在给出基于a s p 技术的系统初步实现的基础上，指出本文的后续工 作集成7 1 发环境的设计。 关键词：b s 结构系统模块后台管理软件构架 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , w ed i s c u s st h e c h a r a c t e r i s t i co fs c a d as y s t e mp a r t i c u l a r l y , c o m p a r et h es c a d as y s t e mb a s e do nc ss t r u c t u r ea n db ss t r u c t u r e s t a t et h e d o m e s t i ca n do v e r s e a sd e v e l o p m e n to fs c a d as y s t e m a n dm o r e w ed i s c u s st h e s c a d as y s t e mb a s e do nb ss t r u c t u r e d e t a i l e d l y o n t h i sf o u n d a t i o na n d c o r r e s p o n d i n gd e s i g np r i n c i p l e ，w e s t a t et h es o f t w a r es t r u c t u r ea n de l e m e n t a r y i m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e m t h ek e r n e lc o n t e n to ft h es c a d as y s t e mb a s e do nb ss t r u c t u r ei sd i s c u s s d e t a i l e d l y s u c ha st h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，f i e l ds u r v e i l l a n c eu n i t ，c o n c e n t r a t i o n s u p e r v i s i o nc e n t e r , d a t at r a n s m i s s i o nm o d e ，a n dd e s i g no fw e bc o m m u n i c a t i o nm o d e o nt h ep r e v i o u sf o u n d a t i o n ，t h eb a c k g r o u n dm a n a g e m e n ts t r u c t u r ei s d e s i g n e d ， s u c ha st h es o f t w a r es t r u c t u r eo ft h eb a c k g r o u n dm a n a g e m e n t ，a n a l y s i sa n dd e s i g no f w e bc o m m u n i c a t i o n a n a l y s i sa n dc o l l e c t i o no fm o n i t o rd a t a 、a n a l y s i sa n dd e s i g no f n e t f l u xc o l l e c t i o n c h a r g e c o u n t i n g ，d e s i g no fr e p o r t - q u e r ys y s t e m ，a n dw e bs e c u r i t y s u r v e i l l a n c es u b s y s t e m i nt h ee n do ft h i sp a p e r , w eg i v et h es y s t e me l e m e n t a r yi m p l e m e n t a t i o nb a s e do n a s p , a n dp o i n to u tt h es u b s e q u e n c ew o r k - 一一d e s i g n o f i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t a n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：b ss t r u c t u r e ，s y s t e mm o d u l e ，b a c k g r o u n dm a n a g e m e n t ，s o f t w a r e s t r u c t u r e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 