CN111193632A

CN111193632A - 数据采集与监视控制***

Info

Publication number: CN111193632A
Application number: CN201811353804.4A
Authority: CN
Inventors: 王景云; 陈国芳
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2018-11-14
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2038-11-14
Also published as: CN111193632B

Abstract

本发明提出一种数据采集与监视控制***，包括：表现层、逻辑处理层、驱动层和数据组态工具；其中，各层和数据组态工具分别通过标准的OPC UA接口与OPC UA数据总线进行连接；表现层设置有人机界面，用于获取用户的操作指令并提供给逻辑处理层，以及向用户提供实时数据；逻辑处理层设置有实时服务器、历史服务器和报警服务器，用于进行实时数据管理、历史数据管理、报警管理；驱动层设置有前置处理机，用于向现场设备下发控制指令以及上传所采集的数据；数据组态工具，用于向表现层、逻辑处理层和驱动层提供配置数据。其中，OPC UA数据总线采用的是传统的OPC接口，为统一的接口标准，使得各设备能够通过OPC接口接入SCADA***，降低了SCADA***的扩展难度。

Description

数据采集与监视控制***

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种数据采集与监视控制***。

背景技术

数据采集与监视控制***(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)，是以计算机为基础的工业领域自动化监控***，应用于电力、冶金、石油、化工、燃气、铁路等领域的数据采集、监视控制以及过程控制等。目前的SCADA***中包括：监控计算机、远程终端单元、可编程逻辑控制器、通信基础设施、人机界面。其中，通信基础设施为CORBA(Common Object Request Broker Architecture，公共对象请求代理体系结构)、DCOM(Microsoft Distributed Component Object Model，分布式组件对象模型)等数据总线，上述两种数据总线提供一定的且固有的安全机制，安全性差，且难以根据用户的实际需要进行设置，且上述两种数据总线的接口不统一，数据总线难以与具有其他接口的设备进行连接，使得部分设备难以接入SCADA***，增加了SCADA***的扩展难度。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种数据采集与监视控制***，用于解决现有技术中数据总线与各设备之间的耦合度过高，SCADA***的更新难度高的问题。该数据采集与监视控制***，包括：

表现层、逻辑处理层、驱动层和数据组态工具；其中，表现层、逻辑处理层、驱动层和数据组态工具上分别设置有标准的OPC UA接口，用于通过标准的OPC UA接口与OPC UA数据总线进行连接；

所述表现层设置有人机界面，用于获取用户的操作指令并提供给逻辑处理层，以及向用户提供实时数据；

所述逻辑处理层设置有实时服务器、历史服务器和报警服务器，用于进行实时数据管理、历史数据管理、报警管理，根据用户的操作指令向驱动层提供控制指令，或者向表现层提供实时数据；

所述驱动层设置有前置处理机，用于向现场设备下发控制指令以及上传现场设备所采集的数据，以使所述逻辑处理层对所述数据进行分析处理，得到所述实时数据；

所述数据组态工具，用于向所述表现层、所述逻辑处理层和所述驱动层提供配置数据。

进一步的，所述实时服务器为部署有实时组件的硬件设备；所述历史服务器为部署有历史组件的硬件设备；所述报警服务器为部署有报警组件的硬件设备；所述前置处理机为部署有接口层组件的硬件设备；

所述实时组件、所述历史组件、所述报警组件和所述接口层组件为复合组件，分别设置有标准的OPC UA接口。

进一步的，所述实时组件、所述历史组件、所述报警组件和所述接口层组件由以下组件中的任意一个或者多个组合而成：用于存储和共享配置数据、采集数据和实时数据的实时库组件，用于采集数据以及提供对实时库组件中数据的读写操作接口的数据管理组件，用于管理实时库组件中数据的节点管理组件，用于放置提供浏览操作并接收外部方法调用的访问管理组件，用于负责提供对数据和事件的订阅操作的订阅管理组件，用于负责执行人机交互控制指令的命令管理组件和用于数据展示的展示管理组件；

