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分类号：TP393学校代码：10109密级：公开太原科技大学硕士学位论文（学术型）学位论文题目：基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现研究生姓名：戴利栋导师姓名及职称：徐玉斌教授培养单位：电子信息工程学院学科专业：检测技术与自动化装置论文提交日期：2015年5月论文答辩日期：2015年6月答辩委员会主席：宋建成教授 中文摘要中文摘要随着信息技术的进步和普及，企业的信息化管理水平不断提高，应用需求也不断扩张。一方面，企业对设备管理、生产状况分析的需求逐步增多，管理难度进一步加大；另一方面，企业需要在现有监控系统的基础上构建一套包括多种生产和管理数据的信息化管理平台，并能满足生产规模的扩大和上层管理系统集成的需求。实时数据库是开发实时监测系统、设备管理系统、ERP管理系统等系统的支撑平台。它能为大型企业生产调度、数据统计、管理决策及远程数据访问提供实时数据服务和多种数据管理功能，是企业自动化控制系统与信息管理系统间信息沟通的平台和桥梁。本文根据东北某大型水务集团的现状与需求，研究和设计了基于实时数据库系统和VPN网络的城市供水SCADA生产数据监测系统，实现了对生产过程实时数据的远程采集、存储、管理和分析，并为其它应用系统开发了相应的实时数据库接口，为企业的信息化建设奠定了坚实的基础。主要工作如下：（1）详细研究和分析了企业的现状，针对该企业下属污水厂及自来水公司数量多、自动化程度差异大、地理分布范围广及数据传输量大等特点，设计了基于实时数据库系统、VPN传输网络和远程数据采集平台的系统总体架构，解决了异构分布式环境下多种数据集成和远距离传输等问题。（2）针对下属厂自动化系统的异同和上位机系统的组态软件的不同，以及上传数据量大，可能会发生过度占用带宽、丢包等问题，采用在每个上位机系统部署数据采集器进行数据采集的方案。数据采集器通过OPC的方式读取上位机系统的实时数据，并对实时数据进行压缩和打包，实现了不同类型上位机软件数据的采集和传输。（3）通过分析和对比几种常用数据远程传输方式的特点，结合企业的实际情况，基于VPN网络采用IPSecVPN与SSLVPN的混合数据传输模式进行数据远程传输，实现了数据安全可靠的传输。（4）采用客户端/服务器的模式，设计和实现了以实时数据库系统为中心的集团数据中心。一方面开发了调度监控和数据展示软件，为改进和优化生产工艺提供了支持，另一方面开发了实时数据库的通用接口软件，使得诸如生产设备管理系统、能源消耗数据分析系统等其它信息系统能够共享实时数据库的数据，解决了企业信息孤岛问题，为集团的安全生产和科学管理提供了有效的数据支撑和生产决策支持。本系统已在现场运行。运行状况表明，系统运行安全可靠，达到了预期设计要求。I 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现关键词：SCADA系统；VPN网络；实时数据库；组态软件；数据中心II ABSTRACTABSTRACTAstheadventandpopularizationoftheinformationage,thelevelofautomationmanagementintheenterprisesaregrowing.Meanwhileapplicationdemandacceleratesincreasely.Ononehand,thedemandwhichistheequipmentmanagement,productionandanalysisfortheenterprisesincreasesgradually.Therearemoredifficulitiesinmanagement.Ontheotherhand,basedontheexistedmonitoringsystem,enterprisesneedtogroupinformationmanagementplatformwhichincludestheproductionandmanagementdata,andtheywillfacetheexpansionofproductionscaleandthedemandforthesystemintegrationofuppermanagement.Real-timedatabasesystemisthesupportsoftwareplatformwhichincludesdevelopmentofreal-timecontrolsystem,dataacquisitionsystem,ERPsystemanditprovidesreal-timedataservicesandavarietyofdatamanagementcapabilitiesfortheenterpriseproductionmanagementandscheduling,dataanalysis,decisionsupportandremoteonlinebrowsingsupportsoftwareplatform.Itisthebridgeandplatformbetweenenterpriseautomationsystemandmanagementinformationsystemofinformationcommunication.AccordingtothestatusofalargewatergroupinthenortheastofChina,researchanddesignurbanwatersupplySCADAmonitoringsystemwhichisbasedonreal-timedatabasesystemandVPNscheduling,realizedtheremotecentralizedproductionprocessreal-timedataacquisition,storage,managementandanalysis,andforotherapplicationsystemdevelopmentthecorrespondingreal-timedatabaseinterface,whichlaidafoundationfortheenterpriseinformationconstruction.Mainworkandcontributionsareasfollows:(1)Accordingtothepresentsituationoftheenterpriseandthecharacteristicslikelargequantityofwaterandwastewatertreatmentfactories,thedifferentdegreeofautomation,widegeographicaldistributionandlargeamountdatatransmission,thepaperdesignsarchitectureofsystembasedonthereal-timedatabasesystem,VPNtransmissionnetworkandremotedataacquisitionplatformtosolvetheproblemssuchasmanykindsofdataintegrationandlong-distancetransmissionindistributedenvironment.(2)Accordingtothesimilaritiesanddifferencesofsubordinatefactory’sautomationsystemandthedifferencesofPCconfigurationsoftwareofsystem,andthelargequantityofIII 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现uploaddata,thesystemmayproducetheproblemssuchasexcessivebandwidth,packetlossanditplacesaPCdeploymentdatacollectorsystemfordatacollection.DatacollectorsystemreadstheuppermachinebymeansofOPC,meanwhile,compressedandpackagedthereal-timedata,implementeddifferenttypesofPCsoftwaredataacquisitionandtransmission.(3)Byanalyzingandcomparingthecharacteristicsofseveralcommondatatransmissionmode,thepapercombinedwiththeactualsituationofenterprisestodesignasystemwhichusesthemixeddatatransmissionmodeofIPSecVPNandSSLVPNtorealizedataremotetransmission.Atthesametimethesystemensuresthesafetyandreliabilityofdatatransmission.(4)Usingclient/servermodel,thepaperdesignsandachievesagroupdatacenterwhichcentersonreal-timedatabasesystem.Ontheonehand,,thesystemdevelopedthemonitoringanddatadisplaysoftware,whichprovidesthesupportfortheimprovementandoptimizationofproductionprocess.Ontheotherhand,thesystemdevelopsthegeneralinterfaceofreal-timedatabasesoftware,whichmakesitcansharereal-timedatabasedatawithotherinformationsystemslikeproductionequipmentmanagementsystem,theenergyconsumptiondataanalysissystem.Itnotonlysolvedtheproblemofinformationisland,butalsoprovidedeffectivedatasupportanddecisionsupportforthegroup'ssafetyproductionandscientificmanagement.Thissystemhasbeenrunningatthescene.Operationshowsthatthesystemissafeandreliable,italsohasachievedtheexpecteddesignrequirements.Keywords:SCADAsystem;VPNnetwork;Real-timedatabase;Configuration;MonitoringcenterIV 目录目录第一章绪论.............................................................11.1课题背景及来源....................................................11.2国内外发展现状....................................................11.2.1SCADA系统..................................................11.2.2实时数据库..................................................21.3研究目的及意义....................................................31.4论文研究的主要内容及章节安排......................................4第二章大型水务集团SCADA系统分析与建模.................................62.1系统需求分析......................................................62.1.1背景分析.....................................................62.1.2系统功能需求.................................................82.2系统建模..........................................................82.2.1系统角色划分及功能描述.......................................82.2.2系统建模...................................................112.3本章小结.........................................................15第三章数据传输层的设计与实现..........................................163.1数据传输设计方案.................................................163.1.1几种数据传输方式的对比......................................163.1.2VPN简介...................................................163.1.3VPN组网的主要技术.........................................173.1.4网络拓扑图..................................................193.2数据传输的实现...................................................203.2.1硬件部署...................................................203.2.2VPN网络的实现.............................................203.3本章小结.........................................................23第四章数据服务层的设计与实现..........................................244.1数据服务层模型...................................................244.2数据服务层设计...................................................254.2.1数据服务提供子层设计........................................25V 