應(yīng)用Xen虛擬技術(shù)和新型渲染技術(shù)實現(xiàn)ZPMC第四代組態(tài)軟件①

吳 波

(上海振華重工(集團)股份有限公司 智慧集團，上海 200125)

在工業(yè)4.0及互聯(lián)網(wǎng)+的大背景下，自動化碼頭、海工船舶等領(lǐng)域?qū)υO(shè)備高效管理、精準控制的要求越來越高，實時的系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集也就顯得尤為必要. 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度系統(tǒng)，可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制，同時具備設(shè)備狀態(tài)異常告警、歷史數(shù)據(jù)存儲等功能[1]. SCADA組態(tài)軟件的管理調(diào)度層可以直接發(fā)送控制命令到采集執(zhí)行層，通過自動化的控制系統(tǒng)降低企業(yè)運維成本，提高運行效率，而且SCADA組態(tài)軟件能夠采集不同節(jié)點、模塊的運行狀態(tài)，實時反饋，便于監(jiān)視和控制，一旦發(fā)生故障，SCADA組態(tài)軟件還可以及時發(fā)出報警信息，同時能夠從歷史數(shù)據(jù)庫中調(diào)取與事故相關(guān)的數(shù)據(jù)，輔助分析事故發(fā)生原因[2]. 通用、西門子、施耐德等的國際工控行業(yè)巨頭已經(jīng)開始推廣各類組態(tài)軟件系統(tǒng)解決方案，但是第三方組態(tài)軟件的成本高昂是一個非常現(xiàn)實的問題，對于工程實施過程中軟件功能的調(diào)整和升級，第三方往往附加收費用，且無法快速響應(yīng)公司個性化需求.

振華重工自主研發(fā)的新型組態(tài)軟件(ZPMCSCADA)采用數(shù)據(jù)中心集中管理，大大節(jié)省了服務(wù)器數(shù)量，降低了部署時間，而且后續(xù)每次維護和升級也不需要重復(fù)操作，人力成本也可大幅降低，總計軟硬整體成本開銷可以減少一半以上. ZPMC-SCADA不僅能夠為集團公司節(jié)約巨額系統(tǒng)采購支出和維護成本，并且能夠及時響應(yīng)集團公司自營項目的定制化需求，同時也可以保障軟件使用過程中信息安全問題.

從整體設(shè)計及功能分布來看，基于新架構(gòu)的ZPMC-SCADA已達到國內(nèi)先進水平，有效縮小了與國際頂級組態(tài)軟件提供商之間的差距，鞏固了公司在碼頭組態(tài)軟件領(lǐng)域的優(yōu)勢地位，彰顯了振華重工的軟件開發(fā)實力，獲得同行的一致認可和好評. 本文研究了振華重工新型SCADA的整體設(shè)計架構(gòu)、關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)以及軟件實施效果，對國內(nèi)組態(tài)軟件的研發(fā)與設(shè)計具有非常重要的借鑒價值.

1 新型組態(tài)軟件的設(shè)計架構(gòu)

1.1 目前存在的問題

目前，組態(tài)軟件系統(tǒng)的工程部署服務(wù)器數(shù)量多，耗時長，人力成本高，且無法支持多屏輸出，限于屏幕尺寸，單屏部署時會頻繁切換畫面，無法一目了然做到全景展現(xiàn)，且產(chǎn)生的訂閱事件會大量占用帶寬，導(dǎo)致通訊量增加. 更為重要的是，目前軟件平臺的擴展性差，只能運行在Windows操作系統(tǒng)中，這種局限性導(dǎo)致軟件和市場主流的移動科技難以合體，無法滿足用戶移動互聯(lián)的需求.

此外，軟件系統(tǒng)架構(gòu)過于陳舊，界面設(shè)計還停留在Win 2K風格，雖然采用運行效率較高的GDI渲染技術(shù)，但是已無法滿足用戶追求較高畫質(zhì)的要求，用戶普遍反映軟件存在圖形有鋸齒，縮放會失真等問題，從視覺上造成用戶體驗差，和國際知名組態(tài)軟件主流界面風格存在較大差距. 此外，由于缺乏一套標準的圖形庫建立模式和建立標準，圖形的尺寸、分辨率也沒有統(tǒng)一的標準定義，在工程制作時無法直觀方便的應(yīng)用到之前構(gòu)建過的圖形庫，導(dǎo)致資源無法被重復(fù)有效利用，造成了研發(fā)設(shè)計成本的極大浪費.

