電廠SIS系統平臺新華公司解決方案

　　摘要：本文從構成SIS系統平臺的軟硬件著手，結合新華公司自主研發的SIS系統平臺軟件，對系統構成、功能和安全性等進行了深入探討，提出了一種經濟實用、安全可靠、高容量以及實時性和擴展能力均很強的SIS系統平臺。
　　
　　一、概述
　　
　　廠級監控信息系統（Supervisory Information System，簡稱SIS）這個概念自上個世紀末引入火力發電廠，經過近幾年的推廣應用，發展迅猛，。SIS系統的投運，對提高電廠的機組運行經濟性指標、增強機組運行的安全，降低生產成本，節約運行費用，提高競爭力起到了重要作用。
　　
　　但SIS系統給人的習慣印象是昂貴，整個系統投資少則5、6百萬元，多則上千萬元，仿佛只有那些新建電廠、機組能夠承受，而SIS系統帶來的機組效率提高、節約能耗、降低電力生產成本、提高企業綜合經濟效益等，對老電廠來說，同樣具有吸引力，但龐大的投資讓很多電廠望而卻步。SIS系統果應如此昂貴嗎？新華公司推出的XSIS（Xinhua SupervisoryIn formation System）系統，將從根本上改變這一現狀，就象新華公司當年推出XDPSDCS系統一樣，使整個DCS系統造價大大降低，電廠從中得到真正的實惠。
　　
　　SIS系統平臺由硬件平臺和軟件平臺兩部分構成，硬件平臺由冗余服務器、存儲設備、網絡交換機、SIS應用功能站以及實時監控系統接口站等構成，軟件平臺主要由實時數據庫軟件、HMI/MMI人機界面接口軟件、實時監控系統接口軟件以及SIS系統應用軟件等構成。硬件設備的選擇主要取決于軟件平臺特別是實時數據庫軟件的運行環境要求。有些實時數據庫軟件，由于其自身的原因，對硬件設備的要求特高，譬如服務器至少是企業級的，CPUzui少得2個，是4個；存儲設備不是磁盤陣列就是SAN光纖存儲網絡；網絡交換機是企業級的機架式交換機；而有些實時數據庫軟件，在僅運行軟件平臺系統自身和少量SIS應用軟件的情況下，服務器CPU的負荷率卻居高不下，這對于SIS系統正常可靠運行以及將來整個SIS系統的擴展是非常不利的。而新華公司推出的實時數據庫軟件（XRTDB），不僅容量大（zui大可達20萬點）處理效率高（每秒可處理20萬點），數據采集和監控的時間間隔可與DCS系統*一致。而且，XRTDB軟件對硬件、服務器操作系統環境要求并不高（參見硬件平臺系統典型配置），數據庫服務器的CPU負荷率不大于15%，網絡負荷《20%，1G的存儲空間可存放1星期左右的數據（10萬點規模），歷史數據查詢速度非常快，1天的歷史趨勢曲線基本上在1秒左右就可顯示出來，因此XSIS系統平臺方案解決方案是一個性價比*的SIS系統平臺方案。
　　
　　二、新華公司SIS系統平臺方案
　　
　　（一）、新華XSIS硬件平臺系統
　　
　　XSIS硬件平臺系統的設計遵循安全、可靠、穩定、經濟實用、擴展能力強的原則，采用總體規劃、分步實施的思想，以適應SIS系統當前的要求和將來發展的需要。
　　
　　1、網絡結構
　　
　　XSIS系統網絡采用1000Mbps主干網，100Mbps到桌面，網絡結構為星型拓樸結構，圖一為XSIS硬件平臺系統典型配置。
　　
　　（1）網絡交換機
　　
　　XSIS系統采用2臺24口10/100/1000Mbps交換機作為冗余核心交換機，所有的實時數據庫服務器、功能站、值長站、工程師維護站以及SIS-MIS接口站都連到核心交換機上；另外用2臺24口10/100Mbps的交換機（帶1口千兆擴展卡）作為數據采集交換機，千兆擴展卡用于連接核心交換機，所有的接口站連接到數據采集交換機端口上。因此整個SIS系統的網絡是雙網冗余的，核心交換機、數據采集交換機、數據庫服務器、功能站等設備之間的網絡帶寬都是1000Mbps的，而每一個數據接口站都獨享100M帶寬，這對單個機組的數據傳送是綽綽有余的，因此整個SIS系統網絡是不存在通訊瓶頸的，保證數據通訊網絡負荷率不超過20%，并且還留有很大的擴展余地。
　　
　　（2）網絡安全
　　
　　安全是電廠電力生產、管理的重中之重，建立SIS系統的目的之一就是為了加強機組的安全生產。SIS系統向下連接到生產現場的多種監控系統，向上則連到全廠MIS系統，因此如何防止病毒、黑客的惡意指令通過MIS、SIS網絡向機組DCS系統、輔助系統及公共系統滲透，是SIS系統網絡設計中必須重點思考的問題。我們認為，網絡安全可以通過系統設計和日常管理措施得到保障。
　　
　　首先，在設計SIS網絡時，我們不主張用防病毒網絡版軟件對系統進行防護，因為防病毒軟件升級頻率特高，而且必須通過因特網來進行，*，互連網是一個病毒泛濫、黑客猖獗的場所，將SIS網與因特網直接相連是極其危險的，而通過下載升級軟件到媒介再拷貝到SIS系統上同樣是非常危險的。
　　
