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工矿企业UPS网络监控系统的开发与设计

时间:2019-09-27

  马钢公司在各个重要生产线的电气设备、自动化控制系统及数据中心都安装部署了 UPS,这些UPS 投入使用时间大多数在 2003 年至 2007 年间,目前已进入了故障频发期。因此迫切需要建立一个 UPS 监测和管理的网络平台,通过信息化的手段对分布式 UPS 进行运行数据采集,对运行状态进行判断和隐患预报,及时有效的避免由于 UPS的突发故障而影响生产或造成设备事故。

  采用 SNMP 协议( 简单网络管理协议) 的网络管理卡的出现,使 UPS 通过网络管理卡( SNMP 代理) 接入网络就可以成为网络上的一个结点,实现正真意义上的 UPS 网络化。SNMP 不仅解决了网络的接入问题,而且不同 UPS 均提供了符合规范的 MIB( 管理信息库) 文件,监控系统的数据采集开发得到大大简化。本文仅涉及如何在 WindowS环境下开发基于 SNMP 的 UPS 网络管理程序,不涉及 SNMP 代理开发方面的内容。

  1、SNMP 及其开发工具

  1. 1、SNMP

  SNMP 是目前使用最为广泛的网络管理协议,是由一系列相关标准组成的,这些标准在 RFC 文档中定义。SNMP 体系框架包含三个组成部分:SNMP 实体,包括 SNMP 管理者和 SNMP 代理;SNMP 协议,用于在两个实体间传输管理信息的通信协议; 解决管理信息如何表示和描述的 MIB 和规定 MIB 书写规范的 SMI( 管理信息结构) 。

  SNMPv1 只定义了 5 种操作,SNMP 管理者使用 GetRequest 从拥有 SNMP 代理的网络设备中查询一个或多个对象。使用 GetNextRequest 则是请求下一个对象。使用 SetRequest 可以对设备中的参数进行远程配置和控制设备的行为。SNMP 代理以 GetResponse 消息响应 Get/GetNext/Set - Re-quest 操作。Trap 是由代理发出的,可以向管理者发送网络设备重启、连接关闭,设备通信中断或其它异常事件消息。Trap 的扩展机制,使设备生产商能为产品提供更丰富的 Trap 支持。

  每种操作都有对应的 PDU( 协议数据单元) ,PDU 是指在分层网络结构中,为实现某个协议,各层对等实体间交换信息的数据单元。PDU 被封装在 SNMP 报文( 消息) 中传送。在 MIB 中描述的管理信息称为被管理对象。

  每个对象都有其唯一的标识符 OID( 对象标识符) 。MIB 使用树型结构来管理对象。厂商或者个人可以定义私有的 MIB,来描述自己设备特有的管理信息。每台支持 SNMP 的网络设备,必须提供相应的 MIB 文件。依据这些 MIB 文件管理系统才能确定被管理设备中哪些信息能通过 OID 进行查询或设置。

  1. 2、开发工具 ICS

  在 Delphi 开发环境下,目前有许多支持 SNMP功能的第三方开发包,较有影响力的是 Synapse、Indy 和 ICS。使用这些开发包,可以大大简化 Win-dowS 环境下的 SNMP 编程工作。

  ICS ( Internet Component Suite) 是 Overbyte 公司推出的为 Delphi 和 C + + Builder 开发者提供的网络开发套件。包含了原生的 sockets、TCP、UDP协议及更高层次的 FTP、SMTP、POP3、NNTP、HT-TP 等协议的支持。ICS 采用非阻塞模式( 异步模式) ,可以在单一的线程中同时处理上百个连接。ICS 组件提供了大量的事件来控制程序的流向,在分配了事件句柄后,只要等待事件发生就行了。本文的对象不会超过 50 个结点/连接,完全可以在一个线程中处理,因此 ICS 是非常合适的 SNMP 应用的开发工具。

  ICS 在 提 供 了 实 现 SNMP 协 议 的 3 个 类TSNMPMib、TSNMPRec 与 TSnmpCli。TSNMPMib 类仅有三个属性。OID: 表示被管理对象的标识; Value: OID 所指对象的数值; Val-ueType: 数值的数据类型。TSNMPRec 类属性中最为重要的是 SNMPMib-List,一个容纳多个 OID / 值对的查询队列,其成员的数据类型为 TSNMPMib。在 TSNMPRec 中由 En-codeBuf 方法负责 Get / GetNext 的编码,DecodeBuf方法能同时处理 SNMPv1 和 v2c 两种 Trap。由 MI-BAdd、MIBDelete 完成对查询队列中 OID / 值对的添加与删除,即变量绑定工作; 由 MIBGet 从队列中获取指定 OID 对象的值。

  TSNMPCli 是完成 SNMP 客户端开发的类。TSNMPCli 类的属性 Query 负责存储将要查询的对象的 OID/值对队列; 属性 Reply 负责存储接收到的应答中对 象 的 OID/值 队 列,两 者 成 员 都 是TSNMPRec 类型。TSNMPCli 的 SendTo 方法执行Get 操作,查询对象可由 Query 属性指定,可以进行批量查询; Get 方法执行 Get 操作,查询对象由 OID属性指定,一次只查询一个对象; GetNext 方法执行GetNext 操 作,查 询 起 点 由 其 OID 参 数 指 定。TSNMPCli 事件 OnRequestDone: 查询完成后触发的事件。

