基于组件的分布式实时监控平台研究与设计

应用技术研究PAGEPAGE2基于组件的分布式实时监控平台研究与设计[文章摘要]本文提出了一种基于OPC接口的组件化分布式监控系统平台，探讨了系统各部分的接口实现方式。该平台由一组自适应、自容错、接口开放的软件组件构成，每个组件封装为具有独立功能、时间认知的智能软件主体，各个组件之间通过优先级消息队列进行快速、高效的通信，从而在整体上提供实时的数据采集、存储与访问功能和Web服务。最后，本文探讨了客户端浏览器采用数据发布/订阅方式,使用SOAP消息存取实时和历史数据的过程。[关键词]分布式监控系统OPCXML

PAGE101引言现实世界中的许多应用系统包含了对大量的现场数据的实时存取和管理，如工厂生产过程监控、电网调度、楼宇自动化等等，系统必须能够实时地从被控环境中获取数据，以便随时了解控制现场的最新状态，并结合过去获取的数据进行处理以及时地做出反应。其中处理的数据往往具有短暂有效性，称为时态数据，而过期的时态数据通常称为历史数据。维护时态数据的有效性是时态数据管理的重要内容，而数据的时态一致性需求也会导致事务的时间性限制[1]。实时数据库(Real-timedatabase)就是其数据和事务都有显示时间限制的数据库，系统的正确性不仅依赖于事务的结果，而且依赖于该结果所产生的时间。RTDB中的体系结构、事务调度、并发控制、资源管理等技术问题已经得到了广泛研究[2]。OPC（OLEforProcessControl）是由自动化领域中主要厂商协作制定的软件接口标准。OPC技术提供了不同系统间通信的标准接口，实现了异构环境中控制网络数据的统一集成[3]。将OPC技术与RTDB结合起来就形成了一个统一、开放的实时数据管理平台。本文所提出的实时数据库监控系统采用组件化设计，由一组自适应、自容错、接口开放的软件组件构成，每个组件封装为具有独立功能、时间认知的智能软件主体，各个组件之间通过优先级消息队列进行高效通信与实时交互，从而在整体上提供实时的数据采集、存储与存取功能。通过OPC标准接口存取数据，具有灵活可靠的组成方式和可靠的通信结构。系统采用基于发布/订阅的数据前推方式，将实时数据发送到客户端Web浏览器中，实现了Internet/Intranet网络实时监控平台。这种设计结构已经在我们开发的实时数据库系统中得到了实现。目前该系统已经通过多家企业的实践检验，并取得了良好的监控效果。2分布式监控系统结构2.1总体结构设计图1分布式监控系统网络结构图1分布式监控系统网络结构整个监控系统分为设备层、控制层和信息层三层。设备层由RTU、PLC、DCS等控制设备组成，它们负责采集工控现场的数据。控制层分为数据采集端、数据库和现场监控站三部分，其中数据采集端可以，读取设备层的现场数据；数据库分为实时数据库、OPC历史数据服务器(HDA)[4]和OPC报警服务器(AE)[5]分别向客户端提供实时数据、历史数据和报警及事件信息。控制层中的数据可以通过Web服务器和OPCXML-DA服务器，发布到数据层中，从而实现生产数据与管理数据的统一。监控站作为OPC客户端，访问各种服务器，实时监控设备数据和现场画面。Web服务器对外发布嵌有ActiveX的监控画面和数据报表页面，并能为用户提供其他Web服务。Web浏览器作为系统外监控端，可以使用浏览器（如IE），通过下载XML格式的监控画面文件和应用配置文件，设置ActiveX的参数，通过SOAP消息与OPCXML-DA服务器通信，远程监测现场情况。监控端的位置可以突破传统网络架构的限制，可以位于现场，也可以位于中央控制室，甚至可以通过防火墙位于Intranet以外的Internet中。以上多种服务器构成了企业信息数据平台，每种服务器和客户端可根据系统情况设置为一台或多台。该系统对外提供一套完整的接口、属性和方法的标准，支持分布式应用和异构环境下应用程序之间软件的无缝集成和互操作性，它使设备层、监控层以及信息层之间的协同工作成为了可能，并且提供了工业自动化应用的统一数据传输平台，实现企业控制网和数据网的一体化，使异构系统之间的数据交换更为方便。通过以上讨论，我们可以看出，与传统C/S监控系统相比，这种系统结构的设计具有分布式、模块化、配置灵活的特点。2.2实时数据服务器设备通信线程负责监视采样服务端口，处理来自设备IO站的数据更新请求，并把请求按照EDF策略组织到数据更新队列，由数据更新线程采用非抢占方式依次处理。