赵雪耐l 年月日 学位论文使用授权声明 南京理：【大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 起毛抓 ry 、 年月日 南京理丁人学坝1 ：学位论文基于b s 结构的w e bs c a d a 系统架构 l 绪论 1 1 背景知识 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统，即数据采集与监 视控制系统：s c a d a 系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石 油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及 电气化铁道上又称远动系统。 s c a d a 系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现 场的运行设备进行监视和控制，以实现数掘采集、设备控制、测量、参数调节以及 各类信号报警等各项功能。由于各个应用领域对s c a d a 的要求不同，所以不同应用 领域的s c a d a 系统发展也不完全相同。s c a d a 系统自诞生之同起就与计算机技术的 发展紧密相关。s c a d a 系统发展到今天已经经历了四代。 第一代是基于专用计算机和专用操作系统的s c a d a 系统，如电力自动化研究院 为华北电网丌发的s d l 7 6 系统以及在r 本同立公司为我国铁道电气化远动系统所设 计的i j - 8 0 m 系统。这一阶段是从计算机运用到s c a d a 系统时开始到1 0 年代。 第二代是8 0 年代基于通用计算机的s c a d a 系统，在第二代中，广泛采用v a x 等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的u n i x 操作系统。在这 阶段，s c a i ) a 系统在电网调度自动化中与经济运行分析，自动发电控制( a g c ) 以 及网络分析结合到一起构成了e m s 系统( 能量管理系统) 。第一代与第二代s c a d a 系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护， 升级以及与其它联网构成很大困难。 9 0 年代按照丌放的原则，基于分柿式计算机网络以及关系数据库技术的能够实 现大范围联网的e m s s c a d a 系统称为第三代。这一阶段是我国s c a d a e m s 系统发展 最快的阶段，各种最新的计算机技术都汇集进s c a d a e m s 系统中。这一阶段也是我 国对电力系统自动化以及电网建设投资最大的时期，国家计划未来三年内投资2 7 0 0 亿元改造城乡电网可见国家对电力系统自动化以及电网建设的重视程度。 第四代s c a d a e m s 系统：该系统的主要特征是采用i n t e r n e t 技术、面向对象技 术、神经网络技术以及j a v a 技术等技术，继续扩大s c a d a e m s 系统与其它系统的 集成，综合安全经济运行以及商业化运营的需要。 流程生产自动化在9 0 年代以前仍然是自动化孤岛模式，进入9 0 年代以来，企 业受到市场剧烈竞争的刺激和环境保护的压力，节能降耗、高效生产、减少污染逐 渐成为企业所追求的目标，同时企业也把提高自身的综合自动化水平作为挖潜增 南京理t 人学f ! i 。学位沦艾 肇十b s 结构的w e bs c a d a 系统架构 效、提高竞争力的重要途径。集常规控制、先进控制、过程优化、生产调度、企业 管理、经营h4 干一体的集成控制系统成为当前过程控制发展的趋势。 今天全球商业竞争环境使各工业加工制造业承受多方面的压力，为保持竞争优 势，用户要求把过程数据和有关商业信息组合起来，建立集成监控系统。用户可以 灾时对恢系统进行存取访问，快速且有把握地做出f 确决断以使包括所有生产环 节在内的企业活动能满足市场多变的需求，这不仅要求全厂生产流程作为一个整体 实现厂级生产自动化，而且还需要向上级管理调度子系统传送数据，实现远程监控。 1 2 基于c s 结构的监控系统 传统的c s ( c 1 i e n t s e r v e r ) 体系结构的应用系统中，数据存放在数据库服务器 上，l - 1 1 户通过客户机对数据进行操作。在服务器端完成d s m s 的核心功能，执行数 据库的存储逻辑和事务逻辑。应用程序放在客户端，完成数据处理、数据表示和用 户接口等功能。在客户机服务器模式下，应用被分为前台和后台，前台处理用户 界面和交互，只有系统中预定义好的请求可以送到服务器。在服务器的后台部分负 责处理请求，把得到的结果送回客户机。c s 结构具有以下优点： 变性强：基于c s 结构的系统具有专用的前端应用程序，可以提供强大的在 线帮助、出错处理功能。 可靠性高：基于c s 结构的系统中，各种应用逻辑必须通过相应的前端应用程 序完成，系统安全、可靠性高。 