陳 剛，盧紅星，姬 波＋，佘 維

（1.鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州450001；2.鄭州大學(xué) 軟件技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州450002）

0 引 言

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng) （fieldbus control system，F(xiàn)CS）構(gòu)造了一個(gè)連接現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備和控制設(shè)備的雙向、數(shù)字化、多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，具有很高的實(shí)時(shí)性、可靠性和可用性［1－7］。與此同時(shí)，直接面向于生產(chǎn)過(guò)程的FCS也對(duì)工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的信息化，即從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層到管理層實(shí)現(xiàn)全方位無(wú)縫信息集成，大數(shù)據(jù)集中管理及海量數(shù)據(jù)分析和輔助決策能力提出了更高的要求。因此，本文從應(yīng)用架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)3方面出發(fā)，提出并分析了工控信息化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)［8－10］。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)負(fù)責(zé)提供網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支撐，技術(shù)架構(gòu)負(fù)責(zé)提供技術(shù)支撐，應(yīng)用架構(gòu)負(fù)責(zé)工控信息化業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，對(duì)信息化過(guò)程中的主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，其中包括進(jìn)程間通信與共享內(nèi)存、數(shù)據(jù)清洗與數(shù)據(jù)規(guī)范化、分層流水線(xiàn)可視化建模、Java EE技術(shù)體系和Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)及內(nèi)核定制。這種開(kāi)放式的體系結(jié)構(gòu)，可以良好的滿(mǎn)足工業(yè)企業(yè)信息化的要求。

1 工控信息化系統(tǒng)架構(gòu)

工控信息化系統(tǒng)架構(gòu)指一系列相互關(guān)聯(lián)的抽象模式，用于指導(dǎo)整個(gè)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。架構(gòu)的目標(biāo)包括可靠性、安全性、可擴(kuò)展性和可定制化等。設(shè)計(jì)合理的、可行的、可擴(kuò)展和健壯的架構(gòu)對(duì)于工控信息化系統(tǒng)的建設(shè)具有指導(dǎo)意義。因此，在詳細(xì)分析了工控信息化系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和需求后，本文從應(yīng)用架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)3個(gè)層次給出了工控信息化系統(tǒng)架構(gòu) （如圖1 所示）。這3 個(gè)層次中，最低層為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支撐；中間層為技術(shù)架構(gòu)層，提供技術(shù)支撐；最高層為應(yīng)用架構(gòu)層，負(fù)責(zé)工控信息化相關(guān)業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

圖1 工控信息化系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 應(yīng)用架構(gòu)

圖2 應(yīng)用架構(gòu)

六大業(yè)務(wù)系統(tǒng)包括：

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：完成對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的自動(dòng)實(shí)時(shí)采集工作。其主要性能指標(biāo)要求為實(shí)時(shí)性、高效率、穩(wěn)定性和可靠性。本架構(gòu)中建議采用Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)，同時(shí)通過(guò)內(nèi)核定制手段來(lái)達(dá)到提高采集效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的；

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)：完成工控系統(tǒng)產(chǎn)生的歷史信息的存儲(chǔ)工作，包括信息規(guī)范、數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)集中。本架構(gòu)中選用了XML規(guī)范來(lái)達(dá)到數(shù)據(jù)集中與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的目的；

（3）數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)：負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （數(shù)據(jù)源）所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可靠、迅速、準(zhǔn)確地傳輸?shù)絽^(qū)域監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng) （數(shù)據(jù)宿）。本架構(gòu)中采用共享內(nèi)存作為通信實(shí)現(xiàn)的橋梁；

（4）區(qū)域監(jiān)控系統(tǒng)：采用Client／Server模式，部署于局域網(wǎng)區(qū)域內(nèi)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，主要包括圖形化生產(chǎn)工藝流程展示，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)展示以及歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)展示和報(bào)表展示；

（5）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)：采用Browser／Server模式，部署于廣域網(wǎng)上，對(duì)多個(gè)區(qū)域的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控，主要包括全網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和生產(chǎn)總體調(diào)度等；

（6）數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)：目的是把隱沒(méi)在一大批看來(lái)雜亂無(wú)章的數(shù)據(jù)中的信息集中、萃取和提煉出來(lái)，以挖掘所研究對(duì)象的內(nèi)在規(guī)律。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以為管理人員對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)的預(yù)測(cè)和正確診斷，并進(jìn)一步采取適當(dāng)?shù)目刂菩袨槠鸬捷o助決策作用。

