（计算机系统结构专业论文）基于rtcorba的分布式电力监控系统研究与应用.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着生产力的发展，电力监控网络的规模不断增大，网络结构越来越复杂， 系统的异构性特点越来越明显。同时，系统对实时性的要求也越来越高。这些都 使得整个系统的运行管理工作变得非常重要。在监控区域广、监控点分散、监控 对象种类繁多以及现场数据不易采集等情况下，集中式监控系统已经不能够及时 地监视设备的运行状态并进行有效控制。由于上述原因的存在，分布式监控系统 应运而生。分布式监控是本地计算机通过网络系统如i n t e m e t i n t r a n e t ，对远端设 备进行监视和控制。和传统的分布式应用不同的是，分布式电力监控系统要求很 高的可靠性、实时性和跨平台能力。 针对以上特点，在对分布式监控系统关键技术进行分析的基础上，提出了使 用中间件技术来解决本系统在异构环境下的互操作问题。在对主流中间件技术进 行详细分析和比较的基础上，选择了c o r b a 产品作为整个系统的软件总线。 c o r b a 技术具有很多应用于本系统的优势，然而它不能很好的解决本系统对于 实时性的较高要求。因此，提出了将r t c o r b a 技术应用于本系统的新思路。 分布式电力监控系统的组成部分主要包括：r t u ，前置机、数据库服务器、 调度员工作站和应用工作站，对各部分的功能和各部分之间的通信进行了详细分 析。在此基础上，总结出分布式电力监控系统的两大特点：实时性和异构性。通 过对s o c k e t 、d c o m 、c o r b a r t c o r b a 几种技术方案的比较，最终选择 r t c o r b a 技术作为分布式电力监控系统实现的技术方案。本文对r t c o r b a 的优先级机制、线程调度机制和通信协议等关键技术进行了分析，并介绍了 r t c o r b a 的开发平台t a o 。 在对电力监控系统五种通信分析的基础上，设计了分布式电力监控系统的通 信模型示意图。结合通信模型示意图和r t c o r b a 在分布式电力监控系统中应 用的分析，将本系统开发流程分为五部分。 根据系统的开发流程，首先实现了t a o 分布式平台的搭建，详细介绍了系 统的i d l 设计，并介绍了i d l 的编译方法。最后，详细说明了分布式电力监控 系统的五种通信的伺服程序实现，以及服务器端和客户端主控程序的实现。 山东大学硕士学位论文 本文实现的n d 2 0 0 5 电力调度自动化系统，在重庆超商压公司电力监控系统 的应用中，取得了良好的运行效果。 最后，对论文所做工作进行了总结，并提出了今后研究工作的发展方向。 关键词：分布式监控：中间件；r t o o r b a ；id l ；t a o 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t i v i t y ，t h es i z eo fe l e c t r i c p o w e rm o n i t o rs y s t e mn e tb e c o m e sb i g g e ra n db i g g e r ，i t ss t r u c t u r e i sm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d ，d i f f e r e n c e sa m o n gn e t s a r c h i t e c t u r e b e c o m em o r ea n dm o r eo b v i o u s a tt h es a m et i m e ，i t sr e q u i r e m e n t f o rr e a l - t i m ea b i l i t yi sh i g h e ra n dh i g h e r a l lt h e s ec h a n g e sm a k e s y s t e m s r u n a n d m a n a g e m e n t m o r e i m p o r t a n t u n d e r s o m e c i r c u m s t a n c e s ，c e n t r a l i z e dm o n i t o rs y s t e mc a nn o tt i m e l ym o n i t o r t h er u n n i n gs t a t e so fd e v i c e sa n dc o n t r o lt h e me f f e c t i v e l y f o r e x a m p l e ，w i d em o n i t o rd i s t r i c t ，d i s p e r s i v em o n i t o rp o i n t s ，a l lk i n d s o fm o n i t o ro b j e c t sa n dd i f f i c u l t i e se n c o u n t e r e di nf i e l dd a t a c o i l e c