请求接收线程负责接收来自用户的数据查询请求，这些请求由用户指定截止期，按照EDF策略组织到查询请求队列等待查询处理线程进行处理。由于不同的查询请求耗费的CPU时间可能差别很大，一个并不紧迫的查询可能阻塞一个紧迫的查询而导致该查询错失截止期，因此必须支持查询请求的抢占执行。为了无效的事务重启造成的资源浪费，系统根据下面的策略决定是否重启：设查询事务Tq已经执行的时间为Eq，截止期为D，当前时间为t，则当D－t≤Eq则表明事务重启后也不会再有足够的时间完成，因此返回查询失败，否则中断执行后重新放入查询请求队列等待处理。这种方法我们称为剩余时间准许算法。实时数据服务器采用主内存数据库技术，实时数据管理器负责内存中实时数据的管理与一致性维护；历史数据管理器负责历史数据的压缩处理与查询，并且管理历史数据缓冲区，而历史数据存储线程定期地把需要存储的历史数据由内存中的缓冲池写入磁盘上的文件队列中。实时数据管理器与历史数据管理器提供一组接口函数给数据更新线程与查询处理线程，数据更新事务与数据查询事务的处理都是对这些函数调用的组合。为了支持主动数据推送，系统引入了数据订阅-发布(Pub/Sub)机制。根据用户端应用程序的数据需求，系统中所有的数据对象被组织到不同的组，每组指定一个多点播送地址，所有关心这些数据的用户可以通过监听指定的端口来获取实时数据。这些信息保存到系统内的一个数据订阅表中，数据更新线程在完成每个更新事务后，将触发数据发布事务，由数据发布线程根据数据订阅表把这些数据采用简单对象访问协议(SOAP)播送给感兴趣的用户。2.3通信结构设计图2分布式监控系统通信结构图2分布式监控系统通信结构整个监控系统以实时数据库[5]为核心，通过多层接口实现数据的采集、保存和发布。实时数据库RTDB分为上下两层接口。下层DeviceRTDBAPI数据接口为各种数据采集端(包括RS232、OPC/DDE客户端、关系数据库RDB采集端等)提供接口，允许它们将采集的数据保存到实时数据库中。上层分为RTCom专用接口和ODBC/OPC通用接口。控制台程序通过RTCom接口管理实时数据库。OPCHDA服务器和OPCAE服务器通过OPC接口获得实时数据，然后按照判断逻辑生成报警数据和历史数据，并保存到各自的数据库中。监控端作为OPC客户端，可以通过OPC接口查询或者订阅实时数据、历史数据和报警信息。客户端监控软件只需要符合OPC规范，就能通过标准接口访问所有的服务器，从而实现了灵活配置及降低系统集成费用，而且缩短了应用软件的开发周期。系统各模块之间相对独立，都可在遵循各自接口标准的基础上独立修改升级，使得分布式监控系统中的数据采集、存储和监控各部分功能模块化，其开放性和可扩展性大为提高。3基于Web浏览器的实时监控XML是为了更为有效地通过web传送带结构的信息而设计的一种语言。XML将一个文件的内容从其陈述中分离出来，并提供了一个统一的格式在Internet或Intranet上传送数据。基于XML以上特点，我们在客户浏览器和内部服务器之间增加了一个XML数据发布层－OPCXMLDataAccessServer[6]：OPCXMLDAServer在Web服务器上构架；通过OPC用户化/自动化接口，访问系统内OPC服务器、历史数据服务器和报警服务器等，获得实时、历史数据和报警信息；通过XML和SOAP协议，向浏览器端提供监控画面结构和实时数据。OPCXMLDAServer是数据服务器与用户的浏览器（即OPCClient）之间交换数据的中间层。因此，整个网络监控的实现流程如图3所示：采用B/S三层结构和"瘦"浏览器客户端设计，通过访问历史数据服务器和OPC服务器，将工业现场中各类监控画面、曲线和报表等信息，连接进入Web服务器中的XML数据发布层，其中监控画面用XML格式保存，实现画面结构与数据的分离，静态组件（如标题、标注、图片等）一次性传输，动态组件（如LED、液位、开关等）则以ActiveX的形式进行发布，使得网络上的任何一个授权用户，均可通过浏览器，看到现场的各类画面，订阅或者查询实时和历史数据，从而了解整个现场的运行情况。客户端ActiveX通过SOAP协议向OPCXMLDA服务器发送实时数据和操作请求，收到返回消息后，解析XML文件，得到实时数据，更新监控画面。例如：客户端请求得到主干线A相电压值：<SOAP-ENV:Envelopexmlns:SOAP-ENV="/soap/envelope/"><SOAP-ENV:Body><m:ReadRequestxmlns:m="urn:ReadMethods">

