0 引言

    現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)大多運(yùn)行在Windows平臺上，缺少國產(chǎn)化方面的考慮^[1]。本文介紹的SCADA系統(tǒng)開發(fā)及運(yùn)行環(huán)境實(shí)現(xiàn)了全國產(chǎn)化。作為工業(yè)級數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制軟件，對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要求較高。因此SCADA系統(tǒng)中需要有狀態(tài)診斷子系統(tǒng)，并且系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件——服務(wù)器，必須實(shí)現(xiàn)冗余配置，當(dāng)主服務(wù)器發(fā)生故障時，能夠及時診斷故障并切換到后備服務(wù)器，且切換過程中不能造成擾動。由于狀態(tài)診斷系統(tǒng)與操作系統(tǒng)關(guān)系較為密切，不同操作系統(tǒng)下的實(shí)現(xiàn)可能大不相同，本文設(shè)計與實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)的基于國產(chǎn)麒麟操作系統(tǒng)的狀態(tài)診斷系統(tǒng)。

1 整體結(jié)構(gòu)

    數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)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(jī)（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(yùn)行。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，正常情況下歷史站即為系統(tǒng)的服務(wù)器，如果用戶有高可靠性要求，會配置冗余歷史站，歷史站負(fù)責(zé)與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并記錄歷史數(shù)據(jù)?？蛻舳思锤鱾€操作員站，操作員站的數(shù)據(jù)從歷史站獲取，且網(wǎng)絡(luò)僅傳輸每秒中發(fā)生變化的變更數(shù)據(jù)集。操作員站用于人機(jī)交互，用文字、動畫顯示現(xiàn)場的狀態(tài)，并可以對現(xiàn)場的開關(guān)、閥門進(jìn)行操作。根據(jù)用戶需要，可以配置對外通信功能，通過網(wǎng)絡(luò)單向發(fā)布管理層用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)和狀態(tài)^[2]。

2 功能及實(shí)現(xiàn)

    數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)從功能上分為離線功能和在線功能：離線包括工程組態(tài)、離線查詢等，在線包括數(shù)據(jù)通信、服務(wù)處理、數(shù)據(jù)處理、畫面監(jiān)視等^[3]。操作員站和歷史站的功能有所區(qū)別，操作員站主要包括畫面監(jiān)視、數(shù)據(jù)下發(fā)、打印等與用戶的圖形接口，歷史站除包含操作員站的所有功能外，還包含數(shù)據(jù)通信、服務(wù)處理、數(shù)據(jù)處理等后臺任務(wù)。狀態(tài)診斷是操作員站和歷史站都具有的后臺服務(wù)子系統(tǒng)。軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    歷史站包含所有功能的設(shè)計優(yōu)點(diǎn)在于，對于很小的項目，可以只配置一臺歷史站，或者配置兩臺互為冗余的歷史站，這樣可以有效降低成本。

2.1 狀態(tài)診斷子系統(tǒng)基本功能

    (1)初始確定歷史站的主從機(jī)狀態(tài)：先啟動的為主機(jī)；同時啟動時，A歷史站為主機(jī)。

    (2)周期自診斷：周期診斷本機(jī)各子任務(wù)的狀態(tài)及系統(tǒng)資源狀態(tài)。

    (3)周期互診斷：實(shí)現(xiàn)主從機(jī)之間的心跳監(jiān)測，通過周期性互發(fā)心跳值的方式實(shí)現(xiàn)。主機(jī)收不到從機(jī)的心跳信號時仍正常運(yùn)行，從機(jī)收不到主機(jī)的心跳信號則切換為主機(jī)。

    (4)判斷數(shù)據(jù)站的狀態(tài)：

    ①在線：任務(wù)管理、數(shù)據(jù)通信、服務(wù)器狀態(tài)診斷、校時、數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)采集、報警、全記錄等，全部正常運(yùn)行。