t i o ne t c b e c a u s eo fa l la b o v er e a s o n s ，d i s t r i b u t e dm o n i t o r s y s t e mo c c u r r e d i tm e a n st h a tl o c a lc o m p u t e r sc a nm o n i t o rr e m o t e d e v i c e s ，s t a t e so fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e ma n dc a nt a k ec h a r g eo f t h ed i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c eo fd e v i c e sb yi n t e r n e to ri n t r a n e t u n l i k et r a d i t i o n a ld i s t r i b u t e da p p l i c a t i o n s ，d i s t r i b u t e de l e c t r i c p o w e rm o n i t o rs y s t e m sr e q u i r eh i g hs e c u r i t y ，g o o dr e a l - t i m ea b i l i t y a n de x c e l l e n tc r o s s p l a t f o r mp e r f o r m a n c e t o m e e ta b o v e r e q u i r e m e n t s ，b a s e d o n a n a l y s i s o f k e y t e c h n o l o g i e si nd i s t r i b u t e dm o n i t o rs y s t e m ，o n em e t h o di sp r e s e n t e d t os o l v ei n t e r o p e r a t i o n p r o b l e m s u n d e rh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k e n v i r o n m e n t su s i n gm i d d l e w a r et e c h n o l o g y a f t e ra n a l y z i n ga n d c o m p a r i n gs o m em a i n s t r e a mm i d d l e w a r et e c h n o l o g i e s ，t h i sp a p e r s e l e c t sc o r b aa st h i ss y s t e m ss o f t - b u s a l t h o u g hc o r b a t e c h n o l o g yo w n sm a n ya d v a n t a g e st ob ea p p l i e di nt h i ss y s t e m ，i t c a nn o tm e e th i g h e rr e a l - t i m ea b i l i t yr e q u i r e m e n t s f o r t u n a t e l y ， r t c o r b at e c h n o l o g yc a ns u p p o r tq o sa n dr e a l t i m ea b i l i t y s o t h i sp a p e ri n t r o d u c e so n en e wm e t h o dw h i c ha p p l i e sr t c o r b a t e c h n o l o g yt ot h i ss y s t e m t h em a i nc o m p o n e n t so ft h i sd i s t r i b u t e de l e c t r i cp o w e r m o n i t o rs y s t e mi n c l u d e sr t u ，f r o n tp r o c e s s o r ，d bs e r v e r ，s c h e d u l e r 山东大学硕士学位论文 w o r k s t a t t o n ，a n da p p h c a t t o nw o r k s t a t i o n t h l sp a p o ra n a l y z e st h e f u n c t i o n o fe a c hc o m p o n e n ta n dc o m m u n i c a t i o na m o n gt h e mi n d e t a i l b a s e do rt h ea b o v ea n a l y s i s ，t h i sp a p e rc o n c l u d