MOSAIC-技术特点.docx

1.1 关键技术1.1.1 SCADA系统平台本方案中实时数据库及SCADA软件设计采用MOSAIC SCADA系统构建。MOSAIC SCADA系统是一款专用于大型调度管理系统的实时平台，用其构建的调度系统广泛应用在钢铁、化工、冶金、能源、天然气、水、输配电、铁路、地铁等大型调度应用场合，且越来越多的智能水务系统应用案例也使其成为构建化工企业智能水务系统的首选软件。MOSAIC SCADA软件由MOSAIC RTDB（实时数据库）和MOSAIC Desktop两部分组成。软件的核心是基于关系型的实时数据库系统MOSAIC RTDB，专门为SCADA领域的调度管理系统而设计。本项目中多重冗余的实时数据库服务器上运行的就是MOSAIC RTDB系统，负责智能水务系统的通讯处理、数据采集、数据运算、报警、历史数据分析处理、进程处理、任务调度等所有核心事务。MOSAIC Desktop系统是基于Windows平台下的监控软件，实时的从MOSAIC实时数据库中获取实时数据、报警数据、事件数据，并通过人机交互的工艺流程、操作界面和报警、趋势、事件等窗口实现调度人员的日常生产监控、操作和调度的应用需求。图1MOSAIC SCADA系统结构图MOSAIC SCADA系统的运行机制总是采用“主动”的方式，例如通讯驱动程序作为MOSAIC RTDB的数据输入源，通讯报文中的数据变化，解析后更新数据库的同时，立即发送给Desktop，进行数据显示和报警等，以便操作人员进行工艺参数监视和快速的事故应急处理操作等。MOSAIC SCADA主要技术特点如下：1.1.1.1 支持在线多人开发和、一键切换及在线实时修改同步传统的SCADA系统都是离线开发系统，不具备多人同时开发，往往一个稍大的系统都是由多个工程师分别开发后进行工程文件的组合，因此版本管理、开发维护、工作备份和同步等方面需要大量的协调和管理，且易出现混乱，影响工程进度。复杂度与本项目相似的系统，往往需要数十人的开发团队同时进行系统开发，将使得传统的软件开发管理异常困难。MOSAIC SCADA软件具备在线多人开发功能，每个工程师均可以登录到系统进行开发和维护，系统自动生成新的版本（或开发人员自定义版本），以方便系统的开发维护和管理，这样就能很好地解决上面提到的多人开发存在的问题，加快工程开发和实施进度。软件在用户具备开发权限的情况下，可以一键切换至开发状态，进行监控画面的修改，修改完成后立即生效，不需要开发人员用开发模式单独打开画面进行编辑。智能水务系统是一个不断扩展和动态变化的系统，正式投产后，随着工艺生产生产线的变化，智能水务系统经常一方面需要24小时连续生产，一方面随时需要进行在线修改。一般软件在线修改后，系统需要重新启动修改才能生效，且需要将修改后的程序分别在系统中的每台服务器和计算机上逐个运行，这对智能水务这样需要24小时连续运行的大系统来说是不能接受的。MOSAIC SCADA软件的数据库和画面支持所有在线修改功能，且能够自动同步系统中的所有节点，系统不需要重启运行，这个特点非常符合智能水务系统边生产边施工以及投运后的系统扩展和维护的需求。1.1.1.2 支持画面自动版本管理功能MOSAIC Desktop软件具备画面、变量、脚本等各部分内容的版本自动管理功能。使有权限的用户在一个工作站上更改完图形保存后，可发布到服务器中。其它用户在打开画面时，如果服务器上的画面版本高于工作站端，工作站端将自动下载更新。这大大减少了维护的工作量。同时，工程师在修改了软件内容后，可以选择将部分内容或者全部内容保存为一个单独的版本。MOSAIC Desktop特有的画面版本自动管理功能，图2MOSAIC画面自动版本管理流程图3开发和产品发布管理1.1.1.3 支持画面漫游、缩放和分层功能MOSAIC Desktop 的系统组态配置功能十分强大，有权限的用户可以通过HMI 生成、编辑、修改实时数据库、报警数据库、历史数据库、通讯管理数据库、权限管理数据库等所有系统管理所需的记录。MOSAIC Desktop 支持主站系统特有的画面漫游、无级缩放、画面分层功能，并可以根据缩放比例显示或消隐层次上的图形。结合Schematics Editor 的画面导入功能可以快速生成厂级网络拓扑与工艺流程图、通讯网络拓扑等带有实时信息的监视画面。1.1.1.4 内嵌的逻辑控制语言涉及实时数据库的系统中往往需要进行大量的数据统计计算、控制逻辑、连锁保护等逻辑编程运算。MOSAIC SCADA系统内嵌有LCR（逻辑控制语言）功能可以实现顺序逻辑控制和各种复杂运算功能，可以实现较为复杂的逻辑运算、程序调用、数据库读写等功能，扩展SCADA软件的应用范围，以满足智能水务系统按不同时间采取不同的资源分配管理控制策略的需要。