分层式和分布式数据采集与监视控制系统及其控制方法
【专利摘要】本发明提供一种分层和分布式数据采集与监视控制系统及控制方法；所述系统包括：信号采集装置，用于采集现场的数据信号；通信装置，与所述信号采集装置连接，并且所述通信装置中设置有用于传输信号的通信机和用于控制所述通信机工作的通信管理机(这二者不应该分开，本质就是一个通信管理机，文中都如此修改)；以及前置机和服务器，其中所述通信装置与所述前置机之间采用浮动IP方式连接，所述服务器和所述前置机之间(是服务器之间采用令牌环，前置机与服务器之间，采用socket通信，文中如此描述全部都应修改)采用令牌环网的方式连接。
【专利说明】
分层式和分布式数据采集与监视控制系统及其控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及自动化行业数据交换通信服务系统，尤其涉及一种可以应用于电力系统中分层式和分布式数据采集与监视控制系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]SCADA为Supervisory Control And Data Acquisit1n的简称，SCADA系统中文全称即数据采集与监视控制系统，它是以计算机为基础的DCS与电力自动化监控系统，广泛应用于电力、冶金、石油、化工、燃气、铁路等领域。SCADA系统在电力系统中的应用最为广泛，技术发展也最为成熟;它作为能量管理系统(EMS系统)的一个最主要的子系统，有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为电力调度不可缺少的工具。它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减少调度员，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平方面有着不可替代的作用。并且SCADA在铁道电气化远动系统上的应用也较早，在保证电气化铁路的安全可靠供电，提高铁路运输的调度管理水平起到了很大的作用，这些都带动了铁道电气化远动系统向更高的目标发展。
[0003]为了使SCADA系统能够更好地起到数据采集和监视的作用，发明人发现相对于传统的SCADA系统已经有多种优化的技术方案。例如，在中国专利申请号为CN200780049285.6的专利申请中，公开了一种分散式控制与数据记录系统，所述系统安装在分散式的能源(DER)中，特别是风力涡轮机组中，和/或在分散式的能源(DER)处，特别是风力涡轮机组处分散地使用，所述系统包括控制所述分散式的能源(DER)，特别是控制涡轮单元(11)的控制单元;存储操作数据和/或操作参数的数据库以及与外部单元通过外部网络交换数据和/或操作命令的网络通信接口，为了使该系统能更好地与使用者的业务流程结合，并且能够灵活地适应不同的系统，不断变化的客户需求和硬件；因此，可以更好的控制和/或管理控制涡轮单元的控制单元，数据库和通讯单元的SCADA操作系统内核。
[0004]在另一份中国专利申请号为CN201110295327.2的专利申请中，公开了一种SCADA系统网状关系数据库节点的数据同步组件，它从现有技术基础出发，设计实现新的同步组件，包括跨关系数据库平台同步支持;与SCADA系统平台的低耦合性;支持多个业务节点间的网状结构的数据交互;通过界面组态的友好方式设定数据源、数据终点、发布过滤条件，并细化到记录级。通过简单易用的配置界面表达用户的多样化业务数据复制需求，实现双机、多机间更为灵活的数据同步和发布复制工作，以适应SCADA平台在多个行业里越来越细化的市场和用户需求。
[0005]发明人在实现本发明的过程中发现，上述两份专利申请虽然对SCADA进行了优化，但是在目前的实际应用中，SCADA系统中很多通信管理技术方案中存在传输方式固定单一，存在很多通信管理机没有专业数据处理通信协议只是提供转发功能，或者部分通信服务器通信协议，与操作系统牵连关系太深，数据通信功能比较单一;而且纵向或横向冗余固定复杂、难以动态灵活变化。
【发明内容】
[0006]为了解决现有技术中SCADA系统存在的冗余固定复杂，难以动态灵活变化的技术问题，本发明提供一种能够结合浮动IP技术和令牌环网技术实现实时数据处理容量大、速度快、双重冗余，并且能够多通道转化的分层式和分布式数据采集与监视控制系统及控制方法。
[0007]为了实现上述目的，本发明提供的技术方案包括:
[0008]—方面，本发明提供一种分层式和分布式数据采集与监视控制系统，其特征在于，所述系统包括:
[0009]信号采集装置，用于采集现场的数据信号；