e st h a tt w o i m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c so fd i s t r i b u t e de l e c t r i cp o w e rm o n i t o r s y s t e ma r er e a l t i m ea b i l i t ya n dd i f f e r e n c e sa m o n ga l la r c h i t e c t u r e s a f t e rc o m p a r i n gs o c k e t ，d c o m ，c o r b aa n dr t c o r b a ，t h i sp a p e r a tl a s t s e l e c t sr t c o r b a t e c h n o l o g y a s ，t h i s s y s t e m s i m p l e m e n t a t i o n m e t h o d t h e nt h i s p a p e r a n a l y s e sp r i o r i t y m e c h a n i s m ，t h r e a ds c h e d u h n gm e c h a n i s m ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l a n do t h e rk e yt e c h n o l o g i e su s e di nr t c o r b a t h e nt h i s p a p e r i n t r o d u c e so u e d e p l o y m e n tp l a t f or m - t a o ，w h i c hs u p p o r t s r t c o r b a t e c h n o l o g i e s t h i sp a p e rd i s c u s s e sf i v em a i nc o m m u n i c a t i o nm o d e si nt h i s s y s t e ma tf i r s t ，t h e nd e s i g n so n es y s t e m sc o m m u n i c a t i o nm o d e l s k e t c hm a p c o m b i n i n gt h e d i a g r a mw i t h a c t u a l a p p l i c a t i o n t e c h n o l o g i e so fr t c o r b a ，t h i sp a p e rd i v i d e st h ew h o l ed e p l o y m e n t w o r kf l o wi n t of i v es t e p s a c c o r d i n gt ot h i sf l o w ，t h i sp a p e ra tf i r s tf i n i s h e se s t a b l i s h i n g t a od i s t r i b u t e dr u n n i n gp l a t f o r m ，a n dt h e np a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e s t h ew h o l es y s t e m si d ld e s i g nw o r ka n dh o wt oc o m p i l et h e s ei d l f i l e s a tl a s t ，t h i s p a p e re x p l a i n sh o wt oa c t u a l l yr e a l i z et h ef i v e c o m m u n i c a t i o nm o d e s s e r v a n tp r o g r a m ，h o wt oc o d et h em a i n c e n t r e lp r o g r a mo fs e r v e ra n dc l i e n ti nd e t a i l x d 2 0 0 5e l e c t r i c p o w e rs c h e d u l i n ga u t o m a t i z a t i o ns y s t e mf i n i s h e di nt h i sp a p e rh a s b e e n a p p l i e d i n c h o n g q i n gu l t r o h i g hv o l t a g el t d ，a n d i t p e r f o r m a n c e sw e l l i nt h ee n d ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h em a i nw o r k sf i n i s h e di n t h i sr e s e a r c ha n da l s o p o i n t s o u tt h e d i r e c t i o n so fs u b s e q u e n t r e s e a r c h k e y w o r d s ：d is tr ib u t e dn l o n i t or 。