Dieser Artikel stellt den Entwurf und die Implementierung eines dreistufigen Mess- und Steuerungsnetzwerks für ein verteiltes, heterogenes System vor. Dies umfasst die Entwicklung einer Überwachungssoftware auf Basis der seriellen RS-485-Buskommunikation und VC++-Multithreading-Technologie zur zentralen Überwachung und Datenverwaltung von Feldanlagen sowie die Implementierung von Echtzeit-Fernüberwachung und Datenanalyse mittels eines B/S-Modells und Web-Datenbankzugriff. 1. Einleitung: Mit der Integration und Weiterentwicklung von Computernetzwerk- und Automatisierungstechnik hat sich die computergestützte Mess- und Steuerungstechnik zu zentralisierten Überwachungs- und Managementnetzwerken auf Basis lokaler Netzwerke (LANs) und Fernüberwachungsnetzwerken auf Basis von Intranet/Internet weiterentwickelt. Mehrstufige Netzwerkstrukturen auf Basis von Intranet/Internet bieten günstige Hardware-Bedingungen für integriertes Management und Steuerung, global optimierte Steuerung und Planung sowie regionsübergreifenden Informationsaustausch. In Unternehmen sind Anlagensysteme jedoch häufig geografisch verteilt, und aus verschiedenen Gründen verwenden unterschiedliche Anlagen innerhalb eines Unternehmens unterschiedliche Steuerungssysteme. Dies führt zu einer verteilten Steuerungsumgebung mit mehreren geografisch verteilten Geräten und mehreren parallel existierenden Überwachungssystemen. Darüber hinaus handelt es sich bei vielen dieser Systeme um heterogene Systeme mit geschlossener Software und geringer Interoperabilität. Dies stellt hohe Anforderungen an das Mess- und Steuerungsnetzwerk der Geräte, die mit gängiger Mess- und Steuerungssoftware nur schwer zu erfüllen sind. Um dieser Situation zu begegnen, stellt dieser Beitrag die Entwurfs- und Implementierungsmethode eines dreistufigen Mess- und Steuerungsnetzwerks für verteilte heterogene Systeme vor. Diese Methode kompensiert die Schwächen bestehender Mess- und Steuerungssoftware und löst insbesondere die Probleme, die sich durch die verteilten Standorte der Geräte und die Heterogenität des Systems für das Mess- und Steuerungsnetzwerk ergeben. Die Praxis hat gezeigt, dass diese Methode sich durch hohe Praktikabilität, gute Skalierbarkeit und stabilen Betrieb auszeichnet. 2. Gesamtkonzept Das dreistufige Mess- und Steuerungsnetzwerk für verteilte heterogene Systeme wurde gemäß dem Gesamtkonzept „zwei Netzwerke, drei Funktionsebenen, einheitliche Struktur und vollständige Funktionen“ entwickelt. „Zwei Netzwerke“ bezieht sich darauf, dass das Gesamtsystem aus zwei Netzwerkstrukturen besteht: RS-485-Feldbus und Intranet/Internet. „Drei Funktionsebenen“ bezeichnet die funktionale Aufteilung in eine Geräteebene, eine zentrale Überwachungsebene und eine Fernüberwachungsebene. Die zentrale Überwachungsebene ermöglicht die Steuerung von Feldgeräten niedrigerer Ebenen, überwacht aber lediglich bestehende Überwachungssysteme niedrigerer Ebenen, ohne diese zu steuern. Die Fernüberwachungsebene dient ausschließlich der Überwachung. Geräteebene und zentrale Überwachungsebene sind über einen RS-485-Bus verbunden, zentrale und Fernüberwachungsebene über ein Intranet/Internet. „Einheitliche Struktur“ bedeutet, dass bei der Verarbeitung von Informationen verschiedener Geräte ein möglichst einheitliches Datenformat für die Übertragung, Speicherung und Anzeige von Daten zwischen Geräten und Subsystemen niedrigerer Ebenen verwendet wird. Zudem werden einheitliche Funktionsmodule zur Gestaltung der Funktionen verschiedener