【摘要】：針對Web Scada系統(tǒng)中如何更好地適應用戶規(guī)模變化的問題，分析現(xiàn)有實現(xiàn)方式對建立可伸縮系統(tǒng)的限制，提出了基于WCF技術建立可伸縮的Web Scada系統(tǒng)的解決方案。系統(tǒng)核心是采用面向服務的SOA架構，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)，對外公布數(shù)據(jù)訪問和推送接口。實現(xiàn)了Web客戶端響應推送服務或查詢采集數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)到監(jiān)控頁面中。
【關鍵詞】：Web Scada 系統(tǒng)；可伸縮；監(jiān)控頁面；面向服務；WCF基于Web的Scada系統(tǒng)不僅提高了Scada系統(tǒng)的適應范圍，提高了系統(tǒng)的可靠性，也使Scada系統(tǒng)的管理和維護變得更加簡單方便，已經(jīng)成為國內(nèi)Scada系統(tǒng)事實上的標準。從Windows平臺的基于DCOM、ActiveX技術的同構平臺，到CGI/PHP，再到SOAP、SOA的異構平臺，它涉及了Web數(shù)據(jù)發(fā)布技術、實時圖形的生成和處理、客戶端圖形實時刷新技術、遙控操作圖像熱點處理技術、系統(tǒng)管理和安全技術等方面[2]。由于Scada系統(tǒng)的特點決定了它必須處理數(shù)量變化的遠程通訊裝置的數(shù)據(jù)采集。由于當前數(shù)據(jù)采集技術的限制，數(shù)據(jù)的采集源點可能千差萬別，給Web數(shù)據(jù)發(fā)布帶來了可伸縮的要求?？梢赃@樣說，能否具有可伸縮性能是決定Web Scada系統(tǒng)能夠進入大規(guī)模工程實際應用的基礎。其他的多項技術都須建立在它的基礎之上才會有實際意義。
Web Scada系統(tǒng)的分層設計如下[3]：
由監(jiān)控邏輯層處理復雜多變的通訊層變動，為界面層提供一個穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來源是建立可伸縮Web Scada系統(tǒng)的關鍵。
本文擬以一個實際的Web Scada系統(tǒng)的開發(fā)為背景，利用.Net Framework 4.0、VS2010以及IIS、HTML技術建立一個可伸縮的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。通過該層實現(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)主要為了實現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)信息的Web展現(xiàn)，他們都以在Web 頁面中實施展現(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)有多個服務器分別處理不同間隔內(nèi)的遠程裝置（RTU）數(shù)據(jù)采集。形成分布式的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫，用戶根據(jù)需要連接到不同的服務器對其連接的遠程裝置進行監(jiān)控。在此結(jié)構中，服務中內(nèi)含Web Server。它可以根據(jù)用戶規(guī)模的不同，增添更多的服務器來滿足用戶的擴展要求。如下圖2。
2、 集中式Web Scada系統(tǒng)（下稱集中式系統(tǒng)）
系統(tǒng)只有一個服務器分別處理間隔內(nèi)的遠程裝置（RTU）數(shù)據(jù)采集。形成集中的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫，用戶可以對其連接的遠程裝置進行監(jiān)控。在此結(jié)構中，服務中內(nèi)含Web Server。它可以根據(jù)用戶規(guī)模的不同，增添更多遠程裝置和采用更好的服務器來滿足用戶的擴展要求。如上圖3。
二、 可伸縮Web Scada 系統(tǒng)模式
上述的兩種系統(tǒng)模式在解決實際的問題時，存在著各自的優(yōu)缺點。
分布式系統(tǒng)的優(yōu)點是擴展服務器的數(shù)量可以適應更大規(guī)模的用戶需求，它適應用戶規(guī)模較大的情況，缺點是：如果采用客戶端查詢方式（client pull）[2]沒有更新的數(shù)據(jù)時也需要定時查詢，網(wǎng)絡流量大；如果采用服務端推送（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，如果要同時監(jiān)控多個服務器的數(shù)據(jù)則需要服務器之間要建立相應的聯(lián)系，會破壞服務器之間的獨立性，極大地增加其擴展的代價。
集中式系統(tǒng)顯然沒有分布式系統(tǒng)的這些缺點，其優(yōu)點是：結(jié)構簡單，數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，網(wǎng)頁設計簡單穩(wěn)定，頁面刷新延遲小。但它的缺點也是顯而易見的：擴展受限，要增加遠程裝置的數(shù)據(jù)，只能提升服務器的性能。它只適應用戶規(guī)模較小的情況。
在我們開發(fā)Web Scada系統(tǒng)的時，我們提出了以下目標：
穩(wěn)定的界面層
靈活地適用于不同的用戶規(guī)模
因為我們的用戶分布于各個行業(yè)，自動化水平相差很大，我們提出這樣的目標是要實現(xiàn)開發(fā)和維護成本的最低化。該系統(tǒng)的結(jié)構如下圖4：
