基于分布式Web技术的热网SCADA系统_技术研究

摘要

摘要：介绍了基于分布式Web技术的热网监控与数据采集(SCADA)系统的结构及特点，与常规热网SCADA系统最根本的不同点为远程用户可直接通过Web浏览器对热力站进行监控，结合工程实例

摘要：介绍了基于分布式Web技术的热网监控与数据采集(SCADA)系统的结构及特点，与常规热网SCADA系统最根本的不同点为远程用户可直接通过Web浏览器对热力站进行监控，结合工程实例，对基于分布式Web技术的热网SCADA系统的组网方法进行了探讨。

关键词：分布式；Web技术；热网监控与数据采集系统；PCD控制器；浏览器；路由器；客户端

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

随着集中供热自动化进程的加快，供热企业对信息交流的需求不断扩大，在要求对热力站现场运行状态进行监控的同时，还要求把现场信息和企业管理信息结合起来，这就需要建立一套集成、开放的企业综合自动化的信息平台。基于分布式Web技术的热网SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，监控与数据采集)系统就是满足这种需求的产物，该系统融入了现代控制技术、计算机技术、网络技术和信息技术，采用由瑞士思博股份公司生产的具有嵌入式Web服务器功能的PCD(Process Control Device，过程控制装置)系列控制器作为实现分布式Web技术功能的关键设备，使远离现场的客户端直接通过互联网对现场进行访问。这是一种基于Web服务器的网络化热网SCADA系统，既增强了系统的实时性，又提高了系统的可靠性，对于供热系统实现现代化的科学管理起到了重要作用。本文对基于分布式Web技术的热网SCADA系统进行探讨。

2 Web技术的应用

2.1 在热网SCADA系统中的应用

Web技术进入个人应用领域已然很久，人们使用电子邮箱，浏览网页以及在网上购物。在移动电话中也实现了随时随地的Web连接。Web技术的发展也带动了热网SCADA系统的发展。当前，访问互联网变得如此便捷，人们同样希望能将其运用在热网SCADA系统中，以便实现远程诊断及维护。这就要求热力站现场控制器除完成本地监控外，还可提供局域网和互联网访问。

Web是一种典型的分布式应用结构^[1]，Web应用中的每一次信息交流都要涉及客户端(Web浏览器)和服务端(Web服务器)，因此Web技术一般可以分为客户端技术和服务端技术两部分。Web技术在热网SCADA系统中的应用见图1。

Web服务器与客户端的信息交换通过HTTP(Hypertext Transfer Protocol，超文本传输协议)实现。先通过Intemet把客户端请求传送到Web服务器上，Web服务器收到客户端请求并交给CGI(Common Gatway Interface，公共网关接口)程序处理，CGI程序把处理后的结果送给Web服务器，最后Web服务器把结果响应送回客户端。因此，要实现运行、处理客户端的请求，Web服务器必须配置CGI程序，它是实现Web浏览器与Web服务器信息交流的一种工具。Web浏览器的主要任务是显示热力站现场信息，Web服务器是为显示热力站现场信息所采用的基本技术，包括Web服务器策略与结构设计、Web服务器软硬件的选择等。

2.2 安全性

将Web技术应用在热网SCADA系统时，必须考虑PCD控制器以及网络通信环境的安全保护。IT应用中的安全性通常可以分为两个领域：病毒和黑客。

① 防病毒：计算机病毒存在于分布极广和拥有标准操作系统的硬件平台上，例如采用Windows系统的计算机。而PCD控制器采用高端微处理器并采用专有的操作系统Saia NT。相比于个人计算机，很难出现专为PCD控制器而编写的病毒。这样，PCD控制器就可免受所有为Windows等系统编写的病毒感染。

② 防黑客：由于基于Web技术的热网SCADA系统的信息是免费送达的，因此需要可靠的访问控制。控制访问的方法是采用VPN(Virtual Private Network，虚拟专用网络)，它通过采用隧道技术、加密技术和认证技术，确保在Internet上传送数据的安全性。，使用VPN，需要在个人计算机上安装客户端软件。