事务处理能力强：工业过程j i 盔控系统，出于其对象的分散特性，使得分布式的 c s 结构一直是它的良好选择。在这种结构中，设计者分别设计服务器端和客户端 软件，然后分别部署到服务器和客户机上。服务器端具有数据采集、控制及与客户 端通信模块，客户端包括通信和用户界面模块。用户与人机界面交互的结果由通信 模块发给服务器端，服务器通过控制模块对控制对象控制的结果，又通过通信模块 发给客户端，由人机界面模块显示出来。但是，c s 结构的监控系统在实际应用中 也明显的存在很多潜在的缺点： 1 ) 部署困难 没计者除了要安装服务器软件部分外，对每台客户机，都要安装客户软件的一 份拷贝。对每份拷贝，都要调整使之能与服务器正确配合工作。对于客户机较多时， 这也爿i 是份轻松的工作。 2 ) 满足不了客户跨平台的要求 客户端的操作系统可能多种多样。客户端的程序和操作系统是多种多样的，为 每一种操作系统发计程序是不现实的，而要求用户放弃已有的操作系统和操作习惯 南京理t 人学坝1 j 学位论义璀于8 s 结构的w e bs c a d a 系统架构 购买新的操作系统会使用户付出更多的代价。 3 ) 培i j i f 费用和维护费用高 个新设计的客户端就要对客户进行一次培训。在客户端发现每个问题，要求 在每个客户端解决一次，软件的新版本也要对每台客户机安装一次。 1 3 基干b s 结构的监控系统 i n t e n e t 时代的产物一基于w e b 的b s 结构将克服c s 结构的这些缺点。 现代网络以w e b 为中心，采用t c p i p 技术，以h t t p 为传输协议，客户端通过 b r o w s er 访问w e b 以及与w e b 相连的后台d a t a b a s e ， 即b s ( b r 。w s e r s e r v e r ) 模 式。三层结构的b s 模型由浏览器和服务器组成，服务器包括w e b 服务器、数据库 服务器、应用服务器、中问件等。数据和程序存放在服务器端，服务器可以有多层 结构，并执行必要的运算，负责与数据库的交互工作，并将结果发送到客户。前端 的浏览器不用维护，操作风格一致，合法用户只需拥有浏览器就可十分容易地使用 陔系统。 a s p i s a 幽1 3 1b r o w s e r s e r v e r 控制结构 浏览器先通过h t t p 与w e b 服务器交互，将h t m l 页( 内含a c t i v e x 控件) 下载传 至浏览器然后浏览器直接与数据库交互。在这个过程中，w e b 服务器只负责将内 合a c t iv e x 控件的h t m l 文件传送至浏览器，其余工作由浏览器及其支持的组件完 成。a c t iv e x 控件中包括了一切对数据库必要的操作，它把从数据库中处理过的数 据传到h t m l 页上。基于b b 的监控系统具有以下优点： 南京删t 人学坝卜学位论文捧十b s 结构的幔bs c a d a 系统架构 1 ) 应用服务器的丌发简单 3 s 结构足 个包括了客户、w e b 服务器和应用服务器的三层结构。这种划分 使得程序的编制简单了，例如应用服务器不必过多地考虑和客户端的通信问题，大 量的与客户端的数据传输由数据库服务器和w e b 服务器完成，使丌发者能够把更多 的精力放在功能的完善上。 2 ) 有很多现成的可供选择的外围程序 w e b 服务器和数据库服务器可以采用现成的产品，只有应用服务器需要自己开 发，而且由于w e b 服务器负责与数掘库服务器和客户端浏览器的一部分通信，减轻 了应用服务器的丌发负担。 3 ) 客户端获取数据更加容易 采用b s 结构，最直接和最大的变化体现在客户端上。客户端不再像传统的c s 结构州内那样，只与一个应用服务器通信。客户端获取数据的途径不止一条。对于 非实时数据，浏览器可以直接向w e b 服务器发出数据查询请求，而应用服务器只要 负责把数据写入数据库即可，不参与客户端获取数掘库中的数据这一过程。对实时 数据，浏览器通过页面内嵌的a c tl v e x 控件，直接与应用服务器通信，而w e b 服务 器和数据库服务器将一无知觉。对应用服务器端，与c s 结构下的应用服务器端相 比，发生变化较少。w e b 服务器分担了应用服务器的一部分工作，所以b s 结构下 的应用服务器是c s 结构下的一个简化版。控制器和数据采集的功能与c s 相似， 而历史数据库的存储是通过支持o d b c 或使用s q l 的数据库，在服务器端设置好相 应的w e b 服务器，使得这些信息可以发布到i n t e r n e t 上。再利用a c t i v e x a d o ( a cliv ed a t ao b j e c t ) 等技术，在客户端实时读取数据。 4 ) 和软件发展趋势结合 从软件技术来讲大体经过了三个发展阶段： 以应用为中心的阶段：在这个阶段用户为了完成某个任务，必须执行相应的应 用程序。 以内容为中心的阶段：用户只关心数据，不必记住某种数据需要什么程序来获 得。 以信息获取为中心的阶段：在这一阶段，用户只关心信息，而不必知道该信息 的物理位置在那儿。 