荊俊峰，蒯 亮，房志奇，劉 凱，靳書云

（中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京 100083）

0 引言

在信息管理系統(tǒng)中，最常見的是MIS 管理系統(tǒng)，它一般主要關(guān)注的是宏觀層面的信息管理，如原材料管理、財(cái)務(wù)管理、質(zhì)量管理、計(jì)劃管理、人力資源管理等[1]。但對于機(jī)組運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)工藝要素的信息推送，在管理者的角度來看是一個(gè)迫切需求，管理者不用親臨操控室，在辦公室就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行系統(tǒng)圖和數(shù)據(jù)曲線，從而能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握機(jī)組運(yùn)行狀況，以便做出科學(xué)決策。尤其對于機(jī)組分散在不同地域的情況，對每個(gè)機(jī)組的運(yùn)行狀況的獲取更為迫切。本文從實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種機(jī)組運(yùn)行信息遠(yuǎn)程瀏覽的實(shí)現(xiàn)方法，為工廠管理者提供了一套便捷、快速、準(zhǔn)確的信息獲取方式，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理、科學(xué)決策、科學(xué)運(yùn)行。

1 體系結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程瀏覽系統(tǒng)分為服務(wù)端和客戶端兩個(gè)體系，其中服務(wù)端可以支持多個(gè)機(jī)組，每個(gè)都配有一個(gè)遠(yuǎn)程瀏覽服務(wù)器，專門負(fù)責(zé)向客戶端提供動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，每個(gè)機(jī)組都支持多個(gè)客戶同時(shí)遠(yuǎn)程瀏覽。系統(tǒng)在服務(wù)端對每一個(gè)客戶端進(jìn)行注冊登記，以保證每個(gè)客戶的合法性?？蛻舳说臄?shù)量按需配備，可以分散分布于廠區(qū)的不同位置，根據(jù)具體需求配備相應(yīng)的防火墻和交換機(jī)，但需要開放相應(yīng)的通信端口。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

2 軟件地位描述

遠(yuǎn)程瀏覽系統(tǒng)是依附于SCADA 系統(tǒng)而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，SCADA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則是分為系統(tǒng)軟件層和驅(qū)動(dòng)層兩個(gè)層次，系統(tǒng)軟件層主要部署系統(tǒng)級(jí)軟件以及一些通用型軟件，驅(qū)動(dòng)層主要實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)源的組態(tài)和通信功能，包括控制器、MIS 通信、OPC、MODBUS、PLC 等各種數(shù)據(jù)源。遠(yuǎn)程瀏覽系統(tǒng)相對于SCADA 系統(tǒng)來說可以作為一個(gè)數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)來看待，因此屬于驅(qū)動(dòng)層的軟件；對于客戶端來說原則上保留系統(tǒng)軟件的部署，但通用軟件層不排除產(chǎn)品有特殊功能的要求。因此在單元機(jī)組側(cè)也就是服務(wù)端的SCADA 軟件中增加與遠(yuǎn)程站通信的接口驅(qū)動(dòng)WebServer 通信模塊，而遠(yuǎn)程瀏覽側(cè)作為單獨(dú)的軟件產(chǎn)品安裝，如圖2 所示[3]。

圖2 遠(yuǎn)程瀏覽系統(tǒng)的軟件地位

3 模塊劃分

遠(yuǎn)程瀏覽系統(tǒng)服務(wù)端和客戶端的模塊劃分如圖3 所示，其中服務(wù)端有注冊模塊、通信管理模塊、測點(diǎn)提取模塊、文件服務(wù)模塊、證書模塊、下載列表模塊，客戶端有登錄管理模塊、客戶端通信模塊、文件下載模塊、公共接口模塊等。

