1.1 關鍵技術1.1.1 SCADA系統平臺本方案中實時數據庫及SCADA軟件設計采用MOSAIC SCADA系統構建。MOSAIC SCADA系統是一款專用于大型調度管理系統的實時平臺，用其構建的調度系統廣泛應用在鋼鐵、化工、冶金、能源、天然氣、水、輸配電、鐵路、地鐵等大型調度應用場合，且越來越多的智能水務系統應用案例也使其成為構建化工企業智能水務系統的首選軟件。MOSAIC SCADA軟件由MOSAIC RTDB（實時數據庫）和MOSAIC Desktop兩部分組成。軟件的核心是基于關系型的實時數據庫系統MOSAIC RTDB，專門為SCADA領域的調度管理系統而設計。本項目中多重冗余的實時數據庫服務器上運行的就是MOSAIC RTDB系統，負責智能水務系統的通訊處理、數據采集、數據運算、報警、歷史數據分析處理、進程處理、任務調度等所有核心事務。MOSAIC Desktop系統是基于Windows平臺下的監控軟件，實時的從MOSAIC實時數據庫中獲取實時數據、報警數據、事件數據，并通過人機交互的工藝流程、操作界面和報警、趨勢、事件等窗口實現調度人員的日常生產監控、操作和調度的應用需求。圖1MOSAIC SCADA系統結構圖MOSAIC SCADA系統的運行機制總是采用“主動”的方式，例如通訊驅動程序作為MOSAIC RTDB的數據輸入源，通訊報文中的數據變化，解析后更新數據庫的同時，立即發送給Desktop，進行數據顯示和報警等，以便操作人員進行工藝參數監視和快速的事故應急處理操作等。MOSAIC SCADA主要技術特點如下：1.1.1.1 支持在線多人開發和、一鍵切換及在線實時修改同步傳統的SCADA系統都是離線開發系統，不具備多人同時開發，往往一個稍大的系統都是由多個工程師分別開發后進行工程文件的組合，因此版本管理、開發維護、工作備份和同步等方面需要大量的協調和管理，且易出現混亂，影響工程進度。復雜度與本項目相似的系統，往往需要數十人的開發團隊同時進行系統開發，將使得傳統的軟件開發管理異常困難。MOSAIC SCADA軟件具備在線多人開發功能，每個工程師均可以登錄到系統進行開發和維護，系統自動生成新的版本（或開發人員自定義版本），以方便系統的開發維護和管理，這樣就能很好地解決上面提到的多人開發存在的問題，加快工程開發和實施進度。軟件在用戶具備開發權限的情況下，可以一鍵切換至開發狀態，進行監控畫面的修改，修改完成后立即生效，不需要開發人員用開發模式單獨打開畫面進行編輯。智能水務系統是一個不斷擴展和動態變化的系統，正式投產后，隨著工藝生產生產線的變化，智能水務系統經常一方面需要24小時連續生產，一方面隨時需要進行在線修改。一般軟件在線修改后，系統需要重新啟動修改才能生效，且需要將修改后的程序分別在系統中的每臺服務器和計算機上逐個運行，這對智能水務這樣需要24小時連續運行的大系統來說是不能接受的。MOSAIC SCADA軟件的數據庫和畫面支持所有在線修改功能，且能夠自動同步系統中的所有節點，系統不需要重啟運行，這個特點非常符合智能水務系統邊生產邊施工以及投運后的系統擴展和維護的需求。1.1.1.2 支持畫面自動版本管理功能MOSAIC Desktop軟件具備畫面、變量、腳本等各部分內容的版本自動管理功能。使有權限的用戶在一個工作站上更改完圖形保存后，可發布到服務器中。其它用戶在打開畫面時，如果服務器上的畫面版本高于工作站端，工作站端將自動下載更新。這大大減少了維護的工作量。同時，工程師在修改了軟件內容后，可以選擇將部分內容或者全部內容保存為一個單獨的版本。