数据管理组件、节点管理组件、访问管理组件、订阅管理组件、命令管理组件和展示管理组件分别与所述实时库组件连接，用于对所述实时库组件进行访问或者管理；

数据管理组件、节点管理组件、访问管理组件、订阅管理组件、命令管理组件和展示管理组件分别设置有标准的OPC UA接口，用于通过标准的OPC UA接口与OPC UA数据总线进行连接。

进一步的，所述节点管理组件，通过OPC UA数据总线与数据组态工具连接，用于读取数据组态工具中的地址空间组织结构，将所述地址空间组织结构存储至实时库组件中，对实时库组件中的地址空间组织结构进行管理，并在所属的硬件设备关闭时，将最新的地址空间组织结构更新到所述数据组态工具。

进一步的，所述地址空间组织结构中包括：多个节点，以及各节点之间的引用关系；

所述节点为现场设备的具体实例，所述引用关系为各个现场设备之间的关系，以在所述节点的数据发生变更时，对与所述节点存在引用关系的其他节点的数据进行相应变更。

进一步的，所述数据组态工具，用于向所述表现层提供图形数据和业务数据，向所述逻辑处理层提供业务逻辑数据，向所述驱动层提供通道数据。

进一步的，所述业务逻辑数据、所述图形数据、所述业务数据、所述通道数据的组织形式分别为地址空间组织结构；

所述数据组态工具，还用于获取表现层用户输入的地址空间组织结构，并对地址空间组织结构进行存储。

进一步的，所述OPC UA数据总线设置有固定的端口号，所述端口号为在互联网数字分配机构中已注册的端口号，通过所述端口号实现表现层、逻辑处理层、驱动层和数据组态工具之间的数据通信。

进一步的，所述OPC UA数据总线设置有发现机制，用于在检测到通过标准的OPCUA接口接入的第一设备时，获取所述第一设备的基础信息，将所述第一设备的基础信息提供给已接入到所述OPC UA数据总线的其他设备。

本发明实施例的数据采集与监视控制***，包括：表现层、逻辑处理层、驱动层和数据组态工具；其中，表现层、逻辑处理层、驱动层和数据组态工具上分别设置有标准的OPCUA接口，用于通过标准的OPC UA接口与OPC UA数据总线进行连接；表现层设置有人机界面，用于获取用户的操作指令并提供给逻辑处理层，以及向用户提供实时数据；逻辑处理层设置有实时服务器、历史服务器和报警服务器，用于进行实时数据管理、历史数据管理、报警管理，根据用户的操作指令向驱动层提供控制指令，或者向表现层提供实时数据；驱动层设置有前置处理机，用于向现场设备下发控制指令以及上传现场设备所采集的数据，以使逻辑处理层对数据进行分析处理，得到实时数据；数据组态工具，用于向表现层、逻辑处理层和驱动层提供配置数据。其中，数据总线为OPC UA数据总线，该数据总线采用的是传统的OPC接口，为统一的接口标准，使得各设备能够通过OPC接口接入SCADA***，降低了SCADA***的扩展难度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例提供的一种数据采集与监视控制***的结构示意图；

图2为复合组件的结构示意图；

图3为各设备之间的访问关系示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的数据采集与监视控制***。

图1为本发明实施例提供的一种数据采集与监视控制***的结构示意图。如图1所示，该数据采集与监视控制***包括：

表现层11、逻辑处理层12、驱动层13和数据组态工具14；其中，表现层11、逻辑处理层12、驱动层13和数据组态工具14上分别设置有标准的OPC UA接口，用于通过标准的OPCUA接口与OPC UA数据总线15进行连接；

所述表现层11设置有人机界面，用于获取用户的操作指令并提供给逻辑处理层12，以及向用户提供实时数据；

所述逻辑处理层12设置有实时服务器、历史服务器和报警服务器，用于进行实时数据管理、历史数据管理、报警管理，根据用户的操作指令向驱动层13提供控制指令，或者向表现层11提供实时数据；

