.NET 8 分布式工业控制系统架构设计

系统概述

本文介绍一个基于 .NET 8 的分布式工业控制系统架构。该系统用于钢厂智能燃烧控制，包含以下核心模块：

SteelMill.Api：Web API 服务，提供 RESTful 接口
SteelMill.Dms：数据采集服务，从硬件设备采集数据
SteelMill.Ice：算法引擎服务，执行控制算法
SteelMill.SoftDog：看门狗服务，监控其他服务状态
SteelMill.Client：桌面客户端，嵌入 WebView2

系统架构图

                    [SoftDog] (看门狗监控层)
                         ↓ 监控
                ┌────────┼────────┐
                ↓        ↓        ↓
硬件设备 
   ↓
[Dms] → Redis (发布数据)
   ↓
[Ice] → Redis (订阅数据 + 发布结果)
   ↓        ↑
   ↓        │ 动态加载
   ↓   [Ice.Mod] (算法模块)
   ↓
[Api] → Redis (订阅) + PostgreSQL (持久化)
   ↓
[Client] → WebView2 (前端界面)

技术栈

| 组件 | 技术选型 | |-----|---------| | 框架 | .NET 8 | | Web | ASP.NET Core | | 桌面 | WPF + WebView2 | | 数据库 | PostgreSQL + TimescaleDB | | 缓存 | Redis | | ORM | SqlSugar | | 认证 | JWT | | 通信 | Modbus / Redis Pub/Sub |

模块职责

SteelMill.Common（公共库）

所有模块共享的基础设施：

初始化器：数据库、Redis、JWT、日志统一初始化
认证授权：JWT 生成/验证，Token 管理
数据库：SqlSugar 配置，DbHelper 封装
Redis：连接管理，常用操作封装
日志：数据库日志、文件日志
加密：配置文件加密/解密

SteelMill.Dms（数据采集服务）

public class DmsManager {
    private Timer? _pollTimer;

    public void Start() {
        // 每秒采集一次数据
        _pollTimer = new Timer(async _ => {
            var data = await CollectFromModbus();
            await PublishToRedis(data);
            HeartbeatService.PublishHeartbeat("DMS", StateEnum.ONLINE);
        }, null, TimeSpan.Zero, TimeSpan.FromSeconds(1));
    }
}

SteelMill.Ice（算法引擎服务）

支持动态加载算法模块 DLL：

public class AlgorithmEngine {
    private readonly Dictionary<string, IAlgorithmModule> _modules = new();

    public void LoadModules() {
        var modulesDir = Path.Combine(AppDomain.CurrentDomain.BaseDirectory, "Modules");
        foreach (var dll in Directory.GetFiles(modulesDir, "*.dll")) {
            var assembly = AssemblyLoadContext.Default.LoadFromAssemblyPath(dll);
            var module = // 反射创建实例
            _modules.Add(module.Name, module);
        }
    }

    public void Execute(string moduleName, DataContext context) {
        if (_modules.TryGetValue(moduleName, out var module)) {
            var result = module.Calculate(context);
            RedisHelper.Publish($"ICE:Result:{moduleName}", result);
        }
    }
}

SteelMill.SoftDog（看门狗服务）

监控其他服务进程，自动重启：

public class AppManager {
    private readonly List<AppConfig> _apps;

    public void StartMonitoring() {
        foreach (var app in _apps) {
            // 订阅心跳
            HeartbeatService.SubscribeHeartbeat(app.Name, heartbeat => {
                app.LastHeartbeat = DateTime.Now;
                app.State = heartbeat.State;
            });
        }

        // 定时检查
        _checkTimer = new Timer(_ => {
            foreach (var app in _apps) {
                if (app.State == StateEnum.ERROR || IsHeartbeatTimeout(app)) {
                    RestartApp(app);
                }
            }
        }, null, TimeSpan.Zero, TimeSpan.FromSeconds(5));
    }
}

SteelMill.Client（桌面客户端）

嵌入 WebView2 加载前端页面：

public class MainWindow : Window {
    private WebView2 _webView;

    public async Task InitializeAsync() {
        await _webView.EnsureCoreWebView2Async();
        
        // 注入机器码到 HTTP 头
        _webView.CoreWebView2.AddWebResourceRequestedFilter("*", CoreWebView2WebResourceContext.All);
        _webView.CoreWebView2.WebResourceRequested += (s, e) => {
            e.Request.Headers.SetHeader("X-Machine-Id", MachineId);
        };

        _webView.Source = new Uri(serverUrl);
    }
}

数据流

1. 数据采集流程

Modbus 设备 → Dms → Redis(DMS:Data) → Api → PostgreSQL

2. 算法控制流程

Api(配置参数) → Redis(ICE:Config) → Ice(算法计算) → Redis(ICE:Result) → Api(记录)

3. 心跳监控流程

Dms/Ice → Redis(Heartbeat) → Api(状态同步) → WebSocket → 前端
                          ↓
                      SoftDog(自动重启)

消息协议

使用 Redis Pub/Sub 进行模块间通信：

// 心跳消息
{
  "module": "DMS",
  "state": "ONLINE",
  "timestamp": 1704499200
}

// 数据消息
{
  "modelName": "烟气分析仪",
  "properties": {
    "O2": 3.5,
    "CO": 120
  },
  "timestamp": 1704499200
}

// 控制消息
{
  "type": "controlExitNotice",
  "instanceName": "AFR_1",
  "data": {
    "guardedTarget": "SZ"
  }
}

部署架构

生产服务器
├── Api/
│   └── SteelMill.Api.exe
├── Dms/
│   └── SteelMill.Dms.exe
├── Ice/
│   ├── SteelMill.Ice.exe
│   └── Modules/
│       ├── AFR.dll
│       └── CO_Safety.dll
├── SoftDog/
│   └── SteelMill.SoftDog.exe (Windows Service)
├── DLL/
│   └── (共享 DLL)
└── Common/
    └── Config/
        └── appsettings.json (共享配置)

工控机
└── Client/
    └── SteelMill.Client.exe

高可用设计

进程监控：SoftDog 自动重启异常进程
心跳检测：3秒超时判定离线，连续3次离线记录日志
故障锁存：故障状态优先级最高，30秒内持续故障心跳
优雅关闭：所有模块支持信号处理和资源清理

总结

这个分布式工业控制系统架构具有以下特点：

模块化设计：各服务独立部署，互不影响
统一通信：Redis Pub/Sub 解耦模块间通信
动态扩展：算法模块支持热更新
高可用性：看门狗监控 + 自动重启
统一配置：共享配置文件，简化运维