圖3 遠(yuǎn)程瀏覽系統(tǒng)的軟件模塊劃分

服務(wù)端的注冊模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端名稱、密碼、IP地址的注冊，對注冊數(shù)據(jù)庫進(jìn)行備份和恢復(fù)，以及注冊數(shù)據(jù)庫全網(wǎng)一致化等功能；通信管理模塊實(shí)現(xiàn)客戶端的登錄驗(yàn)證、與客戶端通信交互、周期調(diào)度等功能；測點(diǎn)提取模塊進(jìn)行系統(tǒng)圖上測點(diǎn)信息的提?。晃募?wù)模塊實(shí)現(xiàn)FTP 文件下載服務(wù)功能；證書模塊實(shí)現(xiàn)License 相關(guān)的功能；下載列表模塊為遠(yuǎn)程瀏覽客戶端生成下載系統(tǒng)圖的列表，為遠(yuǎn)程瀏覽客戶端提供系統(tǒng)圖號(hào)替換功能。

客戶端登錄管理模塊實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器握手信息的管理；客戶端通信模塊與服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互通信，包括客戶端顯示系統(tǒng)圖的請求與接收、周期接收系統(tǒng)圖測點(diǎn)的動(dòng)態(tài)信息、系統(tǒng)圖的更新等；文件下載模塊提供客戶端文件下載服務(wù)；公共接口模塊實(shí)現(xiàn)客戶端進(jìn)行系統(tǒng)圖顯示所需的公共函數(shù)的接口服務(wù)。

4 總體處理流程

系統(tǒng)圖的顯示原理是顯示程序首先讀取本地系統(tǒng)圖在線文件，從在線文件中獲取系統(tǒng)圖的顯示圖素以及動(dòng)態(tài)Tag 點(diǎn)的信息，然后根據(jù)圖素把系統(tǒng)圖顯示出來，其中的動(dòng)態(tài)信息一部分來自于共享內(nèi)存中的動(dòng)態(tài)Tag 信息，包括動(dòng)態(tài)Tag 點(diǎn)的實(shí)時(shí)值、實(shí)時(shí)狀態(tài)、上下限值、報(bào)警信息等；另一部分是動(dòng)態(tài)圖素信息，包括交替圖形、動(dòng)畫、動(dòng)態(tài)顏色、動(dòng)態(tài)數(shù)值等。因此服務(wù)端和客戶端的交互需要兩種方式，一種是進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交互，另一種是服務(wù)端和客戶端之間的文件交互。WebServer 端部署在SCADA 系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)上，作為SCADA 軟件的一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，同時(shí)也是WebClient 的數(shù)據(jù)源，WebClient 作為一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)軟件，部署在遠(yuǎn)程瀏覽的客戶端。服務(wù)器端的WebServer 驅(qū)動(dòng)程序首先通過讀取注冊數(shù)據(jù)庫獲取登錄請求的遠(yuǎn)程瀏覽用戶的合法性，登錄成功后，通過進(jìn)程間的通信技術(shù)與進(jìn)程GetGrbPIDList 交互從而獲取客戶端需要顯示的Tag 點(diǎn)列表，通過UDP 協(xié)議周期發(fā)送數(shù)據(jù)差分信息，保證客戶端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。服務(wù)器端的WebFTPServer 通過注冊數(shù)據(jù)庫獲取需要下載的用戶信息，并完成客戶端需要的系統(tǒng)圖在線文件的FTP 下載；客戶端的WebClientComm 負(fù)責(zé)與服務(wù)器端的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信交互，周期獲取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)負(fù)責(zé)診斷信息的發(fā)送，另外WebClientComm 通過預(yù)處理隊(duì)列和輸入處理隊(duì)列把數(shù)據(jù)寫入客戶端實(shí)時(shí)表，供顯示模塊進(jìn)行系統(tǒng)圖的顯示，其總體處理流程如圖4 所示。

圖4 遠(yuǎn)程瀏覽系統(tǒng)的總體處理流程圖

5 進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)