Systemgeräte eingesetzt. „Umfassende Funktionalität“ bedeutet, dass das System neben konventionellen Funktionen wie Echtzeit-Datenplattform, Feldgeräteverwaltung, Konfiguration der Feldüberwachung, Beschreibung historischer Kurven, Berichtsdruck und Fehlermeldungen auch Fernüberwachungsfunktionen in Echtzeit über Intranet/Internet umfasst. Das System verbindet die Geräteebene und die zentrale Überwachungsebene über eine RS-485-Busstruktur, um die zentrale Geräteüberwachung zu ermöglichen. Ein Server der zentralen Überwachungsebene fungiert als Web- und Datenbankserver und ist über eine DDN-Standleitung oder eine Telefonleitung mit dem Unternehmensintranet und dem Internet verbunden, um eine Fernüberwachung in Echtzeit zu gewährleisten. Dadurch wird das komplexe und umständliche System in eine Netzwerkstruktur mit typischen Eigenschaften eines verteilten Steuerungssystems umgewandelt. Die Gesamtstruktur des Systems ist in Abbildung 1 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 1. Netzwerkstrukturdiagramm des verteilten heterogenen Systems mit drei Mess- und Steuerungsebenen[/ALIGN] 3. Zentrale Geräteüberwachung und Datenverwaltung basierend auf VC++ Multithreading 3.1 Hardware-Design Für das Hardware-Design wird ein industrieller Steuerungs-PC als Host-Computer verwendet, um die Überwachungsdaten vor Ort zu empfangen und zu speichern. Die lokale Feldhardware umfasst einen vorhandenen Überwachungsrechner (der Daten aus dem bestehenden Überwachungssystem per Software extrahiert), einen programmierbaren PC-basierten Datenerfassungscontroller (der Überwachungsdaten von Feldgeräten per Programmierung erfasst) und einen nicht programmierbaren I/O-Knoten (der die Datenerfassung direkt durchführt). Die entfernte Feldhardware besteht hauptsächlich aus einem Überwachungsrechner (der Daten aus dem bestehenden Überwachungssystem per Software extrahiert). Bezüglich der Übertragungsleitungen gilt: Aufgrund der Gegebenheiten vor Ort beträgt der Abstand zwischen den einzelnen Subsystemen in der Regel maximal 1200 m. Die Standorte sind jedoch weit verstreut, und die Kommunikationshardware der einzelnen Subsysteme ist unterschiedlich, was zu erheblichen Signalstörungen führt. Vor diesem Hintergrund wurden die Eigenschaften verschiedener Kommunikationsmethoden (RS-232, RS-422, RS-485 und Glasfaser) verglichen und analysiert. Die RS-232-Übertragung weist eine geringe Datenübertragungsrate (in der Regel nur 20 kbit/s), eine geringe Übertragungsdistanz (in der Regel innerhalb von 15 m Kabellänge zwischen den Geräten) und eine Anfälligkeit für Signalstörungen an der Schnittstelle auf. Die RS-422-Busübertragung bietet zwar eine größere Übertragungsdistanz, verfügt aber über zu wenige Knoten. Glasfaserübertragung ermöglicht zwar große Kommunikationsdistanzen und stabile Leistung, ist jedoch zu teuer. Die RS-485-Übertragung zeichnet sich nicht nur durch große Übertragungsdistanzen und die Möglichkeit, mehrere Knoten (32) zu nutzen, aus, sondern auch durch geringe Übertragungsleitungskosten. Um die Kommunikationsstabilität zu verbessern und die Entwicklungskosten zu senken, wird daher die RS-485-Busübertragung eingesetzt. An der RS-485-Busschnittstelle benötigt der übergeordnete Industrie-PC eine RS-232/RS-485-Konverterkarte, um das serielle RS-232-Signal des PC-Ports in ein RS-485-Signal umzuwandeln. Die Situation bei den nachgelagerten Maschinen ist komplexer. Subsysteme mit einem Computer als unterster Ebene benötigen ebenfalls eine