生产过程本身也是一种软件，它的发展和上述三个阶段密切相关，基于w e b 的 生产过程监控系统就是监控信息系统( s i s ) 结构的监控软件，也就是软件发展的 第三阶段。 南京理t 人学f i j ；i 。学位论文幂于b i s 结构的w e bs c a d a 系统架构 i 4 国内外对基干b s 结构监控系统的研究现状 随着现代；_ i i f 信息自动化进程的加快，企业逐渐将管理、决策、市场信息和现 场监控信息结合起来，实现e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep 1 a n n i n g ) 、m e s ( m a n u f a c t u r in ge x e c u t i o ns y s t e m ) 、p c s ( p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ) 三层信息 一体化的解决方案。同时，企业内部之问以及与外部交换信息的需求也在不断扩大， 现代工业企业对生产的管理要求不断提高，这种要求已不局限于通常意义上的对生 产现场状念的监视和控制，同时还要求把现场信息和管理信息结合起来，建立一套 全集成的、丌放的、全厂综合自动化的信息平台，把企业的横向通信( 同一层不同 节点的通信) 和纵向通信( 上、下层之间的通信) 紧密联系在一起，通过对经营决 策、管理、计划、调度、过程优化、故障诊断、现场控制等信息的综合处理，形成 个意义更。泛的综合管理系统。在p c s 层中，只有具有w e b 功能的s c a d a 系统， j 能满足企 i n f , 息自动化信息平台的要求，它使采集和监控的数据得以丌放，能被 更多的管理系统、控制系统和使用者所访问。 目前国外在这方面的发展也是随着需求的增加而突飞猛进，以实现最优化的控 制和资源配置。与其相关的软硬件产品上也层出不穷，如在管道自动化设计上实现 了全线采用以汁算机为核心的数据采集、监控管理系统，在自动化软件技术方面， 研究丌发的氏输管道s c a d a 控制系统、模拟仿真系统等软件。当然类似这方面的应 用还很多，比如城市优化供配水系统、天然气计量系统等。并且国外的很多公司也 推出了相应的模块化产品，使得这方面的应用获得了更加广阔的前景。例如，来自 于 d e c 公司的o p e n n e tp l c 控制器所提供的通信接口，实现了与d e v i c e n e t 、 l o n w o r k s 和li n t e r b u s 等现场总线设备的兼容。该控制器利用一个i n t e r b u s 远程 i 0 主卡件能够处理不超过4 8 0 点本地i o 和5 1 2 点远程数字量i o ：s i e r r a 公司 所提供的8 0 5 1 型工业通信桥路能够让彼此之间互不兼容的p l c 、d c s 、r t u 和s c a d a 系统很好地集成在一起。这种工业通信桥路通过r s 一2 3 2 、4 2 2 、4 8 5 ，或者e t h e r n e t 通信链路实现了高速网络应用：来自于p r o s o f t 公司的多制造商接口套装组件为a b 公司的p l c 、s l c 、c o n t r o l l o g ix 和f l e xi o ( 包括1 7 7 1 、1 7 4 6 、1 7 6 5 和1 7 9 4 ) 平台提供了串行通信能力。 当然国外的在这方面的发展不胜枚举，这罩值得一提的是e p a 标准，该标准 作为我国自主制定、并被国际上认可和接受的第一个现场总线国家标准，是由国内 从事工业自动化控制系统以及现场总线、网络通信的研究、丌发、应用单位联合开 发和编制的，并且从技术上讲，e p a 标准已形成了其独特的特点，在产品丌发和 工程应用t - , t 乜有了比较好的基础，已丌发出了基于b p a 的变送器、执行器、现场控 制器、数据采集器、远程分散控制站、无纸记录仪等产品，基于e p a 的分布式网络 南京耻 - 人学f 0 ； 小学位论文捧十b s 结构的w e bs c a d a 系统架构 控制系统已在化工厂得到成功应用。 相信随着我国制定了相关的具有自主知识产权的技术标准后，我们在基干b s 结构崎控系统的研究丌发与应用上会取得长足的进步。 1 5 本课题的设计原则综述 解决复杂性的方法有多种，但是所有方法都基于“把大型的、难以解决的问题 ( 或系统) 分解成一定数量的复杂度较低的子问题( 或子系统) ，再根据需要重复 这一过程直到每一部分都d , n 可以解决为止”这个原则的。在计算机科学中有如下 5 - , p 经舆的方法比较适合于构建大型系统。 层次化( l a y e r ) ： 将解决方案分解成若干部分，在这些部分中存在一个问题域的最低层，它为上 层的抽象层次较高的工作提供基础，较高层建立在其低层基础之上。o s i 和t c p i p 坍议堆栈是众所周知的层次化软件设计的成功例子 模块化( m o d u l e ) ： 模块将具体的一部分功能块隐藏在抽象的接口背后。