0 引言

    數(shù)據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統(tǒng)，可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制。雖然SCADA系統(tǒng)從上世紀70年代誕生之初到現(xiàn)在已經經歷了幾代的發(fā)展，其與計算機硬件與操作系統(tǒng)的關系始終比較密切。在Windows上開發(fā)的SCADA系統(tǒng)不能運行于UNIX和LINUX操作系統(tǒng)上，反之亦然。在工控安全日益嚴峻的今天，對能夠運行于國產計算機和國產操作系統(tǒng)的自主可控SCADA系統(tǒng)的需求迫在眉睫^[1]。本文設計的實時數(shù)據處理系統(tǒng)是SCADA系統(tǒng)的核心，采用跨平臺的軟件架構設計：硬件采用國產飛騰處理器的服務器和臺式機（或筆記本），操作系統(tǒng)采用國產中標麒麟，開發(fā)工具采用可跨平臺的Qt，支持在國產中標麒麟和Windows操作系統(tǒng)上跨平臺運行。

1 整體結構

    數(shù)據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)按照數(shù)據處理流程可分為四個層次：數(shù)據采集、實時數(shù)據處理、數(shù)據通信、數(shù)據顯示^[2]，如圖1所示。

    數(shù)據采集子系統(tǒng)是SCADA系統(tǒng)與PLC控制器的接口部分，分為上行、下發(fā)兩個方向。上行方向通過實現(xiàn)PLC原始數(shù)據的獲取、協(xié)議解析，對現(xiàn)場測控設備的實時運行信息進行采集。下發(fā)方向通過實現(xiàn)協(xié)議封包和數(shù)據輸出，對現(xiàn)場測控設備進行調控。數(shù)據采集子系統(tǒng)作為SCADA系統(tǒng)的內部數(shù)據源，要求常年不間斷連續(xù)運行，必須具有高度的可靠性、穩(wěn)定性、擴展性和強大的數(shù)據采集能力。

    數(shù)據處理子系統(tǒng)負責對數(shù)據采集子系統(tǒng)采集的數(shù)據進行復雜的實時加工和處理，目的是將數(shù)據采集子系統(tǒng)的“生數(shù)據”加工成“熟數(shù)據”，即將采集的數(shù)據轉化為滿足上位機系統(tǒng)需要的、便于使用的數(shù)據結構，并且將數(shù)據存儲到實時數(shù)據表和歷史數(shù)據庫中。同時，上位機下發(fā)的控制指令也要經過數(shù)據處理子系統(tǒng)后才能下發(fā)至對應控制器，完成對測控設備的調控。數(shù)據處理子系統(tǒng)是SCADA系統(tǒng)的數(shù)據核心，同樣要求不間斷連續(xù)運行，必須具有高度的可靠性、實時性、魯棒性和強大的數(shù)據處理能力^[3]。

    數(shù)據通信子系統(tǒng)根據系統(tǒng)配置信息，通過以太網完成系統(tǒng)中各個站點之間的狀態(tài)監(jiān)控、組態(tài)同步、進程控制、文件維護等工作，實時數(shù)據表的站間一致性和歷史數(shù)據訪問也需要借助數(shù)據通信子系統(tǒng)的數(shù)據傳輸功能。所有數(shù)據通信功能以API方式提供給各個上層應用調用，實現(xiàn)將底層的網絡功能和上層應用程序分離。

    數(shù)據顯示子系統(tǒng)通過圖形界面的方式將現(xiàn)場設備的運行信息展現(xiàn)給用戶。通過圖形組態(tài)工具提供的圖元可以組成系統(tǒng)圖、流程圖、工藝圖、監(jiān)控圖、趨勢圖、餅圖、棒圖、報表等各種形式，實現(xiàn)操作員和SCADA系統(tǒng)之間的友好交互。

2 功能及實現(xiàn)

2.1 功能結構

    實時數(shù)據處理子系統(tǒng)負責對進入數(shù)據站的各種數(shù)據進行統(tǒng)一管理，將統(tǒng)一處理后的數(shù)據寫入SCADA系統(tǒng)的各個數(shù)據隊列，供系統(tǒng)內部的對應模塊使用。它的工作方式是事件驅動周期保護方式，實現(xiàn)方式是將Qt提供的消息機制和定時器相結合。采用Qt的實現(xiàn)方式使系統(tǒng)能夠跨平臺運行。當收到PLC通信驅動模塊的通知消息，或收到通信管理模塊的通知消息，或到了保護周期還沒有被驅動時，實時數(shù)據處理子系統(tǒng)開始讀取接口隊列中的數(shù)據，處理各個狀態(tài)點的數(shù)值和狀態(tài)，并將處理過的數(shù)據輸出到各個輸出內存中^[4]。

    系統(tǒng)中的數(shù)據采用集中收集、全網同步的處理方法，保證系統(tǒng)內部各種數(shù)據收集時間一致性。在主歷史站上，實時數(shù)據處理子系統(tǒng)讀取各個數(shù)據隊列中的數(shù)據，根據組態(tài)信息，處理系統(tǒng)數(shù)據的報警信息和狀態(tài)變位信息，并將處理結果寫入報警數(shù)據緩存和數(shù)字量狀態(tài)變位緩存，同時將所有數(shù)據的數(shù)值和狀態(tài)寫入實時表，如圖2所示。在非主歷史站（從歷史站、操作員站）上，實時數(shù)據處理子系統(tǒng)只需要管理本機的實時數(shù)據表，如圖3所示。