[0010]通信装置，与所述信号采集装置连接，并且所述通信装置中设置有用于传输信号的通信机和用于控制所述通信机工作的通信管理机;以及
[0011]前置机和服务器，其中所述通信装置与所述前置机之间采用浮动IP方式连接，所述服务器和所述前置机之间采用令牌环网的方式连接。
[0012]进一步地，所述服务器的数量至少设置有两台，所述至少两台服务器中一台作为主控服务器，其他服务器作为备用服务器;所述至少两台服务器还分别设置有数据库模块，并且至少一台服务器中的数据库模块设置一个实时数据库;所述至少一台服务器中的上层应用模块通过所述实时数据库支持多种组态功能软件。
[0013]进一步地，所述前置机包括底层驱动模块，所述底层驱动模块能够被所述服务器中上层应用模块直接调用。
[0014]进一步地，所述前置机支持多种电力专业通信协议，所述通信装置中的通信管理机支持多种网络总线驱动协议和电力专业通信协议。
[0015]进一步地，所述前置机设置有至少两个，并且每个所述前置机与所述通信装置通过统一的第一接口通信，每个所述前置机与所述服务器通过统一的第二接口通信。
[0016]另一方面，本发明还提供一种分层式和分布式数据采集与监视的控制方法，其特征在于，所述方法包括:
[0017]S1、信号采集装置采集现场的数据信号；
[0018]S2、通信装置将所述数据信号传输至前置机，并将所述数据信号按照预定的格式进行转换;其中，所述通信装置通过浮动IP的通信方式与所述前置机进行通信；
[0019]S3、服务器接收所述前置机转换后的信号;其中，所述服务器通过令牌环网的方式与所述前置机连接。
[0020]进一步地，所述步骤S3中的服务器至少设置有两台，所述至少两台服务器中一台作为主控服务器，其他服务器作为备用服务器;所述至少两台服务器还设置有数据库模块，并且至少一台服务器设置实时数据库;所述至少一台服务器中的上层应用模块通过所述实时数据库建立支持多种组态功能的软件。
[0021]进一步地，所述步骤S2中的前置机支持多种网络总线驱动协议和电力专业通信协议;并且所述服务器中的上层驱动模块可以直接调用所述电力专业协议和/或所述网络总线驱动协议。
[0022]进一步地，所述步骤S2中的通信装置可以以多种通信方式同时工作，也可以一种通信方式工作，并且可以在开机时根据配置文件选择相应的运行方式。
[0023]进一步地，所述前置机设置有至少两个，并且每个所述前置机与所述通信装置通过统一的第一接口通信，每个所述前置机与所述服务器通过统一的第二接口通信。
[0024]采用本发明提供的上述技术方案，可以至少获得以下有益效果中的一种:
[0025]1、将数据采集与监视控制系统按照模块化进行分层或者是按照分层的流程进行控制，通信装置与前置机之间采用浮动IP方式连接，服务器和前置机之间采用令牌环网的方式连接，这样通过两种不同的冗余机制，可以很好的实现双重冗余备份；即浮动IP方式，当一个服务器或者前置机故障时，其他的服务器或者前置机自动切换到工作状态，这样可以起到很好的冗余效果;服务器通过令牌环网的方式工作，将其中一台作为主控服务器，其他服务器作为备用服务器。
[0026]2、服务器和前置机作为主控系统，每个服务器中的数据库模块设置一个实时数据库;并且每个服务器中的上层应用模块通过实时数据库支持多种组态功能软件;这样主控系统中的各个应用模块可以灵活获取所需的数据，快速实现数据交互。
[0027]3、前置机设置有至少两个，并且每个前置机与所述通信装置通过统一的第一接口通信，每个前置机与所述服务器通过统一的第二接口通信，这样多个通信机组成的通信装置组合在一起作为组件来与前置机连接，并且控制通信机具体通信方式的通信管理机支持多种通信协议，这样相同的装置/器件就作为一个类进行数量不受限制的扩展。
[0028]4、前置机中的底层驱动模块能够被所述服务器中上层应用模块直接调用，可以促使整个系统的灵活配置，动态添加或删除，扩展。
[0029]发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。
【附图说明】
[0030]图1为本发明一实施例提供的分层式和分布式数据采集与监视控控制系统的结构示意图；
[0031]图2为本发明一实施例提供的分层式和分布式数据采集与监视控控制系统的结构示意图；
[0032]图3为本发明一实施例提供的分层式和分布式数据采集与监视控控制方法的流程图；
[0033]图4为本发明另一实施例提供的分层式和分布式数据采集与监视控控制系统的框图。
【具体实施方式】
