基于分布式Web技術的熱網SCADA系統

摘 要

摘要：介紹了基于分布式Web技術的熱網監控與數據采集(SCADA)系統的結構及特點，與常規熱網SCADA系統最根本的不同點為遠程用戶可直接通過Web瀏覽器對熱力站進行監控，結合工程實例
摘要：介紹了基于分布式Web技術的熱網監控與數據采集(SCADA)系統的結構及特點，與常規熱網SCADA系統最根本的不同點為遠程用戶可直接通過Web瀏覽器對熱力站進行監控，結合工程實例，對基于分布式Web技術的熱網SCADA系統的組網方法進行了探討。
關鍵詞：分布式；Web技術；熱網監控與數據采集系統；PCD控制器；瀏覽器；路由器；客戶端
SCADA System for Heat-supply Network Based on Distributed Web Technology
ZHANG Faqi，WANG Haoran，YANG Guoqiang，ZHENG Xiaoning，HU Jinqiu
Abstract：The structure and characteristics of SCADA system for heat-supply network based on distributed Web technology are introduced.The essential difference of this system from the traditional SCADA system is that the remote users can directly monitor substations via Web browsers.The networking method of SCADA system for heat-supply network based on distributed Web technology is discussed with an engineering example.
Key words：distributed type；Web technology；SCADA system for heat-supply network；process control device(PCD)；browser；router；client
1 概述
   隨著集中供熱自動化進程的加快，供熱企業對信息交流的需求不斷擴大，在要求對熱力站現場運行狀態進行監控的同時，還要求把現場信息和企業管理信息結合起來，這就需要建立一套集成、開放的企業綜合自動化的信息平臺。基于分布式Web技術的熱網SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，監控與數據采集)系統就是滿足這種需求的產物，該系統融入了現代控制技術、計算機技術、網絡技術和信息技術，采用由瑞士思博股份公司生產的具有嵌入式Web服務器功能的PCD(Process Control Device，過程控制裝置)系列控制器作為實現分布式Web技術功能的關鍵設備，使遠離現場的客戶端直接通過互聯網對現場進行訪問。這是一種基于Web服務器的網絡化熱網SCADA系統，既增強了系統的實時性，又提高了系統的可靠性，對于供熱系統實現現代化的科學管理起到了重要作用。本文對基于分布式Web技術的熱網SCADA系統進行探討。
2 Web技術的應用
2.1 在熱網SCADA系統中的應用
    Web技術進入個人應用領域已然很久，人們使用電子郵箱，瀏覽網頁以及在網上購物。在移動電話中也實現了隨時隨地的Web連接。Web技術的發展也帶動了熱網SCADA系統的發展。當前，訪問互聯網變得如此便捷，人們同樣希望能將其運用在熱網SCADA系統中，以便實現遠程診斷及維護。這就要求熱力站現場控制器除完成本地監控外，還可提供局域網和互聯網訪問。