模块的最大特点是将接口 和其实现分离丌来，这样就能够保证一个模块可以在不影响其它模块的情况下进行 改变。这样也将模块之恻的依赖关系仅仅限定于接口。模块的范围是试图反映求解 域内一些方面的自然的概念性界限。纯模块化和纯层次化的应用系统之间的主要区 别是个可以由其它模块自由用，模块间没有上层和下层的概念。从这个意义上来说， 模是一义的层次。按照纯粹的观点，层次是最多可供个其它模块调用的模块，这 个模块也就是它的直接上层模块。 对象化( o b j e c t ) ： 对象和模块不同，因为它们具有不同的问题考虑方式，实现的方法也可能各自 独立。对象方法是以模型抽象和抽象数据类型为基础概念，以信息隐蔽为基本观点， 以继承机制为基本抽象机制，以动态连接为其灵活特征的一种新型方法。从某种角 度类来睨，对象化可看成是结构化使用模块的方法。 回顾三种经典方法是在于启发丌发的工作。每种方法都有它的优点和缺点，但 是通过将各种方法进行合理的组合和集成可以互相取长补短，以达到最佳效果。 本课题采用了集成以上三种经典的处理方法。整个系统的基本设计思想是：层 次化、模块化捌对象化设计。 1 6 本文的总体结构 为了便于整体把握，在这罩对本文的行文结构和内容进行综述。 南京理 - 人学顾i ：学位论义基于b s 结构的w e bs c a d a 系统架构 首先为了便于读者对本文所讨论的内容进行总体把握，本文在绪论中对有关 s a c d a 系统的内容进行了概述，介绍了国内外的发展概况并给出了本文的总体设计 原则。接着在第二章由本文从总体上对s a c d a 系统的相关技术进行了论述，如实时 数据库、过程控制o l e ! a c d a 系统的软硬件架构及功能。在第三章中本文j 下式对 基于b s 结构的w e bs c a d a 系统进行论述，给出了系统和系统管理的设计实现。在 第四章，本文对系统后台管理体系结构进行了设计，包括后台管理系统结构软件的 整体规划、网络通信的分析和设计、监控数据的采集分析和设计、网络流量采集 计赞的分析设计、查询报表系统设计以及网络安全监控子系统的设计。最后我们在 第血章中简单给出了一个基于b s 结构的w e bs c a d a 系统原型及其实现。 南京挫1 + 人学坝l 学他论殳 麟十b s 结构的w e bs c a d a 系统架构 2s c a d a 系统综述 为了进步论证好本文提出的基于b s 结构的w e bs c a d a 系统架构，本文在此 对s c a d a 系统进行较为详细的分析。 s c a d a 系统具有两大核心，即实时数据库和s c a d a 系统采集数据时所使用的o p l 技术，所以本章将首先论述这两大核心技术，接着本章还将概括s c a d a 系统的软硬 件结构和系统功能。 2 1 实时数据库 实时数据库与传统的关系数据库不同一方面要维护大量共享数据和控制数据： 另一方面其应用活动( 任务或事务) 有着很强的时i 副性，要求在规定的时刻或一定的 时问内完成其处理，同时，所处理的数掘也往往是“短暂”的，即有一定的时效性， 过时则有新的数据产生，而当前的决策或推导变为无效。所以，这种应用对数据库 和实时处理两者的功能及特性均有要求，既需要数据库来支持大量数据的共享，维 护其数据的一致性，又需要实时处理来支持其任务( 事务) 与数据的定时限制。传统 的数据库系统旨在处理永久、稳定的数据，强调维护数据的完整性、一致性，其性 能目标是高的系统吞吐量和低的代价，无需考虑有关数据及其处理的定时限制。所 以，传统的数据库管理系统( d b m s ) 不能满足实时应用的需要。而传统的实时系统 ( r t s ) 虽然支持任务的定时限制，但它针对的是结构与关系简单、稳定和可预报的 数掘，不涉及维护大量共享数据的完整性和一致性，尤其是时阳j 一致性。因此，只 有将两者的概念、技术、方法与机制“无缝集成( s e a m l e s si n t e g r a t i o n ) ”的实时 数据库才能同时支持定时和一致性。 作为个实时数据库，在构建的时候除了考虑符合作为数据库的一般要求外， 还应具备以下特点：( 1 ) 实时数据处理中的数据紧缩与动态存放。数据处理的紧缩 是将精度要求不高的数据保存为尽可能占空间少的数据类型，整型、二进制类型。 动态存放是指在不改变数据的采集削隔的前提下，在一定的时i 到内只保存数据变化 的部分，并能通过实时数掘库相应的辅助功能，使得在调用这一时州段的数据时， 将它们精确的还原出来，从达到而节省空川的目的。( 2 ) 合理建表，提高查询与存 储速度。( 3 ) 基本数据合理存放。为了方便数据的存储与调用，实时数据库的基本 数据的存放也必须合理规划，将他们划分成互相关联、同时又具有独立性的若干个 存放数据的表，将表有机结合。再建立与之关联的存储、查询。( 4 ) 提供数据库访 问的规范接肌具有良好的数据安全性；( 5 ) 丌放性好，提供与其他系统数据交换 丽尿型f ：人掌顺i 擘位炝立 牡十8 5 结构的w 即s c a d a 系统架构 机制。 