UDP 協(xié)議是一個(gè)無連接協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)之前源端和終端不建立連接，當(dāng)它想傳送時(shí)就簡單地去抓取來自應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，并盡可能快地把它扔到網(wǎng)絡(luò)上。在發(fā)送端，UDP 傳送數(shù)據(jù)的速度僅僅是受應(yīng)用程序生成數(shù)據(jù)的速度、計(jì)算機(jī)的能力和傳輸帶寬的限制；在接收端，UDP把每個(gè)消息段放在隊(duì)列中，應(yīng)用程序每次從隊(duì)列中讀一個(gè)消息段。由于傳輸數(shù)據(jù)不建立連接，因此也就不需要維護(hù)連接狀態(tài)，包括收發(fā)狀態(tài)等，因此一臺(tái)服務(wù)機(jī)可同時(shí)向多個(gè)客戶機(jī)傳輸相同的消息，這個(gè)正好可以滿足本系統(tǒng)一個(gè)服務(wù)器可以登錄多個(gè)客戶端的需求[4]。同時(shí)因?yàn)榉?wù)端和客戶端的通信交互是周期性的，所以采用無連接的UDP 協(xié)議來實(shí)現(xiàn)正好可以揚(yáng)長避短。客戶端首次登錄后，顯示首張系統(tǒng)圖時(shí)，首先向服務(wù)端發(fā)送請求，服務(wù)端會(huì)先發(fā)送該系統(tǒng)圖的所有Tag 點(diǎn)的定義信息，確保發(fā)送成功后，再周期發(fā)送這些Tag 點(diǎn)實(shí)時(shí)值、實(shí)時(shí)狀態(tài)的差分信息，從而達(dá)到減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的目的[5]。

5.1 WebServer 端設(shè)計(jì)

WebServer 端的通信模塊主要完成如下功能：（1）實(shí)時(shí)監(jiān)聽客戶端通信請求，并給出應(yīng)答；（2）最多可同時(shí)并發(fā)接收20 個(gè)客戶端請求；（3）向測點(diǎn)提取模塊發(fā)消息生成通信使用的點(diǎn)列表，并按照請求的更新周期向客戶端周期發(fā)送系統(tǒng)圖上Tag 的實(shí)時(shí)值和狀態(tài)；（4）接收客戶端的診斷信息包，在5 個(gè)發(fā)送周期沒有收到診斷信息（客戶端的診斷包發(fā)送周期可定制），則認(rèn)為客戶端異常，服務(wù)器終止周期發(fā)送。服務(wù)端的處理流程如圖5所示[6]。

圖5 服務(wù)端的流程設(shè)計(jì)

5.2 WebClient 端設(shè)計(jì)

客戶端登錄成功后，首先創(chuàng)建套接字，啟動(dòng)接收線程，然后向服務(wù)器發(fā)送接收數(shù)據(jù)的請求，在接收到數(shù)據(jù)包后把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)寫入預(yù)處理隊(duì)列，通過本地?cái)?shù)據(jù)處理流程然后寫入實(shí)時(shí)表，具體流程設(shè)計(jì)參見圖6 所示。

圖6 客戶端的流程設(shè)計(jì)圖

5.3 交互數(shù)據(jù)包的設(shè)計(jì)

由于UDP 無連接，不像TCP 一樣做了所有的事情，因此對于采用UDP 協(xié)議的遠(yuǎn)程瀏覽系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一套交互管理辦法，對于發(fā)送的各種類型的數(shù)據(jù)包需要進(jìn)行辨別。針對這種需求，本文設(shè)計(jì)了一套包頭標(biāo)識(shí)符的識(shí)別方法，當(dāng)服務(wù)端或者客戶端收到UDP 數(shù)據(jù)包時(shí)，首先讀取包頭標(biāo)識(shí)符，通過標(biāo)識(shí)符后的數(shù)字來確定該數(shù)據(jù)包的類型，從而確定該數(shù)據(jù)包是登錄請求包，數(shù)據(jù)包、或者其他類型。表1 為標(biāo)識(shí)符的定義說明。

表1 UDP 包頭標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)

6 FTP 文件下載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

服務(wù)端和客戶端除了進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交互之外，還需要進(jìn)行文件交互，因?yàn)榭蛻舳诵枰獜姆?wù)端下載系統(tǒng)圖的在線文件來進(jìn)行顯示。在客戶端首次登錄時(shí)，首先下載顯示系統(tǒng)圖需要的基本在線文件，在顯示某幅系統(tǒng)圖時(shí)還需要判斷該系統(tǒng)圖是否服務(wù)器端有更新，如果有更新就需要重新下載，然后才能通過服務(wù)器傳送系統(tǒng)圖上Tag 點(diǎn)的實(shí)時(shí)值和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)客戶端系統(tǒng)圖的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。