    ②離線：除數(shù)據(jù)通信模塊，需要在線的任務(wù)都沒有運(yùn)行。

    ③故障：在線時需要在線的任務(wù)存在不正常運(yùn)行的^[4]。

2.2 自診斷方式

    各子任務(wù)的狀態(tài)通過周期檢測心跳值的方式檢測。對于心跳超時的子任務(wù)，可以根據(jù)任務(wù)配置，對出錯的任務(wù)作不關(guān)閉不重啟、關(guān)閉不重啟、關(guān)閉并重啟等處理，如果出錯的子任務(wù)仍然不能正常運(yùn)行，從機(jī)只報故障，主機(jī)需要切換為從機(jī)。

    中標(biāo)麒麟系統(tǒng)可以通過兩種方式獲取系統(tǒng)資源狀態(tài)：

    (1)讀取系統(tǒng)文件，例如可以通過讀取carrier文件，獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，部分示例代碼參見函數(shù)void getNetState()。

    (2)調(diào)用shell命令，解析命令的返回值，例如可以通過解析df命令的執(zhí)行結(jié)果，獲取硬盤使用率，部分示例代碼參見函數(shù)void getHardDiskOccupy()。

    針對大部分冗余歷史站容易出現(xiàn)的雙主問題，本文制作了詳細(xì)的冗余切換表，通過測試證明，可以避免雙主的出現(xiàn)。部分冗余切換如表1所示。

    為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，SCADA的狀態(tài)診斷系統(tǒng)需要確定系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，并判斷何時滿足狀態(tài)切換的條件。本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)診斷系統(tǒng)按照圖3所示狀態(tài)圖進(jìn)行狀態(tài)判斷和切換^[5]。

    狀態(tài)診斷系統(tǒng)在工程運(yùn)行前需要先檢測工程配置是否正確，如果配置錯誤（如未配置歷史站、PC名字配置錯誤），則提示錯誤，并結(jié)束工程；如果配置正確，則啟動各子任務(wù)，并運(yùn)行工程。

    運(yùn)行工程后進(jìn)入在線狀態(tài)，檢測本機(jī)配置，如果配置為操作員站，則不存在主從機(jī)的區(qū)別，以操作員站的狀態(tài)運(yùn)行，直到退出在線或退出工程；如果配置為歷史站，則需要判斷主從狀態(tài)，根據(jù)有故障不搶主、A機(jī)優(yōu)先的原則確定主從機(jī)狀態(tài)。

    為了減少切換次數(shù)，主機(jī)無故障會一直保持主機(jī)狀態(tài)，從機(jī)周期檢測主機(jī)的狀態(tài)，如果主機(jī)降從或退出，則從機(jī)自檢無故障可以升主。

    主機(jī)和從機(jī)均可以退出在線或退出工程。

3 實(shí)驗結(jié)果

    實(shí)驗條件：歷史站A、歷史站B均正常運(yùn)行。實(shí)驗操作及實(shí)驗結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)論

    實(shí)驗結(jié)果證明，本系統(tǒng)能夠按照預(yù)期的結(jié)果在國產(chǎn)麒麟系統(tǒng)上穩(wěn)定運(yùn)行。通過對任務(wù)的監(jiān)視、強(qiáng)制關(guān)閉與重啟任務(wù)，能夠?qū)Τ鲥e的子任務(wù)及時進(jìn)行處理，保證各子任務(wù)的正常運(yùn)行；通過服務(wù)器冗余配置，可以保證主歷史站出故障能夠迅速切換到從歷史站，使得從歷史站出故障時不影響主歷史站的正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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[2] 王常力，羅安.分布式控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[3] 馬旭東，陳永清，陳琛.基于PLC/SCADA結(jié)構(gòu)的計算機(jī)綜合控制系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2002(5)：35-37.

[4] KRISHNA C M，SHIN K G.Real-time system[M].McGraw-Hill，2001.

[5] Qiu Bin，GOOI H B，Liu Yulu，et al.Internet-based SCADA display system[J].Computer Applications in Power.IEEE，2002，15(1)：14-19.

作者信息:

徐一鳳，豐大軍，王  皓，陳俊凱，范曉東

(華北計算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京100083)