1.2 新架構(gòu)設(shè)計

針對目前組態(tài)軟件系統(tǒng)中存在的諸多問題，新的組態(tài)軟件期望達到以下目的：

(1) 通過Xen虛擬化的Web及移動應(yīng)用，實現(xiàn)集中部署，便于隨時隨地掌握生產(chǎn)運營、設(shè)備狀態(tài)信息，提升工程方案設(shè)計水平. 降低了服務(wù)部署操作復(fù)雜度，以及難以跨操作系統(tǒng)訪問問題.

(2) 通過分屏技術(shù)實現(xiàn)一機多用，簡化電氣操控人員的工作，減少通訊量，節(jié)省硬件資源，盡可能多的實現(xiàn)畫面展示，使展現(xiàn)內(nèi)容更為豐富. 無論是操作界面、視頻監(jiān)控、以及其他復(fù)雜的第三方程序，都可以通過分屏管理集成到ZPMC組態(tài)系統(tǒng)中實現(xiàn)動態(tài)分屏切換，使工程部署更加方便.

(3) 以提高用戶視覺感受為目標，從底層渲染技術(shù)到整體界面風格，從宏觀框架設(shè)計到軟件的Logo圖標，對軟件界面進行重構(gòu)，不僅要實現(xiàn)單任務(wù)質(zhì)量的提升，而且需要協(xié)調(diào)整個軟件架構(gòu)部署，實現(xiàn)界面風格的統(tǒng)一融合. 應(yīng)用SVG圖形標準呈現(xiàn)清晰無失真的實時監(jiān)控畫面，極大提升了用戶體驗.

系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)展示層，其中數(shù)據(jù)應(yīng)用層和數(shù)據(jù)展示層通過Xen技術(shù)為終端瀏覽器提供可視化操作界面，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，所用新技術(shù)都是通過私有化接口進行源碼級對接.

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

以上述軟件研發(fā)目的為導(dǎo)向，新架構(gòu)的組態(tài)軟件設(shè)計主要包含兩方面的內(nèi)容，如圖2所示：

(1) 以SCADA原生插件UC向下匯集所需的數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計工具及應(yīng)用;

(2) 通過Xen平臺向上建立訪問通道，實現(xiàn)ZPMCSCADA在瀏覽器、手機、平板設(shè)備的實時監(jiān)控，為形成SCADA整體解決方案打下堅實基礎(chǔ).

該架構(gòu)為ZPMC-SCADA帶來了非常大可擴展性.應(yīng)用原有自主研發(fā)可定制化的UC組件，可以整合、開發(fā)服務(wù)器端工具為整個系統(tǒng)服務(wù)，在與ZPMCSCADA無縫對接后，將用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給終端用戶，數(shù)據(jù)分析工具、數(shù)據(jù)統(tǒng)計工具、起重機診斷工具等一系列附加值較高的應(yīng)用，為后續(xù)整個產(chǎn)業(yè)鏈的升級打下基礎(chǔ).

自2003年《中華人民共和國政府采購法》正式實施以來，隨著國內(nèi)形勢發(fā)展和政府采購監(jiān)管工作的需要，政府采購監(jiān)管工作內(nèi)容也在不斷修正和完善。特別是黨的十八大以來，國家各級各部門轉(zhuǎn)變政府職能，進一步簡政放權(quán)，深化行政審批制度改革，政府采購監(jiān)管部門監(jiān)管理念也得以創(chuàng)新，放管結(jié)合，減少審批環(huán)節(jié)，各方當事人的自主權(quán)得到了很大提高。

圖2 整體設(shè)計架構(gòu)圖

2 新型組態(tài)軟件的關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)

2.1 Xen虛擬化技術(shù)

Xen技術(shù)是一個基于X86架構(gòu)、發(fā)展最快、性能最穩(wěn)定、占用資源最少的開源虛擬化技術(shù)，可以在一套物理硬件上安全的執(zhí)行多個虛擬機，特別適用于服務(wù)器應(yīng)用整合，可有效節(jié)省運營成本，提高設(shè)備利用率，最大化利用數(shù)據(jù)中心的IT 基礎(chǔ)架構(gòu)[3]. 相比較于傳統(tǒng)的解決方案，無論從工程的復(fù)用性還是部署的敏捷性方面，都可以顯示出基于Xen技術(shù)搭建的全新應(yīng)用系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，不僅實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心集中管理，而且控制并加密了訪問方式，極大提升了安全性.