    實時數(shù)據處理子系統(tǒng)的工作流程如圖4所示，數(shù)據采集子系統(tǒng)上傳的PLC數(shù)據經過數(shù)據處理模塊的處理后，分別產生報警和變位等數(shù)據狀態(tài)，報警點被報警處理模塊處理后寫入報警隊列中，同時寫入全記錄隊列，變位點直接寫入全記錄隊列中。所有上傳的數(shù)據都要經過實時處理模塊，產生其對應的狀態(tài)，并寫入實時數(shù)據表中。如果數(shù)據點的變化超過了歷史數(shù)據的死區(qū)設定，則寫入歷史數(shù)據隊列中。操作員的下發(fā)指令除了立即下發(fā)到指定控制器外，還要記錄到全記錄隊列中，同時進入實時數(shù)據處理，寫入實時數(shù)據表。

    其中時間戳處理模塊在校時子系統(tǒng)保證下，為待處理的數(shù)據批量打上時標。模擬量處理模塊具有工程量程轉換、線性/非線性變換、零漂修正算法、數(shù)值死區(qū)處理等功能，每個功能可以采用模塊化設計。數(shù)字量處理具備取反功能。操作員指令處理模塊包含人工置數(shù)、遙調、遙控、在線修改數(shù)據點屬性等功能。人工置數(shù)、遙調、遙控支持對批量指令的處理，例如群控、順控處理。數(shù)據通信子系統(tǒng)對實時數(shù)據進行站間的同步處理，使得歷史主站和從站及操作員站上的數(shù)據和時間都能保證一致，避免系統(tǒng)數(shù)據的重復處理，提高系統(tǒng)性能^[5]。

2.2 實現(xiàn)方式

    實時數(shù)據處理子系統(tǒng)接收數(shù)據采集子系統(tǒng)采集數(shù)據的最快速率為50 ms，為了提高實時數(shù)據處理的速度，采用在共享內存中創(chuàng)建多個輸入與輸出隊列的方式。為了保證系統(tǒng)可以跨平臺運行，共享內存的實現(xiàn)采用Qt提供的QSharedMemory類。創(chuàng)建的隊列如下所示：

    （1）采集數(shù)據隊列

    數(shù)據采集子系統(tǒng)采集到的PLC控制器的數(shù)據寫入該隊列。

    （2）操作數(shù)據隊列

    SCADA的用戶操作和狀態(tài)的更新數(shù)據都寫入該隊列。

    （3）報警數(shù)據隊列

    實時數(shù)據處理模塊逐一處理接口隊列中報警點的報警信息，并將報警信息寫入報警數(shù)據隊列。寫入該隊列中的信息包括：報警發(fā)生信息、報警恢復信息、壞點報警。

    （4）全記錄隊列

    實時數(shù)據處理模塊在處理各個輸入接口隊列中的數(shù)據時，將需要記入全記錄中的信息寫入該隊列。

    （5）歷史數(shù)據隊列

    在歷史站主站上，實時數(shù)據處理模塊在處理采集接口隊列中的數(shù)據時，對于滿足收集條件的歷史點的數(shù)值和狀態(tài)寫入歷史數(shù)據隊列，該隊列將作為歷史數(shù)據收集模塊的輸入數(shù)據。歷史數(shù)據的收集條件為：①模擬量變化超過死區(qū)；②數(shù)字量變化滿足定義條件；③數(shù)值未變，但狀態(tài)發(fā)生了變化（這里的狀態(tài)是指任何一個系統(tǒng)定義狀態(tài)）。

    隊列的實現(xiàn)方式相同，均采用循環(huán)隊列的方式，每個隊列都存放一個共享內存中。隊列的結構如圖5所示。

    在對隊列的的操作過程中共有3種狀態(tài)，分別為：空狀態(tài)、正常讀寫狀態(tài)和溢出狀態(tài)，說明如下：

    （1）空狀態(tài)：當隊列的讀指針等于寫指針時，則認為隊列為空。例如SCADA系統(tǒng)剛啟動時，沒有讀寫時隊列為空；或者SCADA系統(tǒng)運行時，數(shù)據處理速度快于寫入速度，導致隊列被讀空等情況，如圖6所示。

    （2）正常讀寫狀態(tài)：讀指針追著寫指針，如圖7所示。

    （3）溢出狀態(tài)：寫指針寫滿整個隊列，重頭開始寫，并追上了讀指針。

    當要寫入的新包的長度將要覆蓋未處理或處理中的數(shù)據包，則隊列寫入模塊將新來的數(shù)據包丟棄，對該丟棄事件做報警記錄，并在下一次符合寫入條件時寫入一個全點包。如果要寫入數(shù)據包的長度需要覆蓋多個隊列中的數(shù)據包，則這多個數(shù)據包中只要有一個處于處理狀態(tài)，就屬于這種情況。如果此時數(shù)據處理啟動，則它連續(xù)處理未處理包，直到讀指針等于寫指針，如圖8所示。

3 結論

    本文設計實現(xiàn)的實時數(shù)據處理系統(tǒng)的工作原理采用Qt的消息機制，當接收到數(shù)據采集子系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據消息后，進行采集數(shù)據的處理，當收到操作員指令消息后，進行下發(fā)數(shù)據的處理。數(shù)據的處理采用在共享內存中創(chuàng)建多個隊列的方式，使多個進程能夠方便快速地對隊列中的數(shù)據進行讀寫。Qt的實現(xiàn)方式使系統(tǒng)可以跨平臺運行。

參考文獻

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[4] OZDEMIR E，KARACOR M.Mobile phone based SCADA for industrial automation[J].Isa Transactions，2006，45(1)：67-75.

[5] 呂炳潮，楊揚，伍民友.實時信息的理論研究及應用[J].計算機工程與設計，2010，31(18)：4012-4014，4043.

作者信息：

徐一鳳，豐大軍，張瀚文，張  灣，趙德政

（華北計算機系統(tǒng)工程研究所，北京100083）