[0034]以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，这些具体的说明只是让本领域普通技术人员更加容易、清晰理解本发明，而非对本发明的限定性解释;并且只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0035]另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组控制器可执行指令的控制系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0036]下面通过附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细描述:
[0037]实施例一
[0038]如图1所示，本发明实施例一提供一种分层式和分布式数据采集与监视控制系统，该系统包括:
[0039]信号采集装置包括信号采集器1、信号采集器2、信号采集器3、……信号采集器NI，用于采集现场的数据信号；
[0040]通彳目装置包括通彳目机1、通彳目机2、......通?目机N2，彳目号米集器和通彳目机可以米用多对多或者多对一的方式连接;其中通信装置采用统一的通用通信端口与前置机连接，该通用通信接口至少支持两种通信模式;本发明实施例中的通用通信接口是支持多种不同通信协议通信端口，而且通用通信接口还支持不同类型通信端口的扩展性，即用户可以根据自己的需求在通用通信端口基础上，可插入式的增加不同类型的通信端口；优选地，通用通信接口包括多种可以通信传输数据通道以及支持该通信传输数据通道通信方式的底层驱动协议，具体地，可以包括有线通信接口和无线通信接口。有线通信包括以太网，令牌环网，串口传输，can网络，profibus网络等电气通信方式，以及光纤网络光通信方式，无线方式包括蓝牙，￥1?1，胃1^^通信以及移动无线网络6?1?，36/46等无线电通信等;本实施例中的控制系统还包括至少两台前置机和至少两台服务器，前置机中设置有底层驱动模块，底层驱动模块设置成可以从预定的多种驱动程序中选择至少一种或者重新加载新的驱动程序;用户需要不同的驱动协议，就在驱动模块加载对应的驱动程序，不需要在硬件层面做针对性的定制；即本实施例中的前置机用于转发终端发出的请求，出于安全考虑，外网不能直接访问应用服务器，需由前置机将请求转发给应用服务器进行处理，此外，通信前置机还要进行安全接入认证、通信日志记录，终端上下线记录、对流量异常的终端进行报警服务并进行流量控制;
[0041]并且每个前置机采用相同的第一接口与通信装置连接，每个前置机与服务器通过相同(统一)的第二接口通信，前置机和通信装置之间采用浮动IP方式，通过同一个IP对至少两个通信机进行通信；服务器和前置机之间采用令牌环网(下文有详细介绍)的方式连接;并且至少两台服务器中一台作为主控服务器，其他服务器作为备用服务器。
[0042]需要说明的是，上述两台服务器可以是指物理分开的两台独立服务器，还可以是一台独立的服务器中分割成不同的区域，一个区域作为主控服务器，其他区域作为备用服务器。
[0043]如图2所示，本实施例提供的可裁剪/嵌入式分层式和分布式数据采集与监视控制(SCADA)系统20包括:物理介质层24，物理介质层24包括图1中的采集装置、通信机、前置机；分别设置在前置机中设置有TCP/UDP驱动协议层23、电力专业通信协议层22;以及设置在服务器中上层应用层21。其中，物理介质层24支持无线传输、电信号传输(包括以太网、串口、can网络，profibus网络等)，光信号(光纤网络等)；TCP/UDP驱动协议层23支持二次开发高级链路，类与派生类的可配置DLL插件，即支持多种物理网络驱动软件；电力专业通信协议层22支持类与子类可配置DLL插件，IEC61850，IEC60870-5-101，103，104，Modbus,prof ibus，can，sip等专业行业协议;上层应用层21支持N多机冗余主备，数据转发。
[0044]其中，本发明的浮动IP指屏蔽不同前置机或部分服务器电脑，对外界始终如一提供一个IP地址，让不同的通信管理机装置来通信寻找IP地址链接;而服务器是由多台电脑构成，防止部分电脑损坏升级维护或者访问量很大，但是web由很多客户电脑去访问，需要确定一个或者一些固定的IP地址;这样客户电脑才能访问，这样本发明采用浮动IP技术可以实现整个系统的多个前置机或者多个服务器2个方面冗余，防止故障。例如，两台服务器，一台为主机(IP:124.158.26.30)对外提供了一定的网络服务，另一台从机(IP:12 4.15 8.2 6.31)能提供相同的服务，但IP地址没有对外部公开，客户端连接的都是124.158.26.30这个IP地址，如果主机故障时从机获取124.158.26.30这个IP，暂时替代主机提供服务，当主机恢复时，从机自动释放这个IP。