RS-232/RS-485-Konverterkarte. Subsysteme mit PC-basierten Controllern und Remote-I/O-Knoten als untersten Ebenen unterstützen hingegen die RS-485-Kommunikation direkt in ihrer Hardware, sodass keine zusätzlichen Hardwaregeräte erforderlich sind. 3.2 Software-Design Das System nutzt Multithreading-Technologie zur Entwicklung von Überwachungssoftware in der VC++ 6.0-Umgebung, um die zentrale Überwachung und Datenverwaltung des Anlagensystems zu realisieren. Die funktionalen Systemmodule sind in Abbildung 2 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 2: Funktionsstrukturdiagramm der VC++-Überwachungssoftware[/ALIGN] Der zentrale Überwachungshost sendet Datenabfragebefehle an die Datenerfassungs-Controller und Subsystem-Hosts jeder Station. Das Datenpaketierungsmodul ordnet die Befehle zu Datenabfragenachrichten, die anschließend über das Kommunikationsmodul an das Datensendemodul zur Kommunikation mit den nachgelagerten Geräten übertragen werden. Nach Erhalt einer Abfragenachricht werden die Daten über das Kommunikationsmodul und das Datenentpackungsmodul wiederhergestellt. Anschließend werden die Daten vom Datenspeicherverwaltungsmodul verarbeitet und gespeichert. Echtzeitdaten im Arbeitsspeicher werden an das Echtzeit-Überwachungsmodul übertragen, während Daten auf der Festplatte vom Datenstatistikmodul abgerufen werden. Hinsichtlich der Software-Frontend-Funktionalität umfasst das Echtzeit-Überwachungsmodul im Wesentlichen die Anzeige dynamischer Flussdiagramme, dynamischer Kurven, Echtzeit-Alarmanzeigen und des Kommunikationsstatus jeder Leitung. Das Modul zur statistischen Datenanalyse beinhaltet die Analyse des Gesamtbetriebs, Datenabruf und -bearbeitung, Abfrage historischer Kurven, historische Datenstatistiken sowie Berichtsausgabe und Druckfunktionen. Zusätzlich umfasst das Frontend Module für jede Arbeitsleitung und ein Modul zur Ausgabe von Kommunikationsinformationen. Das System bietet alle Funktionen herkömmlicher SCADA-Software und ermöglicht die umfassende Überwachung von Anlagen und die Verarbeitung von Informationen. Die Multithread-Seriellkommunikationstechnologie wird im Abschnitt „Schlüsseltechnologien“ erläutert. 3.3 Entwurf des Seriellen Kommunikationstreibers: Zur Implementierung der Kommunikationsfunktion könnte Microsofts benutzerfreundliches ActiveX-Steuerelement MSCOMM für die serielle Kommunikation direkt verwendet werden. Angesichts der Vielfalt der an der seriellen Kommunikation beteiligten Geräte und Typen verwendet dieses System jedoch Win32-API-Funktionen zur Entwicklung der Seriellkommunikationsklasse, um die serielle Kommunikationsfunktion komfortabel und flexibel zu implementieren. Die Win32-API ist eine Sammlung komplexer Funktionen und Meldungen, die die Unterstützung für serielle Schnittstellen und andere Kommunikationsgeräte mit grundlegenden Ein-/Ausgabetreibern integriert. Das System muss lediglich den seriellen Port und den seriellen Kommunikationstreiber über die Datenstruktur des Gerätesteuerungsmoduls (DCB) konfigurieren. Die grundlegenden Schritte für die serielle Kommunikationsprogrammierung sind: Öffnen des mit dem Peripheriegerät verbundenen seriellen Ports; Konfigurieren des Kommunikationssteuerungsmoduls (DCB-Struktur) gemäß dem Kommunikationsprotokoll; Initialisieren der Empfangs- und Sendepuffergrößen des seriellen Ports; Durchführen von Lese- und Schreibvorgängen; Verifizieren der korrekt empfangenen Daten; und schließlich Schließen des seriellen Ports nach Beendigung der seriellen Kommunikation. 