基于WEB的生產實時監控系統的研究與設計

孫栓柱，孫 彬，周春蕾，王其祥

（江蘇方天電力技術有限公司，南京 211102）

傳統的生產實時監控系統一般采用C/S(Client/Server，客戶端/服務器)結構。這種結構過于依賴客戶機的軟件配置，系統的開發成本和維護成本較高，同其他信息系統交互性差。同時由于客戶端直接訪問數據庫，導致數據庫安全級別降低，存在一定的安全風險。C/S結構通常只限于小型和相對封閉的企業局域網。

隨著互聯網技術和WEB技術的飛速發展和廣泛應用，許多用于監控軟件開發的組態軟件也開始提供WEB功能。目前大部分組態軟件均采用ActiveX＋JSP技術實現WEB發布，為了運行ActiveX需要降低瀏覽器安全級別，會對客戶端造成安全威脅。同時，由于采用了JSP技術，在實時監控過程中瀏覽器和服務器之間頻繁傳輸整個監控頁面，形成了大量網絡流量，嚴重影響實時數據的發布。

針對以上問題，本文提出了一種基于B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務器)架構的生產實時監控系統的設計方案。該方案以開源的關系型數據庫MySQL為數據庫管理平臺，同時結合Flex、EXT、Ajax等富客戶端技術，在瀏覽器中以實時交互方式對生產現場進行遠程監控和WEB數據發布。目前在WEB應用中廣為流行的富客戶端技術，支持頁面中各圖表組件以并行請求、異步響應、動態更新的方式，無須重新加載整個頁面即可實現按需請求數據和局部頁面更新，從而達到降低網絡數據流量、提高頁面數據處理效率的目的，為實現頁面實時數據刷新提供了解決方案。在系統實現過程中，以基于J2EE規范的WebLogic為WEB應用服務框架，用于開發、集成、部署和管理分布式WEB應用和數據庫應用。

1 系統應用架構

在生產過程現場數據量不大、工業控制計算機配置較高的情況下，可以將現場的工業控制計算機與WEB服務器、數據庫服務器和通訊服務器合為一體，監測數據的采集和控制指令的下達頻率為1次/秒。典型的系統應用架構如圖1所示。

圖1 典型應用架構

數據采集和控制裝置包括DCS、PLC或者板卡等設備，通過電纜與現場設備連接，實時采集生產過程溫度、壓力、流量和濃度等數據，再通過工業以太網絡、RS485和RS232等通訊鏈路上傳至工業控制計算機的監控系統。監控系統接收傳輸上來的生產實時數據，對其進行存儲和計算，并利用實時監控圖、曲線和報表等方式進行數據發布。運行人員通過瀏覽器可以直接訪問生產過程現場數據。

如果運行人員需要對現場設備進行操作，可以在工藝監控頁面中直接發出控制命令，通過監控服務器將指令下達給數據采集和控制裝置，實現遠程控制。

2 系統邏輯架構

系統通過數據采集和控制層完成數據采集、轉換、傳輸和現場設備操作；數據存儲層實現實時數據和統計數據的存儲管理，WEB應用層則實現WEB數據發布。系統總體架構如圖2所示。

圖2 系統邏輯架構

2.1 數據采集和控制層

數據采集和控制層從現場設備采集運行數據，經過數據轉換及格式化后，將其傳輸到數據存儲層。同時，接收來自數據存儲層的遠程控制指令，對現場設備進行操作。

2.2 數據存儲層

數據存儲層通過采集數據接收、控制指令下達程序與數據采集和控制層交互：一方面，獲取監測數據，對其進行實時緩存；另一方面，接收來自客戶端瀏覽器的控制指令，將其下達給數據采集和控制層。這種方式避免了數據采集和控制層直接訪問數據庫，提高了數據庫的安全性和穩定性。

實時數據庫實現采集數據在線實時存儲和歷史數據存儲管理；操作記錄數據庫存儲用戶遠程操作日志；統計數據庫存實現統計數據存儲管理。

系統以MySQL為數據庫管理器。MySQL具有大容量（可以在一張數據表中保存超過5千萬條記錄）、運行速度快和操作簡單的特點[1]，可以很好得滿足秒級數據存儲的性能要求。

系統采用Ibatis和JDBC相結合的方式，提供對數據的持久化支持。Ibatis支持系統大部分數據操作功能，而對系統中諸如實時數據寫入和查詢等對數據讀取效率要求較高的功能，則通過具有很高執行效率的JDBC完成。

