Web Scada 系統(tǒng)的可伸縮性研究

曾明昌  陳治金

（成都瑞科電氣有限公司 四川 成都 610043）

摘 要：針對(duì)Web Scada系統(tǒng)中如何更好地適應(yīng)用戶規(guī)模變化的問(wèn)題，分析現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)方式對(duì)建立可伸縮系統(tǒng)的限制，提出了基于WCF技術(shù)建立可伸縮的Web Scada系統(tǒng)的解決方案。系統(tǒng)核心是采用面向服務(wù)的SOA架構(gòu)，推送或抓取不同規(guī)模用戶的數(shù)據(jù)采集終端的各種數(shù)據(jù)，對(duì)外公布數(shù)據(jù)訪問(wèn)和推送接口。實(shí)現(xiàn)了Web客戶端響應(yīng)推送服務(wù)或查詢采集數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)到監(jiān)控頁(yè)面中。

關(guān)鍵詞：Web Scada 系統(tǒng)；可伸縮；監(jiān)控頁(yè)面；面向服務(wù)；WCF

Research of Flexibility of Web Scada System

      基于Web的Scada系統(tǒng)不僅提高了Scada系統(tǒng)的適應(yīng)范圍，提高了系統(tǒng)的可靠性，也使Scada系統(tǒng)的管理和維護(hù)變得更加簡(jiǎn)單方便，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)Scada系統(tǒng)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。從Windows平臺(tái)的基于DCOM、ActiveX技術(shù)的同構(gòu)平臺(tái)，到CGI/PHP，再到SOAP、SOA的異構(gòu)平臺(tái)，它涉及了Web數(shù)據(jù)發(fā)布技術(shù)、實(shí)時(shí)圖形的生成和處理、客戶端圖形實(shí)時(shí)刷新技術(shù)、遙控操作圖像熱點(diǎn)處理技術(shù)、系統(tǒng)管理和安全技術(shù)等方面^[2]。由于Scada系統(tǒng)的特點(diǎn)決定了它必須處理數(shù)量變化的遠(yuǎn)程通訊裝置的數(shù)據(jù)采集。由于當(dāng)前數(shù)據(jù)采集技術(shù)的限制，數(shù)據(jù)的采集源點(diǎn)可能千差萬(wàn)別，給Web數(shù)據(jù)發(fā)布帶來(lái)了可伸縮的要求?？梢赃@樣說(shuō)，能否具有可伸縮性能是決定Web Scada系統(tǒng)能夠進(jìn)入大規(guī)模工程實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。其他的多項(xiàng)技術(shù)都須建立在它的基礎(chǔ)之上才會(huì)有實(shí)際意義。Web Scada系統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)如下^[3]：

      由監(jiān)控邏輯層處理復(fù)雜多變的通訊層變動(dòng)，為界面層提供一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來(lái)源是建立可伸縮Web Scada系統(tǒng)的關(guān)鍵。

      本文擬以一個(gè)實(shí)際的Web Scada系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)為背景，利用.Net Framework 4.0、VS2010以及IIS、HTML技術(shù)建立一個(gè)可伸縮的Web Scada 系統(tǒng)，其核心是建立介于通訊層和界面層之間的監(jiān)控邏輯層。通過(guò)該層實(shí)現(xiàn)與通訊層的可伸縮連接和與Web界面層之間的穩(wěn)定連接。

一、現(xiàn)有Web Scada系統(tǒng)模式

      現(xiàn)有的Web Scada 系統(tǒng)主要為了實(shí)現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)信息的Web展現(xiàn)，他們都以在Web 頁(yè)面中實(shí)施展現(xiàn)通訊層的數(shù)據(jù)采集內(nèi)容為主要功能。由于面對(duì)的用戶規(guī)模不同，出現(xiàn)了比較多的Web Scada 系統(tǒng)，但它們基本都屬于以下兩類：

1、 分布式Web Scada 系統(tǒng)（下稱分布式系統(tǒng)）

      系統(tǒng)有多個(gè)服務(wù)器分別處理不同間隔內(nèi)的遠(yuǎn)程裝置（RTU）數(shù)據(jù)采集。形成分布式的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶根據(jù)需要連接到不同的服務(wù)器對(duì)其連接的遠(yuǎn)程裝置進(jìn)行監(jiān)控。在此結(jié)構(gòu)中，服務(wù)中內(nèi)含Web Server。它可以根據(jù)用戶規(guī)模的不同，增添更多的服務(wù)器來(lái)滿足用戶的擴(kuò)展要求。如下圖2。