同时MOSAIC也支持API (Application Program Interface)调用功能，可以通过C+语言编程，扩展第三方应用功能。1.1.1.5 采用开放、易用的开发环境MOSAIC SCADA平台采用开放、易用的开发环境，支持多种标准的数据交换方式如OPC、ODBC、DDE、WebService等。1.1.1.6 MOSAIC 同时支持C/S和B/S架构MOSAIC SCADA平台软件支持采用B/S（浏览器/服务器）结构和C/S（客户端/服务器）结构相结合模式。操作站客户端采用为C/S架构的客户端，能直接进行控制操作功能，通过MOSAIC WEB服务器功能，Web客户端可以查看与C/S客户端完全相同的画面，但是不具有远程控制功能。1.1.1.7 趋势、报警、报表和文件功能模块冗余MOSAIC SCADA具备历史趋势展现、报警提醒和记录和事件日志功能，同时也具备实时报表的配置和查询功能。MOSAIC SCADA系统支持1:N的多重冗余功能，支持包括趋势、报警、报表和文件等功能的冗余。1.1.1.8 支持丰富的图形用户界面以及图符库MOSAIC SCADA软件提供了丰富的图符库和用户画面模板，同时用户可以方便的创建自有特色的画面模板和图符库。我公司经过多个大型实时数据库及SCADA系统项目的实施积累，燃气、水务及冶金行业的图符库和画面模板尤为丰富，为画面制作提供了很大的便利。图4MOSAIC系统图符库样例1.1.1.9 IO通信功能MOSAIC SCADA软件IO通信功能由实时数据库实现，提供了丰富的通讯驱动，如Modbus、DNP 3.0、IEC104、IEC61850、西门子S7、OPC等驱动。支持智能仪表、PLC等工业自动化设备的数据采集。1.1.1.10 兼容并支持各种标准协议网络通信采用标准的NETBIOS，支持IPX/SPX，TCP/IP等协议。1.1.1.11 提供全面的权限管理功能MOSAIC SCADA提供全面的权限管理功能，通过设置不同的用户权限防止越权操作保护系统的安全。系统可据登录用户的权限，对用户的画面查看、数据下发、系统管理等功能进行限制，用户可以按组进行划分，管理员可以对用户组和用户名、密码进行添加和修改操作。1.1.2 实时数据库本方案中实时数据库采用MOSAIC RTDB实时数据库系统，配置20000点MOSAIC RTDB实时数据库。MOSAIC实时数据库具备扩容功能，今后可根据系统的实际需要进行扩容，实时数据库的点数容量没有上限要求。MOSAIC实时数据库提供多重冗余和负载均衡功能，本方案中实时数据库服务器上运行的就是MOSAIC RTDB系统，负责智能水务系统的通讯处理、数据采集、数据运算、报警、历史数据分析处理、进程处理、任务调度等所有核心事务。实时数据库软件是实时监控调度系统的数据处理核心，它的稳定性、易用性与可维护性是其关键特征。稳定性为保证系统的正常使用，实时数据库系统的服务器、各类工作站的平均无故障时间必须保持在10000小时以上。本方案中设计选用的服务器和工作站可以满足上述要求。易用性为保证服务器和各类工作站接口软件易于安装、配置，各类安装程序应对相关组件做良好整合。安装程序事先定义好优化过系统运行参数默认值，这些系统参数可以通过实时数据库系统提供的软件界面进行修改。可维护性本项目中的实时数据库系统提供完整的系统数据备份、故障恢复的解决策略，保证系统在出现崩溃的情况下，可以完全恢复到故障出现前的正常状态。1.1.2.1 技术特点1.1.2.1.1 先进的集群技术MOSAIC RTDB实时数据库提供了先进的集群技术。在本方案中配置电力、动力、水三个集群数据库，且三个集群在同一套实时数据库软件中。服务器系统根据配置的进程的优先级运行不同的集群组的应用。每个集群下的数据通讯和处理等都不会对其他集群造成任何影响，如电力系统的画面或者报警信息不会影响到动力系统的画面和报警，动力调度人员也没有权限进入电力系统等。对于需要共享的数据和功能，集群间只要定义和处理哪些需要共享的数据即可，不需要进行全部数据的交换和分布操作。例如全厂生产报表统计计算等，就需要存取各个集群的有关数据。集群技术在数据的分立和共享方面，取得一个很好的平衡。1.1.2.1.2 实时性高对于智能水务系统来说，数万点现场数据的采集，意味着每分钟有数十万次的数据变化。系统对数据实时变化的处理快慢直接决定了系统的可用性，是对系统性能的一个严峻考验，也是系统的一个重要考核指标。MOSAIC RTDB数据库对数据通讯、数据处理、数据分布等进行了精心设计，其处理能力可达每分钟近100万次的数据变化处理，完全满足本项目的性能要求。