   Web是一種典型的分布式應用結構[1]，Web應用中的每一次信息交流都要涉及客戶端(Web瀏覽器)和服務端(Web服務器)，因此Web技術一般可以分為客戶端技術和服務端技術兩部分。Web技術在熱網SCADA系統中的應用見圖1。
 

    Web服務器與客戶端的信息交換通過HTTP(Hypertext Transfer Protocol，超文本傳輸協議)實現。先通過Intemet把客戶端請求傳送到Web服務器上，Web服務器收到客戶端請求并交給CGI(Common Gatway Interface，公共網關接口)程序處理，CGI程序把處理后的結果送給Web服務器，最后Web服務器把結果響應送回客戶端。因此，要實現運行、處理客戶端的請求，Web服務器必須配置CGI程序，它是實現Web瀏覽器與Web服務器信息交流的一種工具。Web瀏覽器的主要任務是顯示熱力站現場信息，Web服務器是為顯示熱力站現場信息所采用的基本技術，包括Web服務器策略與結構設計、Web服務器軟硬件的選擇等。
2.2 安全性
    將Web技術應用在熱網SCADA系統時，必須考慮PCD控制器以及網絡通信環境的安全保護。IT應用中的安全性通常可以分為兩個領域：病毒和黑客。
    ① 防病毒：計算機病毒存在于分布極廣和擁有標準操作系統的硬件平臺上，例如采用Windows系統的計算機。而PCD控制器采用高端微處理器并采用專有的操作系統Saia NT。相比于個人計算機，很難出現專為PCD控制器而編寫的病毒。這樣，PCD控制器就可免受所有為Windows等系統編寫的病毒感染。
    ② 防黑客：由于基于Web技術的熱網SCADA系統的信息是免費送達的，因此需要可靠的訪問控制。控制訪問的方法是采用VPN(Virtual Private Network，虛擬專用網絡)，它通過采用隧道技術、加密技術和認證技術，確保在Internet上傳送數據的安全性。，使用VPN，需要在個人計算機上安裝客戶端軟件。
    因此，熱力站的監測數據直接儲存在PCD控制器中，不會受到病毒、黑客的侵害，增強了監測數據的安全性、可靠性。
3 基于Web技術的熱網SCADA系統
3.1 系統結構
    基于分布式Web技術的熱網SCADA系統為B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務器)結構。該系統由客戶端(Web瀏覽器)和分布在各個熱力站的嵌入了Web服務器功能的PCD控制器以及通信網絡組成，見圖2。熱網SCADA系統將熱力站的信息以網頁形式儲存在PCD控制器上，通過Web瀏覽器獲取網頁內容，這是一種典型的B/S結構。
    ① 熱網監控中心
    熱網監控中心是熱網SCADA系統的客戶端之一，是終端用戶瀏覽網頁的主要平臺。由工程師站、操作員站、網絡通信沒備、輔助設備等組成。熱網監控中心主要負責控制指令的發送、現場數據的接收、動態畫面顯示以及報警等。
    ② 客戶端
    客戶端是分布在各個地方的臺式計算機、筆記本計算機等，各種客戶端通過HTTP實現與PCD控制器進行數據交換。客戶端的主要功能是熱力站現場數據的接收和動態頁面顯示。從廣義上講，客戶端可以是熱網監控中心的工程師站、操作員站，也可以是分布于各個地方的臺式計算機、筆記本計算機、PDA或其他移動通信設備。
   ③ PCD控制器
   PCD控制器是實現分布式Web技術熱網SCADA系統最為關鍵的設備，也是采用Web瀏覽器作為用戶界面的web服務器。以由瑞士思博股份公司生產的Saia PCD控制器為例，它由32位微處理器(摩托羅拉Cold Fire CPU)為核心+嵌入式操作系統Saia NT，集成以太網Ethernet-TCP/IP和Web服務器，共同組成嵌入式應用系統的硬件平臺。由于在操作系統中配置了以太網驅動程序，因此PCD控制器可作為一個獨立接入Internet的節點，實現了分布式Web技術在熱網SCADA系統中的應用。PCD控制器主要負責控制命令的接收和執行、熱力站數據的采集、儲存和發送，以及設備參數的設定等。
 