比較它和分布式系統(tǒng)結(jié)構，我們可以看到，Web Server不再內(nèi)含。它增加了發(fā)布網(wǎng)頁的Web Server、進行數(shù)據(jù)管理的數(shù)據(jù)服務器、進行文件管理的文件傳送服務器等等（我們的實際系統(tǒng)中，還包含事件管理服務器、口令管理服務器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務器等等）。因為它是按照需要的功能進行配置的，所以它是可伸縮的。比如增加事件短信報警功能，接在網(wǎng)絡上加掛一個短信報警服務器。
在用戶規(guī)模的可伸縮上，Web Scada Server、數(shù)據(jù)服務器（歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)）、文件傳送服務器、事件管理服務器、口令管理服務器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務器等服務器都是可配置的，而且是自動加載的，可以實現(xiàn)在線切換。
在具體實現(xiàn)方式上，每個服務器均公布WCF接口，按照SOA架構進行開發(fā)，每個服務均是可配置（綁定、終結(jié)點）的，便于在復雜的網(wǎng)絡中進行靈活的部署。此外，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務器可以增加、修改、刪除轉(zhuǎn)發(fā)實例，為實現(xiàn)用戶規(guī)模的可伸縮奠定了基礎。部署結(jié)構如圖5
三、關鍵技術的實現(xiàn)
1、 靈活的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)
我們知道，用戶規(guī)模不同，遠程通訊裝置的數(shù)量就不同，要為界面層建立一個穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來源，我們需要建立一個處理系統(tǒng)所有同類數(shù)據(jù)的服務器，然后把相關的數(shù)據(jù)都交到該服務器中進行處理，讓它進行Web數(shù)據(jù)發(fā)布。以歷史數(shù)據(jù)處理為例，其軟件結(jié)構如下圖6：
這樣，針對多個通訊服務器（對應不同的用戶規(guī)模），我們在系統(tǒng)中配置對應數(shù)量的歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器，就可以適應用戶的遠程通訊裝置數(shù)量的擴展變化。歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器運行的實例數(shù)量根據(jù)配置文件自動生成，不僅如此，還必須在服務器系統(tǒng)啟動后自動載入，且在運行過程中受到監(jiān)控。?
2、 數(shù)據(jù)服務端推送
如圖1，監(jiān)控邏輯層向界面層發(fā)布數(shù)據(jù)是實現(xiàn)界面層向用戶呈現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的基礎，由于我們采用的是SOA架構，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現(xiàn)服務端數(shù)據(jù)推送[1]。
如圖7，實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器在從通訊服務器取得實時數(shù)據(jù)后將實時數(shù)據(jù)存入實時數(shù)據(jù)存取服務器，實時數(shù)據(jù)存取服務器發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有變化便使用實時監(jiān)控畫面事先與實時數(shù)據(jù)存取服務器建立好的回調(diào)通道，向?qū)崟r監(jiān)控畫面推送實時數(shù)據(jù)。在WCF技術中，一般采用TCP通道，因為它是面向連接的，而Http通道是無狀態(tài)的，不適合做雙向通道，當然，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)會受到一些限制[4]。
四、結(jié)束語
采用面向服務的系統(tǒng)結(jié)構式我們可以結(jié)合Web Scada系統(tǒng)分布式和集中式模式的優(yōu)點形成可伸縮Web Scada系統(tǒng)，該系統(tǒng)由簡潔的數(shù)據(jù)通訊服務器、數(shù)據(jù)管理服務器、文件傳送服務器、口令管理服務器等組成。它綜合了集中式系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)的優(yōu)點。由于通訊服務器負責與遠程裝置的數(shù)據(jù)通訊，靈活地部署和配置通訊服務器可以適應不同規(guī)模的用戶需求，靈活地部署各個功能服務器可以適應用戶的不同功能要求，以此形成可伸縮Web Scada系統(tǒng)。今后，還將開發(fā)多級熱備份功能，故障錄播分析服務器、潮流分析服務器、諧波分析服務器、數(shù)據(jù)預處理系統(tǒng)等行業(yè)系統(tǒng)的專用功能服務器。
二、 文獻
[1] 秦友倫、孟文、易東，Sliverlight在Web Scada中的應用，工業(yè)控制計算機，2011,24（9）：31-31
[2] 蔣士林，基于Web的SCADA系統(tǒng)，科技廣場，2006,1：32-33
[3] 沈正、陳鍾，基于WCF和SOA的電力SCADA系統(tǒng)研究與開發(fā)，中國新技術新產(chǎn)品，2009，No.13：17-18
[4] Juval Lowy，WCF服務編程（張逸、徐寧譯），機械工業(yè)出版社，2009
[5] 蔣金楠，WCF技術剖析（卷1），電子工業(yè)出版社,2008
作者簡介：
曾明昌 （1966- ） 男 四川省德陽人 本科生 研究方向：WCF應用、SOA、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理