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现4.2.2数据服务管理子层设计........................................274.3数据服务层实现...................................................284.3.1系统设备配置................................................284.3.2现场数据采集的实现..........................................294.3.3数据中心的实现..............................................304.4本章小结.........................................................32第五章数据接口层设计与实现............................................335.1数据接口软件设计方法.............................................335.1.1实时数据库提供的数据接口....................................335.1.2面向Oracle数据库接口设计方法...............................345.2数据接口软件的实现...............................................345.2.1接口软件实现流程............................................345.2.2数据接口软件的实现..........................................355.2.3软件测试....................................................415.3本章小结.........................................................42第六章应用层的设计与实现...............................................436.1应用层子系统分析与设计...........................................436.2生产数据实时监测子系统实现.......................................446.2.1功能结构图..................................................456.2.2系统实现....................................................466.3本章小结.........................................................51第七章总结与展望......................................................527.1总结.............................................................527.2展望.............................................................53参考文献..........................................................54致谢..................................................................57攻读学位期间发表的学术目录..............................................58VI 第一章绪论第一章绪论1.1课题背景及来源随着企业的发展和信息技术的普及应用，大型水务集团在规模上实现了对污水处理厂与自来水公司的整合，由于这些污水处理厂和自来水公司分布区域广、地理位置分散，实现统一的自动化管理存在很大的困难。目前大多数污水处理厂和自来水公司已建立自动化控制系统，实现了厂区内部的控制和管理等基本功能。但现有的控制系统都是相对独立的，没有实现系统之间的数据集成和信息共享，也不能对生产过程数据进行管理、分析和指导。尤其在工厂控制层(DCS、PLC等)和企业集[1][2]团管理决策层之间存在“信息孤岛”现象，为集团的管理和决策带来了困难。越来越多的水务集团意识到企业信息化建设的重要性，SCADA监控系统的作用也日益明显。它把集团内独立的监控系统在新的管理模式下，综合利用信息技术、自[3]动化技术和计算机网络技术，构成一个全新的、完善的生产数据监测系统。它能够实现对下属污水处理厂生产过程的实时监测和生产数据的统一管理，能够与集团的[4]其它管理系统有效集成在一起，完成数据共享。从而进一步提高企业的管理效率，实现企业的管控一体化。本课题来源于龙江环保集团生产数据监测系统的工程项目。龙江环保集团下辖14个污水处理厂和2个自来水公司，它们分布区域广、地理位置偏远。根据水务集团的现状和系统设计要求，提出基于实时数据库的SCADA系统设计方案，实现环保集团对下辖污水处理厂和自来水公司的自动化管理。1.2国内外发展现状1.2.1SCADA系统SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition,监控与数据采集)系统,是以计算机技术为基础的生产过程控制与调度自动化系统,它可以对现场的运行设备进行监视和控制,以实现数据采集、测量、各类信号报警、设备控制以及参数调节等[5][6]各项功能。20世纪80年代，SCADA系统采用计算机和PLC的模式，率先在电[7]力系统得到应用。它可以实时采集现场数据，对现场的设备进行控制。系统采用集中式控制，不具有良好的开放性。90年代，随着分布式控制系统的发展和应用，诞生了新一代SCADA系统。它引进了计算机网络技术和数据库技术，在环保行业得到了广泛的应用[8]。早期的SCADA系统局限在厂区内部建立的自动化控制系统，只1 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现能够完成实时监测的功能，很少具有对数据的统计分析和管理等功能。进入21世纪，随着科学技术的进步和网络技术的发展，基于SCADA系统的一体化管理在水务行业得到了认同。利用VPN网络技术，开发基于因特网的省级SCADA监控系统[9]，通过WEB浏览器随时随地的监控企业的生产运营情况，真正意义上实现了企业的管控一体化。近年来，随着企业信息化建设的发展，SCADA系统不仅仅是完成数据采集、监测、控制等简单的功能，而是作为数据源，为其它信息管理系统提供实时数据，实现系统之间的整合[10]，彻底解决企业中“信息孤岛”的问题。综合运用故障诊断、神经网络、模糊控制等先进技术，开发专家诊断系统，实现现场分析、故障判别、数据管理等功能，促进了企业信息化的建设，提高了数据的利用率，为企业信息化建设奠定了基础，实现企业的信息化管理[11]。SCADA软件由控制层软件、网络通信层软件、监控层软件和调度层软件组成，是SCADA系统的核心和灵魂。20世纪90年代，SCADA软件从基于UNIX系统的专用SCADA软件发展到了现在基于通用的WINDOWS系统的监控软件，实现了基本的监控组态功能。随着用户使用水平和功能需求的提高，对软件的质量也有了新的要求。目前，监控组态软件具备了数据储存、统计分析的高级功能，具有集成化管理、模块式开发、可视化操作，运行安全可靠等特点，已经广泛应用于大中型企业。如北京亚控科技有限公司的KingSCADA组态软件，它能方便的实现信息化集中监控，对提高大型集团管理水平，实现科学管理有显著帮助。1.2.2实时数据库实时数据库是一个收集、存储和分析工业数据的软件产品，是一种高实时性、大数据量和访问速度快的新型数据库。通过对大量实时数据的管理，可以为企业提供及时有效的实时信息，也可以为企业存储重要的历史数据[12]。在对历史数据和实时数据分析的基础上，集团可以实时监测下属子公司的运营情况，如工艺流程、设备维护和故障报警等。采用实时数据库可集成系统规划，例如：设备管理系统、专家系统、进而形成企业ERP管理系统[13][14][15]。实时数据库在企业的生产与管理之间发挥着桥梁和纽带作用，在企业的信息管理系统中也成为绝对的数据核心。1988年，由美国ACMSIGMODRecord第一次明确提出了实时数据库系统[16]的概念，标志着实时数据库系统研究领域的诞生。到了20世纪90年代，国外实时2 第一章绪论数据库开始大规模的应用于企业中，实时数据库技术在国外得到了广泛的提高和推广[17][18]。各种商业型的实时数据库产品也层出不穷，如：美国霍尼韦尔公司的PHD实时数据库，美国艾斯本公司的InfoPlus实时数据库，美国的Instep公司的eDNA实时数据库，以及美国OSI公司的PI实时数据库[26]。应用领域也涉及到石化行业、电力行业、钢铁行业和环保行业等[24]。由于国外实时数据库系统的研究较早，在20世纪初，我国的实时数据库市场被国外企业所垄断。20世纪90年代，华中理工大学刘云生教授发表了多篇关于实时事务并发控制和调度的文章，研发了ARTS-I[19]实时数据库系统的雏形，但并没有形成一套实际的、完善的数据库系统。进入21世纪，随着我国软件行业的发展和对数据库系统研究的深入，国内的实时数据库产品在技术上取得了很大的进步[20]，在某些主要的功能和技术指标上已经达到甚至超过了国际水平。国内具有代表性的实时数据库产品有北京亚控科技有限公司的KingHistorian实时数据库，北京三维力控公司的pSpace实时数据库，大庆紫金桥公司的RealDB实时数据库等[21][22]。在国内，实时数据库系统已经成功应用于很多大型企业[23]。例如中国石油苏格里气田构建的基于北京力控pSpace实时数据库的生产管理系统[25]，通过对现场数据的采集和存储，实现了油气田生产过程的管控一体化，提高了工作效率。并且使这些生产数据得到最大限度地共享和有效利用，及时为决策者提供依据，提高了企业的生产效率和管理水平。1.3研究目的及意义SCADA系统是水务集团企业信息化建设的基础。通过集团SCADA系统可以提高水务集团精细化管理水平，实现集团对下辖单位的科学调度，提高生产效率，为节能降耗提供数据支撑，使水务集团向“智慧水务”迈进。实现“设备物联化”、“平台智能化”、“管理扁平化”、“服务前置化”的管理目标，为先进的生产管理和事故处理提供了数据和技术支持，为其它行业实现信息化建设提供应用示范。针对水务集团下辖污水处理厂和自来水公司区域分布广、地理位置偏远和自动化水平差异大等普遍存在的问题，通过对水务集团SCADA系统的分析和建模，设计一种多层次模型的SCADA系统方案[27]。实现对现场生产过程的实时监测和科学管理，解决水务集团“信息孤岛”问题，实现资源共享，提高管理水平，降低生产成本，为其它水务集团构建SCADA系统提供技术参考。1.调度管理的保障作用3 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现水务集团SCADA系统对下属污水处理厂、自来水公司进行实时监测，实时采集污水处理厂和自来水公司的生产运行数据，建立实时数据库系统，提供画面展示、数据查询和报表查询等数据展示方式[28]。水务集团可以根据不同用户在不同时段排放的污水量不同，进行实时调度。如学校在上学期间排放的污水量较多，而居民在晚上排放的污水量较多。2.生产数据管理作用水务集团SCADA系统的一个重要作用就是对生产数据的管理，通过采集所有污水厂的生产数据，准确计算污水的处理量，进行成本的核算。通过对水质参数的对比分析，查看工艺的处理效果，对处理工艺进行优化。经过对生产数据的分析和研究，系统可以为集团的管理和运营提供可靠的数据支撑[29]。3.为其它管理系统提供数据接口水务集团SCADA系统提供数据接口，作为数据源为其它管理系统提供生产数据，实现数据共享，使系统之间有效的整合，从而进行数据挖掘和分析，为管理层的管理和决策提供数据支持。