楊 君 蘇海軍 郭洪雷 李德明

1（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國科學院大學 北京 100049）

小型工業(yè)加速器遠程監(jiān)控系統(tǒng)

楊 君1,2蘇海軍1郭洪雷1李德明1

1（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國科學院大學 北京 100049）

根據小型工業(yè)電子加速器監(jiān)控系統(tǒng)的特點及需求，采用VC++開發(fā)出一套遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現了遠程監(jiān)測、遠程控制、設備及權限管理等功能。測試結果表明，該系統(tǒng)具有較高的實時性、穩(wěn)定性和擴展性，便于加速器的使用人員進行遠程監(jiān)測設備，且可以改變加速器制造企業(yè)的維修方式，降低維修成本。該系統(tǒng)具有廣泛的應用前景。

小型加速器，遠程監(jiān)控，VC++

國內外大型加速器實驗室多采用計算機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，如國際直線對撞機(International Linear Collider, IL C)的全球加速器網絡系統(tǒng)(Global Accelerator Network, GAN)，國內基于Web的BEPCⅡ (Beijing Electron Positron Collider Ⅱ)磁鐵電源的遠程監(jiān)控系統(tǒng)[1]，而小型工業(yè)電子加速器領域的控制系統(tǒng)仍采用基于單臺計算機的現場監(jiān)控模式，所有數據和運行狀態(tài)都在現場計算機上顯示。隨著互聯(lián)網技術的飛速發(fā)展，對于加速器管理者來說，其對查看設備的運行情況提出了更高的需求；對于加速器制造商來說，數量眾多的設備分布在不同的地點，維修任務量將越來越大，數據量也將成倍增加，而維修人員的數量卻無法增加太多。

本文提出的小型工業(yè)加速器遠程監(jiān)控系統(tǒng)旨在通過網絡遠程監(jiān)視、控制電子加速器，從而使管理或維修人員能隨時隨地通過網絡監(jiān)控加速器，及時了解加速器運行情況并能遠程操作加速器，從而改變傳統(tǒng)維修的模式，提高維修速度，節(jié)省人力成本。

1 系統(tǒng)描述

小型工業(yè)加速器監(jiān)控系統(tǒng)采用Client/Server (C/S)，實現現場和遠程控制方式，具有加速器設備信息、運行狀態(tài)的顯示和控制功能。在系統(tǒng)的運行過程中，工作人員可以在現場通過組態(tài)程序監(jiān)控實時數據流，也可選擇遠程控制方式即采用遠控客戶端進行遠程監(jiān)控。

系統(tǒng)具有服務器和客戶端雙重權限管理功能，按權限大小，從大到小依次分為5個等級：管理員級、系統(tǒng)級、組長級、組員級、客戶級。服務器根據用戶權限發(fā)送相應的變量數據，客戶端根據用戶權限訪問自己被授權的資源。系統(tǒng)中用戶和密碼又緊密地與權限管理交互統(tǒng)一[2]。

在各個程序之間有大量數據需要交互，因此設計了統(tǒng)一的通信協(xié)議，通信內容包括報頭、通信序號、源名稱、目標名稱、數據和結束符。

系統(tǒng)由PLC硬件平臺、數據采集程序、服務器和遠程客戶端程序組成，如圖1所示。

該系統(tǒng)的檢測和控制對象是小型工業(yè)加速器，本身具備控制器和組態(tài)程序，可以滿足現場操作的需求。組態(tài)程序直接獲取電子加速器的所有運行數據；而遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要從組態(tài)程序那里獲取這些運行數據，并上傳到遠程服務器上。OLE for Process Control (OPC)通信協(xié)議的出現為基于Windows的應用程序和現場過程控制應用建立了橋梁，通過OPC實現與電子加速器組態(tài)程序的數據交互，可實現對設備本地實時監(jiān)測、控制及故障提示等功能[3]。