所述驱动层13设置有前置处理机，用于向现场设备下发控制指令以及上传现场设备所采集的数据，以使所述逻辑处理层对所述数据进行分析处理，得到所述实时数据；

所述数据组态工具14，用于向所述表现层11、所述逻辑处理层12和所述驱动层13提供配置数据。

本实施例中，OPC UA(OLE for Process Control unified architecture)数据总线为一种工业自动化标准数据总线，采用的是传统的OPC(OLE for Process Control)接口，该接口为统一的接口标准，使用范围广泛，能够使得更大范围的设备通过OPC接口接入SCADA***，降低SCADA***中接入设备的难度，从而降低SCADA***的扩展难度。

本实施例中，OPC UA数据总线对应的使用场景为开放的网络环境，因此，OPC UA数据总线采用的安全机制比较成熟，包括：用户身份验证、消息签名和传输用户数据的加密等选项，其中，验证方式例如，SSL(Secure Sockets Layer，安全套接层)、TLS(TransportLayer Security，传输层安全性协议)、AES(Advanced Encryption Standard，高级加密标准)等已证明的标准、X509整数、网络认证协议Kerberos或用户/口令字等方式，以防止未经授权的访问、过程数据的破坏、因操作不慎所产生的错误等。其中，用户可以在表现层的人机界面上根据需要选择其中一种或者多种选项，并确定为当前数据总线的安全机制。

本实施例中，OPC UA数据总线中设置有固定的端口号，所述端口号为在互联网数字分配机构中已注册的端口号，通过端口号实现表现层、逻辑处理层、驱动层和数据组态工具之间的数据通信。其中，该固定的端口号具体可以为4080端口号，该端口号为已在互联网数字分配机构中注册的端口号，通过该端口号来进行数据交换，能够穿越防火墙，确保各设备之间的安全通信。

本实施例中，OPC UA数据总线中还定义了一个健壮的体系结构，该体系结构包括：可靠的通信机制、可配置的超时机制、自动错误检测机制以及恢复机制。该体系机制能够对各设备之间的通信连接进行监视，以防止数据丢失，从而确保最大正常运营时间。

进一步的，在上述实施例的基础上，OPC UA数据总线还设置有发现机制，用于在检测到通过标准的OPC UA接口接入的第一设备时，获取所述第一设备的基础信息，将第一设备的基础信息提供给已接入到OPC UA数据总线的其他设备，从而能够及时发现新接入数据总线的第一设备，实现第一设备与已接入数据总线的其他设备之间的互联互通。

本发明实施例的数据采集与监视控制***，包括：表现层、逻辑处理层、驱动层和数据组态工具；其中，表现层、逻辑处理层、驱动层和数据组态工具分别设置有标准的OPCUA接口，用于通过标准的OPC UA接口与OPC UA数据总线进行连接；表现层设置有人机界面，用于获取用户的操作指令并提供给逻辑处理层，以及向用户提供实时数据；逻辑处理层设置有实时服务器、历史服务器和报警服务器，用于进行实时数据管理、历史数据管理、报警管理，根据用户的操作指令向驱动层提供控制指令，或者向表现层提供实时数据；驱动层设置有前置处理机，用于向现场设备下发控制指令以及上传现场设备所采集的数据，以使逻辑处理层对数据进行分析处理，得到实时数据；数据组态工具，用于向表现层、逻辑处理层和驱动层提供配置数据。其中，数据总线为OPC UA数据总线，该数据总线采用的是传统的OPC接口，为统一的接口标准，使得各设备能够通过OPC接口接入SCADA***，降低了SCADA***的扩展难度。

进一步的，在图1所示实施例的基础上，实时服务器为部署有实时组件的硬件设备；历史服务器为部署有历史组件的硬件设备；报警服务器为部署有报警组件的硬件设备；前置处理机为部署有接口层组件的硬件设备；实时组件、历史组件、报警组件和接口层组件为复合组件，分别设置有标准的OPC UA接口。