   ④ ADSL路由器
   ADSL路由器是PCD控制器與Internet連接的重要設備，也是連接其他網絡的大門，起到一個網關的作用。其主要功能是：
   a. 建立IP網絡路由：實現LAN(Local Area Network，局域網)與WAN(Wide Area Network，廣域網，即Internet)之間的數據傳輸，它將報文從LAN轉發到WAN中，也就是建立PCD控制器與Web瀏覽器之間的路由。
   b. NAT(Network Address Translation，網絡地址轉換)是一種接入WAN的技術，它將內部私有地址轉換為合法的IP地址，從而使內部網絡的每臺計算機可直接與PCD控制器進行通信，并對外部客戶端隱藏內部局域網客戶端的IP地址，避免來自外部的攻擊。
   c. DHCP(Dynamic host configuration protocol，動態主機配置協議)功能：ADSL路由器內置有DHCP服務器功能，方便用戶組網和提供網絡中設備IP地址的自動分配。
   d. 防火墻(Fire Wall)功能：為了網絡通信的安全，設置防火墻用來阻止不需要的報文發送到網絡和設備中。
   e. VPN功能：利用公共網絡為供熱企業建立一個具有自主權的專用網，采用VPN的隧道技術、加密技術和認證技術確保企業信息的安全。并提供LAN的接口，使其與PCD控制器連接，具有數據交換功能。
3.2 特點
    ① Web與OPC服務器無關
    Web技術意味著通信將再也不需要那些特殊的軟件驅動和0PC(OLE for Process Control，微軟公司的對象鏈接和嵌入技術在過程控制方面的應用)服務器。此前，需要經過安裝在熱網監控中心的OPC服務器與相關通信設備的連接，才能實現遠程維護和訪問。如今，只需要將PCD控制器直接接入互聯網后，就可把現場數據傳至任何地方的計算機中，實現遠程維護和訪問。不論PCD控制器需要完成何項任務，都沒必要經過熱網監控中心的OPC服務器，所有的客戶端都有平等訪問數據權限，通信連接是一樣的。這降低了設備造價，節約了運行成本。
   ② Web與操作系統軟件無關
   無論熱網SCADA系統采用Windows操作系統、Linux操作系統還是Unix操作系統，都可以通過Internet訪問PCD控制器，瀏覽Web服務器的網頁、，對PCD控制器(Web服務器)的訪問就是通過客戶端(Web瀏覽器)實現的，通過使用標準的瀏覽器(如IE 6.0)可以實現與現場監控的同等效果。遠程用戶可對熱力站現場的自動化設備進行實時監控，畫面隨時更新。
   ③ Web硬件平臺多樣化
   采用標準的IT組件，Web技術所使用的硬件平臺也隨之多樣化，Web接入點(即PCD控制器所在的熱力站)可通過路由器、交換機或無線局域網接入Internet。這意味著，客戶端除了傳統的控制器硬件平臺、操作界面以及個人計算機外，還可以包括PDA、智能移動電話等作為用戶界面的硬件平臺，不再需要特殊的顯示軟件和授權許可。
   ④ 采用分布式Web技術
   常規的熱網SCADA系統要將大量控制程序、用戶界面、圖像和數據信息等儲存在監控中心，占用大量磁盤空間，而采用分布式Web技術的熱網SCADA系統，其信息可分布在各個熱力站PCD控制器上，只需要在Web瀏覽器中指明某個熱力站即可查詢相關信息。從物理意義上分析，信息不是一個整體，但對于客戶端整個熱網信息卻是一體化的，這正符合熱網SCADA系統的分布式監控和集中管理的原則。采用分布式Web技術儲存信息，一方面不會占用大量的磁盤空間，另一方面還提高了系統的可靠性。