1.4论文研究的主要内容及章节安排本文根据水务集团的现状，研究和设计了基于实时数据库系统和VPN网络的水务集团SCADA生产数据监测系统，实现了生产数据的远程采集、存储和管理，并为其它应用管理系统提供了相应的数据接口，实现了集团的管控一体化。该设计方案在龙江环保集团的生产数据监测系统中得到验证。主要的工作内容如下：1.阐述水务集团SCADA系统研究的背景、意义和目前存在的问题，根据SCADA系统的组成结构和功能，对水务集团SCADA系统进行建模。通过对SCADA系统模型和实时数据库的分析，设计一套基于实时数据库的水务集团SCADA系统方案，进一步提高企业的自动化管理水平。2.将SCADA系统与水务集团的实际需求相结合，设计以实时数据库系统为平台的集团数据中心，包括实时数据库设计、应用平台开发和数据接口的实现，完成污水处理厂实时数据监测、现场模拟显示、数据存储和管理等功能。3.为了解决下属污水厂分布区域广、地理位置偏远、数据传输量大、传输距离远等问题，提出基于VPN网络的远程数据传输。VPN网络是采用隧道技术，在公网上虚拟一条专用的数据传输通道，从而达到数据专网的传输效果，通过特有的加密技术，保障数据传输的安全。4.针对污水处理厂和自来水公司上位监控系统的组态软件不同，以及下辖单位上4 第一章绪论传数据量大的问题。利用数据采集软件，在现场中控机上完成数据的采集，并通过VPN网络打包上传至集团数据中心。本文的章节安排如下：第一章“绪论”，阐述了本文的课题来源、课题研究的目的及意义和文章的主要内容及章节安排，介绍了SCADA系统和实时数据库系统的国内外研究现状。第二章“大型水务集团SCADA系统分析与建模”，通过对大型水务集团目前现状和功能需求的分析，设计一种多层次模型的SCADA系统方案。第三章“数据传输层的设计与实现”，通过对几种常用传输方式的对比，结合水务集团的现有情况，采用基于VPN网络的数据传输方式，保障数据的安全、稳定传输。第四章“数据服务层的设计与实现”。首先介绍数据服务层的模型，然后提出由实时数据库和数据采集平台组成的数据服务层，最后由实时数据库对数据进行存储和管理，实现数据的采集、存储和管理。第五章“数据接口层的设计与实现”，在实时数据库现有接口的基础上，开发一套公用的、开放的数据接口，实现与其它关系数据库之间的数据共享。第六章“应用层的设计与实现”，基于实时数据库开发应用管理系统，使各种生产数据能够有效利用，实现水务集团的管控一体化。第七章“总结与展望”，对水务集团SCADA系统进行总结，并对SCADA系统进行展望。5 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现第二章大型水务集团SCADA系统分析与建模本章以龙江环保集团为例，分析水务集团SCADA系统的功能需求，并对系统进行建模。首先通过对集团现状、存在问题和系统特点进行分析，提出了系统的功能需求和设计要求；然后根据系统的需求分析和角色划分，对SCADA系统进行建模。该模型不仅能够解决大型水务集团普遍存在的问题，也能为其它行业实现信息化建设提供技术参考。2.1系统需求分析2.1.1背景分析1、集团现状龙江环保集团为省级水务集团，包括14座污水处理厂和2个自来水公司(各有3个自来水厂)，分布在该省多个城市。污水处理厂和自来水公司在不同时期已经安装了相应的PLC控制系统和上位监控系统，实现了自动化管理。但各厂的应用系统品牌不一，是一个典型的异构环境。各污水处理厂和自来水公司详细情况如表2.1所示。表2.1子公司详细情况表Table2.1SubsidiariesdetailedFactSheet单位名称上位组态软件地理位置太平污水处理厂组态王KingView6.5哈尔滨文昌污水处理厂KingSCADA3.1哈尔滨信义污水处理厂组态王KingView6.5哈尔滨平房污水处理厂KingSCADA3.1哈尔滨阿城污水处理厂组态王KingView6.1哈尔滨肇东污水处理厂紫金桥6.5绥化黑河污水处理厂紫金桥6.5黑河牡丹江污水处理厂组态王KingView6.1牡丹江宁安污水处理厂组态王KingView6.1牡丹江佳木斯东区污水处理厂组态王KingView6.1佳木斯佳木斯西区污水处理厂紫金桥6.5佳木斯富锦污水处理厂KingSCADA3.1佳木斯鸡西污水处理厂组态王KingView6.1鸡西佳木斯自来水公司KingSCADA3.1佳木斯牡丹江自来水公司KingSCADA3.1牡丹江6 第二章大型水务集团SCADA系统分析与建模鸡西自来水公司KingSCADA3.1鸡西2、目前存在的问题目前，大多数水务集团已经初步完成了信息化建设，但还是存在一些不足之处。水务集团下辖的污水处理厂和自来水公司现有的自动化控制系统，虽然实现了厂区内部的自动化管理，但是这些控制系统相互独立运行，并没有实现水务集团对下属污水处理厂和自来水公司的集中管理。而且水务集团在不同时期根据业务需求建立了多套信息管理系统，这些管理系统独立运行，没有实现有效的连接。详细问题如下：(1)污水处理厂和自来水公司的自动化程度低污水处理厂和自来水公司虽然已经实现了自动化管理系统，但是这些系统相对比较独立，自动化水平低，可靠性差，还是采用传统的人工电话或者邮件的方式向集团汇报数据。由于污水处理厂和自来水公司需要采集的变量点数多，更新速度快，从而产生大量的生产数据。采用人工的方式不仅消耗大量的人力和物力，而且数据的实时性和准确性也很难保证。(2)自动化设备接入接口不统一污水处理厂和自来水公司在不同时期安装了不同的PLC控制系统和上位监控系统。由于应用系统品牌不统一，数据的真实性、准确性、一致性较差，没有实现数据的有效集成。(3)集团的“信息孤岛”现象严重集团现有多套信息管理系统，因为没有统一的数据平台，数据得不到有效的利用。如：设备管理系统、能耗分析管理系统等，几个系统之间各自独立，信息很难实现共享。数据实时性差，数据统计工作量大，强度高、效率低，造成了严重的信息资源浪费。3、系统特点及设计要求为了解决水务集团目前存在的问题，需要建立一套先进的生产数据监测系统，实现集团的自动化管理。系统的特点及设计要求如下：(1)实时性下属污水处理厂和自来水公司不仅具有区域分布广、地理位置分散、设备多、采集频率快、向集团数据中心发送数据量大的特点，并且要求所有站点同时进行数据传输，所以系统必须满足实时多任务性。(2)稳定性系统需要实时记录污水处理厂和自来水公司的生产数据，要求长时间不间断的7 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现工作，从采集、存储，再到管理，需要保证每个环节的安全稳定运行。即使出现毁灭性故障，也可以通过恢复工具进行数据恢复。(3)兼容性兼容性是指系统向下的兼容，充分利用污水处理厂和自来水公司现有系统和设备，在不改动现有系统的前提下，完成系统数据采集。(4)开放性开放性是指向上开放，基于该系统可以开发多种应用管理系统，并且可以为集团现有的其它管理系统提供数据支持，与其它管理系统有机结合。(5)可扩展性系统的结构设计要灵活，易扩展。随着集团的快速发展和规模扩大，或者某个污水处理厂添加或更换设备，可以很方便的将其加入到管理系统中。2.1.2系统功能需求根据龙江环保集团的设计要求，SCADA系统拟实现的功能如下：(1)实时监测功能。在集团数据中心对各污水处理厂和自来水公司的生产数据进行实时监测，实现对关键工艺数据、设备数据、工艺水质参数和进出水水质等实时监测。(2)数据管理功能。对污水处理厂和自来水公司的数据进行集中管理和存储，以报表、曲线等直观的方式为管理部门提供数据参考。(3)数据接口功能。使SCADA系统与集团的其它信息管理系统进行整合，SCADA系统作为数据源为其它系统提供实时数据，实现资源共享。2.2系统建模2.2.1系统角色划分及功能描述龙江环保集团设有多个生产部门，不同的部门对系统有不同的功能需求。这些部门可以划分为三种用户角色：管理员、高级用户和普通用户。管理员主要负责系统的维护，高级用户负责生产数据的分析和管理，普通用户负责实时监测下属污水处理厂和自来水公司的生产运行。下面对每种用户角色的功能需求做详细介绍。1、管理员角色管理员负责系统的日程维护工作，主要包括用户信息管理、站点信息管理和用户权限管理。管理员用例图如图2.1所示。8 第二章大型水务集团SCADA系统分析与建模图2.1管理员用例图Fig2.1Theusecasediagramofadministrators(1)用户管理管理员负责所有用户信息的管理，包括增加用户、删除用户、修改用户基本信息等功能。(2)权限管理管理员负责用户权限的管理，包括权限修改、增加权限、删除权限、查询权限的功能。高级用户拥有普通用户的权限，管理员具有最高权限。(3)站点管理管理员负责对所有站点的管理，包括下属污水厂、自来水公司等所有站点基本信息的修改、添加、删除和查询。站点的基本信息主要包括站点名称、类型、所在地、负责人等主要信息。(4)变量管理管理员负责对下属污水处理厂上传的变量进行管理，包括变量的增加、删除、修改和查询。管理的变量主要包括下属厂的水质参数、设备运行参数和仪表参数。2、高级用户高级用户对应集团的生产管理部门，负责生产数据的分析和管理，通过对生产数据的分析和对比，优化处理工艺，计算运营成本。主要包括：水质分析、调度系统、设备管理、计费系统。高级用户拥有普通用户的所有权限，高级用户用例图如图2.2所示。9 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现图2.2高级用户用例图Fig2.1Theusecasediagramofadvancedusers(1)水质分析高级用户将所有污水处理厂的水质参数进行统一对比，根据对比分析结果，优化处理工艺。(2)调度系统高级用户拥有普通用户的权限，可以直接进入调度系统，查看下属污水厂的实时运营状况。(3)设备管理高级用户负责设备的管理，对设备运行参数分析。包括设备运行时间记录、设备维修记录、制定设备维修计划等。(4)计费系统高级用户可以使用计费系统的相关功能，包括水电费的录入、资源能耗的录入，成本核算等。3、普通用户普通用户对应集团的调度人员，负责监测下属厂的生产运行，实时监测下属污水厂的运营情况。包括实时数据、图像监测、趋势曲线、历史数据查询和报表查询。普通用户用例图如图2.3所示。10 第二章大型水务集团SCADA系统分析与建模图2.3普通用户用例图Fig2.3Theusecasediagramofaverageuser(1)实时数据普通用户通过实时数据表查看各污水厂主要参数的实时数据，包括进出水的水质参数、生化池的水质参数等。(2)图像监测普通用户通过画面直观的监测各污水厂的现场运行情况，包括主要设备的运行状态、参数。(3)趋势曲线普通用户可以通过趋势曲线对所有变量进行查看，对某个变量在一段时间内的变化趋势进行分析，也可以将两个或者多个数据进行对比查看。(4)历史数据查询普通用户通过表格的形式对所有变量进行查看，可以查看所有变量在一天内的所有数据，也可以将两个或者多个数据进行对比查看。(5)报表查询普通用户通过报表查看污水厂所有的生产数据，包括水质参数、设备运行状况、能耗参数等。2.2.2系统建模1、系统层次模型早期的SCADA系统采用传统的两层架构，只是区分了服务器端和客户端，能够实现对底层设备的控制，满足小型企业的监控要求。随着用户需求的增多和用户数量的增大，大数据量的处理给SCADA系统带来了严重的性能问题，在此背景下，设计了多层11 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现次的模型架构。采用多层次模型可以根据不同的功能对系统进行分层，降低了各层之间的耦合，提高了系统的扩展性和开放性。将数据接口单独分离，便于开发多种数据接口和更多的应用管理系统，提高了数据服务层的开放性。将数据服务层和数据接口层分离，便于实现数据管理。系统层次模型图如图2.4所示。图2.4系统层次架构Fig2.4Systemlevelarchitecture从图2.4可以看出，系统从上到下依次为应用层、数据接口层、数据服务层和数据传输层。(1)数据传输层为数据服务层提供安全可靠的传输通道，如GPRS网络、数据专线等传输方式都可以实现数据的安全传输。(2)数据服务层由数据服务提供子层和数据服务管理子层组成，实现数据的采集、存储和管理。首先现场的上位机、PLC等智能设备可以作为数据服务提供子层的数据提供设备，为数据服务管理子层提供实时数据；其次数据服务管理子层通过实时数据库完成数据的管理和存储。(3)数据接口层为应用层提供丰富的接口，使应用层可以方便的访问数据服务层的数据，包括API接口、ODBC接口等多种数据接口。(4)应用层基于数据接口层开发各种各样的信息管理系统，实现集团的科学管理，如设备管理系统、生产调度监控系统等其它管理系统。12 第二章大型水务集团SCADA系统分析与建模2、系统结构模型根据对多层次模型结构和水务集团实际状况的分析和研究，设计了如图2.5所示的三层体系架构的水务集团SCADA系统结构模型。图2.5系统结构模型图Fig2.5Thestructureofthesystem根据系统结构模型的设计，将系统分为现场数据采集层、远程数据传输层和数据监控中心层。(1)现场数据采集层。现场数据采集层作为层次架构中的数据服务提供子层，为上层的数据监控中心层提供实时数据。通过数据采集器读取污水处理厂和自来水公司上位监控系统的实时数据，经过网络上传到数据集中器。(2)远程数据传输层。远程数据传输层作为层次架构中的数据传输层，提供安全的数据传输网络，保障实时数据在现场数据采集器和集团中心数据集中器之间稳定传输。(3)数据监控中心层。数据监控中心层用来实现数据的存储和管理。数据集中器和实时数据库作为层次架构中的数据服务管理子层，通过数据集中器将现场数据存储到实时数据库，由实时数据库完成数据的储存。基于实时数据库开发的多种应用平台作为层次13 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现架构中的应用层，如生产调度监控系统、报表系统等其它信息管理系统，实现对数据的分析和管理。3、系统网络结构图根据龙江环保集团的实际情况和具体的功能需求，设计了基于实时数据库和VPN网络的SCADA系统方案，系统网络结构图如图2.6所示。