可這樣一個(gè)特殊的日子，他們都默契地不開(kāi)口，畢竟會(huì)顯得過(guò)于曖昧。今天只是一個(gè)人的麋鹿小姐喝得不多，卻很開(kāi)心。在歡樂(lè)的圣誕節(jié)，她打扮得像一只小麋鹿，頂著兩只長(zhǎng)長(zhǎng)的鹿角。觥籌交錯(cuò)，酒過(guò)三巡，她向來(lái)是討人喜歡的姑娘，不乏樂(lè)趣。離開(kāi)Party時(shí)，扮成圣誕老人的服務(wù)生給了她一袋禮物：一條紅色的圍巾，和一瓶長(zhǎng)相思。麋鹿小姐愣了一下。長(zhǎng)相思，常相思……

在此，需要指出的一個(gè)重要問(wèn)題是現(xiàn)場(chǎng)管理人員、控制領(lǐng)域?qū)＜液陀?jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)＜抑g固有的文化和學(xué)科差異性，常常會(huì)導(dǎo)致對(duì)某一業(yè)務(wù)對(duì)象進(jìn)行描述時(shí)所產(chǎn)生大量的不一致性。例如，現(xiàn)場(chǎng)人員所稱(chēng)的 “監(jiān)控設(shè)備”在控制領(lǐng)域稱(chēng)為 “上位機(jī)”，在計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)稱(chēng)為 “嵌入式系統(tǒng)”；現(xiàn)場(chǎng)人員所稱(chēng)的 “傳感器”在控制領(lǐng)域稱(chēng)為 “下位機(jī)”，在計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)稱(chēng)為 “Node”。

因此，在構(gòu)建業(yè)務(wù)系統(tǒng)時(shí)，需要對(duì)業(yè)務(wù)對(duì)象指代術(shù)語(yǔ)進(jìn)行相關(guān)約定和分層表述。本系統(tǒng)的主要約定見(jiàn)業(yè)務(wù)對(duì)象（見(jiàn)表1）。

表1 業(yè)務(wù)對(duì)象

1.2 技術(shù)架構(gòu)

為了滿(mǎn)足系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)的需要并具有良好的可擴(kuò)展和可配置特性，將系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)通信層和信息化層3層，各層次之間關(guān)系如圖3所示。

（1）數(shù)據(jù)采集層：現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)具有協(xié)議種類(lèi)復(fù)雜、傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類(lèi)別復(fù)雜、采樣間隔短等特性。因此數(shù)據(jù)采集層設(shè)計(jì)中首先需要支持多協(xié)議，如兼容SNMP、SLIP、TCP／UDP、Wi－Fi、BLUETOOTH等協(xié)議；其中要支持多節(jié)點(diǎn)和高頻率采集，這可以通過(guò)多線(xiàn)程技術(shù)和自定義應(yīng)用層協(xié)議來(lái)完成。其中，應(yīng)用層的自定義傳感器報(bào)文格式如下：

1）包頭：前綴 （固定、包標(biāo)示）、數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度 （定值）、標(biāo)志位 （區(qū)分包內(nèi)容）和有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；

2）包體：傳感器說(shuō)明 （Embeded IP、Node IP、Port、Interface Type、Collect Time和Tag）和傳感器數(shù)據(jù)內(nèi)容（有效數(shù)據(jù)及0補(bǔ)位）。

（2）數(shù)據(jù)通信層：包括數(shù)據(jù)適配器 （清洗數(shù)據(jù)）；數(shù)據(jù)通用模型 （規(guī)范化數(shù)據(jù)）和共享內(nèi)存 （數(shù)據(jù)通信）3部分。同時(shí)，還要承擔(dān)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的任務(wù)。

（3）信息化層：包括區(qū)域監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控2個(gè)基礎(chǔ)應(yīng)用。同時(shí)，還包括一系列高級(jí)應(yīng)用，如可視化、數(shù)據(jù)分析、故障預(yù)警與診斷、故障反演和調(diào)度仿真等。

圖3 技術(shù)架構(gòu)