    此外，分布式Web技術使每座熱力站成為熱網SCADA系統的一個監控節點，可以獨立運行也可與其他熱力站監控節點組成不同規模的熱網SCADA系統組合運行。而每個熱力站監控節點都擁有自己的圖像、列表和運行數據庫。
   ⑤ 遠程診斷和維護
   熱網SCADA系統的運行組態、參數設置、畫面制作和軟件管理都可以通過Internet在異地使用標準的Web瀏覽器完成。當熱力站現場出現運行異常和報警以及需要日常檢修維護時，無論工程維護人員身在何處，都可通過Internet及時作出相應處理，使熱力站的現場維護工作變得方便、及時和有效，并節省維護成本。
   ⑥ 總體分析
   實現分布式Web技術熱網SCADA系統的前提條件就是必須采用嵌入Web服務器功能的PCD控制器。PCD控制器將采集到的熱網信息及時發布到Internet上去，熱力站的運行管理人員可以隨時隨地用Web瀏覽器進行遠程訪問，獲取最新的熱力站現場運行信息，實現對熱網實時有效的遠程監控和集中管理。因此，采用分布式Web技術的熱網SCADA系統是今后的發展方向。
4 與常規熱網SCADA系統比較
    基于分布式Web技術的熱網SCADA系統與常規熱網SCADA系統最大的區別在于，前者要求每座熱力站的控制器必須具有Web服務器功能，其數據儲存器的容量必須足夠大，以便滿足系統程序、文件、圖形等儲存需求。
    ① 用戶界面概念不同
    基于Web技術的用戶界面概念與傳統的操作界面完全不同，前者取代了常規熱網SCADA系統的操作界面和相關軟件，使用戶界面在瀏覽器中能很容易實現，它可以在任何一臺裝有瀏覽器(如IE瀏覽器)的個人計算機上運行，不需要安裝任何特殊的軟件特別是昂貴的驅動軟件。
   ② 遠程訪問直接登錄
   對于遠離熱力站的用戶，可以實現直接登錄PCD控制器，不必經過0PC服務器就可遠程監控熱力站的運行。而對于常規熱網SCADA系統，用戶必須先經過監控中心的0PC服務器才可遠程訪問熱力站。
   ③ 網絡容量不受限制
    網絡容量不受限制，可以在任何地方訪問同一個界面。一個遠程用戶可監控多座熱力站，多個遠程用戶也可以監控同一座熱力站。這是由于采用了Web技術后，整個熱力站的信息直接儲存在PCD控制器中，只需要將個人計算機(客戶端)與PCD控制器通過網絡連接起來即可。這是與傳統監控技術最根本的區別。
    ④ 控制器嵌入Web服務器
    在采用基于Web技術用戶界面理念的熱網SCADA系統中，PCD控制器就代表了配備有圖形顯示功能的Web服務器。從根本上說，PCD控制器也是Web服務器，操作界面僅只是客戶端而已，這樣就簡化了通信過程。而常規熱網SCADA系統所采用的現場控制器不具備Web服務器的功能。
    ⑤ Web與IT平臺融合
    Web技術建立在信息技術標準(如以太網、TCP/IP、HTTP)的基礎上，這意味著基于Web技術的熱網SCADA系統的用戶界面方案，可便捷地在現有的IT平臺上使用。客戶端無須任何特殊模塊或通信組件就可直接訪問互聯網，顯示PCD控制器的數據，還可將用戶指令輸入到PCD控制器。而常規熱網SCADA系統是做不到的，因為其采用的控制器不具備Web服務器功能。
   ⑥ 實現多種途徑的報警，在供熱企業內部網絡(局域網)或互聯網上可通過郵件和手機短信的方式實現報警信息的發送。
5 PCD控制器特點
   SAIA PCD系列控制器由瑞士思博(Saia Burgess)股份公司研制生產。該公司成立于1920年，集研發、生產、技術支持于一身，在PLC自動化領域已經有30年的開發和生產經驗，是從事工業自動化設備及系統研發的專業公司。目前主要開發和生產PLC工業自動化產品，并致力于將PLC的高效、穩定、快速運算能力及可靠性高的多種優點移植到基礎設施自動化領域。該公司把當前廣為應用普及的Web+IT技術整合到PCD系列控制器中，為傳統的控制器增添新功能，使其在應用上更能滿足和促進工業領域監控系統的發展需要，為不同要求的自控系統提供全新的解決方案。PCD控制器采用的嵌入式Web技術，其功能符合熱網SCADA系統對控制器的技術要求。其特點如下：