图2.6系统网络结构图Fig2.6Thestructureofthesystem从上图可以看出，集团SCADA系统采用三层体系架构。污水处理厂和自来水公司经过VPN网络把数据上传至集团调度中心，通过实时数据库完成数据的存储和管理，由调度中心的上位机实现数据的展示。(1)污水处理厂和自来水公司作为系统的现场数据采集层，通过数据采集器从现场上位机中读取实时数据，完成数据采集和上传。(2)龙江环保集团与下辖污水处理厂通过硬件防火墙构建VPN网络，实现集团与污水厂之间的虚拟局域网，保证数据的安全传输。(3)龙江环保集团作为数据监控中心层，负责对数据的管理。集团数据中心通过数据展示软件以组态可视化的的方式对数据进行展示和分析。14 第二章大型水务集团SCADA系统分析与建模2.3本章小结本章对大型水务集团进行需求分析和SCADA系统建模。首先对水务集团进行需求分析，介绍了水务集团目前存在的问题和系统功能设计要求；然后根据系统的功能需求，提出了多层次模型的SCADA系统，并设计了SCADA系统的整体架构；最后根据龙江环保集团的实际情况，设计了龙江环保集团SCADA系统的网络结构。15 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现第三章数据传输层的设计与实现污水处理厂和自来水公司地理位置偏远、分布区域广，而且网络接入方式各不相同，与水务集团之间的数据传输存在困难。为了实现污水处理厂和水务集团之间的远程数据传输，本章通过对几种常用的数据传输方式进行对比分析，提出了基于VPN网络的远程数据传输方案。经过对VPN组网技术的研究和分析，设计了IPSecVPN与SSLVPN的混合数据传输模式的数据远程传输方案，保证数据传输的安全性和可靠性。3.1数据传输设计方案SCADA系统常用的数据传输方式有数据光纤、无线GPRS、VPN网络等，都能够实现数据的安全传输。用户根据不同的应用需求和各种传输方式的技术特点，选择一种适合的传输方式。3.1.1几种数据传输方式的对比(1)光纤专线接入：租用运营商的专用数据通道或者铺设内部光纤电缆，提供点对点、点对多点的数据专用线路。虽然它的传输质量高，延时小，可靠性高，但是构建成本和租用的费用高。(2)无线GPRS传输：GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，支持特定的点对点和点对多点服务，以“分组”的形式传送数据[30][31]。GPRS的优点就是按流量计费，搭建方便，可扩展性好，后期的维护费用低，对于偏远地方是很好的一个选择。但是无线GPRS传输方式稳定性差，传输距离有限，传输速率慢，大约为200Kbps[32][33]，不能满足用户的带宽需求。(3)基于VPN的数据传输：虚拟专用网络[34]，采用私有的隧道技术在因特网上虚拟一条点到点的数据专线，从而达到在公网上安全传输私有数据的目的。构建成本低，只需要支付VPN设备和ISP的上网费用，大大节省了租用专线的费用。对于安全性，VPN采用特有的加密技术，保证数据的安全传输，即使数据包被他人截获也不会泄露信息。VPN网络不受地理位置的限制，只要站点满足上网的条件，就可以通过网络设备实现VPN网络，将私有数据在公网上进行安全的传输。通过上述几种方式的对比，VPN网络不仅具有成本低、网络接入方便，不受地理位置的限制等特点，而且采用特有的加密技术，保证数据的安全传输。适合应用于省级水务集团的远程数据传输。3.1.2VPN简介虚拟专用网络（VirtualPrivateNetwork，简称VPN）就是通过隧道技术在公网上虚16 第三章数据传输层的设计与实现拟一条专用数据通道，实现远程网络之间数据通讯[35]。虚拟隧道采用隧道技术、加解密技术、密钥管理技术和身份认证技术等多种加密手段对数据进行加密，使数据安全、稳定的在公用网络中传输。VPN网络可以帮助分公司机构、远程用户、商业伙伴与集团内部建立安全、可靠的连接，实现数据的安全传输。3.1.3VPN组网的主要技术在组建VPN网络时，隧道技术只实现了虚拟的数据通道，还需要采用加密技术对通道进行加密，实现数据的安全传输。在隧道方面，采用隧道协议实现隧道功能，通过隧道连接的两个局域网就如同直连，从而达到数据专线的效果。而在数据安全方面，通过一种数据加密协议来保证数据的安全传输，比如L2TP、PPTP、IPSec或者SSL等多种加密协议。本文重点分析目前主流的几种VPN组网技术。1、IPSecVPN技术IPSecVPN是采用IPSec协议来实现VPN网络的一种技术手段。IPSec不是一种具体的加密算法或者安全协议，它只是为数据加密技术定义了一些方法。IPSec是由InternetEngineeringTaskForce(IETF)制定的安全框架，规定了一系列的安全协议标准，为公共网络中点对点传输提供加密服务[36]。IPsec服务的协议中包括IKE（InternetKeyExchange）、ESP（EncapsulatingSecurityProtocol）和AH（AuthenticationHeader）三条协议。IKE是个混合协议，其中包含部分Oakley协议以及内置在ISAKMP（InternetSecurityAssociationandKeyManagementProtocol）协议中的部分SKEME协议。它是用来保证密钥的安全传输、交换以及存储。ESP（EncapsulatingSecurityProtocol）和AH（AuthenticationHeader）主要是对数据进行加密，包括对数据完整性、正确性和数据来源的确认。IPSecVPN技术常用于网络中的数据流并给它提供连接和保护，适合为不同网络提供安全的网络通信，所以一般应用于局域网之间数据传输。它采用IP加密隧道的工作模式，在IP隧道两端有发送/接收两个过程。发送过程就是数据进入隧道前的处理，即对数据进行加密处理，然后用MD5算法完成摘要、签名等认证处理，保证数据包的完整性、可鉴别性，最后按照公网IP的要求对数据包进行IP封装。数据到达接收方后，首先对数据包进行解封、还原，在经过认证、解密后得到数据包的明文，最后由访问控制模块决定该报文是否符合安全的存储控制规定。工作原理如图3.1所示：17 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现图3.1IPSecVPN方式Fig3.1ThewayofIPSecVPN2、SSLVPN技术SSLVPN[37]是在ApplicationLayer（应用层）上建立SSL隧道来实现的，SSLVPN是基于WEB应用的安全协议，是以HTTPS为基础的VPN技术，能更好的为分散的远程用户提供安全接入。虽然通过网页浏览器就可以实现SSLVPN，但是也需要在浏览器上安装Client软件。Client软件是一种Javaapplet或ActiveX形式的插件，不需要手工安装，通过浏览器自动检测并安装，就像平时在视频网站看Flash时安装flashplayer一样，也是以网页插件的形式安装的。SSLVPN网络组建方便，不需要借助于网络设备或者客户端软件，就可以实现SSLVPN连接。只需要在计算机上使用支持HTTPS(HTTPoverSSL)的网页浏览器就可以建立VPN网络[38]，解决了安装软件麻烦的困扰。这就使得远程用户可以随时随地的通过SSLVPN访问集团内网，为远程用户带来了极大的便利。SSLVPN实现方式是在防火墙后面放置一个VPN网关，通过网关控制远程用户和集团服务器之间的通讯。对于远程用户而言，通过SSLVPN方式远程访问集团内网时，首先在浏览器输入集团的URL后，连接被VPN网关取得，其次验证该用户的身份信息，然后给用户提供连接[39]。实现步骤分为验证与连接、应用、审计和结束四个阶段：①用户与集团建立HTTPS对话，向集团发送身份验证信息，集团确认验证信息后发送应用授权；②用户连接Web服务器，请求接入内部IP，集团为该用户分配内网IP地址；③通过行为审计记录用户服务行为；④退出服务。图3.2是远程用户通过浏览器与公司总部建立的SSLVPN连接。18 第三章数据传输层的设计与实现图3.2SSLVPN工作方式Fig3.2ThewayofSSLVPN3.1.4网络拓扑图通过对IPSecVPN技术和SSLVPN技术的分析，IPSecVPN和SSLVPN是两种不同技术路线的VPN架构，其中IPSecVPN主要应用于网络层，能够给整体网络层上的数据传输提供安全、透明的通信保护，一般应用于局域网之间。而SSLVPN是在HTTP协议的基础上应用于应用层和TCP层之间，一般应用于远程分散的用户访问[40]，能够方便快捷的与集团建立连接。网络拓扑图如图3.3所示：图3.3网络拓扑图Fig3.3Networktopologydiagram集团中心部署支持IPsec和SSL协议的网络防火墙，分公司部署支持IPsec协议的网络防火墙。分公司与集团中心采用硬件防火墙实现VPN网络，通过IPSecVPN的方19 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现式实现分公司与集团中心的数据传输。远程用户直接通过浏览器采用SSLVPN的方式访问集团中心。3.2数据传输的实现根据上一节对数据传输的方案设计，以龙江环保集团和下属的平房污水处理厂为例介绍数据传输的实现过程。系统采用IPSec+SSL混合模型构建VPN虚拟专网，使各地分支机构的网络安全、高效的与总部互联。通过支持VPN功能的硬件防火墙，满足网络安全需求。3.2.1硬件部署在集团网络中心机房部署千兆防火墙、核心路由器、核心交换机。防火墙部署在网络出口，核心交换机部署在汇聚交换的位置，做VLAN的划分，使财务、生产、投资等部门以及调度、视频、自动化办公等系统既能独立互不干扰地运行又能进行联动。网络防火墙选用天融信千兆级的TG-11604网络防火墙，三层交换机选用华为的S5700-28C交换机，核心路由器选用华为的NE80E路由器。在各污水处理厂安装支持IPSec的天融信TG-11406网络防火墙和华为千兆级交换机S5700-26X。考虑到自来水公司的规模，在各自来水司的网络出口处部署一台千兆防火墙，既保证了与总部VPN互连又保证了其带宽和网络安全的需求。在自来水公司安装天融信千兆级的TG-11604网络防火墙和华为千兆级交换机S5700-26X。表3.1是环保集团和单个污水处理厂和自来水公司的设备部署表。表3.1设备部署表Table3.1Devicedeploymenttable单位设备名称型号数量集团中心防火墙天融信TG-11604千兆级防火墙1核心路由器华为NE80E路由器1三层交换机华为S5700-28C交换机1自来水公司防火墙天融信TG-11604千兆级防火墙1交换机华为S5700-26X交换机1污水处理厂防火墙天融信TG-11406百兆级防火墙1交换机华为S5700-26X交换机13.2.2VPN网络的实现实现过程包括三个部分：集团在路由模式下通过专线访问外网，平房污水厂在混合模式下通过ADSL拨号上网，建立污水厂与集团中心的VPN隧道[41]。1、路由模式下集团通过专线访问外网配置步骤：20 第三章数据传输层的设计与实现步骤详细配置为天融信防火墙的物理接进入NETWORK组件topsec#network口配置IP地址配置Eth0接口IPtopsec.network#interfaceeth0ipadd192.168.1.20mask255.255.255.0配置Eth1接口IPtopsec.network#interfaceeth1ipadd192.168.1.20mask255.255.255.0配置Eth2接口IPtopsec.network#interfaceeth1ipadd192.168.1.20mask255.255.255.0管理员登陆天融信防火墙设置内网绑定属性为”Eth0”，权限设置为禁止设置权限设置外网绑定属性为”Eth1”，权限设置为允许设置SSN绑定属性为”Eth2”，权限设置为禁止定义地址转换规则内网用户通过源地址转换控制选择”源地址”转换访问外网源区域选择”内网”目的区域选择”外网外网用户通过目的地转换控制选择”目的地址”址转换访问HTTP服务源区域选择”外网”器目的区域选择”HTTP_SERVER定义路由内网用户访问Internet目的地址为”0.0.0.0”添加缺省路由网关地址为”202.69.38.9”添加回指路由目的地址为”192.168.0.0”网关地址为”192.168.1.10”2、混合模式下平房污水厂通过ADSL拨号访问外网配置步骤：步骤详细配置为天融信防火墙的物理接进入NETWORK组件topsec#network口配置IP地址配置Eth0接口为交换topsec.network#interfaceeth0switchporymode接口trunk管理员登陆天融信防火墙设置外网绑定属性为”adsl”，权限设置为允许设置上网参数设置ADSL拨号参数接口设置为“eth1”用户名和密码根据ISP服务商提供的参数值进21 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现行设置拨号在防火墙上选择ADSL拨号，建立连接后，防火墙的路由表中会增加一条内网访问Internet的路由信息：源为“0.0.0.0/0”目的为“0.0.0.0/0”网关地址为ISP分配的公网IP地址3、建立VPN隧道配置步骤：步骤详细配置在集团防火墙上开放开放“IPSecVPN”服服务名称”IPSECVPN”“IPSecVPN”服务务控制区域”area_Eth0”控制地址”any”在平房污水厂防火墙上开开放“IPSecVPN”服服务名称”IPSECVPN”发服务务控制区域”area_Eth1”控制地址”any”在集团防火墙上绑定虚拟绑定虚拟接口虚拟接口为”ipsec0”接口绑定接口为”eth1”接口地址为”202.69.38.8”在平房污水厂防火墙上绑内网用户访问Internet虚拟接口为”ipsec0”定虚拟接口添加缺省路由绑定接口为”eth1”添加回指路由接口地址为”202.69.38.8”在集团添加静态隧道添加静态隧道隧道名zong-fenIKE协商模式：主模式认证方式：预共享密匙本地标示：@202_8对方标识：@0_0对方地址：0.0.0.0本地子网：192.168.2.0本地掩码：255.255.255.0对方子网：192.168.10.0对方掩码：255.255.255.022 第三章数据传输层的设计与实现主动发起协商：是在平房污水厂添加静态隧隧道名fen-zong道IKE协商模式：主模式认证方式：预共享密匙本地标示：@0_0对方标识：@202_8对方地址：202.69.38.8本地子网：192.168.10.0本地掩码：255.255.255.0对方子网：192.168.2.0对方掩码：255.255.255.0主动发起协商：是3.3本章小结本章对数据传输层进行了设计和实现。