服務器采用高性能的計算機，能處理多個數據采集程序發(fā)來的命令請求并存儲其上傳的數據流，同時響應多個遠控客戶端的連接請求并發(fā)送實時數據流。

軟件系統(tǒng)包括數據采集程序、服務器和遠控客戶端程序，其中數據采集程序通過OPC通信協(xié)議實現與多種組態(tài)程序通訊[4]，數據采集程序、遠控客戶端程序都是通過TCP/IP (T ransmission Contr ol Protocol/Internet Pro tocol)和UDP (Us er Datag ram Protocol)等協(xié)議實現與服務器通訊，在整個軟件系統(tǒng)中，遠控客戶端程序可實現對現場設備運行狀態(tài)的在線遠程監(jiān)控以及運行狀態(tài)的調整。

圖1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)網絡示意圖Fig.1 Network diagram of remote monitoring system.

2 系統(tǒng)結構

遠程監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成結構包括數據采集程序、服務器和遠控客戶端程序。

傳輸過程中數據采取DES (Data Encr yption Standard)對稱加密技術，其中數據采集端到服務器建立VPN (Virtual Private Network)通道（虛擬專用網絡），并采用防火墻控制，保證數據傳輸的安全。

2.1 數據采集程序

數據采集程序在Visual S tudio 2008（簡稱VS 2008）開發(fā)環(huán)境下基于C++語言開發(fā)，隨組態(tài)程序同時啟動，采用OPC協(xié)議與本機上的組態(tài)程序實時通訊，獲取實時變量值后存儲在本地Access數據庫，同時與服務器連接并接受時間校準，通過較可靠的基于UDP協(xié)議的Enet開發(fā)包將實時數據流上傳給服務器[5]。

數據采集程序采用通用接口OPC技術，使得系統(tǒng)適用于不同類型的加速器，具有一定的擴展性。數據采集程序設計流程圖如圖2所示。

其中Socket通信采用的是非阻塞模式，本地數據變量表中儲存電子加速器相關的開關量、模擬量。以1 s為時間間隔實時讀取相關的變量值并上傳給服務器。循環(huán)發(fā)送實時數據流程序偽代碼見圖3。

2.2 服務器

服務器在基于C/S模式的遠程監(jiān)控系統(tǒng)中尤為重要，要求運行性能穩(wěn)定和高效，安裝運行的操作系統(tǒng)采用Windows Server 2003企業(yè)版，數據庫采用SQL Server；它接收的設備運行數據來自于現場加速器數據采集程序，要求滿足數據實時接收，保存到數據庫中，并響應客戶端對實時數據流的請求；允許遠控客戶端的遠程控制請求后，可以向現場加速器的組態(tài)程序監(jiān)控界面發(fā)送參數修改指令，從而實現遠程操作現場加速器的功能。

圖2 數據采集程序流程圖Fig.2 Flow chart of data acquisition program.

圖3 實時數據采集處理程序偽代碼圖Fig.3 Pseudo-code chart of real-time data acqusition and processing.

服務器是在VS 2008開發(fā)環(huán)境下基于C++語言開發(fā)，采用多線程技術處理多個客戶端同時訪問請求，利用消息機制來處理相關命令，服務器的相關功能模塊如圖4所示。父類建立非阻塞套接字后，創(chuàng)建兩類子線程分別管理UDP服務器線程和套接字TCP線程，并監(jiān)測客戶端的連接請求，當有新的客戶端連接請求，創(chuàng)建子類，子類創(chuàng)建收、發(fā)線程，利用收線程獲取數據采集程序上傳的實時數據流，通過數據處理函數處理后，利用發(fā)線程，下載給已連接的客戶端，從而實現數據流通信。

圖4 服務器的基本功能模塊圖Fig.4 Block diagram basic function modules on server end.