新架構(gòu)的組態(tài)軟件采用強大的Xen-Hypervisor虛擬技術(shù)[4]，無縫兼容原有的系統(tǒng)及解決方案，用戶可能隨時隨地通過各種平臺的智能手機、平板電腦、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器對生產(chǎn)運營、設(shè)備狀態(tài)等指標進行實時監(jiān)控，避免了由于處理不及時導(dǎo)致的服務(wù)質(zhì)量下降和不必要的損失，實現(xiàn)ZPMC-SCADA 在Web和移動端的應(yīng)用[5].如圖3所示.

2.2 Direct2D渲染技術(shù)

隨著硬件性能不斷提高，充分利用硬件，解放軟件資源，已成為業(yè)內(nèi)共識. 與傳統(tǒng)的GDI 渲染模式相比，使用Direct2D 處理后的圖形可實現(xiàn)更高的視覺質(zhì)量，并且可隨GPU性能的擴展而不斷提升. Direct2D具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢：

(1) Direct2D支持硬件加速;

(2) Direct2D支持基于圖元的抗鋸齒效果;

(3) Direct2D可以和GDI和Direct3D交互使用.

新型組態(tài)軟件采用新構(gòu)建的GDC接口兼容原有的CDC常用的所有成員對象和成員函數(shù)，并且在GDC接口的基礎(chǔ)上同時支持GDI和Direct2D. GDC包含了一個延時渲染器，將每一個渲染操作作為一個節(jié)點收集在渲染隊列中，在收集所有繪制數(shù)據(jù)后，再統(tǒng)一進行渲染. 延時渲染器主要負責選擇繪制時機、提高Direct2D的渲染效率、方便資源的管理.

2.3 多屏多畫面映射技術(shù)

新架構(gòu)下的SCADA添加了一個多屏管理器，管理器包含了多屏配置數(shù)據(jù)和多個屏幕實例，每個屏幕實例包含著多個畫面. 多屏管理器屬于SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示層，后臺提供屏幕窗口配置功能，提前映射好彼此之間的關(guān)系，終端顯示時，可按照預(yù)先設(shè)定，在顯示屏上動態(tài)開閉窗體. 根據(jù)現(xiàn)場需求及兼容性多屏配置，實現(xiàn)畫面在特定屏幕上顯示[6].

圖3 Web及移動端應(yīng)用

圖4 全矢量圖形庫應(yīng)用

軟件程序記錄多屏配置數(shù)據(jù)并保存在多屏配置類中，多屏管理器在讀取多屏配置數(shù)據(jù)后，生成分屏類，每一個分屏生成單獨的主窗口，對應(yīng)并放置在各個屏幕上，每一個屏幕主窗口將包含若干個畫面. 多屏模塊的邏輯圖如圖5所示.

圖5 多屏模塊邏輯視圖

3 軟件實施效果

目前基于新設(shè)計架構(gòu)的ZPMC-SCADA已經(jīng)陸續(xù)被成功的運用到了公司的海工、散貨、起重機監(jiān)控系統(tǒng)及自動化碼頭的項目中. 新設(shè)計架構(gòu)下的組態(tài)軟件為集團公司節(jié)約了巨額系統(tǒng)采購支出和后期的維護成本，更為重要的是，在軟件架構(gòu)設(shè)計時可以充分考慮集團自營項目的定制化需求，能夠及時響應(yīng)集團公司對SCADA更新和改進的需求，更好的服務(wù)于公司的個性化業(yè)務(wù)需求和戰(zhàn)略部署.

3.1 應(yīng)用新渲染技術(shù)提升畫質(zhì)

采用行業(yè)主流的界面設(shè)計模式Windows Ribbon作為基調(diào)，應(yīng)用新一代圖形接口Direct2D和全矢量化圖形格式SVG，重構(gòu)系統(tǒng)交互式界面設(shè)計，解決了圖形鋸齒和縮放失真問題，使圖形顯示更加清晰和細膩，優(yōu)化用戶體驗，提高了實時監(jiān)控系統(tǒng)的工作效率.

