基于分布式微服务架构的新一代自动化SCADA系统的研究与开发.pdf
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1、Computer Era No.12 20230 引言SCADA系统是以计算机为基础实现了生产过程控制与调度自动化的系统,可应用于电力、冶金、石油、化工、燃气、铁路等领域的数据采集与监视控制,以及过程控制等诸多领域。现有的SCADA系统大多采用传统的C/S模式来保证数据的及时性和安全性。随着“十四五”时期现代能源体系建设不断推进,传统的C/S模式已经不能满足多节点、分布式部署及海量数据的要求,因此,对传统SCADA系统进行改造与优化以满足新的需求,成为了迫切需要解决的问题。1 新一代自动化SCADA系统架构建设的必要性中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要 将
2、“加快数字化发展 建设数字中国”单列成篇,提出“以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革”,为新时期数字化转型指明了方向。面向“十四五”,各省市陆续发布了数字化转型发展规划,提出数字化发展目标和举措,全面推进信息技术在国民经济和社会发展各领域的广泛应用,加快数字化发展。随着数字化转型的加快,现有SCADA系统已经不能满足生产力的发展的要求,存在一些缺陷或问题。依赖性强:系统设计与实现通常是基于特定行业和场景的需求,因此系统的集成和扩展都需要高度的定制化开发,这使得系统的依赖性相对较强。可扩展性差:系统集成及扩展需要定制化开发,DOI:10.16644/33-1094/tp.2023
3、.12.038基于分布式微服务架构的新一代自动化SCADA系统的研究与开发蔡雷鸣,孙常浩,于丽丹(国电南京自动化股份有限公司,江苏 南京 210000)摘要:为了构建新一代自动化的SCADA系统,分析了水电自动化、轨道综合监控系统和新一代集控站设备监控系统的需求,在原有自动化SCADA软件平台的基础上,基于微服务架构、分布式技术,研究新一代自动化SCADA系统的关键技术应用与开发。该系统已经应用于多个专业现场,系统稳定可用,为各个专业现场提供了一整套强大、通用、稳定的支撑和服务。关键词:远程过程调用;微服务;数据采集与监视控制系统;分布式中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1006-
4、8228(2023)12-175-05Research and development of new generation of automated SCADA systembased on distributed microservice architectureCai Leiming,Sun Changhao,Yu lidan(Guodian Nanjing Automation CO.LTD.,Nanjing,Jiangsu 210000,China)Abstract:In order to build a new generation of automated SCADA system
5、s,the needs of hydropower automation,track integratedmonitoring system,and new generation of centralized control station equipment monitoring system are analyzed.On the basis oftheoriginalautomatedSCADAsoftwareplatform,thekeytechnologydevelopmentandapplicationofthenewgenerationautomation SCADA syste
6、m is studied based on microservice architecture and distributed technology.The system has been applied toa number of professional sites,and it is stable and available,providing a complete set of strong,universal and stable support andservices for various professional sites.Key words:remote procedure