首先对几种常用的数据传输方式进行了对比分析，选择了基于VPN网络的远程数据传输方式。然后对VPN网络组网技术进行了分析，IPSecVPN能够为网络层的数据传输提供安全、透明的通信保护，应用于局域网之间。而SSLVPN是在HTTP协议的基础上应用于应用层和TCP层之间，适用于远程分散的用户访问。最后根据龙江环保集团的实际情况和具体需求，提出了采用IPSecVPN+SSLVPN的混合模式构建VPN网络，并在龙江环保集团得到验证。23 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现第四章数据服务层的设计与实现针对水务集团自动化程度差异大、设备接口不统一和上位组态软件的应用品牌不同的问题，本章设计了由数据采集器和实时数据库系统组成的数据服务层模型，实现异构环境下数据的统一采集、存储和管理。数据采集器作为数据服务提供子层的数据提供设备，完成数据的采集，经过数据传输网络上传至实时数据库，实时数据库作为数据服务管理子层对数据进行存储和管理。4.1数据服务层模型根据第二章系统的层次模型，本章对数据服务层作详细设计。数据服务层由数据服务管理子层和数据服务提供子层组成，数据服务层模型如图4.1所示。图4.1数据服务层模型Fig4.1Dataserviceslayermodel数据服务提供子层作为数据源为数据服务管理层提供现场数据，例如现场的上位机、PLC等其它智能设备都可以作为数据服务提供子层的数据提供设备。通过数据采集24 第四章数据服务层的设计与实现器对数据进行过滤、封装、压缩，经过网络上传至数据服务管理子层。数据采集器具有断线续传的功能，网络发生异常后，数据采集器将数据暂存到本地，待网络恢复后，优先上传最新数据，再上传本地暂存的数据。数据服务管理子层由实时数据库系统和数据集中器构成，主要对数据服务提供子层上传的数据进行存储和管理，同时提供了数据查询、实时监测、报表查询等数据服务功能。数据集中器负责接收数据采集器发送的数据，然后将数据存储到实时数据库，完成数据的存储。4.2数据服务层设计根据上一节数据服务层模型，设计了由数据采集器、数据集中器和实时数据库组成的数据服务层。数据服务层结构图如图4.2所示。图4.2数据服务层结构图Fig4.2Thestructureofdataserviceslayer污水处理厂作为数据服务提供子层，集团中心作为数据服务管理子层。在污水处理厂原有的上位机中部署数据采集器，数据采集器读取现场上位监控系统的数据，并通过VPN数据传输网络发送至集团中心的数据集中器。数据集中器再将接受到的现场数据存储到实时数据库，完成数据的采集、发送和存储。4.2.1数据服务提供子层设计根据对水务集团的现状分析，下辖污水厂和自来水公司存在自动化程度差异大、上位机系统的组态软件不同、自动化设备接入接口不统一等问题。由于现场设备的25 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现异构性，不能直接与数据服务管理子层进行数据通讯。数据采集器是一种基于OPC开发的数据采集软件[42]，支持多种数据传输协议，具有良好的兼容性。数据采集器根据不同的组态软件，提供相应的数据驱动，完成数据的采集[44]，并上传至数据集中器。数据采集器解决了现场设备异构性的问题，实现了数据的统一采集与上传。1、数据采集器和数据集中器数据采集器和数据集中器共同构成了系统的数据采集平台。数据集中器部署在集团数据中心，数据采集器则部署在现场，它们之间的关系是一对多的关系。数据采集器是一个部署到现场监控系统中的数据采集程序，可将现场监控系统的数据以最小流量发送到数据中心的数据集中器，数据由数据集中器存储到数据中心的实时数据库。而且，出于安全考虑尽量减少对现场系统的操作。数据集中器是一个数据接收的程序，一般位于数据中心，用来接收数据采集器发送的数据，并完成向实时数据库的数据存储。一个数据集中器可以对应多个数据采集器，并发的接收采集器上传的实时数据。采用数据采集平台可以有效地解决现场数据的异构问题，并具有以下特点：(1)支持多种数据源数据采集器支持多种数据源采集，如组态王Kingview、KingSCADA、紫金桥、力控等组态软件和其它商业数据库(如SQLServer、Oracle等)。(2)不受网络和介质限制对于分布不均、通讯链路复杂的数据接口服务系统、现场监控系统和数据库系统，数据采集器可以将各种不同的过程数据通过无线或者有线网络的通讯方式，安全的上传到数据中心。(3)数据压缩传输数据采集平台支持通讯底层的数据压缩传输。数据采集器在传输数据前，采用数据压缩算法对数据进行压缩，到达数据中心后数据集中器再将数据进行解压，可以有效保证历史数据完整性和以最小数据流完成数据传输，压缩率最高可以达到80%，从而可以大幅的降低数据在传输过程中所占用的带宽。2、数据采集平台工作流程数据采集平台工作流程分为数据读取和数据发送两步，首先，数据采集器通过OPC的方式读取现场上位监控机的数据，上位监控系统作为OPC的服务器端，数据采集器作为OPC的客户端[43]。数据采集器识别上位监控机的组态软件，并枚举该组态软件所提供的OPCServer。如果该组态软件不提供OPC服务，可以在上位机安装一套相应的26 第四章数据服务层的设计与实现OPCServer软件。然后数据采集器将读取到的实时数据，通过压缩算法，将其压缩，并打包，以IP数据包的形式通过数据传输上传到集团数据中心[45]，最后由数据集中器将数据存储到实时数据库。如果在传输的过程中发生网络异常，数据采集器先将数据暂存到本地，待网络恢复后，优先上传最新的实时数据包，再上传本地暂存的数据包。4.2.2数据服务管理子层设计关系数据库是建立在关系模型基础上的数据库，借助于数学概念和方法来处理具有实体关系结构的商务数据。它主要是用来处理表与表之间的关系数据，在处理长期存储、数据量庞大的工业历史数据方面，会出现查询速度慢、数据压缩效率低、磁盘空间耗费大等问题，并且也没有对数据分析与展示的工具，一般应用于小型企业SCADA系统中。实时数据库是专门用来处理速度更新快、连续性、带有时间戳的工业过程数据的数据库。实时数据库具有采集速度快、存储容量大、数据压缩效率高等特点。它能够实现对工业现场数据的实时采集、压缩、储存、分析、展示等功能，主要应用于大型SCADA系统。通过关系数据库和实时数据库的对比，实时数据库具有容量大、读写速度快、高效数据压缩等优点，为企业生产调度管理、数据分析提供实时数据服务和多种数据管理功能，更适用于工业现场。所以采用实时数据库作为数据服务管理子层，实现对数据的存储和管理。1、实时数据库简介实时数据库是数据库系统发展的一个分支，它适用于处理不断更新的快速变化的数据及具有时间限制的事务处理。实时数据库技术是实时系统和数据库技术相结合的产物，利用数据库技术来解决实时系统中的数据管理问题，同时利用实时技术为实时数据库提供时间驱动调度和资源分配算法。然而，实时数据库并非是两者在概念、结构和方法上的简单集成。需要针对不同的应用需求和应用特点，对实时数据模型、实时事务调度与资源分配策略、实时数据查询语言、实时数据通信等大量问题作深入的理论研究。2、实时数据库的功能特点(1)建立高效的实时/历史数据库系统，实现对实时数据、历史数据、统计数据的压缩、存储和管理维护；(2)提供开放的数据访问接口，包括各种数据操作、数据查询、数据存取、完整性检查等；(3)提供开放的编程接口，为系统的二次开发提供良好的开发功能；(4)能够实现数据库备份和灾难性数据恢复等功能；27 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现3、实时数据库结构设计实时数据库是整个生产调度SCADA系统的核心，是所有生产数据的集合，是开发的各种上层管理软件和应用管理软件的数据来源。实时数据库通过Realtime和History两张表存放实时数据和历史数据，虽然功能不同，但表结构是相同的。存储的数据属性主要包括：编号、变量名、采集时间、数据类型、采集质量戳和变量值。表结构如下所示：表4.1实时数据库表结构Table4.1Real-timedatabasetablestructure字段名称数据类型SQL数据类型长度可否为空主键NoInt32int4否是TagNameUnicodestringnvarchar128否DataTimeFILETIMEdatetime8否DataVersionInt16smallint2否DataQualityInt32int4否DataValuevariantvariant16否4.3数据服务层实现以龙江环保集团和下属平房污水厂为例介绍数据服务层的实现过程，根据集团的实际情况，数据中心采用北京亚控科技公司的KingHistorian实时数据库、数据采集平台采用数据采集器KingDataCollector（以下简称KDC）和数据集中器KingDataServer（以下简称KDS），KDC完成现场数据的采集，KDS负责接受KDC上传的数据。平房污水厂采用北京亚控科技公司的组态王KingView组态软件。4.3.1系统设备配置表4.2系统设备配置表Table4.2Systemdeviceconfigurationtable编号名称配置要求数量备注IBMSystemx3850X6CPU:21数据库服务器1台部署在集团数据中心颗、Intel至强E7-4800/内存：32GB(4×8GB)1600MHzDDR3/硬盘8个2.5"SAS热插拔硬盘槽位/网卡：双千兆网卡操作系统：微软WindowsServer2008企业版研华IPC-610MB(大母板2中控机2台用于中控室，一用一28 第四章数据服务层的设计与实现机箱)，主板：AIMB-763，CPU：备酷睿双核E7400，内存：2G，HDD：500G网卡：100M提供两年质保，第一年现场服务。三星S24B150BL，3显示器2台用于中控室23.6',1920X10804实时数据库亚控KingHistorian30000点1套部署在集团数据中心5数据采集服务器亚控KDS30000点1套部署在集团数据中心6数据采集客户端亚控KDC1000点1套部署在污水处理厂和自来水公司连接方式：数据库服务器和中控机通过双绞线连接到集团三层交换机,在数据库服务器中先安装实时数据库软件KingHistorian[46]，再安装数据集中器KDS。然后在集团数据中心对KingHistorian和KDS进行参数配置[47]，接收现场KDC上传的数据并存储；在污水处理厂和自来水公司现有的上位监控机中安装数据采集器KDC，采集现场数据，并上传至数据中心。4.3.2现场数据采集的实现现场数据采集的实现就是对数据采集器KDC的配置，主要包括采集器配置、数据源连接参数配置和数据中心配置三个部分。采集器配置：主要设置采集器KDC的基本属性，如采集器名称、采集器监听接口等其它属性。数据源连接参数配置：主要设置KDC与现场上位组态软件的连接，包括组态软件的驱动类型、数据源IP地址、OPCServer等。数据中心：主要设置连接数据中心KDS服务器的参数，实现与集团KDS的数据通讯。主要包括：KDS服务器地址、KDS服务器端口、实时数据库KingHistorian登录用户名、密码等其它参数。以平房污水处理厂为例介绍KDC的配置过程：(1)配置采集器参数：配置采集器名称：“平房污水厂”、采集器监听端口：“7332”并测试端口是否可用。(2)采集器数据源配置选择数据源的驱动类型：“OpcDriver”，选用标准的OPC驱动；设置数据源IP地址：“127.0.0.1”，KDC和组态软件安装在同一台计算机上，数据源的IP地址为本地IP；OPCServer：“KingView.View.1”29 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现(3)服务器配置设置服务器KDS地址：“192.168.9.1”、KDS服务器端口号：“7345”、登录名和密码：“sa”、连接超时：“0”、重连间隔：“3000毫秒”、心跳间隔：“2000毫秒”4.3.3数据中心的实现数据中心的实现包括参数配置和数据筛选两部分，以龙江环保集团为例介绍数据中心的实现过程。1、参数配置主要包括KingHistorian和KDS的配置，因为KDS需要接收现场KDC上传的数据，然后再储存到KingHistorian，所以首先配置数据集中器KDS,再配置KingHistorian实时数据库。配置过程如下：(1)启动实时数据库系统的所有服务:包括实时数据库KingHistorian和数据集中器KDS。打开“控制面板---管理工具---服务---找到KingHistorian3.1和KingDataServer”启动该服务；(2)配置KDS参数，使KDS和实时数据库联通。打开KDS服务管理工具，选择“配置”按钮，配置实时数据库的参数，包括：服务器IP地址，端口号、用户名、密码、连接超时和短线重连间隔等。配置完成后测试是否与实时数据库连接成功；(3)在KDS客户端管理根据中添加数据采集器KDC。KingHistorian连接成功后，打开KDS客户端管理工具，登录到服务器，新建采集器，输入采集器名称（平房污水厂）和采集器描述（可以为空）。