1 1 1 id dj o w ar e r t o o r b a ，id l t a 0 i v 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丕堡塑! 1 日期：塑2 1 ：! ! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：至堡旦l 导师签名：过日期：鲨堕：墨堡 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 。1 课题的研究背景和意义 2 0 世纪9 0 年代以来，科学技术的飞速发展给人们的生产、生活带来了巨大 的变化。作为工业生产和生活中的一项重要技术，监控技术越来越受到人们的重 视。计算机监控技术的应用，一方面可以提高生产效率和安全性，降低生产成本， 另一方面可以降低劳动者的生产强度，提高管理水平，从而带来巨大的经济效益 和社会效益【l j 。 监控系统经历了一个从集中式监控向网络分布式监控的发展历程m j 。早期的 监控系统，以检测控制的计算机为主体，通过检测装置、执行机构和被监控对象 实现生产现场的集中式监控p j 。生产力的发展使得监控网络的规模越来越大，网 络结构越来越复杂，加上网络的异构性，使得整个系统的运行管理工作变得非常 重要。在监控的区域广、监控点分散、监控对象种类繁多以及现场数据不易采集 等情况【4 】下，要能够及时地监视设备的运行状态并进行有效控制，集中式监控系 统已经不能适应生产的需求，这种情况主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 信息的集成能力差 ( 2 ) 可靠性低 ( 3 ) 系统的开放性、可集成性差 ( 4 ) 系统的可维护性低 由于上述原因的存在，分布式监控系统应运而生。分布式监控系统，是相对 于集中式监控系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式监控系统的基 础上发展、演变而来的。分布式监控是本地计算机通过网络系统如 i n t e m e t i n t r a n e t ，对远端进行监视和控制，完成对分散控制网络的状态监控及设 备的诊断维护等功甜“。这种分布式的计算机监控系统实现了集中管理与分散控 制相结合，性能稳定、可靠性高、易于操作和维护。 分布式电力监控系统是对电网进行监测、分析、调度的大型软件。系统主要 用于工业生产用电网的管理和维护，典型应用如：电厂用电及配送电，城区用电， 山东大学硕士学位论文 社区楼群用电，这些应用在地理上分布在一定的范围，是一种自然的分布式应用； 同时监控系统一旦投入使用，要求长时间不问断无故障运行，要求系统能够在不 停机的情况下扩大规模，这就要求在设计上有好的可扩展性和较高的容错性嘲。 和传统的分布式应用不同的是：电力监控系统要求很高的可靠性、实时性和跨平 台能力 7 1 。 目前，许多分布式电力监控系统基于d c o m 技术进行开发，然而，d c o m 技术应用在电力监控系统中存在很多弊端。d c o m 仅限于微软的w i n d o w s 平台， 对各平台的集成能力上有些限制。同时它采用私有的通讯协议，不能实现协议开 放性。另外，d c o m 的可扩展性较差，实时性差，开发工作繁重，不适合应用 在分布式电力监控系统中。 而c o r b a 独立于平台、通信协议、编程语言甚至独立于o r b 总线，同时 r t c o r b a 在c o r b a 所有功能属性的基础上，提高7 o g n 通讯的实时性和q b s 质量。 因此，本课题选择r t c o r b a 技术对x d 2 0 0 5 电力调度自动化系统这一应用 项目进行开发。 1 2 国内外研究现状 远程监控在很多部门、企业的经营管理中都有着重大意义，能够实现信息 的快速采集、综合处理，利用实时信息提高管理决策水平、降低生产成本。计 算机技术、网络技术、通信技术以及控制技术和图形技术的发展，推动了计算 机远程监控技术的迅速发展。我国的远程监控系统的发展从5 0 年代开始，以 电力系统远程监控为先导。经过几十年的发展，当前远程监控系统的进展具有 如下特点： ( 1 ) 软硬件模块化、分布式 ( 2 ) 通信网络化 ( 3 ) 通信高质量 ( 4 ) 工作站高性能 随着电力系统的结构日趋扩大和复杂，要求电力监控系统能够提供迅速、 准确、全面提供电力系统的实际运行状态信息，以预测和分析系统的运行趋势， 2 山东大学硕士学位论文 并对系统运行中发生的各种问题做出正确的处理。 基于计算机远程监控技术的分布式电力监控系统已成为这一领域中的研 究热点。当前主流的分布式对象技术主要包括o m g 组织的c o r b a 技术， m i c r o s o f t 的d c o m 技术以及j a v a r m i 技术，而基于n e t 平台的r e m o t i n g 技 术和x m lw e b s e r v i c e 技术在这一领域应用研究也在探讨中。 