1.1.2.1.3 负载平衡和1:N冗余备份功能MOSAIC 的任务调度管理系统可以把不同的数据应用进程分布到不同的服务器上，使得每个服务器都能运行在负载比较均衡的状态下。从而避免有的服务器负载较轻，浪费计算机资源，而又有的服务器负载较重，影响处理效率，带来整个系统性能的下降，运行的可靠性也下降。例如某企业厂级实时数据库系统中，将电力系统的处理分布在两台服务器上优先处理，可以根据全厂不同区域的变电站的数据量的多少，平均划分为两组数据处理任务，两个服务器各处理一组，这样就取得两个服务器负载均衡的效果。MOSAIC的应用任务可能是数据集中管理任务，也可能是与远端数据采集设备通讯的任务，也可以是历史服务器任务、报警服务器任务、事件历史服务任务等等。在任务具有可分布的功能的基础上，MOSAIC系统也提供了应用进程的备用功能模式，即一个应用进程功能可以配置首选在一个服务器上运行，同时可配置在其他服务器上备用运行，备用服务器不限数量，因此其它服务器都可以做为它的备用服务器。因此MOSAIC系统突破了传统意义上主备冗余的概念，称为真正灵活的1:N冗余模式，极大地利用了系统的整体资源。通过为每台服务器上为该任务设置优先级，当这个正在运行的任务失败时，将由拥有最高优先级的那一台服务器来接管该任务。当多台服务器同时启动时，对该任务拥有最高级别的服务器将运行该任务。对于该任务来说，正在运行它的服务器既为主服务器，其它服务器即为备用服务器；对于另外一个运行在服务器上的不同分布任务来说，这台服务器即为其中的一个备用服务器。例如某企业厂级实时数据库系统采用3台服务器作为MOSAIC SCADA服务器，实现三重冗余设计，每台服务器按MOSAIC系统的任务进程均分工作，大大提高了工作效力和系统冗余性能。例如可以将SERVER1定义为电力主服务器，SERVER2定义为动力主服务器，SERVER3水系统主服务器，其它两台都可以作为本服务器的备用服务器。对于MOSAIC SCADA系统的应用进程，例如可以按电力，动力和水系统的基本集群划分，分别布局在三台服务器上。使得每台服务器都具有均衡的负载处理工作。下图以三台服务器为例，说明负载均衡和1：N冗余的原理。图5MOSAIC SCADA负载均衡规划原理图对于每一个集群数据库，上图的A,B,C,D,E,F进程可以是如下典型的应用进程:l Authorise （授权认证进程）l Commsman（通讯管理进程）l Condproc （条件变化管理进程）l Dataproc （数据处理进程）l Devproc （设备管理进程）l Distribfiles （文件分布管理进程）l DistribSvr （文件分布管理服务器进程）l Heartbeatproc （心跳进程）l LcrProc （“本地控制程序”管理进程）l Listproc （报警列表管理进程）l Pageproc （远程通知管理进程）l Profilemgr （profile管理进程）l Scheduleproc （定时任务管理进程）l Syswatch （系统监视进程，定时检测主机运行状态，异常报警）l Schemproc （画面编辑进程）l Schemserver （画面锁定修改发布管理进程）l Tagproc （标签管理进程）l Telemetry （通讯驱动程序）当一个服务器发生故障时，该服务器上的进程可以根据预先的配置策略，自动切换到备用服务器上运行，保证系统的可靠性。例如如下的配置文件，定义了煤气系统的权限认证进程Autorise-Gas首选在SERVER2服务器上运行，当Server2发生故障时，自动切换到Server1上运行，如果Server1也发生故障，该进程将切换到Server3上运行。entity authorise-Gas arbitrate after server-readypreferred SERVER2 SERVER1 SERVER3process $MOSAICHOME/bin/authorise -cluster Gas -event_cluster Gas -session_monitor -trace_port 7603图6MOSAIC SCADA多级冗余备份原理图1.1.2.1.4 面向对象的数据库管理MOSAIC RTDB是以设备点对象为单位组织数据，传统的数据点变为了设备点的一个属性。比如主变保护的信号和主变的油温都可以同时作为主变的属性成员点被组织起来，操作员在监控时就可以以设备为单位，最终达到图模一体化，给设备维护和故障诊断带来了极大的便利。同时，传统的逐点查找的方式变为查找某一电压等级的某一站点的某一设备的某一属性，大大提高了数据检索查找的速度及效率。