   ① 所有硬件均采用工業級設備，大大提高了系統可靠性、穩定性、抗干擾性、抗惡劣環境能力。
   ② 具有完全的開放性，可融合第三方系統或被融于第三方系統。
   ③ 全模塊化結構，能根據需要配置，應用在各種場所。
   ④ 32位主頻66 MHz CPU處理器，運算速度快，特別是浮點運算速度。
   ⑤ 內存容量大，主板板載1024kb的RAM和1024kb后備FLASH儲存器，還可采用FLASH卡擴充至4Mb。也可以采用SD卡，數據儲存容量可以達到4Gb。
   ⑥ 控制器內置Web服務器功能，并具有多種組網方式。可以采用ADSL路由器、無線GPRS等方式與Internet連接，并通過Internet訪問PCD控制器，使具有web瀏覽器的客戶端成為最經濟、最能讓客戶接受的監控工具。
   ⑦ 開放的通信接口和方便靈活的網絡通信功能，具有多種不同的通信接口和工業網絡通信協議，包括：RS232、RS422、RS485、Ethernet-TCP/IP、Profibus DP、MODBUS、M-BUS、LONWORKS、BACNet等。
    ⑧ 控制器內集成了IT、電信行業的主要協議，如HTTP、FTP、SMTP、DNS、DHCP、SNMP、GPRS等，用于完成高端數據通信。
    ⑨ 構建熱網SCADA系統的成本較低，在同等配置功能要求下，造價約為常規熱網SCADA系統的80%左右。
6 組網方法實例
    ① 項目概況
    某城市集中供熱工程包括40座熱力站，項目規劃供熱面積為350×104m2。該項目分兩期建設，一期工程于2009年4月開工建設，已完成11座熱力站的安裝調試。熱力站控制器采用了具有嵌入式Web服務器功能的SAIA PCD系列控制器。換熱機組監控界面、報警記錄界面分別見圖3、4。
 

   ② 組網方法
   基于分布式Web技術的熱網SCADA系統的關鍵是建立Internet的連接從而訪問PCD控制器，該工程每座熱力站都通過ADSL路由器將PCD控制器連接到Internet。
   a. 申請動態域名服務
   先向網絡運營商申請動態域名服務(DDNS)，由于申請的寬帶服務均為動態IP地址，通過DDNS服務，用戶可直接使用用戶名訪問各個熱力站，該用戶名自動與路由器的IP地址綁定。該工程選用國內希網公司提供的DDNS服務，在其網站上注冊用戶賬號，申請域名。
    b. 將用戶名和域名輸入到ADSL路由器的動態域名服務器中，見圖5。

    c. 在路由器內建立虛擬服務器，利用端口映射原理(即NAT，地址轉換功能)，將Web服務(端口80-81)訪問指向熱力站PCD控制器，將ETHER-S-BUS訪問(端口5050)也指向PCD控制器。見圖6。
    d. 在PCD控制器內設置IP地址，并將默認路由器地址設為路由器地址，見圖7。

    e. 對于具有兩套(或多套)換熱機組的熱力站，需配置兩臺(或多臺)PCD控制器，則在路由器的虛擬服務器內增加端口映射(即NAT，地址轉換功能)，通過端口指向兩臺(或多臺)PCD控制器。它可通過多個UDP(User Datagram Protocol，用戶數據報協議)端口，將報文轉發到不同的IP地址的PCD控制器上，見圖8。對于非80端口的虛擬服務器，用戶在訪問時，必須在域名后增加端口號。
    f. 網絡連接工作完成，用戶可以通過Internet遠程對熱力站PCD控制器進行監控，甚至編程和維護。
參考文獻：
[1] 甘勇.JSP程序設計技術教程[M].北京：清華大學出版社，2010：124-130.
 
(本文作者：張法琪1 汪浩然2 楊國強2 鄭曉寧2 胡錦球2 1.中國市政工程華北設計研究總院 天津 300074；2.瑞士思博股份公司 瑞士穆爾登)