2、  集中式Web Scada系統(tǒng)（下稱集中式系統(tǒng)）

      系統(tǒng)只有一個(gè)服務(wù)器分別處理間隔內(nèi)的遠(yuǎn)程裝置（RTU）數(shù)據(jù)采集。形成集中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可以對(duì)其連接的遠(yuǎn)程裝置進(jìn)行監(jiān)控。在此結(jié)構(gòu)中，服務(wù)中內(nèi)含Web Server。它可以根據(jù)用戶規(guī)模的不同，增添更多遠(yuǎn)程裝置和采用更好的服務(wù)器來(lái)滿足用戶的擴(kuò)展要求。如上圖3。

二、可伸縮Web Scada 系統(tǒng)模式

      上述的兩種系統(tǒng)模式在解決實(shí)際的問(wèn)題時(shí)，存在著各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

      分布式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)展服務(wù)器的數(shù)量可以適應(yīng)更大規(guī)模的用戶需求，它適 應(yīng)用戶規(guī)模較大的情況，缺點(diǎn)是：如果采用客戶端查詢方式（client pull）^[2]沒(méi)有更新的數(shù)據(jù)時(shí)也需要定時(shí)查詢，網(wǎng)絡(luò)流量大；如果采用服務(wù)端推送（server push）^[2]，則由于需要保持連接通道，使得客戶端的數(shù)量受到限制。同時(shí)，如果要同時(shí)監(jiān)控多個(gè)服務(wù)器的數(shù)據(jù)則需要服務(wù)器之間要建立相應(yīng)的聯(lián)系，會(huì)破壞服務(wù)器之間的獨(dú)立性，極大地增加其擴(kuò)展的代價(jià)。

      集中式系統(tǒng)顯然沒(méi)有分布式系統(tǒng)的這些缺點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，頁(yè)面刷新延遲小。但它的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的：擴(kuò)展受限，要增加遠(yuǎn)程裝置的數(shù)據(jù)，只能提升服務(wù)器的性能。它只適應(yīng)用戶規(guī)模較小的情況。

      在我們開(kāi)發(fā)Web Scada系統(tǒng)的時(shí)，我們提出了以下目標(biāo)：

       穩(wěn)定的界面層

       靈活地適用于不同的用戶規(guī)模

       因?yàn)槲覀兊挠脩舴植加诟鱾€(gè)行業(yè)，自動(dòng)化水平相差很大，我們提出這樣的目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本的最低化。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖4：

      比較它和分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，我們可以看到，Web Server不再內(nèi)含。它增加了發(fā)布網(wǎng)頁(yè)的Web Server、進(jìn)行數(shù)據(jù)管理的數(shù)據(jù)服務(wù)器、進(jìn)行文件管理的文件傳送服務(wù)器等等（我們的實(shí)際系統(tǒng)中，還包含事件管理服務(wù)器、口令管理服務(wù)器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器等等）。因?yàn)樗前凑招枰墓δ苓M(jìn)行配置的，所以它是可伸縮的。比如增加事件短信報(bào)警功能，接在網(wǎng)絡(luò)上加掛一個(gè)短信報(bào)警服務(wù)器。

      在用戶規(guī)模的可伸縮上，Web Scada Server、數(shù)據(jù)服務(wù)器（歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)）、文件傳送服務(wù)器、事件管理服務(wù)器、口令管理服務(wù)器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器等服務(wù)器都是可配置的，而且是自動(dòng)加載的，可以實(shí)現(xiàn)在線切換。

     在具體實(shí)現(xiàn)方式上，每個(gè)服務(wù)器均公布WCF接口，按照SOA架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，每個(gè)服務(wù)均是可配置（綁定、終結(jié)點(diǎn)）的，便于在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行靈活的部署。此外，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器可以增加、修改、刪除轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)例，為實(shí)現(xiàn)用戶規(guī)模的可伸縮奠定了基礎(chǔ)。部署結(jié)構(gòu)如圖5

三、關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

1、 靈活的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

      我們知道，用戶規(guī)模不同，遠(yuǎn)程通訊裝置的數(shù)量就不同，要為界面層建立一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來(lái)源，我們需要建立一個(gè)處理系統(tǒng)所有同類數(shù)據(jù)的服務(wù)器，然后把相關(guān)的數(shù)據(jù)都交到該服務(wù)器中進(jìn)行處理，讓它進(jìn)行Web數(shù)據(jù)發(fā)布。以歷史數(shù)據(jù)處理為例，其軟件結(jié)構(gòu)如下圖6：