因此，热力站的监测数据直接储存在PCD控制器中，不会受到病毒、黑客的侵害，增强了监测数据的安全性、可靠性。

3 基于Web技术的热网SCADA系统

3.1 系统结构

基于分布式Web技术的热网SCADA系统为B/S(Browser/Server，浏览器/服务器)结构。该系统由客户端(Web浏览器)和分布在各个热力站的嵌入了Web服务器功能的PCD控制器以及通信网络组成，见图2。热网SCADA系统将热力站的信息以网页形式储存在PCD控制器上，通过Web浏览器获取网页内容，这是一种典型的B/S结构。

① 热网监控中心

热网监控中心是热网SCADA系统的客户端之一，是终端用户浏览网页的主要平台。由工程师站、操作员站、网络通信没备、辅助设备等组成。热网监控中心主要负责控制指令的发送、现场数据的接收、动态画面显示以及报警等。

② 客户端

客户端是分布在各个地方的台式计算机、笔记本计算机等，各种客户端通过HTTP实现与PCD控制器进行数据交换。客户端的主要功能是热力站现场数据的接收和动态页面显示。从广义上讲，客户端可以是热网监控中心的工程师站、操作员站，也可以是分布于各个地方的台式计算机、笔记本计算机、PDA或其他移动通信设备。

③ PCD控制器

PCD控制器是实现分布式Web技术热网SCADA系统最为关键的设备，也是采用Web浏览器作为用户界面的web服务器。以由瑞士思博股份公司生产的Saia PCD控制器为例，它由32位微处理器(摩托罗拉Cold Fire CPU)为核心+嵌入式操作系统Saia NT，集成以太网Ethernet-TCP/IP和Web服务器，共同组成嵌入式应用系统的硬件平台。由于在操作系统中配置了以太网驱动程序，因此PCD控制器可作为一个独立接入Internet的节点，实现了分布式Web技术在热网SCADA系统中的应用。PCD控制器主要负责控制命令的接收和执行、热力站数据的采集、储存和发送，以及设备参数的设定等。

④ ADSL路由器

ADSL路由器是PCD控制器与Internet连接的重要设备，也是连接其他网络的大门，起到一个网关的作用。其主要功能是：

a. 建立IP网络路由：实现LAN(Local Area Network，局域网)与WAN(Wide Area Network，广域网，即Internet)之间的数据传输，它将报文从LAN转发到WAN中，也就是建立PCD控制器与Web浏览器之间的路由。

b. NAT(Network Address Translation，网络地址转换)是一种接入WAN的技术，它将内部私有地址转换为合法的IP地址，从而使内部网络的每台计算机可直接与PCD控制器进行通信，并对外部客户端隐藏内部局域网客户端的IP地址，避免来自外部的攻击。

c. DHCP(Dynamic host configuration protocol，动态主机配置协议)功能：ADSL路由器内置有DHCP服务器功能，方便用户组网和提供网络中设备IP地址的自动分配。

d. 防火墙(Fire Wall)功能：为了网络通信的安全，设置防火墙用来阻止不需要的报文发送到网络和设备中。

e. VPN功能：利用公共网络为供热企业建立一个具有自主权的专用网，采用VPN的隧道技术、加密技术和认证技术确保企业信息的安全。并提供LAN的接口，使其与PCD控制器连接，具有数据交换功能。

3.2 特点

① Web与OPC服务器无关

Web技术意味着通信将再也不需要那些特殊的软件驱动和0PC(OLE for Process Control，微软公司的对象链接和嵌入技术在过程控制方面的应用)服务器。此前，需要经过安装在热网监控中心的OPC服务器与相关通信设备的连接，才能实现远程维护和访问。如今，只需要将PCD控制器直接接入互联网后，就可把现场数据传至任何地方的计算机中，实现远程维护和访问。不论PCD控制器需要完成何项任务，都没必要经过热网监控中心的OPC服务器，所有的客户端都有平等访问数据权限，通信连接是一样的。这降低了设备造价，节约了运行成本。

② Web与操作系统软件无关

无论热网SCADA系统采用Windows操作系统、Linux操作系统还是Unix操作系统，都可以通过Internet访问PCD控制器，浏览Web服务器的网页、，对PCD控制器(Web服务器)的访问就是通过客户端(Web浏览器)实现的，通过使用标准的浏览器(如IE 6.0)可以实现与现场监控的同等效果。远程用户可对热力站现场的自动化设备进行实时监控，画面随时更新。