7、 call(RPC);microservice;supervisory control and data acquisition(SCADA)system;distributed收稿日期:2023-08-28作者简介:蔡雷鸣(1984-),男,江苏南京人,本科,助理工程师,主要研究方向:计算机信息技术,工业自动化,电力监控。175计算机时代 2023年 第12期因此系统的可扩展性相对较差,新的功能和模块的添加比较困难和耗时。历史数据存储周期短:传统的单机数据存储已经不能满足秒级采样数据转换为历史存储的需求。用户体验有待提升:系统的操作和管理比较繁琐,对用户体验的要求还有待提升。综上所述,现有S
8、CADA系统在现有的工业自动化控制系统中已经达到了相当的成熟度,但是也存在一些问题和不足之处,需要进一步的改进和创新。因此,亟需建设一款以采用神经网络、大数据3、分布式1以及微服务2等技术的新一代自动化SCADA系统。2 基于分布式微服务架构的新一代自动化SCADA系统2.1 系统架构基于分布式微服务架构的新一代自动化SCADA系统1,系统架构如图1所示。图1基于微服务架构新一代自动化SCADA系统2.2 架构介绍系统采用“平台+应用+专业应用”、“总线+RPC+微服务2+分布式存储”的架构模式。系统平台层在整个体系结构中处于核心地位,其设计是否合理将直接影响整个系统的结构、开放性和集成能力。
9、对系统平台进行进一步的分析,又可将其归纳为通用支撑层、基础服务层。通用支撑层包含异构数据库、时序库,通信、互连、转换以及一系列网络跨区支撑,通用的日志记录和通用的配置文件访问。基础服务层包括状态服务、分层分布式实时库、文件服务、分布式时序数据库、数据同步服务,它依赖于通用支撑层实现,支持异构环境中的动态量测、节点状态、文件的交互,并且具有适当的安全级别和可管理性,提供对实时数据、文件和状态的同步的支持。状态服务提供节点、设备、进程等信息的查询、订阅等功能,提供进程间(包括网络各节点进程间)状态数据的传输以及关于系统、机器、模块运行状态监视维护的公共服务,其作为状态发布者和状态使用者间的桥梁,为
10、状态发布及各个应用的容错切换提供支持。分层分布式实时库为各个模块提供适当的数据访问服务,使符合应用规范的模块能随时修改和增加实时数据。分布式时序数据库作为量测的历史存储,提供了秒级响应和动态扩容的支撑。应用平台层提供整个体系结构中的应用功能,通过平台实现监控系统中大部分通用应用功能。在本项目中,应用平台层之间各个子模块之间的耦合关系尽量松,做到无明显的继承,这样既能提高系统的稳定性,又能兼顾系统运行效率。应用平台层包括管理模块、通用模块,包括通用的图形绘制、SCADA、FEP、人机界面等基础应用功能。专业应用层指的是各自子系统专用应用功能,比如水电自动化中的水电监控、轨道自动化中的ATS、17
11、6Computer Era No.12 2023配网自动化中的FA等。专业应用功能以应用平台层的基础应用功能为支撑,同时结合各自专业的特点进行了功能上的扩展和延伸,以满足本专业领域的特定需求。3 关键技术点3.1 基于ICE和SpringCloud的微服务架构改造ICE(Internet Communications Engine)是一种面向对象的中间件,用于构建面向服务的建构(SOA)应用程序。它提供了一种简单、高效、可扩展的通信框架,支持多种编程语言和平台。Spring Cloud 是一个基于 Spring Boot 的微服务架构开发工具集,提供了一系列用于构建微服务的解决方案,如服务注册
12、发现、配置中心、负载均衡、熔断器等。原SCADA系统的部分功能已经成熟,为了减小改造的工作量和复用的原则,在原先C+提供的动态库功能的基础上,使用ZeroICE技术将原有的C+动态 库 改 造 为 RPC Server 端,使 用 SpringBoot 集 成ZeroICE形成RPC Client,最终通过SpringCloud将整体结合形成以RestFul方式提供数据服务的微服务架构2,去中心化,实现微服务2注册与发现、服务调用、服务熔断、负载均衡,如图2所示。图2基于ICE和SpringCloud的微服务架构实现步骤如下:首先,使用C+实现ICE服务端应用程序,将原先的SCADA的系统功能
13、形成服务应用,如实时库进程、告警进程等。使用 Java 实现对应服务进程的 ICE 客户端部分。创建自定义的ICE客户端启动器,将ICE客户端的配置信息进程到Spring Boot配置文件中。这样可以在Spring Boot应用程序中方便地使用ICE客户端提供的和服务端之间的通信功能。服务注册与发现:将 ICE 客户端服务注册到Spring Cloud的服务注册中心,以便于其他微服务发现并调用。通过实现及定义的服务注册与发现逻辑,将ICE客户端服务的信息注册到服务注册中心。配置中心:将ICE客户端服务的配置信息集成到Spring Clound的配置中心,统一管理和动态更新配置信息。负载均衡与熔
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