山上l q 以看出，实叫傲据库主要是管理实时数据及与实时数据有关的信息，它 和传统数据库主要在调度机制和事物管理方面有较大的区别，其体系结构如图 2 1l 所示。 幽2l1 实时数据库体系结构 实时应用是具有定时限制的数据库任务，它们是实时数掘库系统的服务对象， 也是实时任务的产生源。实时数据库系统内部分三大部分：资源管理、实时事务处 理和数据管理。 资源管理是刘系统资源迸行管理，包括剥c p u 进行调度管理，合理运用c p u 资 源以满足实时要求：进行时浏调度，触发与时削相关的实时事务执行，进行存储空 间分配和管理：考虑定时限制的磁盘调度算法以及与实时应用相关的 o 调度。 实时事务管理包括实时事物的产生、执行和结束。实时调度的主要目标是满足 事务的截j kn , - i 日j ，调度算法要在最大程度上满足事务的时间限制，同时保证数据的 逻辑致性和时序一致性。实时并发控制用以保证数据库中数掘的一致性和完整 性。事物恢复机制是在事物失败时将数据库恢复到f 确的状态。 数据管理实现对数据的存取操作和其他处理，除了管理实时数据外，一般实时 数据库系统还要求管理历史数据。 南京耻1 ：人学坝i 学位论义 ：i i i ；于b s 结构的w e bs c a d a 系统架构 2 2 过程控制o l e ( o p c ) o p c 全称是o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，它的出现为基于w i n d o w s 的应用程序 和现场过程控制应用建立了桥梁。在过去，为了存耿现场设备的数掘信息，每一个 应用软件丌发商都需要编写专用的接口函数。由于现场设备的种类繁多，且产品的 不断升级，往往给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担。通常这样也不能满足 工作的实际需要，系统集成商和丌发商急切需要一种具有高效性、可靠性、丌放性、 可互操作性的即插即用的设备驱动程序。在这种情况下，0 p c 标准应运而生。 一些与微软公司合作的自动化硬件和软件供应商联合制定了一套称为o p c 规范 的0 l e c o m 接口协议，以此来提高过程控制工业中的自动化控制应用程序，现场 系统设备以及商, j k 办公室应用程序之间的互操作性。可以说0 p c 是工业监控软件 的现场总线，其基本思想是：每个硬件供应商为其设备丌发个通用的数据接口( 即 0 p cs e r v e r ) ，供其它系统读写信息，客户应用软件也可以通过0 p c 规范的接i s 来 读写硬件设备的信息( 作为0 p cc 1 i e n t ) 。由于硬件供应商通常将硬件驱动程序封 装成o p cs e r v e r 单独出售，这样作为o p c 数据客户端的上层应用，可以不包含任 何通汛接_ 】程序，不必关心底层硬件内部的具体细节，只需遵循0 p c 数据接口协议， 就能够从不同的硬件供应商提供的0 p c 数据服务器中取得数掘。 0 p c 规范提供了两套接口方案，即定制接口和自动化接口。定制接口效率高， 通过该接口，客户能够发挥0 p c 服务器的最佳性能，采用c + + 语言的客户般采 用定制接口方案：自动化接口使解释性语言和宏语言访问0 p c 服务器成为可能，采 用v b 等语言的客户一般采用自动化接口。 纛i o p cs e r v e r ( i n - p r o c ，l o c a l ，r e m o t e ，h a n a。v1j。b。j。 d l e r ) 幽2 2l0 p c 接口标准 基于0 p c 的软件结构如图2 2 2 。由图可见，应用程序与0 p c 服务器之间必须 有0 p c 接口。通常在系统设计中采用0 l e 自动化标准接口。0 l e 自动化标准接口定 义了以卜三层接口，依次呈包含关系。 南京理r 人学坝l 学位论文早十b s 坌l ! i 构的w e bs c a d a 系统架构 o p cs e r v e r ：o p c 启动服务器，获得其他对象和服务的起始类，并用于返回o p c g r o u p 类对象： o p cg r o u p ：存储由若干o p ci t e m 组成的g r o u p 信息，并用于返回o p ci t e m 类对象。 o p ci t e m ：存储具体i t e m 的定义、数据值、状态值等信息。 i 划222 基1o p c 的软件结构 o p c 规范可以应用在许多应用程序中，如它们可以应用于从s c a d a 或者d c s 系 统的物理设备中获取原始数据的最低层，它们同样可以应用于从s c a d a 或者d c s 系 统中获墩数捌到应用程序中。实际上，o p c 设计的目的就是从网络上某节点获取数 据。 o | ) c 规范以o l ，e d c o m 为技术基础，而o l e d c o m 支持t c p i p 等网络协议，因此 可以将各个于系统从物理上分丌，分布于网络的不同节点上。 0 c 按照面向对象的原则，将一个应用程序( o p c 服务器) 作为一个对象封装 起来，只将接口方法暴露在外面，客户以统一的方式去调用这个方法，从而保证软 件对客户的透明性，使得用户完全从低层的丌发中脱离出来。 