1.1.2.1.5 开放的数据库连接MOSAIC SCADA软件支持与关系数据库软件的数据交互，能够非常方便的实现与主流关系数据库系统（如SQL、Oracle）的数据交换。MOSAIC SCADA提供三种联接工具来与其它数据存放系统进行数据交换：l MOSAIC 的 ESI （Extentional SQL Interface：扩展SQL接口）系统：一个嵌入式的 SQL 界面，允许其它应用软件对MOSAIC 的数据库进行 SQL 数据检索。l MOSAIC 的 DBGateway：允许 MOSAIC 的应用软件和 MOSAIC 的用户图形界面（GUI）读取第三方的商业数据库的数据。l MOSAIC 的 ODBC：可使 MOSAIC 与应用软件进行数据交换。1.1.2.1.6 同时支持C/S和B/S架构MOSAIC SCADA平台软件支持采用B/S（浏览器/服务器）结构和C/S（客户端/服务器）结构相结合模式。操作站客户端采用为C/S架构的客户端，能直接进行控制操作功能，通过MOSAIC WEB服务器功能，Web客户端可以查看与C/S客户端完全相同的画面，但是不具有远程控制功能。1.1.2.1.7 跨平台与虚拟化支持MOSAIC实时数据库系统提供跨平台支持，也可以运行在Unix操作系统上。Unix 系统是为多用户设计的服务器系统，在同一时刻，可以有多个用户同时登录系统，并在各自权限内访问或执行操作。Unix 系统拥有较高的稳定性。Unix采用的是用户进程与系统进程在内存中是分开的，用户进程的异常结束不会引起系统进程出现异常。例如Solaris Unix 的“预见式自修复”（Predictive Self-Healing）技术可以在进程故障之前，主动识别并加以修复，从而确保系统具体最大限度的可用性。Unix是高等级的安全运行环境。Unix采用的是对用户的授权到文件级，第个目录及文件都有拥有者、组、使用权限(读、写、执行)的机制。通过 Unix的Containers技术、Unix Process Rights Management（处理权管理）、以及加密架构，应用程序可充分利用硬件加密，从而获得无与伦比的安全性。同时，经过测试 MOSAIC支持运行基于HpyerV和VMWare平台的虚拟化架构之上，用户可根据需要确定是运行在虚拟化平台还是运行于物理平台上。1.1.2.1.8 离线数据上传MOSAIC支持离线数据上传功能，可采取如下两种方式：1. 选用MOX Gateway（网关）MOX Gateway通过硬件方式不但能够有效隔离种类病毒与蠕虫的影响，实现协议转换，同时还可实现断线数据的本地保存及上传。2. 本地转发软件+关系数据库本地转发软件可将OPC协议转换为Modbus协议，同时借助关系数据库实现断线时的数据本地保存，网络恢复时自动上传。1.1.2.2 主要功能1.1.2.2.1 数据存储功能MOSAIC实时数据库提供如下的数据存储功能：l 能够将不同来源、不同类型的数据分类进行存储，以便系统能够快速、准确的查询。l 历史实时数据和配置、事件、小结、统计等各种数据在实时数据库内的存储可以实现内部的无缝连接，形成一个完整的统一的数据存储平台。l 在对生产原始数据进行存储时，采用先进的数据压缩技术进行历史数据归档，实现海量数据的长期存储。l 在本方案的硬件配置中，历史数据存储可以达到5年以上。l 数据的存储精度可以由用户自由设定，支持毫秒级的数据分辨率。l 支持多种数据类型：整型、实型、字符型、开关量和二进制数据等。l 数据库物理存储容量可根据用户的需要进行扩容。l 可以实现系统的自动备份。MOSAIC实时数据在每台实时服务器和操作员站上都有一个相同备份，当数据库修改时，会自动同步到网络上的服务器和客户端上，实现数据库的自动同步。同时系统可以通过备份软件按备份策略进行自动备份。l 系统可移植。1.1.2.2.2 数据处理功能MOSAIC实时数据库提供如下的数据处理功能：l MOSAIC实时数据库系统具有很强的对数据的处理、加工、整合、查询等功能；l 能够提供装置的数据校正及预处理计算等功能；l 支持对数据的高效提取，在满足使用需求的情况下降低服务器负载；l 支持在线增加、删除、暂停、修改仪表位号及其属性。1.1.2.2.3 WEB应用功能l MOSAIC实时数据库提供界面友好、便捷的桌面应用程序，实现现场数据的实时查询和历史查询。l MOSAIC WEB发布页面可以查看所有系统中的工艺流程图。l MOSAIC WEB应用可以实时监控整个企业的生产装置、各主要用能设备的工艺参数。l MOSAIC WEB应用提供基于Web的实时过程监视、历史数据浏览、趋势查询等功能，基于办公软件的数据报表和分析、功能强大的趋势分析等功能，使用开发平