3.4 Datenextraktion und -übertragung Für Subsysteme, die eine direkte Datenerfassung vor Ort erfordern, werden typischerweise Remote-I/O-Knoten und PC-basierte programmierbare Datenerfassungscontroller (PDCS) zur Datenerfassung verwendet. Die Daten werden anschließend in Datenframes organisiert und zur Verarbeitung und Integration durch den Host-Computer an den RS485-Bus gesendet. Für Subsysteme mit bestehenden Überwachungssystemen, deren Überwachungssoftware größtenteils mit Konfigurationssoftware entwickelt wurde, verwendet das System VC++ 6.0 zur Entwicklung der Datenübertragungssoftware. Subsysteme mit hoher Interoperabilität verwenden im Allgemeinen die DDE-Methode zum Auslesen von Echtzeitdaten. Bei Subsystemen mit geschlossener Software und geringer Interoperabilität werden die neuesten Daten direkt aus deren Datenbank oder Datendateien gelesen. Die zugrundeliegende Software überwacht regelmäßig die Attribute der Datenbank oder der Datendateien des geschlossenen Systems. Eine Änderung der Attribute signalisiert, dass neue Daten geschrieben wurden. Der neueste Datensatz wird extrahiert, in Datenrahmen organisiert und im entsprechenden dynamischen Array gespeichert. Er wartet auf einen Abfragebefehl des Host-Rechners, bevor er gesendet wird. Die Datenübertragung an den Host-Rechner erfolgt über den RS485-Bus. 3.5 Datenspeicherverwaltung Aufgrund der Systemcharakteristika – mehrere Geräte, Echtzeitaktualisierungen und große Datenmengen – umfasst das gesamte Datenbanksystem eine Echtzeitdatenbank und eine historische Datenbank zur Vereinfachung von Datenoperation, -verwaltung und -speicherung. Die Echtzeitdatenbank muss Echtzeitaktualisierungen und -verarbeitung ermöglichen und den dynamischen Datenaustausch in Echtzeit mit einem Webserver gewährleisten. Daher verwendet die Echtzeitdatenbank eine Kombination aus einer In-Memory-Datenbank und einer SQL Server 2000-Datenbank auf der Festplatte. Die historische Datenbank speichert abgelaufene Daten aus der Echtzeitdatenbank, die dauerhaft gesichert werden müssen. Die historische Datenbank verfügt über eine hohe Speicherkapazität und lange Aufbewahrungsfristen und basiert daher auf einer SQL Server 2000-Datenbank. Die kombinierte Nutzung der Echtzeit- und der historischen Datenbank ermöglicht ein optimiertes Datenmanagement. Dieses umfasst im Wesentlichen die Datenintegritätsprüfung, Datenstatistik, Speicherung, Komprimierung, Datensicherung und geplante Löschung. Die Datenstatistik konzentriert sich primär auf Verkehrsdaten. Die Datenkomprimierung komprimiert Echtzeitdaten, bevor diese in die historische Datenbank geschrieben werden. Für momentane Verkehrsdaten lassen sich Komprimierungsparameter (Komprimierungsabweichung, minimale und maximale Komprimierung) für unterschiedliche Datenmengen festlegen. Es werden nur Daten gespeichert, die die Komprimierungsabweichung überschreiten. Unveränderliche Echtzeitdaten werden nicht gespeichert, während sich ändernde Daten entsprechend den festgelegten Zeitintervallen komprimiert werden. Das System nutzt ADO-Technologie für die Datenmanipulation und -verwaltung und ermöglicht so einen leistungsstarken Zugriff auf Datenquellen sowie die nahtlose Integration mit dem Microsoft SQL Server 2000-Datenbankmanagementsystem. Das System kapselt drei Funktionstypen für Datenbankoperationen mit ADO: ① Funktionen zum Herstellen von Verbindungen zu Datenquellen, Abrufen von Datensätzen und Schließen von Datensätzen und Verbindungen; ② Funktionen zur Datensatzbearbeitung (z. B. Hinzufügen, Ändern und Löschen von Datensätzen); ③ Datenverwaltungsfunktionen, einschließlich Datenspeicherung, Komprimierung und Statistik. 