[0045]优选地，至少两台服务器之间采用令牌环网的方式，使得至少两台服务器中一台作为主控服务器，其他服务器作为备份服务器。其中，令牌环网的媒体接入控制机制采用的是分布式控制模式的循环方法，在令牌环网中有一个令牌(Token)沿着环形总线在入网节点计算机间依次传递，令牌实际上是一个特殊格式的帧，本身并不包含信息，仅控制信道的使用，确保在同一时刻只有一个节点能够独占令牌环。根据配置文件中的节点服务器顺序，比较环上节点是否正常，令牌是否被占有或者释放，令牌绕环行进。节点计算机只有取得令牌后才能作为主控服务器，其他节点作为备份服务器，因此不会发生碰撞。
[0046]优选地，前置机包括底层驱动模块，底层驱动模块可以被服务器中的驱动模块和/或者上层应用模块直接调用。
[0047]优选地，前置机支持多种电力专业通信协议，的通信机支持多种网络总线驱动协议和电力专业通信协议;并且前置机和/或通信机支持的各种协议，都是底层驱动模块，并且以固件的形式直接烧录在前置机和/或通信机中。
[0048]因此，本实施例提供的控制系统，不仅仅硬件采用分层的排布方式，软件也可以采用分层的方式;能更好地实现数据传输的冗余。
[0049]另一方面，本发明的实施例还提供一种分层式和分布式数据采集与监视控制方法，该方法包括:
[0050]S301、信号采集装置采集现场的数据信号；
[0051]S302、通信装置将所述数据信号传输至前置机，并将所述数据信号按照预定的格式进行转换;其中，所述通信装置通过浮动IP的通信方式与所述前置机进行通信;本实施例提供的控制方式中可以从支持至少两种通信模式的通用通信接口中运行与驱动程序对应的通信模式，通信装置获取驱动采用类的集成和派生的方式；
[0052]S303、服务器接收所述前置机转换后的信号；其中，所述服务器通过令牌环网的方式与所述前置机连接;并且在服务器的驱动模块中写入或者选择驱动程序；即用户可以根据自己对SCADA的需求，有选择地写入自己需要用的固件或者软件驱动。
[0053]进一步地，步骤S303中的服务器至少设置有两台，至少两台服务器中一台作为主控服务器，其他服务器作为备用服务器;至少两台服务器还设置有数据库模块。
[0054]进一步地，步骤S302中的前置机支持多种网络总线驱动协议和电力专业通信协议;并且服务器中的上层驱动模块可以直接调用电力专业协议和/或网络总线驱动协议。
[0055]进一步地，步骤S302中的通信装置可以以多种通信方式同时工作，也可以一种通信方式工作，并且可以在开机时根据配置文件选择相应的运行方式。
[0056]进一步地，前置机设置有至少两个，并且每个前置机与通信装置通过统一的第一接口通信，每个前置机与服务器通过统一的第二接口通信。
[0057]采用本发明实施例提供的上述技术方案，可以至少获得以下有益效果中的一种:
[0058]采用本发明提供的上述技术方案，可以至少获得以下有益效果中的一种:
[0059]1、将数据采集与监视控制系统按照模块化进行分层或者是按照分层的流程进行控制，通信装置与前置机之间采用浮动IP方式连接，服务器和前置机之间采用令牌环网的方式连接，这样通过两种不同的冗余机制，可以很好的实现双重冗余备份；即浮动IP方式，当一个服务器或者前置机故障时，其他的服务器或者前置机自动切换到工作状态，这样可以起到很好的冗余效果;服务器通过令牌环网的方式工作，将其中一台作为主控服务器，其他服务器作为备用服务器。
[0000]2、前置机设置有至少两个，并且每个前置机与通信装置通过统一的第一接口通信，每个前置机与服务器通过统一的第二接口通信，这样多个通信机组成的通信装置组合在一起作为组件来与前置机连接，并且控制通信机具体通信方式的通信管理机支持多种通信协议，这样相同的装置/器件就作为一个类进行数量不受限制的扩展。
[0061]3、前置机中的底层驱动模块能够被服务器中上层应用模块直接调用，可以促使整个系统的灵活配置，动态添加或删除，扩展。
[0062]4、采用浮动IP技术，多个前置机采用同一个IP地址，减少了固定IP地址，简化了通信机的开发设计，当工作的前置机故障时，可以有备用的前置机保证正常通信;这样实现了上下位机传输通道层面的冗余备份机制。
[0063]实施例二
[0064]如图4所示，本实施例在实施例一的基础上，对可裁剪/嵌入式分层式和分布式数据采集与监视控制(SCADA)系统40中增加了数据库模块，具体地，如图4所示，至少两台服务器(即图1中的每台服务器)还设置有数据库模块42 (其他与实施例一相同的模块在此不再重复描述)，并且可以每个或者部分服务器设置一个实时数据库;使得上层应用模块支持多种组态功能软件。