③ Web硬件平台多样化

采用标准的IT组件，Web技术所使用的硬件平台也随之多样化，Web接入点(即PCD控制器所在的热力站)可通过路由器、交换机或无线局域网接入Internet。这意味着，客户端除了传统的控制器硬件平台、操作界面以及个人计算机外，还可以包括PDA、智能移动电话等作为用户界面的硬件平台，不再需要特殊的显示软件和授权许可。

④ 采用分布式Web技术

常规的热网SCADA系统要将大量控制程序、用户界面、图像和数据信息等储存在监控中心，占用大量磁盘空间，而采用分布式Web技术的热网SCADA系统，其信息可分布在各个热力站PCD控制器上，只需要在Web浏览器中指明某个热力站即可查询相关信息。从物理意义上分析，信息不是一个整体，但对于客户端整个热网信息却是一体化的，这正符合热网SCADA系统的分布式监控和集中管理的原则。采用分布式Web技术储存信息，一方面不会占用大量的磁盘空间，另一方面还提高了系统的可靠性。

此外，分布式Web技术使每座热力站成为热网SCADA系统的一个监控节点，可以独立运行也可与其他热力站监控节点组成不同规模的热网SCADA系统组合运行。而每个热力站监控节点都拥有自己的图像、列表和运行数据库。

⑤ 远程诊断和维护

热网SCADA系统的运行组态、参数设置、画面制作和软件管理都可以通过Internet在异地使用标准的Web浏览器完成。当热力站现场出现运行异常和报警以及需要日常检修维护时，无论工程维护人员身在何处，都可通过Internet及时作出相应处理，使热力站的现场维护工作变得方便、及时和有效，并节省维护成本。

⑥ 总体分析

实现分布式Web技术热网SCADA系统的前提条件就是必须采用嵌入Web服务器功能的PCD控制器。PCD控制器将采集到的热网信息及时发布到Internet上去，热力站的运行管理人员可以随时随地用Web浏览器进行远程访问，获取最新的热力站现场运行信息，实现对热网实时有效的远程监控和集中管理。因此，采用分布式Web技术的热网SCADA系统是今后的发展方向。

4 与常规热网SCADA系统比较

基于分布式Web技术的热网SCADA系统与常规热网SCADA系统最大的区别在于，前者要求每座热力站的控制器必须具有Web服务器功能，其数据储存器的容量必须足够大，以便满足系统程序、文件、图形等储存需求。

① 用户界面概念不同

基于Web技术的用户界面概念与传统的操作界面完全不同，前者取代了常规热网SCADA系统的操作界面和相关软件，使用户界面在浏览器中能很容易实现，它可以在任何一台装有浏览器(如IE浏览器)的个人计算机上运行，不需要安装任何特殊的软件特别是昂贵的驱动软件。

② 远程访问直接登录

对于远离热力站的用户，可以实现直接登录PCD控制器，不必经过0PC服务器就可远程监控热力站的运行。而对于常规热网SCADA系统，用户必须先经过监控中心的0PC服务器才可远程访问热力站。

③ 网络容量不受限制

网络容量不受限制，可以在任何地方访问同一个界面。一个远程用户可监控多座热力站，多个远程用户也可以监控同一座热力站。这是由于采用了Web技术后，整个热力站的信息直接储存在PCD控制器中，只需要将个人计算机(客户端)与PCD控制器通过网络连接起来即可。这是与传统监控技术最根本的区别。

④ 控制器嵌入Web服务器

在采用基于Web技术用户界面理念的热网SCADA系统中，PCD控制器就代表了配备有图形显示功能的Web服务器。从根本上说，PCD控制器也是Web服务器，操作界面仅只是客户端而已，这样就简化了通信过程。而常规热网SCADA系统所采用的现场控制器不具备Web服务器的功能。

⑤ Web与IT平台融合

Web技术建立在信息技术标准(如以太网、TCP/IP、HTTP)的基础上，这意味着基于Web技术的热网SCADA系统的用户界面方案，可便捷地在现有的IT平台上使用。客户端无须任何特殊模块或通信组件就可直接访问互联网，显示PCD控制器的数据，还可将用户指令输入到PCD控制器。而常规热网SCADA系统是做不到的，因为其采用的控制器不具备Web服务器功能。