3.2 形成混合式全矢量圖形庫

新架構(gòu)下的全矢量圖形庫可以幫助工程人員直觀、快捷的選擇之前積累的矢量圖形，而且在不破壞圖像的清晰度、細節(jié)的前提下，實現(xiàn)了圖像顯示任意縮放. 該圖形庫可為工程資源的復(fù)用提供強有力的保障，它的豐富程度將是衡量ZPMC-SCADA在業(yè)界優(yōu)勢地位的一個重要指標.

3.3 基于Windows研發(fā)的C/S架構(gòu)程序在多平臺的應(yīng)用

新架構(gòu)突破了傳統(tǒng)C/S架構(gòu)程序無法實現(xiàn)Web及移動端應(yīng)用的瓶頸，通過自適應(yīng)模式，可以滿足在任意操作系統(tǒng)(iOS、Android、WP)的設(shè)備和任意分辨率下的應(yīng)用. 用戶可通過智能手機、平板電腦、桌面和Web瀏覽器等多種方式，將數(shù)據(jù)在終端與同事或關(guān)鍵利益相關(guān)者共享.

3.4 實現(xiàn)分屏功能

ZPMC-SCADA應(yīng)用多窗多屏映射技術(shù)實現(xiàn)了屏幕與畫面的動態(tài)配置、全景展現(xiàn)，不僅可以在一個屏幕布局多個窗口，而且還可以在一臺計算機的多個屏幕部署不同窗口，達到成倍的擴展計算機桌面尺寸的目的. 在碼頭整體狀況、岸橋、軌道吊等需要實時監(jiān)控的情景下，一機全景展示碼頭監(jiān)控中的關(guān)鍵內(nèi)容，從而解放了硬件資源，大大減少了畫面切換次數(shù)，更好的保證了遠程監(jiān)控中心穩(wěn)定的運營，極大的提升了用戶體驗，提高了工作效率和系統(tǒng)的可用性.

4 總結(jié)

信息化、智能化的時代迫切需要功能更強大、更靈活的工業(yè)監(jiān)控，作為工業(yè)自動化系統(tǒng)的核心與靈魂的監(jiān)控組態(tài)軟件SCADA的市場潛力巨大. 國外同類產(chǎn)品在國內(nèi)定價較高，往往動則數(shù)百萬，而國內(nèi)公司開發(fā)的類似產(chǎn)品卻不能夠很好的滿足公司的技術(shù)要求.為了提升碼頭監(jiān)控系統(tǒng)的運作效率并改善用戶體驗、滿足集團公司的定制化需求，自主研發(fā)的ZPMCSCADA應(yīng)運而生，該軟件能夠極大的滿足公司業(yè)務(wù)需求，提升振華重工軟件研發(fā)的核心實力.

基于新架構(gòu)的ZPMC-SCADA在舊版本具備狀態(tài)監(jiān)視、故障監(jiān)視、歷史回放、報表生成等核心功能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了許多符合市場需求和技術(shù)發(fā)展趨勢的功能模塊：

(1) 采用最新的軟件架構(gòu)，支持豐富的界面元素，提高了用戶操作體驗;

(2) 首創(chuàng)多屏多畫面映射技術(shù)，實現(xiàn)了屏幕與畫面的動態(tài)配置，一機全景展示碼頭監(jiān)控中的關(guān)鍵內(nèi)容，極大地提高了系統(tǒng)運作效率.

(3) 支持各類移動端使用，包含以下系統(tǒng)的各類平臺：Windows、Windows Phone、Windows Surface、iPhone、iPad、Android設(shè)備，這在當今移動互聯(lián)的時代具有非常大的推廣價值.

新架構(gòu)基礎(chǔ)上的ZPMC-SCADA更加切合公司的定制化需求，能夠顯著提高實時監(jiān)控系統(tǒng)的效率，優(yōu)化用戶體驗，已被成功應(yīng)用于集團公司諸多大型項目中.ZPMC-SCADA致力于成為國內(nèi)頂級工業(yè)組態(tài)軟件，打造ZPMC自動化軟件名牌，為公司的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型和緊跟工業(yè)4.0的發(fā)展趨勢做好準備，ZPMC-SCADA整體設(shè)計架構(gòu)、關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)對國內(nèi)組態(tài)軟件的研發(fā)與設(shè)計也具有非常重要的借鑒價值.