1 3 论文的内容安排 本文采用基于r t c o r b a 的分布式对象技术实现了某电力企业的分布式监 控系统，在对系统的功能、特点进行分析的基础上，对系统的关键技术进行了分 析，设计了系统的通信模型，最后给出了系统实现的部分细节。 本论文共分6 章，分别介绍如下： 第l 章绪论 。 介绍基于分布式电力监控系统的发展背景和国内外研究现状，阐述课题的研 究意义。最后，安排了论文要完成的主要工作。 第2 章分布式监控系统 简单介绍监控系统的发展历程以及分布式监控系统的体系结构及关键技术。 第3 章中间件技术 中间件技术及其发展，分布式对象模型技术的基本概念，几种分布式对象模 型技术的分析与比较。并对如何针对一个特定的应用选择合适的中间件做出详细 阐述。 第4 章i 汀c o r i ；a 在分布式电力监控系统中的应用 分布式电力监控系统的组成，各部分的功能，各部分之间的通信，总结了分 布式电力监控系统的特点：实时性和异构性。对r t c 0 砌 a 技术及其开发平台 t a o 做了技术分析。 第5 章r t c o r b a 在分布式电力监控系统的实现 设计了r t c o r b a 的通信模型，将基于r t c o r b a 的分布式电力监控系统的 开发流程划分为五个部分。分别介绍了开发流程中的平台搭建，系t f f l d l 的设计， 各组成部分之间的五种通信的伺服程序实现，以及客户端和服务器端主控程序的 开发流程。 山东大学硕士学位论文 第6 章总结与展望 总结了论文主要完成的工作，指出了r t c o r b a 开发的分布式电力监控系统 的优点。针对该领域的新技术存在的问题及其发展做出展望。 4 山东大学硕士学位论文 第2 章分布式计算机监控系统研究 2 1 计算机监控技术 计算机监控技术是一门综合性的技术，它是计算机技术( 包括软件技术、接 口技术、通信技术、网络技术、显示技术) 、自动控制技术、自动检测和传感技 术的综合应用。所谓计算机监控，就是利用传感装置将被监控对象中的物理参量， 如温度、压力、流量、液位、速度，转换为电量( 如电压、电流) ，再将这些代 表实际物理参量的电量送入输入装置中，转换为计算机可识别的数字量，并且在 计算机的显示装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来 e l 。如果出现异常情况， 则及时用声光报警，提醒相关人员，从而使得操作人员能够直观而迅速的了解被 监控对象的变化过程，并针对不同情况采取相应的措施。除此之外，计算机还可 以将采集到的数据存储起来，随时进行分析、统计和显示并制作各种报表。如果 还需要对被监控的对象进行控制，则有计算机中的应用软件根据采集到的物理参 量的大小和变化的情况以及按照工艺所要求的该物理量设定值进行判断；然后再 从输出装置中输出相应的电信号并且推动执行装置( 如调节阀、电动机) 动作从 而完成相应的控制任务。 计算机监控技术已经经历了几十年的发展，自问世之初，就因其性能优良、 使用方便而迅速覆盖了数据自动监测、采集、处理和自动控制领域。近年来，随 着计算机性价比的不断提高，计算机监控系统在许多行业都得到了广泛的应用， 如电力、石油、冶炼、化工和交通及其他行业。使用计算机监控技术，对稳定生 产过程、改善产品质量、提高产量、降低成本、合理和经济的安排生产、提高劳 动生产率、改善生产环境、减轻劳动强度等多个方面，都有显著的作用。 2 2 计算机监控系统的组成 计算机监控系统可以应用在不同的行业和企业生产过程中。虽然监控的对象 有所不同，但其一般都包括以下几个功能组成部分唧。 ( 1 ) 数据采集和变换部分 山东大学硕士学位论文 计算机监控系统具有数据采集和变换的部件，用来采集现场的实时数据，如 温度、流量、压力、液位、电压、电流、功率等需要监测的运行参数，还包括一 些表示“开”或“关”两种状态的开关量。通常把这些采集到的模拟量或状态，实时 地变换成计算机能够接收的代码形式。这里包括，模拟量变换器，如常称为a d 的变换器和开关量变换器。 ( 2 ) 实时监控工作情况的部分 计算机接收到现场各种实时数据以后，以运行管理人员习惯使用的图表形 式，将各种现场数据用显示器实时显示出来，使运行人员、管理人员能从现实的 图表或数据中，及时地了解和掌握现场的情况。有了实时监控以后，尽管现场地 域广阔，或监视对象较多，或者有些设备工作条件特殊，如高温、多尘等环境， 管理人员都可以集中在计算机控制室中进行实时集中监视，统一管理。 ( 3 ) 越限报警部分 使用计算机对现场的实时运行数据进行监视的同时，还将各项实时数据与预 先设定的该项数据上限值和下限值逐个进行比较，如果发现某些数据超出上限或 下限，则在显示图形上，以醒目的方式，如用特殊的颜色将该数据显示出来，也 可以同时用声音提醒运行人员注意，及时处理，以使这些工作数据尽快回到正常 状态的数值范围内，也即回到正常要求的上、下限值以内的数值埘。 ( 4 ) 保存运行数据的档案部分( 历史数据库) 计算机将收集到的监控对象的运行数据，进行统计和整理，并把发生的各种 故障，故障发生的时间和故障出现的过程以及越限等，记入历史档案。 ( 5 ) 日运行情况的制表打印部分 为了便于分析监控系统的监视对象，接收监控对象的运行情况和工作效益， 通常把对象的重要运行参数的变化情况，根据管理的要求，编制日运行工作情况 记录表，以便当日分析使用。 ( 6 ) 集控部分 计算机监控系统根据实际运行情况的需要，可以对监控系统进行控制，以便 改变对象的工作状态。这种集中通过计算机的控制，应该选取一些主要的和重要 的操作控制，和工作环境恶劣而不便于就地人工操作的控制“1 。不必要把所有的 操作控制集中由计算机控制系统来完成，以减少投资，提高系统的可靠性。 6 山东大学硕士学位论文 2 3 计算机监控系统的体系结构 计算机监控系统近年来有了较大的发展。从整个发展过程来看，硬件结构从 集中式向分布式发展。目前除了少数系统因监控对象少，位置相对集中而采用集 中式结构外，许多计算机监控系统为适应现代化大规模监控对象的需要，都采用 分布式结构。 传统的监控系统是集中式的监控系统。所谓集中结构是指由单一的计算机完 成控制系统的所有功能并对被控对象实施控制的一种系统结构【“。显然，这种结 构对计算机的要求极高。首先它必须有足够的处理能力和极高的可靠性，以保证 功能的实现和系统的安全。这种系统的好处是系统的整体性、协调性好。由于是 集中的方式，所有现场状态集中在一个计算机中处理，因此中央计算机可以根据 全面情况进行控制和判别，在控制方式、控制时机的选择上可以进行统一的调度 和安排。而d s c ，即所谓分布式控制系统( 也称为集散系统) 是相对于集中式控 制而言的一种新型计算机控制系统。它是在集中式控制系统的基础上发展，演变 而来的。d c s 在系统的处理能力和系统的安全性方面明显优于集中系统，这是由 于d c s 使用了多台计算机分担了控制的功能和范围，使处理能力大大提高，并将 危险性分散i ”】。由于d c s 上述的优点，现在它已成为计算机监控能够系统的主流 结构。 2 3 1 集中式计算机监控系统体系结构 集中式监控系统结构比较简单，通常采用一台计算机或两台计算机( 为了提 高系统的可靠性，采用双重冗余) 来实现过程数据输入输出、实时数据库的管理、 实时数据的处理与保存、历史数据库的管理、历史数据处理与保存、人机界面的 处理、报警与日志记录、报表乃至系统本身的监督管理功能。 系统中的计算机通过输入输出模块获取外界的过程信号，并把它们转化为计 算机可以识别的数字信号，然后通过计算机的人机界面显示其值，并根据控制算 法，经执行机构来控制被监控对象。 采用双重冗余的集中式计算机监控系统结构如图2 1 所示： 山东大学硕士学位论文 图2 - 1 集中式计算机监控系统体系结构 集中式计算机监控系统的优点是结构简单、清晰，集中的数据库很容易管理， 并容易保证数据的一致性。但其缺点很多1 1 4 】：( 1 ) 各种功能集中在一台计算机中， 使软件系统相当庞大，各种功能要有很多实时任务去完成，而任务数量的增加将 导致系统开销增大，计算机运行效率下降；( 2 ) 由于集中式的系统需要庞大而复 杂的软件体系，使得系统的软件可靠性下降，实际运行情况表明，集中式系统在 现场运行时出现故障的概率为7 0 。以上这些问题是由于结构不良或存在缺陷的 软件造成的。因此尽管很多集中式系统为了保证系统的可靠性而精心设计了双重 冗余与备份，但仍然避免不了故障的出现，甚至增加了冗余的系统，故障率反而 高于没有冗余的系统，究其原因，均是软件引起的问题；( 3 ) 系统的可扩充性差。 限于计算机硬件的配置与能力，一个系统在建立时基本上就已经确定了其最终能 力。如果能预见到其规模的扩充，只有预留计算机的处理能力，这将造成很大的 浪费；( 4 ) 集中式系统将所有的功能、所有的处理集中在一台计算机上，大大增 加计算机失效或故障对整个系统造成的危害性，所有实时信息、历史数据和处理 功能集于一身，一旦出现问题，造成的后果都是全局性的。 2 3 2 分布式计算机监控系统体系结构 虽然不同的计算机监控系统存在着许多差异，但其核心结构基本上是一致 的，它们都是分布式控制系统( d c s ) 。d c s 系统一般由四个基本部分组成：即 系统网络、现场i o 控制站、揉作员和工程师站。在d c s d p ，现场i o 控制站、操 作员站和工程师站都是由独立的计算机构成的。这些完成特定功能的计算机称为 山东大学硕士学位论文 “节点”。 d c s 的系统网络是d c s 的骨架，网络对d c s 整个系统的实时性、可靠性和扩 充性起着决定性的作用。对于d c s 的系统网络来说，它必须满足实时性的要求， 即无论在何种情况下，信息的传递必须在某个确定的时间限度内完成”l 。同时系 统网络还必须是可靠的，无论在何种情况下，网络的通信都不能中断。为了满足 扩充性的要求，系统网络可接入最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干 倍。d c s 的多个节点要靠系统网络很好的连接才能够协调地工作，因此许多厂商 都对d c s 的系统网络进行精心的设计。 d c s 的i o 控制站主要功能是：( 1 ) 将各种现场发生的过程参量进行数字化， 然后将本站采集到的实时数据通过系统网络传送到操作员站、工程师站和其它现 场i o 控制站；( 2 ) 在本站实现局部的自动控制、回路计算及闭环控制、顺序控制 等。