单击“确定”后，显示该数据采集器的状态；(4)配置平房污水处理厂的采集变量。右击“平房污水厂”进入采集器变量配置，枚举所有的平房污水处理厂变量，并配置需要采集的变量，设置变量的采集状态、采集方式、采集频率等，并保存；(5)再将采集的数据变量存储在实时数据库中，点击创建工业库变量，选择要存储的工业库变量，将KDS采集的数据变量添加到数据库中，并保存修改，完成数据的采集；(6)配置完成后，返回KDS客户端管理工具主界面，显示数据采集的运行状况、平房污水厂的数据等信息；通过上述的配置，实现了数据的采集和存储。通过KDS提供的客户端管理工具，可以查看数据采集器KDC的运行状况，如KDC的名称、通信状态、采集状态、和现场上位机的主机名等参数，并且可以查看KDC采集的最新生产数据，如图4.3所示。30 第四章数据服务层的设计与实现图4.3数据采集状态Fig4.3Thestatusofdatacollection2、数据筛选由于污水处理厂和环保集团的职能不同，平房污水厂需要通过上位监控系统对所有的数据变量进行实时监测，而龙江环保集团只需要对重要的数据变量进行实时监测，所以需要对数据进行筛选。通过集团数据中心的数据集中器KDS完成数据的筛选，实现过程如下：(1)通过上述的参数配置，完成KingHistorian、KDS和KDC之间的连接。(2)通过KDS客户端管理工具对平房污水处理厂KDC进行设置。KDC与KDS连接成功之后，KDS可以查看现场所有的数据变量，根据龙江环保集团的需求选择要监测的数据变量。(3)变量配置。对选择的数据变量进行配置，包括变量的采集频率、采集方式等其它参数。配置完成后，现场KDC会将采集的数据上传至集团KDS，由KDS存储到实时数据库KingHistorian中。通过实时数据库提供的客户端管理工具，查看实时数据库中的数据，如图4.4所示。管理工具将KDS发送过来的数据变量进行单独存放，便于管理。也可以通过客户端管理工具提供的历史查看器、SQL查询工具和实时查看器对数据进行查询。31 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现图4.4数据库管理工具Fig4.4DatabaseManagementTools4.4本章小结本章主要对数据服务层进行了设计和实现。首先介绍了数据服务层的模型，分析了数据服务层的组成和功能。然后通过对数据采集平台和实时数据库对比分析，设计了由实时数据库和数据采集平台构成的数据服务层的实现方案。通过数据采集器完成现场数据的采集、压缩，经过网络发送至数据集中器，再由实时数据库完成数据的存储和管理，实现了数据的采集、存储和管理。最后该设计方案在龙江环保集团得到验证。32 第五章数据接口设计与实现第五章数据接口层设计与实现实时数据库系统实现了数据的存储和管理，为了使数据资源得到高效利用，本章设计和实现了面向实时数据库KingHistorian的通用数据接口软件。该接口软件能够为上层各种应用管理系统提供实时数据，为集团信息化建设打下了基础。5.1数据接口软件设计方法实时数据库提供了连接和操作的函数接口，但是这些数据接口对外具有一定的封闭性，无法与关系数据库(如Oracle数据库、SQL数据库)直接实现数据共享，用户在开发数据库管理系统中，需要对接口进行封装才可以满足自己的需要。但这些接口的数据结构和接口函数都比较复杂，对开发人员的要求也比较高，在二次开发过程中具有一定的难度。针对这个问题，本文以Oracle数据库为例，利用实时数据库现有接口，开发一套公用的、开放的数据接口软件，将实时数据库的数据导入Oracle数据库中，实现与Oracle数据库之间的数据共享。借助于本章的设计方法，还可以方便地实现与其它关系数据库的接口。数据接口软件流程图如图5.1所示。图5.1接口软件设计过程Fig5.1Softwareflowchart数据接口软件的流程分为数据读取和数据写入。首先从实时数据库中读取数据，对数据进行处理并暂存到数组中，然后再将数据写入到关系数据库。5.1.1实时数据库提供的数据接口实时数据库提供了API接口和OLEDBProvider。根据实际情况选择不同的接口实现服务器连接，变量配置，采集器配置，用户和安全配置等操作。1、API接口API接口是最底层的接口，提供了最大的灵活性，若用户希望开发高性能的程序，则需要用到这些接口。根据使用对象的不同，API接口分为三种类型：(1)变量数据访问接口：用于对变量数据的管理，包括插入、删除、修改及检索变量数据，主要供数据采集器（插入数据）和查询报表工具（检索数据）等客户端程序使用。33 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现(2)管理接口：主要供管理工具程序使用，以实现远程管理的功能。这类接口最多，包括归档管理、数据采集器管理、用户和权限管理、服务器配置和连接管理、变量配置管理以及变量组配置管理。(3)SQL访问接口：提供使用SQL语言访问数据库系统（变量历史数据、变量配置、采集器配置、用户和权限管理等）的接口。从理论上而言，SQL访问接口可以完成变量数据访问接口和管理接口的所有功能，不过因为多了一层SQL处理的间接层，SQL访问接口的性能会稍差一些，主要供OLEDBProvider以及报表查询工具使用。2、OLEDBProvider接口OLEDBProvider是Microsoft定义的一组数据访问接口，可以通过ADO的方式访问数据服务器。也可以把访问其它数据库的代码移值过来，而不需要做太多修改工作。5.1.2面向Oracle数据库接口设计方法与Oracle数据库连接包括两步，首先，在应用程序与Oracle数据库之间建立数据通道。然后，通过SQL语言将数据写入Oracle数据库中。OracleClient是微软专门针对Oracle数据库开发的客户端程序，NETFramework使用它自身的协议与Oracle通讯，速度快、性能好，是连接Oracle数据库常用的方式。通过OracleClient连接Oracle数据库需要安装Oracle客户端并配置tnsnames.ora。连接的过程分为四步。1、添加命名空间System.Data.OracleClient引用；UsingSystem.Data.OracleClient；2、建立一个新的数据库连接，定义为conn；OracleConnectionconn=newOracleConnection("datasource=ORCL;user=test;password=test;");3、打开conn所连接的数据库；conn.Open();4、关闭conn连接，释放资源；conn.Close();5.2数据接口软件的实现以龙江环保集团为例，通过数据接口软件将实时数据库KingHistorian中的实时数据导入设备管理系统的Oracle数据库，实现生产数据监测系统与设备管理系统之间的数据整合。5.2.1接口软件实现流程数据接口软件的实现包括数据读取和数据写入两部分。首先从实时数据库中读取数34 第五章数据接口设计与实现据，利用实时数据库提供的自动化接口读取实时数据库中的数据，暂存到一个数组。然后通过OracleClient的方式连接到设备管理系统的Oracle数据库，再将数组通过SQL语言将读到的数据写入到Oracle数据库，具体实现流程如图5.2所示：图5.2数据接口流程图Fig5.2DataInterfaceflowchart第一步，连接数据库，通过KingHistorian提供的自动化接口连接到数据库。第二步，查询实时数据库kinghistorian中的所有变量，返回实时数据库的变量列表。第三步，选择变量，选择需要导入Oracle数据库的变量名。判断选择的变量是否已经被采集过，如果已经被采集，则直接查询该变量的数据；如果第一次被采集，则将该变量存储到Oracle数据库，再查询变量数据。第四步，查询变量，根据选择的变量名，在实时数据库中查询变量数据。数据采用变化上传的方式，当数据发生改变时，将数据存储到数据集。第五步，将数据集的数据暂存到数组中。第六步，连接Oracle数据库。第七步，将数据接入Oracle中，通过SQL语言将数组中的数据写入Oracle数据库中，完成数据的导入。5.2.2数据接口软件的实现1、连接实时数据库35 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现采用实时数据库提供的自动化接口，调用hKdbServer.Connect()方法实现数据库的连接，代码实现如下：KDBServerhKdbServer=null;try{hKdbServer.Connect(tbUser.Text,tbPassword.Text,tbServer.Text,tbPort.Text,"",0,"");}catch(Exceptionex){MessageBox.Show("Cannotconnecttoserver("+tbServer.Text+"withexcepiton"+ex.ToString());return;}图5.3连接实时数据库Fig5.3Real-timedatabaseconnection1、添加变量首先通过showTags()方法查询实时数据库中所有变量，检索Oracle数据库中的变量，并将变量标记为已采集。然后将先添加的变量添加到Oracle数据库中，并进行数据初始化。实现代码如下：36 第五章数据接口设计与实现//检查实时数据库中的所有变量KDBTagAdminTagAdmin=null;KDBTagsTags=null;try{TagAdmin=kdbServer.TagAdmin;showTags(Tags);}catch(Exceptionex){MessageBox.Show("Exceptionoccurinsearchtagpropertiesbecause"+ex.ToString());return;}//检索Oracle数据库中的变量Listlist=newList();OracleConnectionconn=newOracleConnection("datasource=ORCL;user=test;password=test;");conn.Open();OracleCommandorclCmd=conn.CreateCommand();OracleDataAdapteradpt=newOracleDataAdapter(orclCmd);OracleCommandBuildercommbd=newOracleCommandBuilder(adpt);DataSetds=newDataSet();orclCmd.CommandText="select*fromtable6";adpt.Fill(ds,"xxxx2");foreach(DataRowdrinds.Tables["xxxx2"].Rows){if(dr["tagName"].ToString().Trim()!=""){list.Add(dr["tagname"].ToString().Trim());}}//标记Oracle数据库中已经采集的变量foreach(ListViewItemiteminlistView1.Items){foreach(stringtnameinlist){if(tname.Equals(item.Text.ToString())){listView1.Items[i].Checked=true;break;}}i++;}//将新的变量添加到Oracle数据库中并采集数据37 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现ArrayListTagArray=newArrayList();OracleConnectionconn=newOracleConnection("datasource=ORCL;user=test;password=test;");conn.Open();OracleCommandorclCmd=conn.CreateCommand();OracleDataAdapteradpt=newOracleDataAdapter(orclCmd);OracleCommandBuildercommbd=newOracleCommandBuilder(adpt);DataSetds=newDataSet();orclCmd.CommandText="select*fromtable6";adpt.Fill(ds,"xxxx2");foreach(ListViewItemiteminlistView1.CheckedItems){boolflag=false;foreach(DataRowdrinds.Tables["xxxx2"].Rows){if(dr["tagName"].ToString().Trim()==item.Text.ToString()){flag=true;break;}}if(!flag){DataRowdr=ds.Tables["xxxx2"].NewRow();dr["tagName"]=item.Text.ToString();ds.Tables["xxxx2"].Rows.Add(dr);}}adpt.Update(ds,"xxxx2");conn.Close();foreach(ListViewItemiteminlistView1.CheckedItems){intindex=item.Index;TagInfortagInfor=newTagInfor();tagInfor.TagName=TagList[index].TagName;tagInfor.DataType=TagList[index].DataType;tagInfor.CollectorName=TagList[index].CollectorName;TagArray.Add(tagInfor);}添加变量功能界面如图5.4所示。