三層之間的通信方式如下：數(shù)據(jù)采集層通過(guò)多種協(xié)議采集傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，上報(bào)給數(shù)據(jù)通信層，數(shù)據(jù)通信層負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、規(guī)范后放入共享內(nèi)存和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。信息化層中的區(qū)域監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控2個(gè)應(yīng)用從通過(guò)共享內(nèi)存中的讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，信息化層中的高級(jí)應(yīng)用既可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取歷史數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)需要訪(fǎng)問(wèn)共享內(nèi)存中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

1.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是技術(shù)架構(gòu)和應(yīng)用架構(gòu)得以實(shí)施的物理基礎(chǔ)（如圖4所示）?？梢苑譃楝F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與管理、區(qū)域數(shù)據(jù)中心和大集中數(shù)據(jù)中心3個(gè)部分?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與管理主要包括傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)2部分。傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)產(chǎn)生設(shè)備狀態(tài)信息，嵌入式系統(tǒng)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)收集傳感器數(shù)據(jù)。區(qū)域數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)支撐技術(shù)架構(gòu)中的數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)通信層和信息化層中的區(qū)域監(jiān)控應(yīng)用。大集中數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)支撐技術(shù)架構(gòu)中的信息化層中的遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用和數(shù)據(jù)分析等高級(jí)應(yīng)用。

圖4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 進(jìn)程間通信與共享內(nèi)存

工業(yè)監(jiān)控包括傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)監(jiān)視和設(shè)備控制等環(huán)節(jié)。各環(huán)節(jié)上的各種進(jìn)程 （數(shù)據(jù)采集進(jìn)程、數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)程、數(shù)據(jù)展示進(jìn)程和設(shè)備控制進(jìn)程等）之間的通信種類(lèi)多、需求大、頻率高。進(jìn)程間通信方式有共享內(nèi)存、管道、郵件槽、剪貼板、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換等，其中共享內(nèi)存是存在于內(nèi)核級(jí)別的一種資源，是滿(mǎn)足進(jìn)程間大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)快速傳輸任務(wù)的最佳方式之一。共享內(nèi)存是指專(zhuān)用于內(nèi)核空間和用戶(hù)空間進(jìn)行通信的內(nèi)存區(qū)域，將特定大小的存儲(chǔ)空間駐留內(nèi)存中，在系統(tǒng)加載時(shí)分配，在系統(tǒng)運(yùn)行期間一直存在。一個(gè)基于VC＋＋和QT 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的共享內(nèi)存類(lèi)如圖5所示。共享內(nèi)存類(lèi)SharedMemory的屬性包括共享內(nèi)存塊sharedMemory變量和共享內(nèi)存尺寸memSize。其主要方法包括共享內(nèi)存讀寫(xiě)方法readFromMemory和writeToMemory；加解鎖方法lock和unlock；原始數(shù)據(jù)獲取方法data等。

圖5 共享內(nèi)存類(lèi)

工控系統(tǒng)通信的主要環(huán)節(jié)包括：

（1）數(shù)據(jù)采集服務(wù) （多線(xiàn)程）；

（2）傳感器報(bào)文包解析 （應(yīng)用層自定義協(xié)議）；

（3）報(bào)文管理 （先進(jìn)先出隊(duì)列）；

（4）多系統(tǒng)間通信 （共享內(nèi)存）。

2.2 分層流水線(xiàn)可視化建模

為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的圖形可視化，采用了分層流水線(xiàn)建模方法 （如圖6所示）。該模型分為數(shù)據(jù)處理層、邏輯實(shí)現(xiàn)層和圖像顯示層三層。數(shù)據(jù)處理層對(duì)傳感器數(shù)值進(jìn)行規(guī)約，即對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)；業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯實(shí)體的構(gòu)建、實(shí)體數(shù)據(jù)聯(lián)系的建立和圖形生成算法的實(shí)現(xiàn)，主要包括將數(shù)據(jù)映射為幾何實(shí)體和內(nèi)存中圖像繪制2個(gè)部分；圖像顯示層最終繪制出圖形結(jié)果，并在屏幕上進(jìn)行顯示。分層流水線(xiàn)可視化模型的三層結(jié)構(gòu)具有層間耦合度低、復(fù)用效率高和可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 分層流水線(xiàn)可視化模型