o p c 实现j 远程调用，使得应用程序的分布与系统硬件的分布无关，便于系统 硬件配置以及，使得系统的应用范围更广。 采用o p c 规范，便于系统的组态化，将系统复杂性大大简化，可以大大缩短软 件丌发周期，提高软件运行的可靠性和稳定性，便于系统的升级与维护。 o p c 规范，便于系统的组态化，将系统复杂性大大简化，可以大大缩短软件开 发周期，提高软件运行的可靠性和稳定性，便于系统的升级与维护。 o p c 规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去 访问，从而实现系统的玎放性，易于实现与其它系统的接口。 2 3s c a d a 系统的硬件结构 s c a d a 系统在物理上包括：客户端、数据服务器、过程控制器，其中客户端包 括人机界，负责与用户的交互；数据服务器通过p l c 等过程控制器从现场的设备 南京理t 人学f ! i j 学位论义捧于b s 结构的w e bs c a d a 系统架构 采集监控点的参数值，并向设备发出控制命令：过程控制器与受控设备相连，负责 与设备的交互。过程控制器与数掘服务器的连接方式有以下几种：通过串行口直接 相接、以太网连接、通过现场总线相连。数据服务器和客户端之间通过以太网相连。 根据以上原则，监控系统通常可以采用3 级体系结构：集中监控中心( c o n c e n t r a t i of f s u p e r v is i o f fc e n t e r ，c s c ) 、现场监控单元( f l e l ds u p e r v i s i o i lu c i t ，f s u ) 及 监控模块( s u p e r v is i o nm o d u l e ，s m ) 。监控系统呈现树型网络拓扑方式，系统体系 结构如图2 3 1 m l2 3i s c a d a 系统的便l ，| ：结构图 各级系统的功能如下： 1 ) 蚧控模块s m s m 的设备配置可分为标准型s m ( 中、小模式) 和增强型s m ( 大模式) 两种，分 别对应不同的设备配置。 在规模适中或规模较小的端局，无智能设备或智能设备不超过5 个时，可将各 采集设符挂接在条数据总线上，直接通过通信链路将数据传送到端局监控机。一 般市话局支局、模块局和基站采用中、小模式 南京理1 + 人学瑚l ：学位论义拈十b s 结构的w e bs c a d a 系统架构 标准型s m 由智能协议处理器o c e 、采集器、传感器等设备组成，适用于大部分 的无人职守的局站。大模式如图2 3 2 所示，适用于中心局、枢纽局、汇结局等设 备数量较多，要求实现就地管罩的大型局站，采用监控主机配置。大局模式配置由 多端局监控主机、采集器、专感器等组成 剀232 人规模s m 结构剀 中、小规模的s m 设置如图2 3 3 所示。此类s m 的监控对象通常较为单一。在 需要监控的设备数量较小的情况下通常采用中、小规模的s m 。它的特点是实施简便、 成本较低，适用于小规模的端局设置。 幽2 33 中小规模s m 结构幽 捧十b s 结构的w e bs c a d a 系统架构 2 ) 现场监控单元( f s u ) f s u 是连接监控端局和监控中心的桥梁，是整个监控系统数据处理的核心，其 主要功能是列端局采集器的原始数据进行采集，并将处理结果发送给监控业务台和 数据服务器，同时接受业务台的控制命令对端局设备进行控制 f s u 主要具备以下功能：以图形或列表方式实时显示本f s u 范围内的各s m 的分 布状况、工作状态和运行参数；具有局站分片区、分设备类监控功能；全网时钟校 验功能：臼渗断功能、对脏控系统本身的故障进行告警：具有故障派修、回单和测 试的闭环管理能力：具备与图像监控系统告警联动功能；实时接收告警信息、其备 分级告警、厕丽自动切换、告警提示、自动寻呼、e m aj 】、短消息、告警查询、告 警统计等功能。 3 ) 集中监控中，t l , ( c s c ) c s c 的功能是负责整个监控系统的信息汇总和分析处理，是f s u 的上级管理单 元。c $ c 汇总各f s u 的监控信息，提供一个全局的资源配置和故障告警数据。供管 理者了解全剧监控系统总的运行情况。 各个层次的设定也不是一成不变的，要根据实际情况进行动态调整。比如s m 和f s u 的设定并没有严格的区分标准，同样各层次模块的规模也是动态变化。在某 些规模较小的区域可能只需要一个或很少数目的s m 。此时就可以省略f s u ，将s m 直接近接到c s ( ：。实际建立船控系统时应根据具体情况。 2 4s c a d a 系统的软件架构 如图2 41 所示，一般的s c a d a 系统软件构架如下 幽2 4l 一般的s c a d a 系统软件构架 南京州l 人学卜位| 土捧十b s 结构的w e bs c a d a 系统架构 2 5s c a d a 系统的功能 在f ：述懊件结构和软件架构的基础上，一个相对完善的s c a d a 系统应具备有下 述几大功能。 