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(tái)上，缺少國(guó)產(chǎn)化方面的考慮[1]。本文介紹的SCADA系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及運(yùn)行環(huán)境實(shí)現(xiàn)了全國(guó)產(chǎn)化。作為工業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制軟件，對(duì)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(shí)，能夠及時(shí)診斷故障并切換到后備服務(wù)器，且切換過(guò)程中不能造成擾動(dòng)。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(jì)與實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)的基于國(guó)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(tái)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)：硬件采用國(guó)產(chǎn)飛騰處理器的服務(wù)器和臺(tái)式機(jī)（或筆記本），操作系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)中標(biāo)麒麟，開(kāi)發(fā)工具采用可跨平臺(tái)的Qt，支持在國(guó)產(chǎn)中標(biāo)麒麟和Windows操作系統(tǒng)上跨平臺(tái)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(huì)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)。客戶端即各個(gè)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(dòng)畫(huà)顯示現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)，并可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)、閥門進(jìn)行操作。根據(jù)用戶需要，可以配置對(duì)外通信功能，通過(guò)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(huà)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(huà)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(tái)任務(wù)。狀態(tài)診斷是操作員站和歷史站都具有的后臺(tái)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(jì)優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)于很小的項(xiàng)目，可以只配置一臺(tái)歷史站，或者配置兩臺(tái)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(dòng)的為主機(jī)；同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，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(cè)，通過(guò)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(hào)時(shí)仍正常運(yùn)行，從機(jī)收不到主機(jī)的心跳信號(hào)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(shí)、數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)采集、報(bào)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(méi)有運(yùn)行。

③故障：在線時(shí)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(guò)周期檢測(cè)心跳值的方式檢測(cè)。對(duì)于心跳超時(shí)的子任務(wù)，可以根據(jù)任務(wù)配置，對(duì)出錯(cuò)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(cuò)的子任務(wù)仍然不能正常運(yùn)行，從機(jī)只報(bào)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(guò)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(guò)讀取carrier文件，獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，部分示例代碼參見(jiàn)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(guò)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(jiàn)函數(shù)void getHardDiskOccupy()。

針對(duì)大部分冗余歷史站容易出現(xiàn)的雙主問(wèn)題，本文制作了詳細(xì)的冗余切換表，通過(guò)測(cè)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(shí)滿足狀態(tài)切換的條件。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)診斷系統(tǒng)按照?qǐng)D3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(cè)工程配置是否正確，如果配置錯(cuò)誤（如未配置歷史站、PC名字配置錯(cuò)誤），則提示錯(cuò)誤，并結(jié)束工程；如果配置正確，則啟動(dòng)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(cè)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(wú)故障會(huì)一直保持主機(jī)狀態(tài)，從機(jī)周期檢測(cè)主機(jī)的狀態(tài)，如果主機(jī)降從或退出，則從機(jī)自檢無(wú)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(yàn)結(jié)果

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

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本系統(tǒng)能夠按照預(yù)期的結(jié)果在國(guó)產(chǎn)麒麟系統(tǒng)上穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)對(duì)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(cuò)的子任務(wù)及時(shí)進(jìn)行處理，保證各子任務(wù)的正常運(yùn)行；通過(guò)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(shí)不影響主歷史站的正常運(yùn)行。