      這樣，針對(duì)多個(gè)通訊服務(wù)器（對(duì)應(yīng)不同的用戶規(guī)模），我們?cè)谙到y(tǒng)中配置對(duì)應(yīng)數(shù)量的歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器，就可以適應(yīng)用戶的遠(yuǎn)程通訊裝置數(shù)量的擴(kuò)展變化。歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器運(yùn)行的實(shí)例數(shù)量根據(jù)配置文件自動(dòng)生成，不僅如此，還必須在服務(wù)器系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)載入，且在運(yùn)行過(guò)程中受到監(jiān)控。

2、  數(shù)據(jù)服務(wù)端推送

      如圖1，監(jiān)控邏輯層向界面層發(fā)布數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)界面層向用戶呈現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，由于我們采用的是SOA架構(gòu)，模塊連接采用WCF接口，所以我們可以很方便地采用建立雙向通道的方式實(shí)現(xiàn)服務(wù)端數(shù)據(jù)推送^[1]。

      如圖7，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器在從通訊服務(wù)器取得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取服務(wù)器，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取服務(wù)器發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有變化便使用實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面事先與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取服務(wù)器建立好的回調(diào)通道，向?qū)崟r(shí)監(jiān)控畫面推送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在WCF技術(shù)中，一般采用TCP通道，因?yàn)樗敲嫦蜻B接的，而Http通道是無(wú)狀態(tài)的，不適合做雙向通道，當(dāng)然，Http也有雙向的Http，但是由于它要指定回調(diào)的知名端口而使得回調(diào)會(huì)受到一些限制^[4]。具體實(shí)現(xiàn)接口如下：

public interface IPushCallback

    {

        ///

        /// 數(shù)據(jù)推送回調(diào)接口，單向操作，用于通知客戶端有數(shù)據(jù)要推送

        ///

        /// 類型

        /// 站點(diǎn)名稱

        /// 單元名稱

        /// 數(shù)據(jù)字段

        /// 數(shù)據(jù)值

        [OperationContract(IsOneWay = true)]

        void PushData(string type, string station, List strUnit, List strField,

List fValue);

    }

      類型表示是遙測(cè)、遙信或者是電度量，站點(diǎn)名稱表示通訊服務(wù)器，單元名稱是通訊服務(wù)器下的遠(yuǎn)程通訊單元，數(shù)據(jù)字段是每個(gè)單元下的唯一的數(shù)據(jù)量的標(biāo)識(shí)名稱。

      在客戶端，監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)響應(yīng)回調(diào)函數(shù)，類似如下：

void back_callback(string type, string station, string[] strUnit, string[] strField, float[] fValue)

{

    for (int i = 0; i < strField.Length ; i++)

    {

        switch (type)

        {

            case "YC":

                myCAnalog analog = dtmng.getdata(station, strUnit[i], strField[i]) as myCAnalog;

                analog.Fresh(fValue[i]);

                break;

            case "YX":

                myCDigital digital = dtmng.getdata(station, strUnit[i], strField[i]) as myCDigital;

                digital.Fresh(fValue[i] ==0 ? (byte)0:(byte)1);

                break;

            case "DD":

                myCAccumulate accumulate = dtmng.getdata(station, strUnit[i], strField[i]) as myCAccumulate;

                accumulate.Fresh(fValue[i]);

                break;

        }

}

… …

}

四、結(jié)束語(yǔ)

      采用面向服務(wù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)式我們可以結(jié)合Web Scada系統(tǒng)分布式和集中式模式的優(yōu)點(diǎn)形成可伸縮Web Scada系統(tǒng)，該系統(tǒng)由簡(jiǎn)潔的數(shù)據(jù)通訊服務(wù)器、數(shù)據(jù)管理服務(wù)器、文件傳送服務(wù)器、口令管理服務(wù)器等組成。它綜合了集中式系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。由于通訊服務(wù)器負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程裝置的數(shù)據(jù)通訊，靈活地部署和配置通訊服務(wù)器可以適應(yīng)不同規(guī)模的用戶需求，靈活地部署各個(gè)功能服務(wù)器可以適應(yīng)用戶的不同功能要求，以此形成可伸縮Web Scada系統(tǒng)。今后，還將開(kāi)發(fā)多級(jí)熱備份功能，故障錄播分析服務(wù)器、潮流分析服務(wù)器、諧波分析服務(wù)器、數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)等單力系統(tǒng)的專用功能服務(wù)器。  

作者簡(jiǎn)介：

曾明昌?。?966- ）　男　四川省德陽(yáng)人　本科生　研究方向：WCF應(yīng)用、SOA、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理

陳治金?。?988- ）　男　四川省內(nèi)江人　研究生　研究方向：組態(tài)軟件、ARM

曾明昌　四川省成都市高新西區(qū)銀河西路、610041、zmc1234@163.com、13281246733