通過Socket與數據采集程序和客戶端進行數據交互和網絡通信，其中操作命令采用TCP/IP協(xié)議通信[6]，實時數據流傳輸采用UDP協(xié)議通信，實現如下功能：

(1) 數據同步和存儲

通過連接認證后，可以接受現場加速器數據采集程序發(fā)送過來的運行參數、報警參數和狀態(tài)參數等內容，并保存到SQL Server數據庫中；同時響應客戶端實時數據流的請求，將實時數據流發(fā)送給客戶端。

(2) 數據補缺

在出現數據缺失的情況下，向指定現場加速器數據采集程序發(fā)送相關命令請求，要求上傳缺失的數據。

(3) 數據查詢

具有查詢權限的技術人員通過遠控客戶端訪問服務器，通過查詢設備的歷史數據參與分析普通加速器的運行情況和故障原理，做出維修方案。

(4) 權限管理

針對不同權限的用戶，服務器授予相應的訪問資源。

(5) 專家指導

針對普通客戶端提出的意見請求，專家或維修人員利用遠控客戶端，提交反饋建議對其進行遠程指導[7]。

實時數據流通信因為傳輸數據量大且要求一定的實時性，故采用Enet開發(fā)包，Enet是一個易用的、可移植的UDP網絡開發(fā)包，主要功能包括連接和管理可靠的按順序的多通道包傳輸機制、包分解和重新打包、避免堵塞機制等[8]。

2.3 遠控客戶端

遠控客戶端程序基于C++編寫，采用TCP/IP協(xié)議與服務器實現通訊，同時采用Enet開發(fā)包從服務器獲取現場的實時數據流。同時也將要修改的變量值發(fā)送給服務器，服務器發(fā)送給數據采集程序，從而實現對現場加速器設備變量的遠程控制功能。設計流程圖如圖5所示。

遠控客戶端引入了權限管理功能，權限級別如上文所述，只有系統(tǒng)級及以上的用戶才可以進行遠控端的管理。

加速器設備管理中具有對加速器設備變量的實時檢測和控制功能，引用多線程和消息機制，并結合Enet開發(fā)包進行數據流的實時更新顯示和相關變量的遠程控制。其中遠程控制功能需要經過數據采集程序的手動確認后才可用。

網絡地址轉換(Network Address Translation, NAT)是一種把多個私網IP地址映射到一個或多個公網IP地址，使經過“偽裝”后的私網IP可以順利訪問互聯(lián)網的方法。為實現不同私網主機之間（端點到端點）通訊，采用穿透NAT技術[9]。實時監(jiān)測功能設計流程見圖6。

圖5 遠控客戶端程序的基本功能模塊圖Fig.5 Block diagram of basic function modules on the remote client side.

圖6 遠控客戶端實時監(jiān)測模塊流程圖Fig.6 Flow chart of real-time monitor modules on the remote client side.

3 數據庫設計

根據系統(tǒng)的功能，本文采用兩種數據庫：一種是Access數據庫，用于數據采集程序存儲本地實時數據流；另一種是微軟SQL Server數據庫[7]，用于服務器存儲實時數據流、客戶端操作記錄、故障和產能統(tǒng)計、設備管理、專家維修指導記錄等。

數據采集程序將實時數據流存儲在本地Access數據庫，以便在斷網等原因所造成的數據缺失的情況下，將指定時間內的缺失數據上傳至服務器。由于Access數據庫表單大小的限制，這里采用每一個月保存一個表單。

服務器需要存儲大量數據，對數據庫[10]可靠性和性能要求較高，故采用SQL Server數據庫。根據服務器功能，數據庫設計很多表，其中最重要的包括加速器實時數據流表和操作權限表。

對于實時數據流監(jiān)測功能，主要用到加速器實時數據流表，每一臺加速器都對應一張實時數據流表，為方便實時數據流的傳輸，數據流表包含時間和數據兩個字段，分別代表實時數據流的采集時間和實時數據流的變量值串，實時數據流的變量值串格式為：變量值+變量值+…+變量值。

因權限不同，各級人員可操作不同資源。比如只有管理員級和系統(tǒng)級才可以遠程操作加速器。

4 系統(tǒng)測試與結果

系統(tǒng)通過穿透NAT技術實現數據采集程序、服務器和遠控客戶端在廣域網內的通信[9]。測試的網絡結構拓撲圖如圖7所示。服務器程序放在商用的云服務器上，后臺和客戶端在實驗室的局域網內。

圖7 測試的網絡結構拓撲圖Fig.7 Network topological graph of test environment.