FTP(File Transfer Protocol)是用于在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行文件傳輸?shù)囊惶讟?biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它工作在OSI 模型的第七層，TCP 模型的第四層，即應(yīng)用層，使用TCP 傳輸而不是UDP，客戶在和服務(wù)器連接前要經(jīng)過一個(gè)“三次握手”的過程，能夠保證連接可靠，而且是面向連接，為文件傳輸提供可靠保證。因此本文設(shè)計(jì)了一套FTP 文件下載系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)功能。FTP 服務(wù)啟動(dòng)時(shí)首先檢測本機(jī)是否是預(yù)先定義的服務(wù)器，如果是則根據(jù)注冊的客戶端信息為客戶端提供FTP 下載服務(wù)，如果設(shè)備組態(tài)發(fā)生變更，收到變更消息需要重新初始化FTP 服務(wù)。圖7 為FTP 的服務(wù)端和客戶端的流程模型[7]。

圖7 FTP 文件下載系統(tǒng)流程模型圖

6.1 FTP 服務(wù)端類設(shè)計(jì)

圖8 為服務(wù)端各個(gè)類之間的關(guān)系，其中數(shù)據(jù)管理類CFtpServer 為實(shí)現(xiàn)類，主要完成FTP 服務(wù)端的綁定IP 地址、設(shè)定FTP 數(shù)據(jù)端口范圍、設(shè)定FTP 客戶名和密碼、設(shè)定最大客戶端數(shù)、綁定監(jiān)聽端口、啟動(dòng)FTP 服務(wù)等功能。

圖8 服務(wù)端類關(guān)系圖

6.2 FTP 客戶端類設(shè)計(jì)

圖9 為客戶端各個(gè)類之間的關(guān)系，其中類CSetGrb-Path、CSetServerIPAddress 分別設(shè)置下載文件的路徑和IP 信息，CFtpCLient 完成FTP 文件下載客戶端的具體操作流程，包括初始化、建立連接、登錄、創(chuàng)建路徑、文件重命名、文件下載、文件傳輸?shù)萚8]。

圖9 客戶端類關(guān)系圖

7 客戶端的共享顯示內(nèi)存設(shè)計(jì)

客戶端的系統(tǒng)圖顯示需要顯示軟件進(jìn)行顯示，而通信模塊也需要對顯示內(nèi)容進(jìn)行周期維護(hù)，因此對于多個(gè)進(jìn)程需要訪問的內(nèi)存，本系統(tǒng)采用共享內(nèi)存的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于客戶端支持最多同時(shí)顯示4 張系統(tǒng)圖，因此共享顯示內(nèi)存最多存儲(chǔ)4 張系統(tǒng)圖的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，每張圖由機(jī)組單元號(hào)和圖號(hào)作為索引，每張系統(tǒng)圖最多支持1 000 個(gè)Tag 點(diǎn)的顯示，包括邏輯點(diǎn)、顏色變更等，如果系統(tǒng)圖關(guān)閉，對應(yīng)的內(nèi)存區(qū)也隨之清零。這個(gè)內(nèi)存是個(gè)動(dòng)態(tài)變化緩存區(qū)，其動(dòng)態(tài)信息由預(yù)處理隊(duì)列進(jìn)行維護(hù)[9]，圖10 為該共享內(nèi)存的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)。

圖10 客戶端共享內(nèi)存設(shè)計(jì)圖

8 結(jié)論

本文立足于SCADA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于UDP 和FTP 通信協(xié)議的遠(yuǎn)程瀏覽系統(tǒng)，為管理者的科學(xué)決策、生產(chǎn)分析提供了便利，尤其對于分散于不同地域的控制系統(tǒng)的監(jiān)控具有現(xiàn)實(shí)意義。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法簡潔，信息獲取及時(shí)準(zhǔn)確，已獲得廣泛推廣和應(yīng)用。