MOSAIC Desktop特有的畫面版本自動管理功能，圖2MOSAIC畫面自動版本管理流程圖3開發和產品發布管理1.1.1.3 支持畫面漫游、縮放和分層功能MOSAIC Desktop 的系統組態配置功能十分強大，有權限的用戶可以通過HMI 生成、編輯、修改實時數據庫、報警數據庫、歷史數據庫、通訊管理數據庫、權限管理數據庫等所有系統管理所需的記錄。MOSAIC Desktop 支持主站系統特有的畫面漫游、無級縮放、畫面分層功能，并可以根據縮放比例顯示或消隱層次上的圖形。結合Schematics Editor 的畫面導入功能可以快速生成廠級網絡拓撲與工藝流程圖、通訊網絡拓撲等帶有實時信息的監視畫面。1.1.1.4 內嵌的邏輯控制語言涉及實時數據庫的系統中往往需要進行大量的數據統計計算、控制邏輯、連鎖保護等邏輯編程運算。MOSAIC SCADA系統內嵌有LCR（邏輯控制語言）功能可以實現順序邏輯控制和各種復雜運算功能，可以實現較為復雜的邏輯運算、程序調用、數據庫讀寫等功能，擴展SCADA軟件的應用范圍，以滿足智能水務系統按不同時間采取不同的資源分配管理控制策略的需要。同時MOSAIC也支持API (Application Program Interface)調用功能，可以通過C+語言編程，擴展第三方應用功能。1.1.1.5 采用開放、易用的開發環境MOSAIC SCADA平臺采用開放、易用的開發環境，支持多種標準的數據交換方式如OPC、ODBC、DDE、WebService等。1.1.1.6 MOSAIC 同時支持C/S和B/S架構MOSAIC SCADA平臺軟件支持采用B/S（瀏覽器/服務器）結構和C/S（客戶端/服務器）結構相結合模式。操作站客戶端采用為C/S架構的客戶端，能直接進行控制操作功能，通過MOSAIC WEB服務器功能，Web客戶端可以查看與C/S客戶端完全相同的畫面，但是不具有遠程控制功能。1.1.1.7 趨勢、報警、報表和文件功能模塊冗余MOSAIC SCADA具備歷史趨勢展現、報警提醒和記錄和事件日志功能，同時也具備實時報表的配置和查詢功能。MOSAIC SCADA系統支持1:N的多重冗余功能，支持包括趨勢、報警、報表和文件等功能的冗余。1.1.1.8 支持豐富的圖形用戶界面以及圖符庫MOSAIC SCADA軟件提供了豐富的圖符庫和用戶畫面模板，同時用戶可以方便的創建自有特色的畫面模板和圖符庫。我公司經過多個大型實時數據庫及SCADA系統項目的實施積累，燃氣、水務及冶金行業的圖符庫和畫面模板尤為豐富，為畫面制作提供了很大的便利。圖4MOSAIC系統圖符庫樣例1.1.1.9 IO通信功能MOSAIC SCADA軟件IO通信功能由實時數據庫實現，提供了豐富的通訊驅動，如Modbus、DNP 3.0、IEC104、IEC61850、西門子S7、OPC等驅動。支持智能儀表、PLC等工業自動化設備的數據采集。1.1.1.10 兼容并支持各種標準協議網絡通信采用標準的NETBIOS，支持IPX/SPX，TCP/IP等協議。1.1.1.11 提供全面的權限管理功能MOSAIC SCADA提供全面的權限管理功能，通過設置不同的用戶權限防止越權操作保護系統的安全。系統可據登錄用戶的權限，對用戶的畫面查看、數據下發、系統管理等功能進行限制，用戶可以按組進行劃分，管理員可以對用戶組和用戶名、密碼進行添加和修改操作。1.1.2 實時數據庫本方案中實時數據庫采用MOSAIC RTDB實時數據庫系統，配置20000點MOSAIC RTDB實時數據庫。MOSAIC實時數據庫具備擴容功能，今后可根據系統的實際需要進行擴容，實時數據庫的點數容量沒有上限要求。MOSAIC實時數據庫提供多重冗余和負載均衡功能，本方案中實時數據庫服務器上運行的就是MOSAIC RTDB系統，負責智能水務系統的通訊處理、數據采集、數據運算、報警、歷史數據分析處理、進程處理、任務調度等所有核心事務。