文獻標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.179011
中文引用格式: 徐一鳳,豐大軍,張瀚文,等. 基于跨平臺的實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(9):98-100,105.
英文引用格式: Xu Yifeng,F(xiàn)eng Dajun,Zhang Hanwen,et al. The design of the real-time data processing system based on multi-platform[J].Application of Electronic Technique,2017,43(9):98-100,105.
0 引言
數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng),可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制。雖然SCADA系統(tǒng)從上世紀(jì)70年代誕生之初到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了幾代的發(fā)展,其與計算機硬件與操作系統(tǒng)的關(guān)系始終比較密切。在Windows上開發(fā)的SCADA系統(tǒng)不能運行于UNIX和LINUX操作系統(tǒng)上,反之亦然。在工控安全日益嚴(yán)峻的今天,對能夠運行于國產(chǎn)計算機和國產(chǎn)操作系統(tǒng)的自主可控SCADA系統(tǒng)的需求迫在眉睫[1]。本文設(shè)計的實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是SCADA系統(tǒng)的核心,采用跨平臺的軟件架構(gòu)設(shè)計:硬件采用國產(chǎn)飛騰處理器的服務(wù)器和臺式機(或筆記本),操作系統(tǒng)采用國產(chǎn)中標(biāo)麒麟,開發(fā)工具采用可跨平臺的Qt,支持在國產(chǎn)中標(biāo)麒麟和Windows操作系統(tǒng)上跨平臺運行。
1 整體結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)處理流程可分為四個層次:數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)顯示[2],如圖1所示。
數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是SCADA系統(tǒng)與PLC控制器的接口部分,分為上行、下發(fā)兩個方向。上行方向通過實現(xiàn)PLC原始數(shù)據(jù)的獲取、協(xié)議解析,對現(xiàn)場測控設(shè)備的實時運行信息進行采集。下發(fā)方向通過實現(xiàn)協(xié)議封包和數(shù)據(jù)輸出,對現(xiàn)場測控設(shè)備進行調(diào)控。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)作為SCADA系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)源,要求常年不間斷連續(xù)運行,必須具有高度的可靠性、穩(wěn)定性、擴展性和強大的數(shù)據(jù)采集能力。
數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行復(fù)雜的實時加工和處理,目的是將數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的“生數(shù)據(jù)”加工成“熟數(shù)據(jù)”,即將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為滿足上位機系統(tǒng)需要的、便于使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并且將數(shù)據(jù)存儲到實時數(shù)據(jù)表和歷史數(shù)據(jù)庫中。同時,上位機下發(fā)的控制指令也要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)后才能下發(fā)至對應(yīng)控制器,完成對測控設(shè)備的調(diào)控。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)是SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心,同樣要求不間斷連續(xù)運行,必須具有高度的可靠性、實時性、魯棒性和強大的數(shù)據(jù)處理能力[3]。
數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)配置信息,通過以太網(wǎng)完成系統(tǒng)中各個站點之間的狀態(tài)監(jiān)控、組態(tài)同步、進程控制、文件維護等工作,實時數(shù)據(jù)表的站間一致性和歷史數(shù)據(jù)訪問也需要借助數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸功能。所有數(shù)據(jù)通信功能以API方式提供給各個上層應(yīng)用調(diào)用,實現(xiàn)將底層的網(wǎng)絡(luò)功能和上層應(yīng)用程序分離。
數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)通過圖形界面的方式將現(xiàn)場設(shè)備的運行信息展現(xiàn)給用戶。通過圖形組態(tài)工具提供的圖元可以組成系統(tǒng)圖、流程圖、工藝圖、監(jiān)控圖、趨勢圖、餅圖、棒圖、報表等各種形式,實現(xiàn)操作員和SCADA系統(tǒng)之間的友好交互。
2 功能及實現(xiàn)
2.1 功能結(jié)構(gòu)
實時數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對進入數(shù)據(jù)站的各種數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理,將統(tǒng)一處理后的數(shù)據(jù)寫入SCADA系統(tǒng)的各個數(shù)據(jù)隊列,供系統(tǒng)內(nèi)部的對應(yīng)模塊使用。它的工作方式是事件驅(qū)動周期保護方式,實現(xiàn)方式是將Qt提供的消息機制和定時器相結(jié)合。采用Qt的實現(xiàn)方式使系統(tǒng)能夠跨平臺運行。當(dāng)收到PLC通信驅(qū)動模塊的通知消息,或收到通信管理模塊的通知消息,或到了保護周期還沒有被驅(qū)動時,實時數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)開始讀取接口隊列中的數(shù)據(jù),處理各個狀態(tài)點的數(shù)值和狀態(tài),并將處理過的數(shù)據(jù)輸出到各個輸出內(nèi)存中[4]。