38 第五章数据接口设计与实现图5.4添加变量Fig5.4AddVariable2、启动数据的导入首先读取实时数据库中的数据，通过kdbDataAdmin.OnDataChange注册数据变化订阅回调函数，采用数据变化上传的方式读取数据库中的数据，即当实时数据库中数据发生变化时会自动读取实时数据库中的数据，暂存在一个数组中。然后再将数组中的数据写入Oracle数据库，完成数据导入。功能实现代码如下。//查询数据try{Criteria.set_TagNames(refTagNames);Criteria.SamplingMode=EnumSamplingMode.samCurrentValue;TagDataAdmin=kdbServer.DataAdmin;MultiRecords=TagDataAdmin.OpenRecordset(Criteria);for(intj=0;j=5)i=0;40 第五章数据接口设计与实现}i=0;ds.Tables["xxxx"].Rows.Add(dr);}adpt.Update(ds,"xxxx");conn.Close();}catch(Exceptionex){MessageBox.Show("Cannotdisconnecttoserver("+tbServer.Text+"withexcepiton"+ex.ToString());}5.2.3软件测试以平房污水处理厂的一号CASS池液位参数为例，对实时数据库的数据与Oracle数据库中的数据进行对比。图5.5实时数据库中的历史数据Fig5.5KingHistorianofhistoricaldata41 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现图5.6Oracle数据库中的历史数据Fig5.6Oracledatabaseofhistoricaldata对比结果如图5.5和图5.6所示，实时数据库与Oracle数据库中的数据完全一致，表明已成功将数据导入Oracle数据库中，实现了生产数据监测系统和设备管理系统之间的数据共享。5.3本章小结本章对数据接口层进行了设计和实现。首先对实时数据库现有的接口进行了介绍，分析了实时数据库提供的数据接口。然后以Oracle数据库为例，提出了在现有数据接口的基础上，开发一种公用的、开放的数据接口，实现与Oracle数据库之间的数据共享。最后在龙江环保集团设备管理系统的Oracle数据库中得到验证，实现了系统之间的数据共享。42 第六章应用层的设计与实现第六章应用层的设计与实现利用实时数据库接口和第五章中提供的通用数据接口可开发各种应用管理子系统，这些应用管理子系统构成了集团信息化的基础平台，使实时数据库中的数据得到充分的利用。如：开发生产调度系统、设备管理系统等其它信息管理系统。6.1应用层子系统分析与设计应用层包括集团开发的各种应用管理系统，如集团生产数据监测系统、能耗分析系统等。充分利用数据服务层的数据，使企业的自动化系统和信息化系统深度融合、生产过程和管理流程深度融合，为企业的管理决策提供强力的数据支撑，实现企业的管控一图6.1功能结构图Fig6.1Functionalconfigurationdiagram应用层是基于实时数据库开发的各种应用管理系统，需要实时数据库作为数据源，为管理系统提供实时数据。应用管理系统访问实时数据库的方式包括直接访问和间接访问。直接访问是通过实时数据库提供的接口，直接访问数据库。实时数据库为同一厂家的组态软件提供专用的数据接口，组态软件只需要配置参数，就可以直接访问实时数据库中的数据。间接访问是指集团开发的第三方应用管理系统不支持数据库自身提供的接口，需要通过第五章提供的通用数据接口完成对实时数据库的访问。常见的应用层管理系统包括：生产数据监测系统、设备管理系统、能耗分析系统和水质监测系统等。能够使实时数据库中的数据得到充分的利用，提高生产效率，为决策43 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现层提供数据支撑。1、生产调度监控系统通过对下属厂生产数据的采集、传输和存储，管理人员通过生产调度监控系统实时监测下属厂的运营情况。监测和采集关键的生产数据，设置报警，发生异常后自动报警。生产数据可以通过趋势曲线、饼图、表图等效果图进行直观显示；历史数据可以随时快速查询；完善的报表系统，涵盖了整个水务集团所有的生产数据；集成office插件，可以直接导出excel表；通过对数据进行图形化对比分析，直观掌握生产数据的变化规律。2、设备管理系统组建设备管理系统，集团对各水厂设备进行统一管理，实现设备资产及技术管理、设备文档管理、设备缺陷及事故管理、预防性维修、维修计划排程、任务单的生成与跟踪、备品、备件管理、维修成本核算、缺陷分析、统计报表等功能。3、能耗分析系统对主要的能耗成本(如：水耗、电耗、药耗等)进行实时监测，自动生成各类能耗成本的生产报表，能够直观的进行对比，准确、高效的管理能耗。也可以与财务管理系统数据共享，进行成本分析。通过对能耗信息进行对比分析，优化生产工艺，提高生产效率。4、水质监测系统水质监测系统采集污水处理厂进出水水质参数、生化池水质参数、自来水公司出水水质参数，将所有的水质参数进行统一标准化管理，形成水质监测系统。实现浏览器远程浏览，支持多种手持移动设备显示、数据处理，便于系统展示和移动办公。也可以与当地环保局的水质监测系统实现数据共享。6.2生产数据实时监测子系统实现以龙江环保集团利用KingGraphic软件开发的生产调度监控系统为例介绍系统应用层的实现过程。KingGraphic是北京亚控科技公司开发的数据展示软件，提供了立体图效果，丰富的动画连接，完美的图形展示平台；提供了多种直观、生动的数据展示形式，如图表、趋势曲线等。通过有效的手段和多样的方式，完成了对企业实时数据的展示。KingGraphic开发的生产调度监控系统是以KingHistorian实时数据库为平台，多种数据展示方式相结合，直观展示污水处理厂和自来水公司的生产数据。采用二维平面图和三维立体图的方式直观的显示污水处理厂和自来水公司的运营，为调度部门提供现场的实时状况；提供的报表和趋势曲线功能可以对历史生产过程数据进行管理和分析，从而改进和优化生产工艺，降低运营成本。44 第六章应用层的设计与实现6.2.1功能结构图生产数据监测系统实报数报用时警据表户监管查管管测理询理理工工历实用用艺艺史时日月年户户流单数数报报报权信程元据据表表表限息监监查查管管测测询询理理6.2功能结构图Fig6.2Functionalconfigurationdiagram1、实时监测包括工艺流程监测和工艺单元监测，在集团数据中心实现对各个污水处理厂和自来水公司的数据、信息尽心汇总处理，包括整体处理工艺、进出水水质、关键工艺数据、关键工艺设备、工艺水质等参数。2、报警管理在集团数据中心实现可视化图形报警和声音报警以及短信发送功能，实现事故的预处理和及时应对。也可以记录报警信息，为后期的管理维护提供数据支持。3、数据查询数据查询包括实时数据查询和历史数据查询，通过趋势曲线、表格、饼图等多种方式查询实时数据和历史数据。管理者通过趋势曲线可以了解整个处理过程中数据的变化趋势，把握水质在各工艺段中的变化趋势。也提供了多种条件查询，可以对各工艺段的水质参数进行单独的对比查询，掌握各工艺段的运行和处理效果。4、报表管理根据不同的时间周期生成日报表、月报表、年报表，也可以根据参数名称自由生成报表。在线仪表参数，可以自动生成报表，如进水水质COD、总氮、流量等可以自动检测的参数。对人工检测的参数，如细菌数、色度、总大肠菌群等生物参数。由调度人员手工输入报表，系统自动汇总生成水务集团日报表。45 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现5、用户管理包括用户信息管理和用户权限管理。增加、删除、修改用户的基本信息，根据用户的职务不同，设置不同的管理权限。6.2.2系统实现污水处理厂的数据通过现场数据采集器，上传到集团数据中心，由实时数据库进行存储和管理。基于KingGraphic[48]开发的生产数据监测系统用来对数据库中的数据进行展示。生产数据监测系统的实现过程包括变量组态和画面组态。以平房污水处理厂为例介绍系统的实现过程。1、变量组态变量组态就是将实时数据库中平房污水处理厂的数据变量导入KingGraphic本地变量列表中。组态过程包括参数配置和变量选择。首先在KingGraphic中添加数据源，建立与实时数据库的连接。配置数据源名称、实时数据库的IP地址、用户名、密码等信息。然后在实时数据库中选择平房污水厂的所有变量参数，添加到KingGraphic的本地变量列表。平房污水处理厂共有860个参数变量，包括进出水水质参数变量、粗格栅机参数变量、细格栅机参数变量、平流沉沙池参数变量、鼓风机参数变量、CASS池参数变量、污泥脱水间参数变量和紫外消毒间参数变量。以进出水水质参数变量和细格栅机参数变量为例，介绍系统变量组态的实现过程，主要变量如表6.1和6.2所示。表6.1进出水水质参数变量表Table6.1Localvariabletable变量ID本地变量实时数据库中的变量1进水流量DataSource平房污水厂Local_提升泵出水流量2进水氨氮DataSource平房污水厂Local_进水氨氮3进水SSDataSource平房污水厂Local_进水ss4进水总氮DataSource平房污水厂Local_进水总磷5进水PHDataSource平房污水厂Local_进水PH6进水总磷DataSource平房污水厂Local_进水总磷真实际值7进水codDataSource平房污水厂Local_进水cod8出水流量DataSource平房污水厂Local_出厂水流量实际值9出水氨氮DataSource平房污水厂Local_出水氨氮实际值10出水SSDataSource平房污水厂Local_出水ss实际值11出水总氮DataSource平房污水厂Local_出水总磷实际值12出水PHDataSource平房污水厂Local_二号紫外消毒间出水渠PH实际值13出水总磷DataSource平房污水厂Local_出水总磷真实际值14出水codDataSource平房污水厂Local_出水cod实际值46 第六章应用层的设计与实现表6.2细格栅参数变量表Table6.2Thetableoffinegridparametersvariable变量ID本地变量实时数据库中的变量1栅前液位DataSource平房污水厂Local_细格栅前液位实际值2栅后液位DataSource平房污水厂Local_细格栅后液位实际值3一号除污机运行DataSource平房污水厂Local_一号除污机运行状态4一号除污机故障DataSource平房污水厂Local_一号除污机故障信号5二号除污机运行DataSource平房污水厂Local_二号除污机运行状态6二号除污机故障DataSource平房污水厂Local_二号除污机故障信号7三号除污机运行DataSource平房污水厂Local_三号除污机运行状态8三号除污机故障DataSource平房污水厂Local_三号除污机故障信号9四号除污机运行DataSource平房污水厂Local_四号除污机运行状态10四号除污机故障DataSource平房污水厂Local_四号除污机故障信号11螺旋输送机运行DataSource平房污水厂Local_螺旋输送机运行状态12螺旋输送机故障DataSource平房污水厂Local_螺旋输送机故障信号13螺旋压榨机运行DataSource平房污水厂Local_螺旋压榨机运行状态14螺旋压榨机故障DataSource平房污水厂Local_螺旋压榨机故障信号151#搅拌机运行DataSource平房污水厂Local_1#搅拌机运行状态161#搅拌机故障DataSource平房污水厂Local_1#搅拌机故障信号172#搅拌机运行DataSource平房污水厂Local_2#搅拌机运行状态182#搅拌机故障DataSource平房污水厂Local_2#搅拌机故障信号193#搅拌机运行DataSource平房污水厂Local_3#搅拌机运行状态203#搅拌机故障DataSource平房污水厂Local_3#搅拌机故障信号214#搅拌机运行DataSource平房污水厂Local_4#搅拌机运行状态224#搅拌机故障DataSource平房污水厂Local_4#搅拌机故障信号2、画面组态画面组态就是根据变量对画面进行动画连接，通过画面的方式直观的显示数据库中的数据。通过系统的截图介绍画面组态的实现。(1)工艺流程动态监测如图6.3所示，可以实时监测平房污水厂的进出水参数，包括COD、氨氮、SS、总氮、总磷、pH值和流量。采用管道流动的动画方式可以实时监测污水厂CASS工艺47 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现的工艺流程，以及主要设备的运行状态，例如：粗格栅的格栅机状态、旋流沉砂池的搅拌机状态、鼓风机的状态、污泥脱水间的运行状态和抽水泵的状态。也可以监测生化池当前的运行状态。图6.3工艺流程图Fig6.3ProcessFlowDiagram(2)工艺单元实时监测图6.4工艺单元实时监测Fig6.4Real-timemonitoringofprocessunits细格栅及旋流沉砂池监控界面采用逼真的三维立体图和动画演示的形式，通过美观、直接的方式显示格栅机、旋流沉砂池的运行状态。从图6.4中可以看出，细格栅机、48 第六章应用层的设计与实现传送带及压榨机目前处于停止状态，旋流沉砂池的搅拌机正在运行，细格栅栅前液位是0.9米，栅后液位是0.8米。也可以通过上方的功能按钮，选择查看各个工艺单元运行状况。(3)历史数据查询系统可以储存集团五年的所有历史数据，而且存储时间间隔也可以组态。根据不同的参数，设置不同的时间间隔，如细格栅栅前液位，它的变化不是特别快，时间间隔设置为5分钟，而鼓风机运行状态参数，时间间隔就需要设置为10秒。数据具有导入导出功能，便于数据备份、恢复和数据对比分析。