實時數據庫軟件是實時監控調度系統的數據處理核心，它的穩定性、易用性與可維護性是其關鍵特征。穩定性為保證系統的正常使用，實時數據庫系統的服務器、各類工作站的平均無故障時間必須保持在10000小時以上。本方案中設計選用的服務器和工作站可以滿足上述要求。易用性為保證服務器和各類工作站接口軟件易于安裝、配置，各類安裝程序應對相關組件做良好整合。安裝程序事先定義好優化過系統運行參數默認值，這些系統參數可以通過實時數據庫系統提供的軟件界面進行修改。可維護性本項目中的實時數據庫系統提供完整的系統數據備份、故障恢復的解決策略，保證系統在出現崩潰的情況下，可以完全恢復到故障出現前的正常狀態。1.1.2.1 技術特點1.1.2.1.1 先進的集群技術MOSAIC RTDB實時數據庫提供了先進的集群技術。在本方案中配置電力、動力、水三個集群數據庫，且三個集群在同一套實時數據庫軟件中。服務器系統根據配置的進程的優先級運行不同的集群組的應用。每個集群下的數據通訊和處理等都不會對其他集群造成任何影響，如電力系統的畫面或者報警信息不會影響到動力系統的畫面和報警，動力調度人員也沒有權限進入電力系統等。對于需要共享的數據和功能，集群間只要定義和處理哪些需要共享的數據即可，不需要進行全部數據的交換和分布操作。例如全廠生產報表統計計算等，就需要存取各個集群的有關數據。集群技術在數據的分立和共享方面，取得一個很好的平衡。1.1.2.1.2 實時性高對于智能水務系統來說，數萬點現場數據的采集，意味著每分鐘有數十萬次的數據變化。系統對數據實時變化的處理快慢直接決定了系統的可用性，是對系統性能的一個嚴峻考驗，也是系統的一個重要考核指標。MOSAIC RTDB數據庫對數據通訊、數據處理、數據分布等進行了精心設計，其處理能力可達每分鐘近100萬次的數據變化處理，完全滿足本項目的性能要求。1.1.2.1.3 負載平衡和1:N冗余備份功能MOSAIC 的任務調度管理系統可以把不同的數據應用進程分布到不同的服務器上，使得每個服務器都能運行在負載比較均衡的狀態下。從而避免有的服務器負載較輕，浪費計算機資源，而又有的服務器負載較重，影響處理效率，帶來整個系統性能的下降，運行的可靠性也下降。例如某企業廠級實時數據庫系統中，將電力系統的處理分布在兩臺服務器上優先處理，可以根據全廠不同區域的變電站的數據量的多少，平均劃分為兩組數據處理任務，兩個服務器各處理一組，這樣就取得兩個服務器負載均衡的效果。MOSAIC的應用任務可能是數據集中管理任務，也可能是與遠端數據采集設備通訊的任務，也可以是歷史服務器任務、報警服務器任務、事件歷史服務任務等等。在任務具有可分布的功能的基礎上，MOSAIC系統也提供了應用進程的備用功能模式，即一個應用進程功能可以配置首選在一個服務器上運行，同時可配置在其他服務器上備用運行，備用服務器不限數量，因此其它服務器都可以做為它的備用服務器。因此MOSAIC系統突破了傳統意義上主備冗余的概念，稱為真正靈活的1:N冗余模式，極大地利用了系統的整體資源。通過為每臺服務器上為該任務設置優先級，當這個正在運行的任務失敗時，將由擁有最高優先級的那一臺服務器來接管該任務。當多臺服務器同時啟動時，對該任務擁有最高級別的服務器將運行該任務。對于該任務來說，正在運行它的服務器既為主服務器，其它服務器即為備用服務器；對于另外一個運行在服務器上的不同分布任務來說，這臺服務器即為其中的一個備用服務器。例如某企業廠級實時數據庫系統采用3臺服務器作為MOSAIC SCADA服務器，實現三重冗余設計，每臺服務器按MOSAIC系統的任務進程均分工作，大大提高了工作效力和系統冗余性能。例如可以將SERVER1定義為電力主服務器，SERVER2定義為動力主服務器，SERVER3水系統主服務器，其它兩臺都可以作為本服務器的備用服務器。