4. Webbasierte Echtzeit-Fernüberwachung und Datenanalyse: Feldbusse haben zwar eine wichtige Rolle bei der Realisierung geräteorientierter Automatisierungssysteme gespielt, ihre Offenheit ist jedoch bedingt und unvollständig. Mit zunehmendem Produktionsumfang und steigenden Anforderungen an die Unternehmensinformatisierung wird ihre Offenheit immer unzureichender. Angesichts dieser Herausforderung haben sich Netzwerke auf Basis des TCP/IP-Protokolls, wie Internet, Intranet und Ethernet, rasant entwickelt. Im Vergleich zu Feldbussen bieten sie erhebliche Vorteile, darunter ausgereifte Technologie, kostengünstige Netzwerkprodukte und eine Vielzahl von Entwicklungswerkzeugen, was zu bedeutenden Durchbrüchen in der Fernüberwachung durch Mess- und Steuerungsnetzwerktechnologie geführt hat. Aus Sicht der bestehenden Systemarchitektur ist die Browser/Server-Architektur (B/S) derzeit am weitesten verbreitet und birgt großes Entwicklungspotenzial für industrielle Automatisierungssysteme. Die B/S-Architektur, die mit dem Aufkommen der Internettechnologie entstand, ist eine Weiterentwicklung der Client/Server-Architektur (C/S). Sie fügt der traditionellen C/S-Struktur eine zusätzliche Schicht hinzu, die Web-Service-Schicht, welche die ursprünglich vom Client ausgeführten Funktionen auslagert. Dadurch entsteht eine dreischichtige Struktur: Präsentationsschicht (Benutzeroberfläche), Funktionsschicht (Webserver) und Datenschicht (Datenbankserver). Im Vergleich zur C/S-Architektur bietet die B/S-Architektur folgende Vorteile: ① Benutzer müssen nur einen einzigen Browser (z. B. Internet Explorer) installieren, was eine einheitliche Benutzeroberfläche und einfache Bedienbarkeit ermöglicht; ② Da keine dedizierte Software auf dem Client installiert werden muss, erfordern Systemaktualisierungen lediglich die Aktualisierung der Webserver-Software, wodurch das System wartungsfreundlicher wird. ③ Die B/S-Architektur nutzt die Standardprotokolle TCP/IP und HTTP, bietet gute WAN-Unterstützung, hohe Skalierbarkeit, ermöglicht die Überwachung durch mehrere Benutzer und gewährleistet einen hohen Informationsaustausch. Das Fernüberwachungssystem basiert auf dieser B/S-Architektur (siehe Abbildung 3). [ALIGN=CENTER]Abbildung 3: Strukturdiagramm der Echtzeit-Fernüberwachung[/ALIGN] Der Webserver verwendet die Systemplattformen Microsoft Windows Server 2000, IIS 5.0 und Internet Explorer und nutzt ASP-Technologie zur Veröffentlichung von Systeminformationen. ASP (Active Server Pages) ist eine von Microsoft entwickelte serverseitige Skriptsprachenumgebung. ASP ermöglicht die nahtlose Integration von HTML-Webseiten, Skriptsprachen, ActiveX-Komponenten usw. zu einer Anwendung, die auf dem Server ausgeführt wird und benutzerdefinierte HTML-Seiten an den Clientbrowser sendet. Die zentrale Überwachungssoftware verarbeitet die in Echtzeit erfassten Felddaten im Arbeitsspeicher und speichert sie mithilfe der ADO-Datenbankzugriffstechnologie von VC in der Echtzeitdatenbank (temporäre Datenbank Tempdb) und der historischen Datenbank (Festplattendatenbank) in SQL Server 2000. Der Remote-Computer sendet über einen Webbrowser eine Anfrage an den Webserver. Nach der Verarbeitung ruft der Webserver die entsprechende ASP-Datei auf, um die Datenbank abzufragen. Die Abfrageergebnisse werden an den Webserver zurückgesendet und dem Browser als HTML-Seite angezeigt. Basierend auf einer B/S-Architektur und unter Verwendung der ASP-Technologie implementiert das System Funktionen für die Echtzeit-Fernüberwachung und Datenanalyse, darunter die dynamische Anzeige von Flussdiagrammen, die Echtzeit-Anzeige von Datenkurven und statistischen Diagrammen sowie die Echtzeit-Anzeige von Datentabellen. 