<ItemList><Item>DistributingMainUa</Item></ItemList>

</m:ReadRequest></SOAP-ENV:Body></SOAP-ENV:Envelope>图3Web浏览实现过程

图3Web浏览实现过程服务器解析这个SOAP消息请求,处理后向客户端返回主干线A相电压10002.5V：<SOAP-ENV:Envelopexmlns:SOAP-ENV="/soap/envelope/">

<SOAP-ENV:Body>

<m:ReadReplyxmlns:m="urn:ReplyMethods"><ItemList><Item><itemid>DistributingMainUa</itemid>

<value>10002.5v</value><quality>good</quality><date>2021/01/13/</date><time>10:03:19<time></Item></ItemList>

</m:ReadReply>

</SOAP-ENV:Body></SOAP-ENV:Envelope>增加了OPCXMLDAServer后，系统成为了B/S三层结构，且具有本地计算和处理、数据显示多样性、颗粒化数据更新的优点。通过OPCXMLDAServer和OPC数据服务器可以实现对工业生产过程的实时远程监控，并可将实时生产数据与MIS、ERP系统以及用户的实时需求结合起来，构成一个企业内部统一的数据平台。4结束语 将OPC技术引入工控实时数据库系统中是一项有意义的工作。本文结合OPC技术特点，给出了一种工业分布式监控系统的结构设计和关键部分实现思路。该体系结构具有运行效率高、扩展性好、分布式处理能力强等优点。如何利用最新的Web技术，进一步提高工业监控系统的实时性、安全性和可靠性仍将是我们下一步的研究工作的重点。参考文献[1]AzerBestavros.AdvancesinReal-timeDatabasesystemsresearch[M].ACMSIGMODRecord,1996.[2]R.M.Sivasankaran,J.A.Stankovic,D.Towsley,B.PurimetlaandK.Ramamritham,PriorityAssignmentinReal-TimeActiveDatabases[M],TheinternationalJournalonVeryLargeDateBases,1996.5(1)[3]OPCCommonDefinitionsandInterfaceVersion1.0[EB/OL].OPCFoundation,2021.[4]OPCHistorialDataAccessAutomationInterfaceStandardVersion1.0[EB/OL].OPCFoundation，2021.[5]OPCAlarmsandEventsVersion1.02[EB/OL].OPCFoundation,2021.[6]杨庆,王堃,王宏安，戴国忠.企业级工控实时数据库研究与实现[M].计算机工程与应用,2021,13:68[7]OPCXML-DASpecificationVersion1.01[EB/OL].OPCFoundation，2021.