( 3 ) 接收操作员站、工程师站发送的信息；实现对过程参量的自动控制或对 本站参数的设置。 一般一套d c s 都要设置多个现场i o 控制站，用以分担整个系统的i o 和控制 功能。这样可以避免因一个站点失效而造成整个系统的失效，从而提高了系统的 可靠性。同时也可以是个站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的 性能“6 1 。 d c s 的操作员站的主要功能是为操作员提供人机接口，使操作员能及时全面 地了解现场运行状态、各种运行参数的当前制等信息。并且可以通过操作员站的 输入设备，如鼠标、键盘、触摸屏等，对生产过程进行控制和调节，以保证生产 过程安全、可靠、高效、高质的运行。操作员除了可以监视生产过程的运行状态 外，还可以监视控制系统本身各个设备的运行状态，如测量、智能传感器和智能 执行机构是否正常和完善等。 d c s 工程师站的主要功能是对d c s 进行离线的组态工作和在线的系统监控、 控制和维护。工程师站提供了对d c s 进行组态工作的工具软件( 即组态软件) ， 并在d c s 在线运行时，实时地监控d c s 网络上各个节点的运行情况，使系统工程 师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设置。与集中式控制系 统相比，大多数d c s 都要求有系统组态功能。 一个典型的d c s 系统结构如图2 - 2 所示： 9 山东大学硕士学位论文 图2 - 2 分布式计算机监控系统体系结构 系统网络 2 4 分布式监控系统和集中式监控系统的比较 两种监控系统的特点比较如下： ( 1 ) 分布式系统是一组互通信的多计算机系统，而集中式系统常用单机或双 机组成的系统。因而分布式系统处理能力强，速度快，但结构较复杂。集中式系 统结构较简单，一切工作都由主机完成，因而处理能力小、速度慢。 ( 2 ) 分布式系统使用多台计算机，在硬件投资上，从计算机部分的投资统计， 要比集中式多，但综合考虑传输电路和通信通道的费用，因集中式系统需要大量 的数据传输电缆，硬件费用增加，而分布式系统则是多个控制对象组成一个对象 组，仅需要一条通道。特别是监控对象相对分散，与主机的距离较远时，分布式 系统的总投资比集中式系统低。 ( 3 ) 分布式系统能够采用多计算机互连通信，通信方式具有高的抗干扰能 力。而集中式系统的监控对象和主机间，传送模拟电压和脉冲电压，容易受到干 扰。 综上所述，当监控对象数目较多，位置相对分散，距离主控室较远时，分布 式系统具有较高的性价比。所以，一般规模较大的现代监控系统都采用分布式结 构。 2 5 本章小结 本章首先对监控系统作了概述，并介绍了监控系统的组成和其体系结构。在 山东大学硕士学位论文 此基础上，分别对集中式监控系统和分布式监控系统的组成和特点进行描述。在 本章最后，对上述两种监控系统作了对比，指出了分布式监控系统是当今大规模 监控系统应用的主流。 山东大学硕士学位论文 第3 章中间件技术 中间件技术是为了适应分布式计算技术的发展而产生的，它为异构环境下的 互操作提供了有力的工具【堋。本章介绍了中间件技术的相关背景和发展历史，对 中间件的概念和分类作了介绍，并对分布式对象中间件技术进行了深入研究。 3 1 中间件概述 中间件是位于应用系统和底层系统( 包括操作系统、网络协议栈、硬件等) 之间的一类软件。中间件连接应用程序和底层软硬件基础设施、协调应用各部分 的连接和互操作，使系统开发者能够实现并简化基于各种不同技术的服务组件之 间的集成1 1 ”。 中间件应具有以下几个属性：( 1 ) 中间件服务应该能够满足大量跨平台应用 的需求；( 2 ) 中间件应该能够运行于多种硬件平台和操作系统上：( 3 ) 中间件支持 分布式计算，提供跨网络、硬件和操作系统平台的透明性的应用或服务的交互功 能；( 4 ) 中间件支持标准的协议，并提供标准的应用编程接e l 。 中间件是分布式计算的核心、现代网络系统应用的基础。对于中间件来说， 普遍能接受的定义是d c 的表述【1 9 l ：中间件是一种独立的系统软件或服务程序， 分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源，中间件位于客户机服 务器的操作系统之上，管理计算资源和网络通信。中间件是建立在操作系统之上、 支持网络应用的有效开发、部署、运行和管理的一层支撑软件。因此，中间件基 于分布式处理的实现互连和互操作的功能，是一个支持分布计算，具有强大通信 能力和良好的可移植性、可扩展性的分布式软件管理框架。 3 2 中间件的分类 按照通信模型的不同，中间件可以分为3 类，即基于远程过程调用的中间件、 基于消息传递的中间件和基于分布式对象的中间件。其中，面向对象的分布式对 象中间件技术是主流的中间件技术。 山东大学硕士学位论文 3 2 1 远程过程调用中间件 远程过程调用( 砒，c ) 是基于客户机服务器模型的一个协议，远程过程调 用与本地调用的语义非常相似，应用程序使用调用本地过程的方法调用远程过 程，从而达到分布式访问的目的。远程过程调用对程序员屏蔽通信细节，具有较 好的结构化和抽象化性能，它是分布在不同处理机上的程序进行合作的一种高级 机制，并被广泛地用于分布式操作系统、分布式数据库和客户，服务器计算领域 中。 