5. Schlüsseltechnologien 5.1 Serielle Kommunikationstechnologie basierend auf VC++ Multithreading Die zentrale Überwachungssoftware verwendet eine Multithread-basierte serielle Kommunikationstechnologie, um Daten von Systemen niedrigerer Ebene abzufragen und zu empfangen. Die Software höherer Ebene verwendet einen Multithread-basierten Ansatz aus „Polling“ und „Nachrichtengesteuerter Kommunikation“. Der Hauptthread öffnet, konfiguriert und initialisiert die serielle Schnittstelle und erstellt Hilfs-Kommunikationsthreads. Diese Hilfs-Threads senden abwechselnd Abfragebefehle an verschiedene untergeordnete Gerätesysteme und überwachen den Kommunikationsstatus der seriellen Schnittstelle in Echtzeit, während sie auf Antworten der untergeordneten Systeme warten. Sobald Daten an die serielle Schnittstelle gesendet wurden, empfängt der Hilfs-Thread die Daten automatisch und sendet eine Empfangsmeldung an den Hauptthread. Dieser ruft die Daten anschließend ab und verarbeitet sie. Erhält der übergeordnete Kommunikationsthread innerhalb einer festgelegten Zeit keine Antwort von einem untergeordneten Subsystem, sendet er einen Befehl, um die Daten des nächsten Subsystems abzufragen. Durch dieses Polling-Verfahren werden Daten von allen Subsystemen an das übergeordnete System übertragen. Abhängig von der tatsächlichen Situation vor Ort verfügt das System über eine entsprechende Anzahl von Kommunikations-Threads zur Überwachung des Status der seriellen Schnittstelle der jeweiligen Kommunikationsleitungen. Das System definiert außerdem vier Meldungen: Senden, Senden abgeschlossen, Empfangen und Empfangen abgeschlossen, um die vorgesehenen Nachrichtenverarbeitungsfunktionen auszuführen. Da heterogene Systeme im Vergleich zu homogenen Systemen über mehrere Subsysteme und längere Kommunikationsleitungen verfügen, ist die Datenübertragung zwangsläufig externen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Um Kommunikationsinstabilitäten aufgrund objektiver Faktoren zu beheben, verwendet das Programmdesign ein Verfahren zum mehrfachen Senden wichtiger Daten. Abbildung 4 zeigt das Flussdiagramm der übergeordneten Software-Kommunikationsthreads im RS-485-Bus-Kommunikationsmodus. [ALIGN=CENTER] Abbildung 4: Flussdiagramm der übergeordneten Software-Kommunikationsthreads[/ALIGN] Um den Besonderheiten der seriellen Kommunikation gerecht zu werden, werden Ereignisobjekte verwendet, um den Zugriff jedes Threads auf den Kommunikationsport und die Speicherdaten zu synchronisieren und so Konflikte und Deadlocks zwischen mehreren Threads zu vermeiden. Konkret werden die sich überschneidenden E/A-Operationen durch die drei Funktionen WaitForSingleObject(), SetEvent() und ResetEvent() koordiniert. 