系统提供了多种的查询方式，可以以时间段、监控区域、监控点、监控数值为条件，查询污水厂的全部数据，也可以选择单独的变量进行对比查询。系统也提供了输出、打印功能，可以直接在屏幕上显示以及打印输出。如图6.5所示，选择对2015年1月15日的进出水COD参数进行对比，结果以直观的数据表格方式显示，供调度人员进行工艺分析。图6.5历史数据查询Fig6.5Historicaldataquery(4)趋势曲线显示与查询系统提供了实时/历史趋势曲线查询的功能。实时趋势曲线查询：系统可以将参数生成实时的趋势曲线图，用于分析变量参数(如进出水流量、温度、氨氮等)的实时变化趋势，使调度人员更好的掌握参数的变化过程，使生产工艺保持最佳运行。根据环保集团的具体需求我们将相关的参数数据生成历史趋势图。通过历史趋势曲线图，集团调度人员可以查看某段时间内的数据变化趋势，可以根据故障发生的时间，数据变化的趋势，49 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现分析系统的故障原因。如图6.6所示：图6.6趋势曲线图Fig6.6Trendgraphs(5)、用户权限管理系统提供了登录和权限管理的安全机制，以保证系统的安全可靠运行。用户权限分为多个级别，根据用户所在的部门和级别，设置不同的管理权限。以免发生对生产过程的错误操作。提供了远程的用户管理，可以在远程对系统进行用户的添加和删除。如图6.7所示：图6.7用户管理界面Fig6.7UserManagementInterface50 第六章应用层的设计与实现6.3本章小结本章对系统的应用层进行了分析。首先介绍了基于实时数据库可以开发各种应用管理系统，如生产调度系统、设备管理系统等，实现了集团的管控一体化。然后通过龙江环保集团生产数据监测系统详细的介绍了应用层的设计和实现。51 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现第七章总结与展望基于实时数据库和VPN网络构建的龙江环保集团SCADA系统于2014年10月投入运行使用，经过长时间的运行测试，运行效果安全可靠。该系统有效的解决了远程多区域污水处理厂和自来水公司的实时数据采集、传输、管理和共享等问题，完成了对下辖污水厂和自来水公司的信息化集中监测和管理。例如，通过其生产数据监测子系统能够准确的掌握水质参数，了解水质在各工艺段的变化规律，把握工艺段的运行和处理效果，以达到优化处理工艺、提升水处理效率的目的。同时，基于实时数据库构建的实时数据共享平台也可为其它信息管理系统提供实时数据，进而可构建企业ERP系统，为企业信息化建设奠定基础。7.1总结本文所做的工作如下：1、分析了大型水务集团的现状和自动化系统目前存在的问题，通过对SCADA系统功能需求的分析，提出了一种多层次模型的SCADA系统设计方案。2、根据系统的层次模型和龙江环保集团具体的功能需求，设计了一种基于VPN网络和实时数据库的SCADA系统方案。数据采集器完成对现场（污水处理厂和自来水公司）的数据采集，由VPN数据传输网络上传至集团数据中心；集团数据中心采用数据集中器接收各现场的数据送至实时数据库，实时数据库完成数据的存储和管理。基于实时数据库开发的各种应用管理系统为生产管理提供了必要、直观、多样、安全的信息展示平台。3、针对现场数据异构的问题，在不更换现场设备的基础上，采用在每个上位机系统部署数据采集器完成异构环境下的数据采集。数据采集器通过OPC的方式读取上位机系统的实时数据，并对实时数据进行压缩和打包，完成数据的采集和传输。4、通过分析和对比几种常用数据传输方式的特点，结合水务集团的实际情况，采用IPSecVPN与SSLVPN的混合模式的VPN网络进行数据远程传输，实现了安全、可靠的数据传输。5、集团数据中心采用客户端/服务器的模式，实现了以实时数据库系统为中心的实时信息共享平台。一方面开发了生产数据监测系统，完成了对下属厂的实时监测，为改进和优化生产工艺提供了支持；另一方面开发了实时数据库的通用接口软件，使实时生产数据得到充分的利用，解决了集团内部信息孤岛的问题，也为集团的安全生产和科学管理提供了有效的数据支撑。52 第七章总结与展望7.2展望水务集团SCADA系统运用了计算机技术、网络通信技术、工业控制技术和数据库技术，是一种现代化的数据采集和监测的自动化管理系统。随着管理者对自动化水平和SCADA系统的要求越来越高，仍然有很多的工作需要完成。下一步要做的主要工作有：1．进一步对大型水务集团SCADA系统的特点和业务需求做更深入的研究和分析，对SCADA系统的层次模型进一步细化和优化，使该模型能够在更多的水务集团中得到应用。2．本文在数据接口层实现过程中，只针对集团的Oracle数据库接口进行了设计与实现。虽然该设计方法也适用于其它关系数据库接口的设计，但在连接其它关系数据库(如SQL数据库)时还需要重新配置接口连接，使用起来不是很方便。所以需要进一步开发一套适用于所有主流关系数据库的数据接口，使更多的应用管理系统能够共享实时数据。3．对数据的高效分析和处理是企业信息化的核心内容，下一步将云计算、大数据分析等新技术引入到SCADA系统中，以进一步挖掘实时数据的潜能，提高数据利用率，为企业的生产管理和生产工艺优化提供更好的支持。53 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现参考文献[1]朱志伟.小型水厂智能化水处理监控系统的应用[J].中国给水排水，2013,29(16):8.[2]沈玉凤.浅谈水厂自动化中存在的问题及解决措施[J].自动化与仪器仪表,2011,9(4):27.[3]戚明杰，赖华.城市智能化供水调度系统的研究与应用[J].自动化仪表，2014，（5）:33.[4]贺慧珍，周梦建.城市自来水厂自动化控制系统的构建和设计[J].电气传动自动化，2011,（4）:35-38.[5]王华忠.监控与数据采集(SCADA)系统极其应用[M].北京：电子工业出版社,2010.[6]JoaoFigueiredoJoseSadaCosta.SCADAsystemforenergymanagementinintelligentbuildings[J].Energyandbuildings,2012,Jun.[7]沈越.浅析供水调度管理的信息化[J].信息系统工程，2015,(3):25.[8]钟家洪.SCADA系统在水厂自动化中的应用[J].工业控制计算机,2006,(9):42-43.[9]赵钊.基于VPN技术的校园网络安全体系构建[J].自动化与仪器仪表，2014,(1)：25-27.[10]黄孝彬.实时数据可靠传输与数据集成技术的研究[D].北京：华北电力大学，2011.[11]陈丽娟，朱晓燕，赵俊峰.国内电网实时数据集成应用综述[J].电力自动化设备，2010,(1):139-144.[12]叶建伟，苏宏业.实时数据库系统关键技术及实现[J].计算机应用研究,2005,22(3).[13]肖迎元.分布式实时数据库技术[M].北京：科学出版社，2009.[14]施国俊.基于实时数据库的采油厂数采监控系统的设计[J].自动化与仪表，2012,(8)：33-37.[15]郭圣安.城市供水调度SCADA系统的应用与发展[J].工业控制计算机.2009，22,(4):53-55.[16]王兴，齐向东，郭建国.智能供水系统设计及应用[J].计算机测量与控制，2007,(5):46.[17]王云博.基于实时数据库的煤化工生产检测系统设计与实现[D].成都:电子科技大学,2013.54 参考文献[18]张蓓.基于力控软件的城市供水SCADA调度系统[J].自动化博览.2012,(10):10-14.[19]刘云生，李国徽，卢炎生.实时数据库系统结构[J].计算机研究与发展，2004,(2):30-36.[20]赵光煌，赵平.实时数据库的现状及发展趋势[J].天津农学院学报,2002,9(3):50-52.[21]卢桂明，郑忠洋.组态软件实时数据库研究[J].广东自动化与信息工程,2006,(482):59.[22]吴剑强.流程工业实时数据库系统研究与开发[D].杭州：浙江大学，2004.[23]刘红霞，徐磊.组态软件中实时数据库系统的研究与实现[J].自动化与仪表，2014,(5):49-53.[24]AlokKumar.DynamicPriorityAssignmentandConflictResolutioninRealTimeatabases[J].InternationalJournalofComputerApplications,2010,Vol.1(4),pp.90[25]赵文杰，候俊杰.基于实时数据库的天然气长输管线SCADA系统的设计[J].电脑开发与应用,2007,(05):39-42.[26]DhuhaBasheerAbdullah,AmmarThaherYaseen.AnApproachForDesigningDistributedRealTimeDatabase[J].InternationalJournalofComputerScienceandInformationSecurity,2010,Vol.8(6),pp.78[27]董黎芳.基于pSpace数据库平台的省市级水网调度系统解决方案[J].自动化博览,2013,(z1)：94-97.[28]张秀梅.生产管理信息系统在永坪炼油厂的应用[D].西安：西安石油大学，2011.[29]任志远杨丽敏冯岩谷林.工业数据库软件应用于无锡芦村污水处理厂提标改造[J].中国给水排水，2011,(8):86-88.[30]岳玲，王玉顶.GPRS无线传输网络构架应用与分析[J].电子技术应用，2008,(9):21[31]LinC.E,Chih-ChingLi,Chic-ChenWu,etal.“ArealGPRSsurveillancesystemusingtheembeddedsystem”[C],IEEEIndustrialElectronicsSociety,2003:1228-1234.[32]张广学.基于GPRS通信网络的远程供水监控系统[J].自动化仪表,2006,27:16-19.[33]梁博瑜，陈旭翔.CDMA的网络规划与优化[J].电脑知识与技术，2008，29：32.[34]刘庆，刘开芬.基于VPN网络接入研究与实现[J].数字技术与应用，2011，(2):18-23.[35]万科星.基于VPN的自来水管网无线监控系统设计[J].自动化与仪表,2012,(2):39-42.[36]OUYANGKai.Anapplication-layerbasedcentralizedinformationaccesscontrolfor55 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现VPN[J].浙江大学学报.2006,(2):7.[37]杨文凯.SSLVPN安全关键技术研究[D].成都：西南交通大学，2010。[38]wenwuyang."designandimpelmentofVPNGatewayBasedIPSec".2008[39]JazibFrahim,QiangHuang.SSL远程介入VPN[M].王品，罗进文，白帆译.北京：人民邮电出版社，2009.[40]徐家臻，陈莘萌.基于IPSec与基于SSL的VPN的比较与分析[J].计算机工程与设计,2004,(04):33-38.[41]天融信VPN网关安装手册.北京天融信公司。[42]罗刚.基于OPC技术的工业控制系统的研究与开发[D].南京：南京工业大学，2005.[43]Da-huaLi,HangLi,Kai-linZhang.DevelopmentandRealizationofReal-timeDataExchangebetweenOPCClientandMultipleRemoteServers[J].JournalofComputers,2014,Vol.9(1),pp.168-175[44]段润群，谢云山.上位机软件与S7-1200PLC的OPC通信研究[J].自动化与仪器仪表，2014，(5):23-26.[45]王永恩，常涛，刘铁，杨翔.OPC技术在WINCC与组态王通讯中的应用[J].自动化技术与应用,2014,(5):10.[46]实时数据库KingHistorian操作手册.北京亚控科技有限公司.[47]数据采集平台KDS/KDC操作手册.北京亚控科技有限公司.[48]数据展示平台KingGraphic操作手册.北京亚控科技有限公司.56 致谢致谢时光冉冉，转眼间三年的研究生学习生涯即将结束。在毕业论文完成之际，我要向这三年来支持、关心、帮助过我的人表示由衷的感谢。首先，我要向我的导师徐玉斌教授表示衷心的感谢。在三年的研究生生涯中，徐老师以渊博的知识，严谨的治学，一丝不苟的工作作风和精益求精的科研态度，深深地感染着我，使我在学习和生活中受益匪浅。在整个论文创作期间，老师都给予了我耐心的指导和不懈的支持，不仅给了我到现场学习知识的机会，而且从论文的选题、分析到撰写都融入着老师的心血。在生活中，老师也给了我无微不至的关怀和帮助，使我的人生态度更加乐观、向上。至此对徐老师表示由衷的感激和深深的敬意。其次，感谢龙江环保集团的刘总、孟庆春、罗建。感谢你们在工作中对我的帮助和指导，使得集团生产数据监测系统能够顺利完成。再次，感谢实验室的同门师兄弟对我学习和生活的帮助，三年来我们朝夕相处，共同打理着我们的实验室，使我在实验室的日子总是那么温馨，我的论文工作才得以顺利完成，在此对大家表示由衷的感谢。另外，感谢我的室友彭旭、郭晓龙和独家帅。感谢你们在生活中对我的帮助，无论是在宿舍的探讨还是在食堂的争论，都给予我莫大的帮助。最后，感谢把我养大的父母。正是父母的全力支持使我顺利完成学业，父母养育之恩一生难以报答。57 基于实时数据库的水务集团SCADA系统设计与实现攻读学位期间发表的学术目录[1]戴利栋，徐玉斌.大型水务集团的SCADA系统设计[J].自动化与仪表,2015,(4)(已见刊).与论文中第四章系统设计内容相关.58
