基于冗余模式的SCADA系统数据同步机制设计

李寅 褚红健 王声柱

摘 要：针对基于双机冗余模式的SCADA系统，文章提出了一种数据同步方案。该数据同步方案保证了冗余SCADA系统实时数据、历史与报警数据、配置数据的一致性，进而保证了综合监控系统的高可靠性。多个风电场、光伏电厂、轨道交通SCADA系统均采用了本设计方案，充分验证了该方案的有效性。

关键词：冗余模式;数据同步;SCADA系统

0 引言

监控与数据采集系统（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）是集计算机、网络、通信、传感等技术于一体的工业自动控制系统。SCADA系统主要应用于电网调度、轨道交通、水供应、长输管道（石油、天然气）等能源领域。所以，一般的SCADA系统均采用冗余模式来提高其可用性和可靠性[1]。

SCADA系统中数据包括实时数据、历史与报警数据、配置数据，双机冗余模式的SCADA系统需要提供同步机制，以保证处于热备的SCADA系统数据的一致性。

1 冗余机制

冗余技术分为设备冗余和网络冗余，设备冗余为信号的实时采集、数据的实时存储以及设备的实时监控奠定了基础;而网络冗余为数据的传输、不同节点之间的调度提供了保障，从而使得SCADA系统在减少冗余切换时间的同时，最终保证其运行不受局部故障的影响。

在实时监控系统中，服务器是24小时不间断工作，而服务器冷启动时间较长。因此，服务器采用热备的冗余运行模式。双机热备模式即通常所说的active/standby方式，active服务器处于工作状态;而standby服务器处于监控准备状态，服务器数据包括数据库数据，同时往两台或多台服务器写入数据（通常各服务器采用RAID磁盘阵列卡），保证数据的即时同步。当active服务器出现故障的时候，通过软件诊测或手工方式将standby机器激活，保证应用在短时间内完全恢复正常使用[2]。

2 实时数据同步

SCADA系统实时运行数据存放在内存缓冲区中，以提高系统的响应速度和处理能力。实时库数据以文件形式持久化，保证下次系统断电、重启等重新初始化时能够正常载入数据，保证数据不丢失。在双机冗余模式下，主备服务器分别独立工作，各自处理不同应用的实时数据，实现可靠与高效的统一，如图1所示。每台工作站与服务器上都有完全同步的面向对象的实时数据库副本，因此，有分布式软件架构所具有的高效灵活的优点。并行对象管理服务（POMS）自动向连接到局域网络（LAN）的所有服务器和工作站发布数据。因为每台主机都维护着POMS数据库，刷新的数据只是POMS数据库的一部分，所以并行的面向对象的实时数据库极大地简化了系统容错功能设计。

当数据发生变化时，信息在局域网内广播，在网络内的工作站和服务器都可以收到广播信息。每条信息都含有序列号，信息丢失的时候会很快被发现，并发送重传丢失信息的请求。如果软件或硬件发生故障导致某一服务不再可用，那么将由运行在另一台主机或服务器上的进程自动接管这一服务。

3 报警/历史数据同步

SCADA系统报警/历史数据的同步是以同步备份文件的形式实现的，如图2所示。报警/历史数据在保存在主服务器的商用数据库中之后，系统会按照用户制定的时间计划将数据库中的报警/历史进行自动增量备份，并将备份文件保存在本机的备份目录中。在备份文件保存至备份目录前，系统首先要对备份目录进行维护。对于备份目录，有备份时间和大小的限制，以防备份目录过大占用过多的磁盘空间。完成维护本机备份目录的工作后，系统将生成的备份文件保存在本地备份目录中。

自动备份生成的备份文件保存到本地备份目录后，系统检索网络中其他主机的备份目录，并将对比本机备份目录与远方主机的备份目录，对其进行同步。在同步之前，系统同样将会对远方主机的备份目录进行维护。维护策略与本地备份目录相同。

备份文件传送至备用服务器的备份目录之后，会触发自动恢复过程。系统将会对新增的备份文件进行恢复，以保证备用服务器与主服务器的报警/历史数据一致性，达到双机热备的效果。

4 配置数据同步

SCADA系统配置数据的同步是以同步配置库备份文件的形式实现的。用户对配置数据进行修改并执行提交动作之后，系统会定时对配置数据进行备份，备份时间可以由用户设定。在没有执行备份动作的情况下，备份与恢复工具会每隔两周执行一次自动备份配置库。系统对配置数据的备份是完全备份。

主服务器在完成备份并将备份文件保存在本地备份目录后，同样会将配置数据备份文件同步至备服务器的备份目录。在备份文件被传递至备服务器的备份目录后，系统会将配置数据配备文件恢复至备服务器的配置库中，保持主备数据库的配置数据一致。

5 结语

随着现代工业的不断发展，生产企业的规模越来越大，对生产过程中的安全性和稳定性要求越来越高[3]。随着近年来工业自动化的发展，SCADA系统被广泛应用于电厂自动化、轨道交通、石油天然气管道等監控领域，涉及重大民生问题，因此可靠性尤为重要。本设计方案保证了双机冗余模式下SCADA系统的重要数据一致性，避免了因服务器切换造成的数据丢失，提高了SCADA系统的安全性、可靠性。

本数据同步方案运用在本公司综合监控系统软件平台中，已在多个风电场自动化监控项目、光伏电厂自动化监控项目、轨道交通综合监控项目中得到了应用与验证，并深受用户好评。

[参考文献]

[1]王达宗，马增良.冗余SCADA数据同步的设计与构建[J].计算机应用，2005（5）：87-92.

[2]张杰.地铁综合监控系统冗余机制探讨[J].科技风，2013（8）：51.

[3]钟洋洋，王毅璇，王皓，等.跨平台SCADA的历史数据收集与存储设计[J].计算机技术与应用，2018（12）：111-114.

（编辑 王永超）