2.3 WEB應用層

WEB應用層采用Struts2技術框架，利用Flex、EXT和Ajax等技術，實現數據列表、工藝圖、趨勢圖和統計報表等富客戶端表現方式，為用戶提供豐富的WEB數據發布功能。

1）工藝監控。對現場生產設備的運行情況、及生產過程的溫度、壓力和流量等進行遠程監控，實時反映監控對象的總體運行性能；同時通過輸入指定值或執行操作命令的方式對現場設備進行操作，實現遠程控制。

2）實時和歷史趨勢。以實時滾動的方式動態展示測點最近1小時的數據變換趨勢，并提供任意時段的歷史趨勢分析。

3）統計分析。提供日、月、年等時間粒度的監測臺帳和生產報表等固定格式報表的查詢功能和統計數據趨勢圖等分析功能。

4）系統管理。測點維護功能，設置測點的標簽、單位、量程及報警上下限等屬性；權限設置功能，設置用戶操作權限和業務數據查詢范圍。

3 關鍵技術研究

3.1 實時數據存儲

實時數據常用的存儲方式有兩種：數據文件和數據庫。文件訪問的并發性較差，不能很好地支持秒級數據寫入，且因其缺乏完善的數據索引機制，無法實現對實時和歷史數據的快速批量查詢。因此，系統選用數據庫作為實時數據存儲方式。

在實時監控系統中，數據存儲結構通常采用以測點為列、時間戳為記錄標識(索引)的數據存儲結構。一個監控系統采集測點數一般不超過1000個，實時數據表的存儲構如圖3所示。圖中列t表示時間戳，P1、P2、…、P1000表示第1到1000個測點的實時數據列。

圖3 實時數據表結構

按照上述存儲結構，1年的數據記錄將高達3200萬條，這將嚴重影響實時數據存儲和查詢的效率。因此，系統將數據表按月拆分，月數據表命名規則為RT_yyyy_m，其中yyyy表示年份，m表示月份，如：RT_2013_1為2013年1月的數據表，RT_2013_12為2013年12月的數據表，其他情況以此類推。

對于跨月的歷史數據查詢，如：歷史趨勢圖，數據來自多個月數據表，系統以存儲過程方式提供統一的歷史數據查詢服務，將單月數據查詢看作多月查詢的特例，封裝了數據表的尋址過程。

3.2 實時數據緩存

考慮到數據更新頻率達到秒級，為了確保實時數據能成功寫庫，不出現數據丟失現象，創建實時數據緩存表，保存來自現場設備的最新數據。每當有新的監測數據到達時，即自動將上一批實時數據復制到當月數據表中，然后用最新到達的監測數據覆蓋原來的數據，完成實時數據的動態更新和遷移。

實時數據緩存表中通常只有1條記錄，因此系統中實時數據都直接取自實時數據緩存表，而無需從存有近270萬條記錄的月數據表中檢索1條實時數據，有效地縮短了工藝監控圖、實時趨勢圖等WEB組件的實時數據檢索時間。

3.3 秒級數據刷新

為實時展現現場采集數據和控制現場設備，工藝監控圖采用秒級別數據刷新設計。為實現此目標，系統采用Flex圖表組件進行圖形和數據展示，工藝設備使用圖像標簽img，監測數據使用文本標簽Label；采用Remote Object方式，使用AMF(Action Message Format)協議與服務端進行數據交互，這種方式直接訪問后臺對象，將數據序列化為二進制格式，從而提高數據在網絡上的傳輸速度，縮短客戶端數據處理時間，相比較傳統的XML-over-HTTP方式，這是最高效的通信方式[2]。

在工藝圖組件初始化過程中， RemoteObject對象調用send方法讀取XML格式監控圖，然后由Flex繪制工藝圖。在其后的實時監控過程中，僅刷新實時數據，不再重新繪制工藝圖。完成工藝圖繪制后，啟動定時器定期進行Flex刷新，實現實時數據自動更新。實時數據刷新過程如下所述。

1）RemoteObject對象以工藝圖測點編碼集合為參數發出實時數據查詢請求；

2）服務端收到請求后，將測點編碼轉換成測點標識，從實時數據緩存表中讀取實時數據，然后以實時數據 (測點編碼、實時數據)集合的形式返回客戶端；

3）工藝圖組件收到返回結果后，調用updatePointsData方法更新頁面測點數據：遍歷實時數據集合，以測點編碼為元素標識id定位數據標簽，用實時數據設置標簽的value屬性，依次為每個測點更新實時數據。