對于MOSAIC SCADA系統的應用進程，例如可以按電力，動力和水系統的基本集群劃分，分別布局在三臺服務器上。使得每臺服務器都具有均衡的負載處理工作。下圖以三臺服務器為例，說明負載均衡和1：N冗余的原理。圖5MOSAIC SCADA負載均衡規劃原理圖對于每一個集群數據庫，上圖的A,B,C,D,E,F進程可以是如下典型的應用進程:l Authorise （授權認證進程）l Commsman（通訊管理進程）l Condproc （條件變化管理進程）l Dataproc （數據處理進程）l Devproc （設備管理進程）l Distribfiles （文件分布管理進程）l DistribSvr （文件分布管理服務器進程）l Heartbeatproc （心跳進程）l LcrProc （“本地控制程序”管理進程）l Listproc （報警列表管理進程）l Pageproc （遠程通知管理進程）l Profilemgr （profile管理進程）l Scheduleproc （定時任務管理進程）l Syswatch （系統監視進程，定時檢測主機運行狀態，異常報警）l Schemproc （畫面編輯進程）l Schemserver （畫面鎖定修改發布管理進程）l Tagproc （標簽管理進程）l Telemetry （通訊驅動程序）當一個服務器發生故障時，該服務器上的進程可以根據預先的配置策略，自動切換到備用服務器上運行，保證系統的可靠性。例如如下的配置文件，定義了煤氣系統的權限認證進程Autorise-Gas首選在SERVER2服務器上運行，當Server2發生故障時，自動切換到Server1上運行，如果Server1也發生故障，該進程將切換到Server3上運行。entity authorise-Gas arbitrate after server-readypreferred SERVER2 SERVER1 SERVER3process $MOSAICHOME/bin/authorise -cluster Gas -event_cluster Gas -session_monitor -trace_port 7603圖6MOSAIC SCADA多級冗余備份原理圖1.1.2.1.4 面向對象的數據庫管理MOSAIC RTDB是以設備點對象為單位組織數據，傳統的數據點變為了設備點的一個屬性。比如主變保護的信號和主變的油溫都可以同時作為主變的屬性成員點被組織起來，操作員在監控時就可以以設備為單位，最終達到圖模一體化，給設備維護和故障診斷帶來了極大的便利。同時，傳統的逐點查找的方式變為查找某一電壓等級的某一站點的某一設備的某一屬性，大大提高了數據檢索查找的速度及效率。1.1.2.1.5 開放的數據庫連接MOSAIC SCADA軟件支持與關系數據庫軟件的數據交互，能夠非常方便的實現與主流關系數據庫系統（如SQL、Oracle）的數據交換。MOSAIC SCADA提供三種聯接工具來與其它數據存放系統進行數據交換：l MOSAIC 的 ESI （Extentional SQL Interface：擴展SQL接口）系統：一個嵌入式的 SQL 界面，允許其它應用軟件對MOSAIC 的數據庫進行 SQL 數據檢索。l MOSAIC 的 DBGateway：允許 MOSAIC 的應用軟件和 MOSAIC 的用戶圖形界面（GUI）讀取第三方的商業數據庫的數據。l MOSAIC 的 ODBC：可使 MOSAIC 與應用軟件進行數據交換。1.1.2.1.6 同時支持C/S和B/S架構MOSAIC SCADA平臺軟件支持采用B/S（瀏覽器/服務器）結構和C/S（客戶端/服務器）結構相結合模式。