2.3 數(shù)據(jù)清洗與數(shù)據(jù)規(guī)范化

要達(dá)到工業(yè)集中監(jiān)控的目標(biāo)首先必須做到數(shù)據(jù)的集中，集中的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括運(yùn)行數(shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)集中的前提是數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)規(guī)范化。采用XML作為數(shù)據(jù)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，具有數(shù)據(jù)內(nèi)容與形式分離、可讀性好、可擴(kuò)展性好和便于信息檢索的優(yōu)點(diǎn)。XML 語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)包括：①簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)交換。大量軟件供應(yīng)商提供了其數(shù)據(jù)庫(kù)記錄與XML之間的轉(zhuǎn)換工具；②支持智能代碼。無(wú)需人工干預(yù)就可以處理帶有一定語(yǔ)義的XML文檔；③支持智能搜索。在XML 文檔中查找包含特定文本的結(jié)果集更符合用戶(hù)的預(yù)期目標(biāo)。

2.4 Java EE技術(shù)體系

采用了先進(jìn)、安全、穩(wěn)定、可靠的基于WEB的B／S多層結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，基于Java EE技術(shù)體系。Java EE 規(guī)范是面向Java的企業(yè)級(jí)Web服務(wù)規(guī)范，其核心目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的企業(yè)級(jí)Web應(yīng)用平臺(tái)，簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)及最終部署流程，提供跨平臺(tái)的特性。同時(shí)，由于Java運(yùn)行虛擬機(jī)上，也充分滿(mǎn)足了硬件環(huán)境的獨(dú)立性要求。Java EE 通過(guò)JDBC數(shù)據(jù)庫(kù)連接技術(shù)提供了獨(dú)立于數(shù)據(jù)庫(kù)廠(chǎng)商的開(kāi)發(fā)接口，滿(mǎn)足了數(shù)據(jù)庫(kù)操作的通用性要求。因此，Java EE構(gòu)架為工控系統(tǒng)業(yè)務(wù)組件的跨平臺(tái)應(yīng)用提供了可靠保證。基于Java EE的工控系統(tǒng)三層架構(gòu)可以避免對(duì)硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的依賴(lài)，系統(tǒng)可以部署于各種硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)之上。既能有效利用最終用戶(hù)的已有系統(tǒng)資源，也提拱了充分的可擴(kuò)充能力。

2.5 Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)及內(nèi)核定制

系統(tǒng)基于Linux操作系統(tǒng)采用C＋＋語(yǔ)言和QT 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在Linux開(kāi)源平臺(tái)上的應(yīng)用可以更好的滿(mǎn)足工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于穩(wěn)定性、可靠性和安全性的要求。和Windows系統(tǒng)相比，Linux系統(tǒng)需要的硬件資源更小，能大幅減少工業(yè)企業(yè)的硬件投入。同時(shí)，根據(jù)特定工業(yè)企業(yè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，可以有針對(duì)性的對(duì)Linux系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行合理的修改，有效簡(jiǎn)化Linux內(nèi)核，去除無(wú)用組件，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，并提供更多的內(nèi)存資源為工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)。內(nèi)核定制的原則是刪除不必要的代碼以減小內(nèi)核，修改機(jī)制來(lái)提高實(shí)時(shí)性。具體定制方法包括取消交換機(jī)制、取消內(nèi)存頁(yè)面緩存、簡(jiǎn)化物理空間管理機(jī)制、簡(jiǎn)化某些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和修改中斷機(jī)制等。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大和現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的日益成熟，工業(yè)企業(yè)對(duì)工控信息化軟件的效率、可靠性和數(shù)據(jù)分析能力提出了進(jìn)一步的要求。一個(gè)合理可行、可擴(kuò)展的軟件體系架構(gòu)是滿(mǎn)足工業(yè)企業(yè)信息化要求的重要基礎(chǔ)。因此，本文從應(yīng)用架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)3個(gè)層次提出并分析了工控信息化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)負(fù)責(zé)提供網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支撐，技術(shù)架構(gòu)負(fù)責(zé)提供技術(shù)支撐，應(yīng)用架構(gòu)負(fù)責(zé)工控信息化業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，本文也對(duì)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)中進(jìn)程間通信、共享內(nèi)存和分層流水線(xiàn)可視化建模等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。

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