技术方案:工业控制系统架构设计
一、系统架构设计
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分层架构:
- 客户端层:WPF应用程序(10+个)
- 通信层:基于SignalR的实时双向通信
- 服务层:.NET Core Web API
- 数据层:SQL Server + Redis缓存
- 设备层:OPC UA/Modbus TCP协议接入
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拓扑结构:
graph LR
A[客户端1] --> B(SignalR Hub)
A2[客户端2] --> B
A3[...] --> B
B --> C[.NET Core服务]
C --> D[SQL Server]
C --> E[Redis]
C --> F[PLC设备]
二、关键技术选型
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框架:
- 通信框架:ASP.NET Core SignalR
- ORM框架:Entity Framework Core
- 依赖注入:Microsoft.Extensions.DependencyInjection
- 日志系统:Serilog
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数据库设计:
CREATE TABLE [dbo].[DeviceData](
[Id] [int] IDENTITY PRIMARY KEY,
[DeviceId] nvarchar] NOT NULL,
[Timestamp] [datetime] NOT NULL,
[Value] decimal NOT NULL,
[Status] [int] NOT NULL
)
CREATE INDEX IX_DeviceData_Time ON [dbo].[DeviceData] ([Timestamp])
三、核心模块实现
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SignalR通信枢纽:
public class IndustrialHub : Hub
{
// 设备数据推送
public async Task SendDeviceData(string deviceId, double value)
{
await Clients.All.SendAsync("ReceiveData", deviceId, value);
}// 告警广播 public async Task BroadcastAlert(string message) { await Clients.All.SendAsync("ReceiveAlert", message); }}
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WPF客户端数据订阅:
private readonly HubConnection _connection;
_connection = new HubConnectionBuilder()
.WithUrl("https://server/industrialHub")
.Build();_connection.On<string, double>("ReceiveData", (deviceId, value) =>
{
Dispatcher.Invoke(() =>
{
dataChart.AddPoint(deviceId, value);
});
}); -
数据采集服务:
public class DataCollectorService : BackgroundService
{
protected override async Task ExecuteAsync(CancellationToken token)
{
using var opcClient = new OpcClient("opc.tcp://plc:4840");
while (!token.IsCancellationRequested)
{
var values = opcClient.ReadGroup("Group1");
_dbContext.BulkInsert(values);
await _hubContext.Clients.All.SendDeviceData(values);
await Task.Delay(1000, token);
}
}
}
四、性能优化设计
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数据传输优化:
- 使用MessagePack二进制协议替代JSON
- 数据压缩:LZ4压缩算法
- 批量传输:每500ms聚合数据包
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服务端配置:
{
"SignalR": {
"MaxConcurrentConnections": 100,
"TransportSendTimeout": "00:00:30",
"MaxMessageSize": 65536
}
}
五、安全机制
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认证授权:
services.AddAuthentication(JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme)
.AddJwtBearer(options =>
{
options.TokenValidationParameters = new TokenValidationParameters
{
ValidateIssuer = true,
ValidIssuer = "IndustrialSystem",
ValidateAudience = true,
ValidAudience = "ClientApp"
};
}); -
通信加密 :
- 强制使用WSS (WebSocket Secure)
- 证书双向验证
- 消息完整性校验:HMAC-SHA256
六、部署架构
- 高可用方案 :
- 服务端:Docker Swarm集群部署
- 数据库:SQL Server AlwaysOn集群
- 负载均衡:Nginx反向代理
- 网络隔离:工业控制区与信息区通过DMZ隔离
完整解决方案需包含:
- 设备连接抽象层(支持PLC/DCS/SCADA)
- 历史数据归档模块
- 实时报警引擎
- 客户端权限管理系统
- 数据可视化组件库(基于LiveCharts)