⑥ 实现多种途径的报警，在供热企业内部网络(局域网)或互联网上可通过邮件和手机短信的方式实现报警信息的发送。

5 PCD控制器特点

SAIA PCD系列控制器由瑞士思博(Saia Burgess)股份公司研制生产。该公司成立于1920年，集研发、生产、技术支持于一身，在PLC自动化领域已经有30年的开发和生产经验，是从事工业自动化设备及系统研发的专业公司。目前主要开发和生产PLC工业自动化产品，并致力于将PLC的高效、稳定、快速运算能力及可靠性高的多种优点移植到基础设施自动化领域。该公司把当前广为应用普及的Web+IT技术整合到PCD系列控制器中，为传统的控制器增添新功能，使其在应用上更能满足和促进工业领域监控系统的发展需要，为不同要求的自控系统提供全新的解决方案。PCD控制器采用的嵌入式Web技术，其功能符合热网SCADA系统对控制器的技术要求。其特点如下：

① 所有硬件均采用工业级设备，大大提高了系统可靠性、稳定性、抗干扰性、抗恶劣环境能力。

② 具有完全的开放性，可融合第三方系统或被融于第三方系统。

③ 全模块化结构，能根据需要配置，应用在各种场所。

④ 32位主频66 MHz CPU处理器，运算速度快，特别是浮点运算速度。

⑤ 内存容量大，主板板载1024kb的RAM和1024kb后备FLASH储存器，还可采用FLASH卡扩充至4Mb。也可以采用SD卡，数据储存容量可以达到4Gb。

⑥ 控制器内置Web服务器功能，并具有多种组网方式。可以采用ADSL路由器、无线GPRS等方式与Internet连接，并通过Internet访问PCD控制器，使具有web浏览器的客户端成为最经济、最能让客户接受的监控工具。

⑦ 开放的通信接口和方便灵活的网络通信功能，具有多种不同的通信接口和工业网络通信协议，包括：RS232、RS422、RS485、Ethernet-TCP/IP、Profibus DP、MODBUS、M-BUS、LONWORKS、BACNet等。

⑧ 控制器内集成了IT、电信行业的主要协议，如HTTP、FTP、SMTP、DNS、DHCP、SNMP、GPRS等，用于完成高端数据通信。

⑨ 构建热网SCADA系统的成本较低，在同等配置功能要求下，造价约为常规热网SCADA系统的80%左右。

6 组网方法实例

① 项目概况

某城市集中供热工程包括40座热力站，项目规划供热面积为350×10⁴m²。该项目分两期建设，一期工程于2009年4月开工建设，已完成11座热力站的安装调试。热力站控制器采用了具有嵌入式Web服务器功能的SAIA PCD系列控制器。换热机组监控界面、报警记录界面分别见图3、4。

② 组网方法

基于分布式Web技术的热网SCADA系统的关键是建立Internet的连接从而访问PCD控制器，该工程每座热力站都通过ADSL路由器将PCD控制器连接到Internet。

a. 申请动态域名服务

先向网络运营商申请动态域名服务(DDNS)，由于申请的宽带服务均为动态IP地址，通过DDNS服务，用户可直接使用用户名访问各个热力站，该用户名自动与路由器的IP地址绑定。该工程选用国内希网公司提供的DDNS服务，在其网站上注册用户账号，申请域名。

b. 将用户名和域名输入到ADSL路由器的动态域名服务器中，见图5。

c. 在路由器内建立虚拟服务器，利用端口映射原理(即NAT，地址转换功能)，将Web服务(端口80-81)访问指向热力站PCD控制器，将ETHER-S-BUS访问(端口5050)也指向PCD控制器。见图6。

d. 在PCD控制器内设置IP地址，并将默认路由器地址设为路由器地址，见图7。

e. 对于具有两套(或多套)换热机组的热力站，需配置两台(或多台)PCD控制器，则在路由器的虚拟服务器内增加端口映射(即NAT，地址转换功能)，通过端口指向两台(或多台)PCD控制器。它可通过多个UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)端口，将报文转发到不同的IP地址的PCD控制器上，见图8。对于非80端口的虚拟服务器，用户在访问时，必须在域名后增加端口号。

f. 网络连接工作完成，用户可以通过Internet远程对热力站PCD控制器进行监控，甚至编程和维护。

参考文献：

[1] 甘勇.JSP程序设计技术教程[M].北京：清华大学出版社，2010：124-130.

(本文作者：张法琪¹ 汪浩然² 杨国强² 郑晓宁² 胡锦球² 1.中国市政工程华北设计研究总院天津 300074；2.瑞士思博股份公司瑞士穆尔登)