1 系统管理员可以将用户划分成组，对组分配权限，简化系统的访问控制管理： 2 人机接口( m m i ) 将监控点的参数值以图形对象显示，在监控点比较多的情况下， m m i 由多个视图构成，并且可以自由切换： 3 系统参数的设置发置要包括系统配置参数和监控点信息，前者通过系统配置工 具完成配置，后者由监控点编辑器完成编辑： 4 用户町以通过服务器接口访t 0 1 历史数据库，看到过去的历史趋势或历史趋势和 实时趋势的结合： 5 系统规定几种不同的警报级别，并对应不同的报警动作，报警动作由用户在监 控点编辑器中指定； 6 系统提供列0 p c 的支持，方便系统的扩展。 南京理t 人学坝l 。学位论文幕十b s 结构的w e bs c a d a 系统架构 3 基于b s 结构的w e bs c a d a 系统 同传统的接1 jc s 结构的s c a d a 系统相比，w e bs c a d a 系统具有如下好处：可 以远程访问：使得广泛的技术合作成为可能，在网络上对同一问题进行技术会诊； 客户端免安装以及升级和维护的便利。 3 i 基于b s 结构的w e bs c a d a 系统的设计实现 3 i 1b s 结构概述 b s 结构是随着i n t e n e t 技术的兴起，对c s 结构的一种改进。在这种结构下， 用，- 界面完全通过w e b 浏览器实现，一部分事务逻辑在前端实现，但是主要事务逻 辑在服务器端实现。b s 结构，主要是利用了不断成熟的w e b 浏览器技术，结合浏 览器的多种s c r ip t 语言( j a v a s c r i p t 等) 和服务器端的s c r ip t 语言( p h p ，a s p ，j s p ) 等技术，用通用浏览器就实现了原来需要复杂专用软件才能实现的强大功能，并节 约了丌发和维护成本，是一种先进的软件系统构造技术。 | 3 s 结构如图3 1 1 1 所示 业务逻辑层 数据存储层 幽31 i lb s 结构示意幽 a p a c h e 服务器是一种自由软件由于a p a c h e 采用多进程方式提供服务，为了 提高性能，a p a c h e 采用了一种特别的方式，即预生成进程模型。在良好的情况下， 预先生成的多个进程可以全速回应相应数量的浏览器客户请求，而没有额外的性能 丌销，因此就完全可以和线程或异步方式相媲美。在实际运行当中，由于预先生成 的进程毕竟要占用系统资源，因此a p a c h e 就采用了这样的一种策略，在系统中保 持一定的空闲进程，当空闲进程较少时就自动生成，当空闲进程较多时就让一些进 程退出我们可以根掘服务器的实际情况调整操作系统以及a p a c h e 提供的配置参 南京耻r 人学坝l + 学位 宅义堆十b i s 坌l ! i 构的w e bs c a d a 系统架构 数，以实现更好的性能。 p i i p 足i l y p e r t e x tp r e p r o c e s s o r ( 超文本预处理程序) 的简称。p h p 是一个基于 服务端来创建动态网站的脚本语言。它大量借用了c ，j a v a 和p e r l 语言的语法， 并加入了各种p t i i ，自己的特征。p h p 语言的目的是使w e b 丌发者能够快速写出动态 页面。 我们可以用p h p 和h t m i 。生成网站主页。当个访问者打开主页时，服务端便 执行p h p 的命令并将执行结果发送到问者的浏览器中，p h p 可以运行在 w in d o w s n l 2 0 0 0 x p 和多种版本的u n i x 上。它不需要任何预先处理而快速反馈结果， 它也不需要m o d p e r 的调整来使您服务器的内存映象减小。p h p 消耗的资源较少， 当p h p 作为a p a c h e w e b 服务器的一部分时，运行代码不需要调用外部二进制程序， 服务器不需要承担任何额外的负担。 p h p 还能发送h t t p 的标题。使用者以设置c o o k i e ，管理数字签名和重定向用 ，“，l f i i i 它提供了极好的连通性到其它数据库( 还有o d b c ) ，集成了多种外部库。 m ic r o s o f ts q i 。s e r v e r t m2 0 0 0 数据库服务器是基于结构化查询语言( s q l ) 的可 伸缩的关系数据库，集成了对i n t e n e t 应用程序的可扩展标记语言+ ( x m l ) 的支持。 m i c f o s or l s q ls e r v e r l m2 0 0 0 扩展了m i c r o s o f ts q ls e r v e r7 0 版的性能、可靠 性、质奄和易用性，增加了几种新的功能，由此成为大规模联机事务处理( o l t p ) 、 数据仓库和电子商务应用程序的优秀数据库平台。m ic r o s o f ts q ls e r v e r t m2 0 0 0 由系列相互协作的组件构成，能满足最大的w e b 站点和企业数据处理系统存储和 分析数