基于冗余模式的SCADA系統數據同步機制設計

李寅 褚紅健 王聲柱

摘 要：針對基于雙機冗余模式的SCADA系統，文章提出了一種數據同步方案。該數據同步方案保證了冗余SCADA系統實時數據、歷史與報警數據、配置數據的一致性，進而保證了綜合監控系統的高可靠性。多個風電場、光伏電廠、軌道交通SCADA系統均采用了本設計方案，充分驗證了該方案的有效性。

關鍵詞：冗余模式;數據同步;SCADA系統

0 引言

監控與數據采集系統（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）是集計算機、網絡、通信、傳感等技術于一體的工業自動控制系統。SCADA系統主要應用于電網調度、軌道交通、水供應、長輸管道（石油、天然氣）等能源領域。所以，一般的SCADA系統均采用冗余模式來提高其可用性和可靠性[1]。

SCADA系統中數據包括實時數據、歷史與報警數據、配置數據，雙機冗余模式的SCADA系統需要提供同步機制，以保證處于熱備的SCADA系統數據的一致性。

1 冗余機制

冗余技術分為設備冗余和網絡冗余，設備冗余為信號的實時采集、數據的實時存儲以及設備的實時監控奠定了基礎;而網絡冗余為數據的傳輸、不同節點之間的調度提供了保障，從而使得SCADA系統在減少冗余切換時間的同時，最終保證其運行不受局部故障的影響。

在實時監控系統中，服務器是24小時不間斷工作，而服務器冷啟動時間較長。因此，服務器采用熱備的冗余運行模式。雙機熱備模式即通常所說的active/standby方式，active服務器處于工作狀態;而standby服務器處于監控準備狀態，服務器數據包括數據庫數據，同時往兩臺或多臺服務器寫入數據（通常各服務器采用RAID磁盤陣列卡），保證數據的即時同步。當active服務器出現故障的時候，通過軟件診測或手工方式將standby機器激活，保證應用在短時間內完全恢復正常使用[2]。

2 實時數據同步

SCADA系統實時運行數據存放在內存緩沖區中，以提高系統的響應速度和處理能力。實時庫數據以文件形式持久化，保證下次系統斷電、重啟等重新初始化時能夠正常載入數據，保證數據不丟失。在雙機冗余模式下，主備服務器分別獨立工作，各自處理不同應用的實時數據，實現可靠與高效的統一，如圖1所示。每臺工作站與服務器上都有完全同步的面向對象的實時數據庫副本，因此，有分布式軟件架構所具有的高效靈活的優點。并行對象管理服務（POMS）自動向連接到局域網絡（LAN）的所有服務器和工作站發布數據。因為每臺主機都維護著POMS數據庫，刷新的數據只是POMS數據庫的一部分，所以并行的面向對象的實時數據庫極大地簡化了系統容錯功能設計。

當數據發生變化時，信息在局域網內廣播，在網絡內的工作站和服務器都可以收到廣播信息。每條信息都含有序列號，信息丟失的時候會很快被發現，并發送重傳丟失信息的請求。如果軟件或硬件發生故障導致某一服務不再可用，那么將由運行在另一臺主機或服務器上的進程自動接管這一服務。

3 報警/歷史數據同步

SCADA系統報警/歷史數據的同步是以同步備份文件的形式實現的，如圖2所示。報警/歷史數據在保存在主服務器的商用數據庫中之后，系統會按照用戶制定的時間計劃將數據庫中的報警/歷史進行自動增量備份，并將備份文件保存在本機的備份目錄中。在備份文件保存至備份目錄前，系統首先要對備份目錄進行維護。對于備份目錄，有備份時間和大小的限制，以防備份目錄過大占用過多的磁盤空間。完成維護本機備份目錄的工作后，系統將生成的備份文件保存在本地備份目錄中。

自動備份生成的備份文件保存到本地備份目錄后，系統檢索網絡中其他主機的備份目錄，并將對比本機備份目錄與遠方主機的備份目錄，對其進行同步。在同步之前，系統同樣將會對遠方主機的備份目錄進行維護。維護策略與本地備份目錄相同。

備份文件傳送至備用服務器的備份目錄之后，會觸發自動恢復過程。系統將會對新增的備份文件進行恢復，以保證備用服務器與主服務器的報警/歷史數據一致性，達到雙機熱備的效果。

4 配置數據同步

SCADA系統配置數據的同步是以同步配置庫備份文件的形式實現的。用戶對配置數據進行修改并執行提交動作之后，系統會定時對配置數據進行備份，備份時間可以由用戶設定。在沒有執行備份動作的情況下，備份與恢復工具會每隔兩周執行一次自動備份配置庫。系統對配置數據的備份是完全備份。

主服務器在完成備份并將備份文件保存在本地備份目錄后，同樣會將配置數據備份文件同步至備服務器的備份目錄。在備份文件被傳遞至備服務器的備份目錄后，系統會將配置數據配備文件恢復至備服務器的配置庫中，保持主備數據庫的配置數據一致。

5 結語

隨著現代工業的不斷發展，生產企業的規模越來越大，對生產過程中的安全性和穩定性要求越來越高[3]。隨著近年來工業自動化的發展，SCADA系統被廣泛應用于電廠自動化、軌道交通、石油天然氣管道等監控領域，涉及重大民生問題，因此可靠性尤為重要。本設計方案保證了雙機冗余模式下SCADA系統的重要數據一致性，避免了因服務器切換造成的數據丟失，提高了SCADA系統的安全性、可靠性。

本數據同步方案運用在本公司綜合監控系統軟件平臺中，已在多個風電場自動化監控項目、光伏電廠自動化監控項目、軌道交通綜合監控項目中得到了應用與驗證，并深受用戶好評。

[參考文獻]

[1]王達宗，馬增良.冗余SCADA數據同步的設計與構建[J].計算機應用，2005（5）：87-92.

[2]張杰.地鐵綜合監控系統冗余機制探討[J].科技風，2013（8）：51.

[3]鐘洋洋，王毅璇，王皓，等.跨平臺SCADA的歷史數據收集與存儲設計[J].計算機技術與應用，2018（12）：111-114.

（編輯 王永超）