系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采用集中收集、全網(wǎng)同步的處理方法,保證系統(tǒng)內(nèi)部各種數(shù)據(jù)收集時間一致性。在主歷史站上,實時數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)讀取各個數(shù)據(jù)隊列中的數(shù)據(jù),根據(jù)組態(tài)信息,處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的報警信息和狀態(tài)變位信息,并將處理結(jié)果寫入報警數(shù)據(jù)緩存和數(shù)字量狀態(tài)變位緩存,同時將所有數(shù)據(jù)的數(shù)值和狀態(tài)寫入實時表,如圖2所示。在非主歷史站(從歷史站、操作員站)上,實時數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)只需要管理本機的實時數(shù)據(jù)表,如圖3所示。
實時數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的工作流程如圖4所示,數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)上傳的PLC數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊的處理后,分別產(chǎn)生報警和變位等數(shù)據(jù)狀態(tài),報警點被報警處理模塊處理后寫入報警隊列中,同時寫入全記錄隊列,變位點直接寫入全記錄隊列中。所有上傳的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過實時處理模塊,產(chǎn)生其對應(yīng)的狀態(tài),并寫入實時數(shù)據(jù)表中。如果數(shù)據(jù)點的變化超過了歷史數(shù)據(jù)的死區(qū)設(shè)定,則寫入歷史數(shù)據(jù)隊列中。操作員的下發(fā)指令除了立即下發(fā)到指定控制器外,還要記錄到全記錄隊列中,同時進入實時數(shù)據(jù)處理,寫入實時數(shù)據(jù)表。
其中時間戳處理模塊在校時子系統(tǒng)保證下,為待處理的數(shù)據(jù)批量打上時標(biāo)。模擬量處理模塊具有工程量程轉(zhuǎn)換、線性/非線性變換、零漂修正算法、數(shù)值死區(qū)處理等功能,每個功能可以采用模塊化設(shè)計。數(shù)字量處理具備取反功能。操作員指令處理模塊包含人工置數(shù)、遙調(diào)、遙控、在線修改數(shù)據(jù)點屬性等功能。人工置數(shù)、遙調(diào)、遙控支持對批量指令的處理,例如群控、順控處理。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)進行站間的同步處理,使得歷史主站和從站及操作員站上的數(shù)據(jù)和時間都能保證一致,避免系統(tǒng)數(shù)據(jù)的重復(fù)處理,提高系統(tǒng)性能[5]。
2.2 實現(xiàn)方式
實時數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的最快速率為50 ms,為了提高實時數(shù)據(jù)處理的速度,采用在共享內(nèi)存中創(chuàng)建多個輸入與輸出隊列的方式。為了保證系統(tǒng)可以跨平臺運行,共享內(nèi)存的實現(xiàn)采用Qt提供的QSharedMemory類。創(chuàng)建的隊列如下所示:
(1)采集數(shù)據(jù)隊列
數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集到的PLC控制器的數(shù)據(jù)寫入該隊列。
(2)操作數(shù)據(jù)隊列
SCADA的用戶操作和狀態(tài)的更新數(shù)據(jù)都寫入該隊列。
(3)報警數(shù)據(jù)隊列
實時數(shù)據(jù)處理模塊逐一處理接口隊列中報警點的報警信息,并將報警信息寫入報警數(shù)據(jù)隊列。寫入該隊列中的信息包括:報警發(fā)生信息、報警恢復(fù)信息、壞點報警。
(4)全記錄隊列
實時數(shù)據(jù)處理模塊在處理各個輸入接口隊列中的數(shù)據(jù)時,將需要記入全記錄中的信息寫入該隊列。
(5)歷史數(shù)據(jù)隊列
在歷史站主站上,實時數(shù)據(jù)處理模塊在處理采集接口隊列中的數(shù)據(jù)時,對于滿足收集條件的歷史點的數(shù)值和狀態(tài)寫入歷史數(shù)據(jù)隊列,該隊列將作為歷史數(shù)據(jù)收集模塊的輸入數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)的收集條件為:①模擬量變化超過死區(qū);②數(shù)字量變化滿足定義條件;③數(shù)值未變,但狀態(tài)發(fā)生了變化(這里的狀態(tài)是指任何一個系統(tǒng)定義狀態(tài))。
隊列的實現(xiàn)方式相同,均采用循環(huán)隊列的方式,每個隊列都存放一個共享內(nèi)存中。隊列的結(jié)構(gòu)如圖5所示。
在對隊列的的操作過程中共有3種狀態(tài),分別為:空狀態(tài)、正常讀寫狀態(tài)和溢出狀態(tài),說明如下:
(1)空狀態(tài):當(dāng)隊列的讀指針等于寫指針時,則認(rèn)為隊列為空。例如SCADA系統(tǒng)剛啟動時,沒有讀寫時隊列為空;或者SCADA系統(tǒng)運行時,數(shù)據(jù)處理速度快于寫入速度,導(dǎo)致隊列被讀空等情況,如圖6所示。
(2)正常讀寫狀態(tài):讀指針追著寫指針,如圖7所示。
(3)溢出狀態(tài):寫指針寫滿整個隊列,重頭開始寫,并追上了讀指針。
當(dāng)要寫入的新包的長度將要覆蓋未處理或處理中的數(shù)據(jù)包,則隊列寫入模塊將新來的數(shù)據(jù)包丟棄,對該丟棄事件做報警記錄,并在下一次符合寫入條件時寫入一個全點包。如果要寫入數(shù)據(jù)包的長度需要覆蓋多個隊列中的數(shù)據(jù)包,則這多個數(shù)據(jù)包中只要有一個處于處理狀態(tài),就屬于這種情況。如果此時數(shù)據(jù)處理啟動,則它連續(xù)處理未處理包,直到讀指針等于寫指針,如圖8所示。
3 結(jié)論
本文設(shè)計實現(xiàn)的實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的工作原理采用Qt的消息機制,當(dāng)接收到數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)消息后,進行采集數(shù)據(jù)的處理,當(dāng)收到操作員指令消息后,進行下發(fā)數(shù)據(jù)的處理。數(shù)據(jù)的處理采用在共享內(nèi)存中創(chuàng)建多個隊列的方式,使多個進程能夠方便快速地對隊列中的數(shù)據(jù)進行讀寫。Qt的實現(xiàn)方式使系統(tǒng)可以跨平臺運行。
參考文獻
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作者信息:
徐一鳳,豐大軍,張瀚文,張 灣,趙德政
(華北計算機系統(tǒng)工程研究所,北京100083)