砌屯可以调用远地系统的多种功能( 包括系统调用) ，并将结果返回本地应用 程序。客户负责收集远程过程调用参数，并把它们连同远程过程一起，传递给服 务器并被挂起，然后等待回应。服务器产生一个子进程处理r p c 请求。子进程调 用具体的本地操作完成r p c 请求的功能，然后向客户返回执行结果。具体过程如 图3 1 所示。 。 计算机a = = = 、 请求信息 返回 工己型生坐世 、 f 调用过程 、 挂起 应答信息 安醒。 图3 - 1 远程过程调用 i 潆c 的执行序列一般为：客户机调用客户机s t u b ，客户机自陷入内核，内核发 送消息，服务器被中断，内核将消息交给服务器s t u b ，服务器s t u b 将消息交给被 调用过程，然后被调用的服务器进程执行调用并按相反的路径发送应答消息。 采用砌，c 技术简化了系统开发和设计，使程序员不必考虑进程间通信问题， 只需考虑远程单元的同步和出错依赖性等问题。用户在应用程序中可以直接按名 称调用分布服务，而不必考虑服务所在的位置。这样使整个系统具有可重构的功 能。 k p c 的灵活特性使得它的应用非常广泛，它可以应用在更复杂的客户服务 器计算环境中。远程过程调用的灵活性还体现在它的跨平台性方面，它不仅可以 山东大学硕士学位论文 调用远端的子程序，- 廊且这种调用是可以跨不同操作系统平台的，而程序员在编 程时并不需要考虑这些细节。 r p c 也有一些缺点，主要是因为砌 c 一般用于应用程序之间的通信，而且采 用的是同步通信方式，因此对于比较小型的简单应用还是比较适合的，因为这些 应用通常不要求异步通信方式脚】。但是对于一些大型的应用，这种方式就不是很 适合了，因为此时程序员需要考虑网络或者系统故障，处理并发操作、缓冲、流 量控制以及进程同步等一系列复杂问题。 3 2 2 基于消息传递的中间件 消息中间件能在不同平台之间通信，实现分布式系统中可靠的、高效的、实 时的跨平台数据传输，它常被用来屏蔽掉各种平台及协议之间的特性，实现应用 程序之间的协同。其优点在于能够在客户和服务器之间提供同步和异步的连接， 并且在任何时刻都可以将消息进行传送或者存储转发，这也是它比远程过程调用 更进一步的原因【2 1 】。另外消息中间件不会占用大量的网络带宽，可以跟踪事务， 并且通过将事务存储到磁盘上实现网络故障时系统的恢复。当然和远程过程调用 相比，消息中间件不支持程序控制的传递。 消息中间件适用于需要在多个进程之间进行可靠的数据传送的分布式环境。 它是中间件中唯一不可缺少的，也是销售额最大的中间件产品，目前在w i l l d o w s 2 0 0 0 操作系统中已包含了其部分功能。 3 2 3 分布式对象中间件 在开发大型分布式应用软件时，需要集成各节点上的不同系统平台上的组件 或新老版本的组件，组件的含义通常指的是一组对象的集成。这些组件种类繁多， 由于缺乏标准而不能相互操作，各厂家的组件只能在各自的平台上运行。为此连 接这些组件的分布式对象中间件应运而生。分布式对象中间件技术是对象技术和 分布式技术发展而成的分布式计算技术，主要解决分布式异构网络环境下，信息 系统集成的异构性、可重用性、互操作性问题。面向对象技术中的对象封装性和 继承性为软件的可重用性提供了很好的基础，并且对象的对外透明性也恰恰符合 中间件技术的要求。分布式对象中间件技术的基本思想是在对象与对象之间提供 统一的接口，使对象之间的调用和数据共享不再关心对象的位置、实现语言及所 1 4 山东大学硕士学位论文 驻留的操作系统。也就是说，这种技术提供一种通信机制，透明的在异构的分布 计算环境中传递对象请求，而这些请求可以为与本地或者远程机器。目前，分布 式对象中间件技术已经成为建立服务应用框架和软构建的核心技术，在开发大型 分布式应用系统中表现出强大的生命力。 3 3 分布式对象中间件技术 随着分布式技术和面向对象技术的结合，产生了大量基于分布式对象中间件 的模型。像o m g 组织的c o r b a 、m i c r o s o f t 的d c o m 、s u n 公司的r m i 等，这些 标准都极大的促进了对象中间件技术的发展，随着面向对象的应用系统的逐年增 长，对象中间件的需求也在逐年加大。对象技术的优势和对象中间件的标准化， 促使对象中间件的功能将最终涵盖其它几类中间件的功能而成为中间件产品的 主流嘲。 下面介绍几种主流的分布式中间件模型的特点和不足，并简单进行比较。 3 3 1 主流的分布式中间件服务模型 c o r i j a 服务模型是由o m g 提出的一个分布式对象技术的规范，它是针对多 种对象系统在分布式计算环境中如何以对象方式集成而提出的，它为对象管理定 义了一个对象模型o m g 参考模型及框架结构。该模型有o r g 、对象服务， 公共设施、领域接口及应用对象等5 个主要部分组成嘲。 该模型及其框架结构将面向对象技术与客户，且务器计算模式结合起来，有 效地解决了对象封装和分布式计算环境中资源共享、代码可重用、可移植及应用 间的互操作性等问题。 r m i 服务模型是直接把分布式对象模型嵌入至t j j a v a 语言内部，使得j a v a 程序 员可以自然地编写分布式程序，不必离开j a v a 环境，或者涉及c o r b ai d l 以及