社会实践报告系别：班级：学号：姓名：作为祖国未来的事业的继承人，我们这些大学生应该及早树立自己的历史责任感，提高自己的社会适应能力。假期的社会实践就是很好的锻炼自己的机会。当下，挣钱早已不是打工的唯一目的，更多的人将其视为参加社会实践、提高自身能力的机会。许多学校也积极鼓励大学生多接触社会、了解社会，一方面可以把学到的理论知识应用到实践中去，提高各方面的能力；另一方面可以积累工作经验对日后的就业大有裨益。进行社会实践，最理想的就是找到与本专业对口单位进行实习，从而提高自己的实战水平，同时可以将课本知识在实践中得到运用，从而更好的指导自己今后的学习。但是作为一名尚未毕业的大学生，由于本身具备的专业知识还十分的有限，所以我选择了打散工作为第一次社会实践的方式。目的在于熟悉社会。就职业本身而言，并无高低贵贱之分，存在即为合理。通过短短几天的打工经历可以让长期处于校园的我们对社会有一种更直观的认识。实践过程：自从走进了大学，就业问题就似乎总是围绕在我们的身边，成了说不完的话题。在现今社会，招聘会上的大字报都总写着“有经验者优先”，可还在校园里面的我们这班学子社会经验又会拥有多少呢？为了拓展自身的知识面，扩大与社会的接触面，增加个人在社会竞争中的经验，锻炼和提高自己的能力，以便在以后毕业后能真正真正走入社会，能够适应国内外的经济形势的变化，并且能够在生活和工作中很好地处理各方面的问题，我开始了我这个假期的社会实践-走进天源休闲餐厅。实践，就是把我们在学校所学的理论知识，运用到客观实际中去，使自己所学的理论知识有用武之地。只学不实践，那么所学的就等于零。理论应该与实践相结合。另一方面，实践可为以后找工作打基础。通过这段时间的实习，学到一些在学校里学不到的东西。因为环境的不同，接触的人与事不同，从中所学的东西自然就不一样了。要学会从实践中学习，从学习中实践。而且在中国的经济飞速发展，又加入了世贸，国内外经济日趋变化，每天都不断有新的东西涌现，在拥有了越来越多的机会的同时，也有了更多的挑战，前天才刚学到的知识可能在今天就已经被淘汰掉了，中国的经济越和外面接轨，对于人才的要求就会越来越高，我们不只要学好学校里所学到的知识，还要不断从生活中，实践中学其他知识，不断地从各方面武装自已，才能在竞争中突出自已，表现自已。在餐厅里,别人一眼就能把我人出是一名正在读书的学生,我问他们为什么,他们总说从我的脸上就能看出来,也许没有经历过社会的人都有我这种不知名遭遇吧!我并没有因为我在他们面前没有经验而退后,我相信我也能做的像他们一样好.我的工作是在那做传菜生,每天9点钟-下午2点再从下午的4点-晚上8:30分上班,虽然时间长了点但,热情而年轻的我并没有丝毫的感到过累,我觉得这是一种激励,明白了人生,感悟了生活,接触了社会,了解了未来.在餐厅里虽然我是以传菜为主,但我不时还要做一些工作以外的事情，有时要做一些清洁的工作，在学校里也许有老师分配说今天做些什么，明天做些什么，但在这里，不一定有人会告诉你这些，你必须自觉地去做，而且要尽自已的努力做到最好，一件工作的效率就会得到别人不同的评价。在学校，只有学习的氛围，毕竟学校是学习的场所，每一个学生都在为取得更高的成绩而努力。而这里是工作的场所，每个人都会为了获得更多的报酬而努力，无论是学习还是工作，都存在着竞争，在竞争中就要不断学习别人先进的地方，也要不断学习别人怎样做人，以提高自已的能力！记得老师曾经说过大学是一个小社会，但我总觉得校园里总少不了那份纯真，那份真诚，尽管是大学高校，学生还终归保持着学生的身份。而走进企业，接触各种各样的客户、同事、上司等等，关系复杂，但我得去面对我从未面对过的一切。记得在我校举行的招聘会上所反映出来的其中一个问题是，学生的实际操作能力与在校理论学习有一定的差距。在这次实践中，这一点我感受很深。在学校，理论的学习很多，而且是多方面的，几乎是面面俱到；而在实际工作中，可能会遇到书本上没学到的，又可能是书本上的知识一点都用不上的情况。或许工作中运用到的只是很简单的问题，只要套公式似的就能完成一项任务。有时候我会埋怨，实际操作这么简单，但为什么书本上的知识让人学得这么吃力呢？这是社会与学校脱轨了吗？也许老师是正确的，虽然大学生生活不像踏入社会，但是总算是社会的一个部分，这是不可否认的事实。但是有时也要感谢老师孜孜不倦地教导，有些问题有了有课堂上地认真消化，有平时作业作补充，我比一部人具有更高的起点，有了更多的知识层面去应付各种工作上的问题，作为一名大学生，应该懂得与社会上各方面的人交往，处理社会上所发生的各方面的事情，这就意味着大学生要注意到社会实践，社会实践必不可少。毕竟，很快我就不再是一名大学生，而是社会中的一分子，要与社会交流，为社会做贡献。只懂得纸上谈兵是远远不及的，以后的人生旅途是漫长的，为了锻炼自己成为一名合格的、对社会有用的人才.很多在学校读书的人都说宁愿出去工作，不愿在校读书；而已在社会的人都宁愿回校读书。我们上学，学习先进的科学知识，为的都是将来走进社会，献出自己的一份力量，我们应该在今天努力掌握专业知识，明天才能更好地为社会服务。实践心得：虽然这次的实践只有短短的几天，而且从事的是比较简单的服务工作，但是通过与各种各样的人接触，还是让我学会了很多道理。首先是明白了守时的重要性。工作和上学是两种完全不同的概念，上学是不迟到很多时候是因为惧怕老师的责怪，而当你走上了工作岗位，这里更多的是由于自己内心的一种责任。这种责任是我学会客服自己的惰性，准时走上自己的岗位。这对我以后的学习生活也是一种鞭策，时刻牢记自己的责任，并努力加强自己的时间观念。其次让我真实的体会到了合作的重要性。虽然我工作的只是小小的一家餐厅，但是从点单到制作到递送到结帐这一环环的工作都是有分工的，只有这样才能使整家店的工作效率都大大的提高。以前虽然在书上看见过很多的团队合作的例子，但这一次是深刻的体会到了，正所谓“众人拾柴火焰