其中，实时组件、历史组件、报警组件和接口层组件由以下组件中的任意一个或者多个组合而成：实时库组件、数据管理组件、节点管理组件、访问管理组件、订阅管理组件、命令管理组件和展示管理组件。数据管理组件、节点管理组件、访问管理组件、订阅管理组件、命令管理组件和展示管理组件分别与实时库组件连接，用于对实时库组件进行访问或者管理；数据管理组件、节点管理组件、访问管理组件、订阅管理组件、命令管理组件和展示管理组件分别设置有标准的OPC UA接口，用于通过标准的OPC UA接口与OPC UA数据总线进行连接。如图2所示，为复合组件的结构示意图。在图2中，复合组件由实时库组件、数据管理组件、节点管理组件、访问管理组件、订阅管理组件、命令管理组件和展示管理组件组成。其中，实时库组件用于存储和共享配置数据、采集数据和实时数据等。

其中，数据管理组件(DataMgr)，主要负责采集现场设备的数据或者其他设备提供的数据，将数据进行解析后写入到实时库地址空间中，提供对地址空间变量和数据的读写操作接口。节点管理组件(NodeMgr)，主要负责申请实时库地址空间所需的内存，初始化保存在组态数据文件中的地址空间组织结构，并在服务器运行过程中实时对组织结构进行添加、删除等更新，最后在服务器关闭时将最新的地址空间组织结构保存在组态数据文件，并释放实时库地址空间占用的内存。其中，服务器指的是部署复合组件的各硬件设备。其中，在轨道交通***中，现场设备例如可以为信号机、道岔、轨道区段、风机、AFC闸机、电扶梯等。

其中，访问管理组件(AccessMgr)，主要负责提供上层应用模块对地址空间的浏览操作，并接收外部方法调用。订阅管理组件(SubscriptionMgr)，主要负责提供对数据和事件的订阅操作，并提供对外进行发布的接口。HMI(Human Machine Interface，人机界面)工作站与实时库之间的数据访问主要采用订阅机制。命令管理组件(CmdMgr)，主要负责执行人机交互(或来自其它***部件请求)的业务逻辑相关的控制指令。展示管理组件(LayoutMgr)，主要负责创建上层应用模块要求的展示，根据过滤器参数对数据库地址空间的节点进行筛选。另外，在图2中，组成历史组件的组件中不包括订阅管理组件。

本实施例中，上述各个复合组件支持裁剪，例如，复合组件可以只扮演OPC UA服务端角色，如接口层组件等；或者只扮演OPC UA客户端角色，如工作站等；或者同时扮演OPCUA服务端和OPC UA客户端角色，例如各级服务器等。其中，服务器可以提供实时服务、历史服务和报警服务，如单机***等；或者只提供实时服务、历史服务和报警服务中的任意一种或者两种，例如功能服务器等。其中，实时服务例如遥控服务、遥信服务、遥调服务、遥测服务、实时库地址空间管理、内部运算功能等。历史服务例如历史数据收集和归档等。报警服务例如报警信息的确认、证实、查询等。

本实施例中，复合组件内部支持裁剪，复合组件之间支持组装，从而能够无线扩展SCADA***中接入的设备，并通过数据总线建立各设备之间的访问关系。其中，各设备之间的访问关系例如可以如图3所示。在图3中，企业层网络中可以部署有工作站和服务器；监控层网络中可以部署有工作站和服务器；现场层网络中可以部署有现场设备；现场层网络和监控层网络之间可以部署有前置处理机(front end processor，FEP)、工作站和集散控制***(Distributed control system，DCS)控制器。

进一步的，在上述实施例的基础上，节点管理组件，用于通过OPC UA数据总线与数据组态工具连接，用于读取数据组态工具中的地址空间组织结构，将地址空间组织结构存储至实时库组件中，对实时库组件中的地址空间组织结构进行管理，并在所属的硬件设备关闭时，将最新的地址空间组织结构更新到数据组态工具。其中，数据组态工具中的地址空间组织结构中保存的数据可以包括：图形数据和业务数据、业务逻辑数据和通道数据等。其中，图形数据例如图形页面配置数据、图像特性配置数据等。业务数据例如实例点数据等。业务逻辑数据例如自定义模型等。通道数据例如插件、控件扩展接口等。图像数据和业务数据用于提供给表现层11；业务逻辑数据用于提供给逻辑处理层12；通道数据用于提供给驱动层13。