首先，連接好硬件設備后，給可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)模擬仿真平臺上電，準備就緒后，打開組態(tài)程序，運行如圖8所示本地監(jiān)控系統(tǒng)，同時打開數據采集程序，實時讀取組態(tài)程序中的設備變量值，向服務器請求連接通過后，數據以統(tǒng)一的通信格式上傳至服務器，服務器將取得的實時數據流存儲在SQL Server數據庫中，遠控客戶端向服務器請求連接登錄后可選擇監(jiān)控對應的加速器設備，穿透NAT進行點對點連接后，即可實現對某臺加速器設備的實時監(jiān)控。遠控客戶端如圖9所示。

圖8 本地實時監(jiān)控界面Fig.8 Local real-time monitor window.

圖9 遠控客戶端遠程實時監(jiān)控界面Fig.9 Remote client’s real-time monitor window.

測試過程中，本地監(jiān)控系統(tǒng)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)對應的開關量和模擬量相同，說明兩者具有一致性；更改本地監(jiān)控系統(tǒng)上變量數據值，遠程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測界面上相應變量也實時改變，平均響應時間小于1 s，說明對模擬量的遠程監(jiān)測功能實現成功；遠程監(jiān)控系統(tǒng)獲得數據采集程序的遠程控制允許后，更改遠程監(jiān)控系統(tǒng)界面上變量值，本地監(jiān)控系統(tǒng)上變量數據值也隨之改變，平均響應時間小于1 s，說明對模擬量的遠程控制功能實現成功，體現系統(tǒng)較好的實時性。

改變遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的開關量，PLC模擬平臺中對應的指示燈也隨之改變，說明對開關量的遠程監(jiān)控功能實現成功。

經過兩次較長時間系統(tǒng)穩(wěn)定性測試，服務器、數據采集程序和遠控客戶端三者測試結果見表1。

表1 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試結果Table 1 Test results of system stability.

測試次數1表示在服務器穩(wěn)定運行時長為51 h內，數據采集程序上傳時間為45 h，客戶端登錄次數為34次。從服務器正常運行時長可見系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

5 結語

本文提出了一種小型工業(yè)加速器遠程監(jiān)控系統(tǒng)的方法，在Windows環(huán)境下，利用C++的編程技術開發(fā)出遠程監(jiān)控系統(tǒng)，基于OPC協(xié)議使系統(tǒng)具有較好的擴展性。測試結果表明該系統(tǒng)具有較高的實時性和穩(wěn)定性，將該系統(tǒng)應用于小型工業(yè)加速器后，可以改變傳統(tǒng)維修的模式，提高維修速度，提升遠控服務水平，節(jié)約成本。此外，隨著“互聯(lián)網+”時代的到來，移動互聯(lián)化的遠程監(jiān)測系統(tǒng)是今后需努力的方向。

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CLC TL362+.5

Implementing remote monitor and control system for industrial small accelerator

YANG Jun1,2SU Haijun1GUO Honglei1LI Deming1
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: A small accelerator monitoring system based on local mode cannot meet the challenge of accelerator manufacturers and the accelerator users in the internet era. Purpose: This study aims to realize the remote monitoring by designing a remote monitor and control system for industrial small accelerato r. Methods: Under the client/server (C/S) framework, OLE fo r Process Control (OPC) protocol is ad opted for the d ata communication between client side and server end. Visual C++ programing is applied to implement functionalities such as remote monitor, rem ote control, equ ipment and autho rization m anagement and other s on both sides accor ing to th eir functional localization. Results: Testing results show the system has high real-time, stability and expansibility, which is convenient for user to monitor accelerators and change the service mode of accelerator. Conclusion: The system not only helps manufacturer to reduce the cost of accelerator maintantance, but also has a broad application prospects for industrial small accelerators.

Small accelerator, Remote monitor and control, VC++

TL362+.5

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.100402

楊君，男，1990年出生，2013年畢業(yè)于南華大學，現為碩士研究生，研究領域為加速器控制系統(tǒng)

蘇海軍，E-mail: suhaijun@sinap.ac.cn

2015-08-10，

2015-09-06