[0065]具体地，至少一台台服务器中设置有实时数据库模块，实现多台PC服务的数据同步，包括SQL，0racle，以及历史数据库，并且数据库模块对应的多种组态功能软件开机而建立，关机而消失，是真正Oracle，mySQL数据库的数据存储历史查询之源泉。并且可以结合应用层，实现图形组态，动态显示，历史查询与追忆，web网页显示，报警等人机友好界面各种功能，数据转发，不同服务器数据同步，在此基础上实现多机主备通信，系统控制。优选地，服务器还可以支持触摸屏，整个系统可以快速开发，更加实际需要定制开发部分通信协议，非常容易扩展。
[0066]采用上述实施例一或者实施例二中的控制系统/控制方法，可以应用但不限于供电局抄表、省电力公司大数据、地铁监控等场合;可以根据不同场合设置不同的数据采集器，采集的数据包括模拟数据和/或者数字数据，并且不同应用场合获取数据的含义不同，例如供电局抄表需要获取的可以是每个用电单元的用电量信息，省电力公司获取的可以是各个供电局或者供电线路的供电量或者各个供电环节的异常数据。
[0067]最后需要说明的是，上述说明仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，都可利用上述揭示的做法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和简单的替换等，这些都属于本发明技术方案保护的范围。
【主权项】
1.一种分层式和分布式数据采集与监视控制系统，其特征在于，所述系统包括: 信号采集装置，用于采集现场的数据信号； 通信装置，与所述信号采集装置连接，并且所述通信装置中设置有用于传输信号的通信机和用于控制所述通信机工作的通信管理机;以及 前置机和服务器，其中所述通信装置与所述前置机之间采用浮动IP方式连接，所述服务器和所述前置机之间采用令牌环网的方式连接。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述服务器的数量至少设置有两台，所述至少两台服务器中一台作为主控服务器，其他服务器作为备用服务器;所述至少两台服务器还分别设置有数据库模块，并且至少一台服务器中的数据库模块设置实时数据库;所述至少一台服务器中的上层应用模块通过所述实时数据库支持多种组态功能软件。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述前置机包括底层驱动模块，所述底层驱动模块能够被所述服务器中上层应用模块直接调用。4.根据权利要求1或3所述的系统，其特征在于，所前置机支持多种电力专业通信协议，所述通信装置中的通信管理机支持多种网络总线驱动协议和电力专业通信协议。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述前置机设置有至少两个，并且每个所述前置机与所述通信装置通过统一的第一接口通信，每个所述前置机与所述服务器通过统一的第二接口通信。6.一种分层式和分布式数据采集与监视的控制方法，其特征在于，所述方法包括: 51、信号采集装置采集现场的数据信号； 52、通信装置将所述数据信号传输至前置机，并将所述数据信号按照预定的格式进行转换;其中，所述通信装置通过浮动IP的通信方式与所述前置机进行通信； 53、服务器接收所述前置机转换后的信号;其中，所述服务器通过令牌环网的方式与所述前置机连接。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中的服务器至少设置有两台，所述至少两台服务器中一台作为主控服务器，其他服务器作为备用服务器;所述至少两台服务器还设置有数据库模块，并且至少一台服务器设置实时数据库;所述至少一台服务器中的上层应用模块通过所述实时数据库建立支持多种组态功能的软件。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中的前置机支持多种网络总线驱动协议和电力专业通信协议;并且所述服务器中的上层驱动模块可以直接调用所述电力专业协议和/或所述网络总线驱动协议。9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中的通信装置可以以多种通信方式同时工作，也可以一种通信方式工作，并且可以在开机时根据配置文件选择相应的运行方式。10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述前置机设置有至少两个，并且每个所述前置机与所述通信装置通过统一的第一接口通信，每个所述前置机与所述服务器通过统一的第二接口通信。
【文档编号】H04L12/24GK105933196SQ201610193373
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】陈明恩, 陈栩, 李进, 张官勇, 钱鸿, 胡理策, 任宝军, 方寿贤
【申请人】南京大全自动化科技有限公司