另外，本实施例中，业务逻辑数据、图形数据、业务数据、通道数据的组织形式分别为地址空间组织结构；数据组态工具中的地址空间组织结构的获取方式可以为，获取表现层用户输入的地址空间组织结构，并对地址空间组织结构进行存储。

进一步的，在上述实施例的基础上，地址空间组织结构中可以包括：多个节点，以及各节点之间的引用关系。其中，节点例如可以为现场设备的具体实例，引用关系例如可以为各个现场设备之间的关系。本实施例中，将各个现场设备的具体实例以及现场设备之间的关系抽象成节点与引用，并保存至地址空间组织结构中，使得当某个节点的数据发生变更时，可以对结构化查询语言(Structured Query Language，SQL)数据库中与该节点存在引用关系的其他节点的数据进行相应的变更。另外，节点之间的引用关系可以包括订阅与被订阅关系，当某个设备订阅有第一设备的数据时，若第一设备的数据发生变化，则订阅有该第一设备的某个设备可以获取到发生变化后的数据。

本发明实施例的数据采集与监视控制***中，实时服务器为部署有实时组件的硬件设备；历史服务器为部署有历史组件的硬件设备；报警服务器为部署有报警组件的硬件设备；前置处理机为部署有接口层组件的硬件设备；实时组件、历史组件、报警组件和接口层组件由以下组件中的任意一个或者多个组合而成：实时库组件、数据管理组件、节点管理组件、访问管理组件、订阅管理组件、命令管理组件和展示管理组件；数据管理组件、节点管理组件、访问管理组件、订阅管理组件、命令管理组件和展示管理组件分别设置有标准的OPC UA接口，用于通过标准的OPC UA接口与OPC UA数据总线进行连接，从而降低了数据总线与各设备之间的耦合性，当数据总线的接口定义发生变化时，可以直接对各组件的接口进行更新，而不需要对各设备的程序进行重新编译，降低了数据采集与监视控制***的维护和更新成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种数据采集与监视控制***，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述实时服务器为部署有实时组件的硬件设备；所述历史服务器为部署有历史组件的硬件设备；所述报警服务器为部署有报警组件的硬件设备；所述前置处理机为部署有接口层组件的硬件设备；

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述实时组件、所述历史组件、所述报警组件和所述接口层组件由以下组件中的任意一个或者多个组合而成：用于存储和共享配置数据、采集数据和实时数据的实时库组件，用于采集数据以及提供对实时库组件中数据的读写操作接口的数据管理组件，用于管理实时库组件中数据的节点管理组件，用于放置提供浏览操作并接收外部方法调用的访问管理组件，用于负责提供对数据和事件的订阅操作的订阅管理组件，用于负责执行人机交互控制指令的命令管理组件和用于数据展示的展示管理组件；

4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述节点管理组件，通过OPC UA数据总线与数据组态工具连接，用于读取数据组态工具中的地址空间组织结构，将所述地址空间组织结构存储至实时库组件中，对实时库组件中的地址空间组织结构进行管理，并在所属的硬件设备关闭时，将最新的地址空间组织结构更新到所述数据组态工具。

5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述地址空间组织结构中包括：多个节点，以及各节点之间的引用关系；

6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述数据组态工具，用于向所述表现层提供图形数据和业务数据，向所述逻辑处理层提供业务逻辑数据，向所述驱动层提供通道数据。

7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述业务逻辑数据、所述图形数据、所述业务数据、所述通道数据的组织形式分别为地址空间组织结构；

8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述OPC UA数据总线设置有固定的端口号，所述端口号为在互联网数字分配机构中已注册的端口号，通过所述端口号实现表现层、逻辑处理层、驱动层和数据组态工具之间的数据通信。

9.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述OPC UA数据总线设置有发现机制，用于在检测到通过标准的OPC UA接口接入的第一设备时，获取所述第一设备的基础信息，将所述第一设备的基础信息提供给已接入到所述OPC UA数据总线的其他设备。