操作站客戶端采用為C/S架構的客戶端，能直接進行控制操作功能，通過MOSAIC WEB服務器功能，Web客戶端可以查看與C/S客戶端完全相同的畫面，但是不具有遠程控制功能。1.1.2.1.7 跨平臺與虛擬化支持MOSAIC實時數據庫系統提供跨平臺支持，也可以運行在Unix操作系統上。Unix 系統是為多用戶設計的服務器系統，在同一時刻，可以有多個用戶同時登錄系統，并在各自權限內訪問或執行操作。Unix 系統擁有較高的穩定性。Unix采用的是用戶進程與系統進程在內存中是分開的，用戶進程的異常結束不會引起系統進程出現異常。例如Solaris Unix 的“預見式自修復”（Predictive Self-Healing）技術可以在進程故障之前，主動識別并加以修復，從而確保系統具體最大限度的可用性。Unix是高等級的安全運行環境。Unix采用的是對用戶的授權到文件級，第個目錄及文件都有擁有者、組、使用權限(讀、寫、執行)的機制。通過 Unix的Containers技術、Unix Process Rights Management（處理權管理）、以及加密架構，應用程序可充分利用硬件加密，從而獲得無與倫比的安全性。同時，經過測試 MOSAIC支持運行基于HpyerV和VMWare平臺的虛擬化架構之上，用戶可根據需要確定是運行在虛擬化平臺還是運行于物理平臺上。1.1.2.1.8 離線數據上傳MOSAIC支持離線數據上傳功能，可采取如下兩種方式：1. 選用MOX Gateway（網關）MOX Gateway通過硬件方式不但能夠有效隔離種類病毒與蠕蟲的影響，實現協議轉換，同時還可實現斷線數據的本地保存及上傳。2. 本地轉發軟件+關系數據庫本地轉發軟件可將OPC協議轉換為Modbus協議，同時借助關系數據庫實現斷線時的數據本地保存，網絡恢復時自動上傳。1.1.2.2 主要功能1.1.2.2.1 數據存儲功能MOSAIC實時數據庫提供如下的數據存儲功能：l 能夠將不同來源、不同類型的數據分類進行存儲，以便系統能夠快速、準確的查詢。l 歷史實時數據和配置、事件、小結、統計等各種數據在實時數據庫內的存儲可以實現內部的無縫連接，形成一個完整的統一的數據存儲平臺。l 在對生產原始數據進行存儲時，采用先進的數據壓縮技術進行歷史數據歸檔，實現海量數據的長期存儲。l 在本方案的硬件配置中，歷史數據存儲可以達到5年以上。l 數據的存儲精度可以由用戶自由設定，支持毫秒級的數據分辨率。l 支持多種數據類型：整型、實型、字符型、開關量和二進制數據等。l 數據庫物理存儲容量可根據用戶的需要進行擴容。l 可以實現系統的自動備份。MOSAIC實時數據在每臺實時服務器和操作員站上都有一個相同備份，當數據庫修改時，會自動同步到網絡上的服務器和客戶端上，實現數據庫的自動同步。同時系統可以通過備份軟件按備份策略進行自動備份。l 系統可移植。1.1.2.2.2 數據處理功能MOSAIC實時數據庫提供如下的數據處理功能：l MOSAIC實時數據庫系統具有很強的對數據的處理、加工、整合、查詢等功能；l 能夠提供裝置的數據校正及預處理計算等功能；l 支持對數據的高效提取，在滿足使用需求的情況下降低服務器負載；l 支持在線增加、刪除、暫停、修改儀表位號及其屬性。1.1.2.2.3 WEB應用功能l MOSAIC實時數據庫提供界面友好、便捷的桌面應用程序，實現現場數據的實時查詢和歷史查詢。l MOSAIC WEB發布頁面可以查看所有系統中的工藝流程圖。l MOSAIC WEB應用可以實時監控整個企業的生產裝置、各主要用能設備的工藝參數。l MOSAIC WEB應用提供基于Web的實時過程監視、歷史數據瀏覽、趨勢查詢等功能，基于辦公軟件的數據報表和分析、功能強大的趨勢分析等功能，使用開發平