3.4 實時趨勢分析

系統使用實時趨勢圖組件動態顯示測點最近1小時的數據變化曲線。為了實現趨勢圖組件，系統引入了具有豐富表現力的Flex圖表組件，利用客戶端完成各種顯示效果的渲染，使數據的交互更為直觀。此外，圖表中的顏色、圖標、符號、圖例、標題和提示等也都可以進行個性化定制[3]。

系統在Flex自帶的線型圖組件的基礎上，根據業務需要進行擴展，開發了實時趨勢圖組件。該組件僅在初始化過程中進行1小時歷史數據查詢，其后的數據刷新過程僅請求實時數據，從而使組件能快速更新趨勢曲線。實時趨勢圖組件曲線實時刷新過程如圖4所示。

3.5 統計報表查詢

系統的統計分析邏輯采用MySQL數據庫存儲過程實現。存儲過程是一組具有特定處理功能的SQL語句集，在創建時進行了預編譯，具有較高的執行效率。而且，SQL語句以事務的形式批量執行，可以有效地保證數據的一致性和完整性。

統計數據返回客戶端后，一般以WEB報表的形式進行發布。WEB 報表使用HTML的table標簽展示數據集；以Struts2的iterator標簽展示數據行，實現數據記錄到tr標簽的循環轉換，通過設置iterator標簽的value屬性實現數據綁定；以Struts2的property標簽及其value屬性將記錄行的列綁定到td標簽，在單元格內展示數據。

圖4 實時趨勢圖組件曲線實時刷新過程

3.6 數據安全控制

1）登錄密碼加密

用戶登錄密碼采用MD5算法加密，以密文形式存儲。MD5 是Message-Digest Algorithm 5的縮寫，通過對文本應用不可逆的字符串變換算法進行加密[4]。

這種密碼加密和存儲方式，不但可以避免用戶密碼被系統管理人員知道，而且由于MD5算法的不可逆性還在一定程度上增加了密碼的安全性。此外，由于密碼以密文形式在網絡中傳輸，有效地避免了傳輸過程中的泄密問題。

2）應用層安全控制

用戶在登錄系統時采用驗證碼機制，防止程序自動登錄造成的性能安全問題，并使用Session會話實現用戶身份驗證保存。

系統通過Servlet的過濾器機制，防止用戶通過直接輸入Url的方式訪問未經授權的功能和數據。采用Spring的攔截器技術進行權限控制，保證業務數據的安全。

4 系統應用

以江蘇某電廠的煙氣排放實時監控系統為例：系統部署在就地監控系統工控機上，電廠操作人員利用瀏覽器通過廠內局域網監測現場煙氣分析系統數據和對系統進行遠程維護。

圖5是該廠#4機脫硫后煙氣排放監控系統工藝監控頁面。監測參數包括：煙囪進口SO2、NOX、煙塵濃度、O2、流速等參數；需遠程控制的包括標定相關閥門等設備。頁面右側是實時趨勢圖，通過單擊工藝圖中的測點標簽實現測點選擇。

圖5 凈煙氣工藝監控頁面

5 結束語

采用J2EE、WebLogic、MySQL集成配置方案、結合Struts2框架和Ajax、Flex等技術，設計開發的基于WEB的生產實時監控系統，實現了生產過程的遠程監控、秒級數據在線存儲和統計分析，目前已經在多個工業控制現場得到了應用，運行穩定、可靠。利用瀏覽器模式的遠程監控方式方便了運行人員的操作，促進了企業內部生產過程信息的共享，同時也大大減輕了系統維護人員的工作量。

[1] 吳津津,田睿,李云,劉昊.PHP與MySQL權威指南[M].北京:機械工業出版社,2011.

[2] 胡毓勵.基于Flex的企業協作平臺及其用戶使用挖掘的設計與實現[D].杭州:浙江大學計算機科學與技術學院,2010.

[3] Adobe Help Resource Center.Flex 3 Developer's Guide[OL].http://livedocs.adobe.com/flex/3/html/help.html?content=Part2_DevApps_1.html.

[4] 張裔智,趙毅,湯小斌.MD5算法研究[J].計算機科學,2008,35(7):295-297.