  2、开发的实施

  2. 1、轮询( Polling)

  查询操作流程,如下图:


图 1 查询操作流程 

  开始查询之前必须经过组态,组态是构建PDU 的必须过程,也是进行管理的一种手段。组态操作主要借助 GUI 来完成,操作的顺序为: 添加驱动,每种驱动对应一个 MIB 文件; 添加 UPS 设备,指定代理的 IP 地址、本地监听端口、超时检测、数据采集频率等; 建立分组,可以对要查询的对象进行分组管理,如输入信号编入一组,电池信号编为一组等; 添加变量( 被管理对象) ,包括变量名和实例 ID( 可以直接从 MIB 浏览器中拷贝粘贴) 。组态信息通过 TreeView 和 ListView 显示,组态数据全部由后台组态数据库进行维护。


图 2 组态的 GUI 

  组态完成后就可以用 InitSNMP 方法为每个UPS 创建一个 SNMP 连接并对其查询 PDU 进行初始化。首先从数据库中提取组态信息,将所有 UPS结点信息存入以 PNodeInfoRt 类型变量为成员的NodeList,结点下的变量存入以 PVarInfoRt 类型变量为成员的 VarList 中。PNodeInfoRt 和 PVarInfoRt为运行时结点和变量的数据结构。

  执行查询操作是 GetDateBatch,该方法将调用TSNMPCli 类的 SendTo 发出查询请求。主要流程是调用 PostMessage,将 FMsg_WM_LISTENING 消息寄送到消息队列里并返回。当应用程序窗体收到一条消息后,调用 WndProc 判断是否为 FMsg_WM _ LISTENING,如果是,使用 Query. EncodeBuf进行编码,然后将存放在 buffer 中的查询报文发送给代理。

  在 InitSNMP 部分,我们为 SnmpCliList 的 On-RequestDone 事件分配了句柄———SnmpCliBatchRe-questDone,该过程将对接收到的响应数据报文进行处理。

  在这个过程中,首先根据 IP 地址到 NodeList中去查找对应结点在 NodeList 中的索引。在触发OnRequestDone 事件之前,TSNMPCli 已经用 Reply.DecodeBuf 方法进行解码,并将解码的结果保存到Reply. SNMPMibList 属性中。

  2. 2、陷阱( Trap)

  TSNMPCli 类不能接收 Trap( 此时管理系统是服务器,TSNMPCli 类不支持服务器端开发) 。我们自己建立一个 TSnmpTrap 类,其中 DecodeTrap 方法参考了 TSNMPRec 类的 Decode 方法。Trap 的接收和处理,使用 ICS 提供的 TWSock-et 组件的 DataAvailable 事件实现,事件处理过程中调用 TSnmpTrap 类的方法进行报文解析和数据提取。


图 3 SNMP 查询日志 

  实测当每个结点刷新频率为 1 秒时,分别进行了不同数量采集数据的响应时间测试,测试结果如表 1 所示。从测试结果看,相同的采集数量单结点和多结点同时采集的响应时间相差不多,响应时间的长短还取决于网卡的处理性能,对单 UPS 每秒采集 300 个数据没有压力,已经能满足要求。

表 1 SNMP 查询性能测试结果
 

  3、结论

  基于 SNMP 协议的 UPS 数据采集系统是完成了 UPS 网络监控系统的构建的基础。本文所完成的数据采集系统可达到 1 秒同时采集 7 台 UPS 共500 左右个过程数据的性能。在此基础上完成的监控系统可以解决 UPS 电源数量多、品牌多、多地域网上巡检、监测和管理难题,不仅有效的降低UPS 电源维保成本,而且通过隐患发现早、分析依据多、查清原因准,排除故障快等优势减少 UPS 电源没有起到后备作用而引发的重大设备事故。

  参 考 文 献
  [1] 周 波,刘春玉,王 毅 . UPS 实时监控系统的设计[J]. 武汉理工大学学报( 信息与管理工程版) ,2013( 1) :32 -35
  [2] 孔彦虎. UPS 在线远程状态监测及报警技术的应用[C]. 石家庄:2014 钢铁企业设备故障远程诊断技术与无损检测交流会论文集,2014( 1) :276 -282
  [3] 郭亚杰,相有桓,韩慧奇. UPS 网络集中监控系统设计与实现[J]. 电子技术,2013( 10) :26 -28
  [4] 郭连强,谭敬华,胡晓林等. 实现 UPS 远端维护管理的方法[J]. 黑龙江科技信息,2010( 26) :106
  [5] 何来坤. 基于校园网内 SNMP 的 UPS 远程监控系统设计与实现[J]. 杭州师范大学学报( 自然科学版) ,2009( 1) : 62 - 65
  [6] 王小维. 基于 SNMP 的网络监控系统的设计与开发[D]. 北京: 北京化工大学,2011 -12 -20
  [7] 江伟石. 网络 UPS 之集中管理[J]. UPS 应用,2014( 4) :1 -3
  [8] 龚尚福,刘二恩,冯健. 基于 SNMP 的 MIB 树结构研究与实现[J]. 计算机应用与软件,2013( 12) : 163 -166

 

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