5.2 Effektive Koordination mehrerer Kommunikationsprotokolle und Konfigurationsdateien Die zentrale Überwachungs- und Datenverwaltungssoftware auf Basis von VC++ bildet das Herzstück der gesamten Netzwerkarchitektur; ihre Datenverarbeitungsgeschwindigkeit und ihre durchdachte Programmarchitektur bestimmen die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems. Angesichts der realen Situation, in der mehrere Geräte und Systeme im Feld koexistieren, werden für die Datenübertragung verschiedene Datenrahmenformate verwendet. Unterschiedliche Systemgeräte nutzen unterschiedliche Datenrahmenformate, darunter sowohl das ursprüngliche, hardwaredefinierte Rahmenformat (auf der untersten Ebene das Remote-I/O-Knoten-Subsystem) als auch verschiedene benutzerdefinierte Formate. Zur Datenverifizierung wird eine Prüfsummenmethode eingesetzt, um die Korrektheit der empfangenen Daten zu überprüfen. Dies geschieht durch die Summe der ASCII-Codes aller übertragenen Zeichen, dividiert durch 255. Aufgrund der Eigenschaften des Systems mit mehreren Geräten und Systemen werden Daten sowohl direkt im Feld erfasst als auch aus bestehenden heterogenen Systemdateien gelesen; es liegen analoge, digitale und Schaltgrößen vor. Dies würde eine kontinuierliche Anpassung der Subsystem-Kommunikationsparameter während des Programmbetriebs erfordern, was wiederum Änderungen am Quellcode notwendig macht und zeit- und arbeitsaufwändig ist. Um die Flexibilität und Skalierbarkeit des Programms zu verbessern und die Designfehler der bisherigen Konfigurationssoftware zu vermeiden, verwendet das System eine Kombination aus Konfigurationsdateien und verschiedenen Datenrahmenformaten. Die Konfigurationsdateien werden gelesen, um die in jedem Gerät beteiligten Funktionsmodule zu initialisieren. Vor dem Programmstart werden die Kommunikationsparameter für verschiedene Geräte flexibel durch Änderung der Informationen in der Konfigurationsdatei voreingestellt, ohne dass das komplexe Originalprogramm angepasst werden muss. Die Systemkonfigurationsdatei ist in zwei Typen unterteilt: eine Datei mit Kommunikationsleitungsinformationen und eine Datei mit Datenstrukturinformationen. Erstere enthält für jede Kommunikationsleitung Portnummer, Baudrate, Anzahl der Subsysteme usw.; letztere enthält Informationen zum Datenrahmenformat, wie z. B. die Anzahl der Signale, Signalnamen und Verifizierungsmethoden. Die effektive Kombination mehrerer Datenrahmenformate und der Voreinstellungen in der Konfigurationsdatei verbessert die Flexibilität und Skalierbarkeit des Systems erheblich. 5.3 Datenbankimplementierungstechnologie: Auf dem Datenbankserver sollte ein relativ universelles und leistungsstarkes Datenbanksystem installiert werden, das den Datenaustausch mit dem Webserver erleichtert und die schnelle Speicherung der Daten der zentralen Überwachungsschicht ermöglicht. Auf dem Datenbankserver werden zwei Arten von Datenbanken aufgebaut: eine Echtzeitdatenbank und eine historische Datenbank. Erstere speichert Echtzeitdaten für die dynamische Anzeige durch den Webserver und erfordert eine hohe Zugriffsgeschwindigkeit. Letztere speichert historische Daten für jeden Zeitraum, um Benutzerabfragen und die Darstellung historischer Kurven zu ermöglichen, und benötigt eine große Datenkapazität. Streng genommen sollte für die Implementierung einer Echtzeitdatenbank ein dediziertes industrielles Echtzeitdatenbanksystem verwendet werden. Für Mess- und Steuerungssysteme sind die Echtzeitanforderungen jedoch nicht so hoch, und einige kommerzielle Datenbanksysteme wie SQL Server 2000 können diese erfüllen. Da die Datenerfassungs- und Speichergeschwindigkeit der zentralen Überwachungsschicht im Millisekundenbereich liegt, die Aktualisierungsrate des Fernzugriffs jedoch 10 Sekunden beträgt, wird für die Echtzeitdatenbank eine Kombination aus In-Memory-Datenbank und SQL Server 2000 verwendet. Die In-Memory-Echtzeitdatenbank wird durch die Allokation einer sequenziellen Liste linearer Datenstrukturen im Speicher implementiert, wodurch wahlfreier Zugriff und hohe Speichergeschwindigkeit erreicht werden. Die Speicherplatzberechnung erfolgt mithilfe dynamischer Arrays, die vom Programm bereitgestellt werden. Die SQL Server 2000-Echtzeitdatenbank verwendet die temporäre Datenbank Tempdb. Da die Daten in Tempdb nicht wie in anderen Datenbanken auf der Festplatte gespeichert werden, sind Operationen auf den Tabellen in Tempdb deutlich schneller als in anderen Datenbanken. Tempdb ist speziell für den dynamischen Datenzugriff auf Echtzeit-Überwachungsseiten in Webbrowsern konzipiert. 5.4 Dynamische Anzeigetechnologie für Webseiten Für die dynamische Fernüberwachung sollte idealerweise eine flussdiagrammbasierte Mensch-Maschine-Schnittstelle, ähnlich der eines DCS-Systems, im Browser implementiert werden. Dynamische Webseiten, die mit ASP generiert werden, können jedoch clientseitig nur tabellarische Daten anzeigen. Dies erschwert die Erstellung von Konfigurationsbildschirmen, statistischen Diagrammen, Kurven und anderen dynamischen Effekten. Um die Überwachungsoberfläche intuitiver darzustellen, werden JPG-Bilder und ActiveX-Steuerelemente in die Webseite eingebettet. Für die dynamische Überwachung muss die Seite in Echtzeit aktualisiert werden, mit einer Systemaktualisierungszeit von 10 Sekunden. Aufgrund der Einbindung von Bildern und ActiveX-Steuerelementen sind einige Flussdiagramme zu groß, um die Anforderungen über das Web zu erfüllen. Darüber hinaus kommt es beim Aktualisieren der Seite zu einem Flackern, da der Browser die Seitenressourcen neu lädt. Die einzige Lösung für diese Probleme besteht darin, nur die angezeigten Daten zu aktualisieren, ohne das Flussdiagramm zu aktualisieren. Dies erfordert die Aufteilung der dynamischen Anzeigeseite in eine Flussdiagrammseite und eine Datenaktualisierungsseite, die in einer Zwei-Frame-Seite integriert werden. Die Datenaktualisierungsseite aktualisiert sich automatisch alle 10 Sekunden, um die neuesten Daten vom Server abzurufen. Anschließend wird eine JavaScript-Funktion auf der Seite aufgerufen, die die neuesten Daten automatisch auf der Flussdiagrammseite anzeigt und so eine flüssige und dynamische Darstellung des Flussdiagramms gewährleistet. 6. Fazit: Die oben beschriebene Methode zur Entwicklung und Implementierung des verteilten, heterogenen dreistufigen Überwachungs- und Steuerungssystems wurde erfolgreich im dreistufigen Netzwerküberwachungs- und Datenmanagementsystem des Westbahnhofs Peking angewendet. Das System zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit, niedrige Kosten, Benutzerfreundlichkeit, Flexibilität und Skalierbarkeit aus. Dies zeigt sich insbesondere in: ① einer fortschrittlichen Architektur, die die Erweiterung und Anbindung an Ethernet und das Internet ermöglicht; ② leistungsstarken Funktionen, die das Öffnen mehrerer Hintergrundprozesse für die Echtzeitüberwachung verschiedener Anlagensysteme ermöglichen; ③ dem System, das über alle Funktionen herkömmlicher SCA-DA-Software verfügt und so eine umfassende Anlagenüberwachung und Informationsverarbeitung gewährleistet; ④ einer hohen Systemoffenheit mit Unterstützung der Protokolle TCP/IP und RS-485 sowie gängiger Managementdatenbankschnittstellen. ⑤ Flexible Systemfunktionen mit einer modularen Struktur, die es den Benutzern ermöglicht, Systemfunktionen einfach zu erweitern und Linienstrukturen zu modifizieren, wodurch das System leicht skalierbar ist.