　　其次，在設計中必須保證實時數據是從DCS到SIS再到MIS網絡是單向傳送的，特別是從SIS段到MIS段，通過采用網絡隔離器或防火墻，在物理上進行隔離，保證信息只能單向從SIS網絡流向MIS網絡。另外，從DCS系統接口到SIS系統接口，從SIS-MIS接口到MIS網上的XWEB服務器，是2個單獨的網段，其IP地址可以任取，且對MIS網絡是*保密的，因而也能有效地阻止MIS網絡上的病毒和惡意指令向SIS網絡的滲透。
　　
　　zui后，協助電廠建立嚴格的SIS網絡管理措施，任何人未經許可不得在SIS系統上用光盤、軟盤或U盤等進行安裝、拷貝文件等工作，所有SIS系統要安裝、拷貝的文件，必須嚴格殺毒并經相關負責人簽字同意后方能進行。
　　
　　（3）典型配置：
　　
　　核心交換機：3COM492424口千兆交換機
　　
　　數據采集交換機：3COM440024口百兆交換機+1port1000Base-Tx擴展卡
　　
　　防火墻/網絡隔離器：CISCOPIX-515E
　　
　　2、數據庫服務器
　　
　　作為全廠實時數據信息的中心，所有接口軟件、應用軟件的數據存取都要通過數據庫服務器，數據庫服務器必須連續不停地運行著，所有實時數據要全部按秒級壓縮并長期保存，數據存取速度必須滿足應用軟件的要求，因此SIS系統實時數據庫服務器的性能指標要求是很高的。為了保證實時數據庫服務器的長時間可靠穩定運行，在XSIS平臺系統設計中我們采用了2臺同等配置的商用服務器冗余熱備用，每臺服務器配置400G左右的硬盤空間，保證10萬點的數據存放4年以上，另外，由于2臺數據庫服務器是冗余熱備用，所以實際上2臺服務器上的硬盤相互之間也進行了熱備份，無論那個硬盤壞了，歷史數據都不回丟失，因此磁盤陣列或SAN光纖存儲網絡就沒必要了。此外，由于新華實時數據庫軟件在代碼優化、內存使用方面做了大量卓有成效的工作，盡管要承擔海量的數據處理及存儲工作，但新華XSIS系統對服務器的性能要求并不苛刻，商用部門級的服務器就足也，并且能保證CPU負荷率不超過15%。
　　
　　典型配置：
　　
　　IBMX345機架式服務器：雙InXeonCPU,主頻2.8GHz，512KL2Cache，2G內存，5X72GUltraSCSIDisk2X1000M以太網卡，17英寸顯示器
　　
　　3、XWEB服務器
　　
　　XWEB服務器主要是為MIS管理網絡上的*用戶提供WEB應用服務，MIS網上的*用戶通過IE瀏覽器，除了不能操作之外，SIS系統中具有的監視功能，通過IE窗口都能觀察，如模擬圖顯示、數據庫一覽、實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線、實時報警和歷史報警查詢以及報表的瀏覽和打印等，而且實時數據刷新zui快可達到１秒。另外，出于SIS網絡安全的考慮，SIS到MIS網絡上數據通訊是單向的，SIS網絡上的實時數據庫數據XWEB服務器是無法查閱的，但又要向MIS管理網上的用戶提供歷史數據查詢，故XWEB服務器又兼作實時數據庫服務器，具有實時數據接收、數據統計、數據壓縮和儲存以及歷史數據查詢等功能。
　　
　　典型配置：同實時數據庫服務器。CPU負荷率不大于15%.
　　
　　4、功能站
　　
　　鑒于電廠*的環境，粉塵污染比較大；再根據新華公司DCS系統在電廠的運行情況，發現品牌機服務器的損壞率遠高于工控機，因此在XSIS系統方案中，推薦功能站使用工控機。
　　
　　工控機典型配置：
　　
　　InPetiumⅣ/主頻2.6/512M內存/80G硬盤/2X100M網卡/17英寸顯示器
　　
　　５、值長站
　　
　　XSIS系統配備了2臺值長站供全廠運行總值長，它是連接生產和管理的紐帶。值長站不僅能瀏覽全廠工藝過程參數，重要報警等，還可對各功能站的計算分析結果進行調用，功能站上的優化操作建議可顯示到值長站上，作為值長向運行人員發出操作指令的參考。
　　
　　值長站的典型配置除顯示器改為21英寸，其他同功能站。
　　
　　６、接口站
　　
　　由于接口站提供了接口緩存功能，在與實時數據庫網絡通訊中斷的情況下至少能保存一個星期的實時數據，故對接口站的內存配置要求較高。在新華XSIS系統中，接口站采用奔Ⅳ工控機，其內存通常配512M。
　　
　　典型配置與功能站相同。
　　
　　（二）、XSIS軟件平臺系統及實時監控系統
　　
　　新華公司早在1995年就推出了實時信息管理系統（RMIS），并在很多電廠推廣應用。隨著網絡技術、計算機科學的迅猛發展，用戶需求的不斷提高，實時信息管理系統的功能和應用范圍得到了迅速擴充和發展，特別是新華公司實時數據庫管理系統（XRTDB）的研發成功以及一些如鍋爐、汽輪機等分析診斷軟件包等陸續在電廠投運并取得成功，新華公司對這些軟件產品進行規劃和整合，建立了全部由新華公司具有自主知識產權軟件構成的，以實時數據庫為核心的，由接口軟件、人機界面軟件、實時監控軟件及多種SIS系統功能應用軟件組成的XSIS系統解決方案，將全廠所有機組DCS系統、公共系統及各種輔機監控系統的實時數據通過接口站發送到實時/歷史數據庫服務器中，所有的SIS系統應用軟件從實時/歷史數據庫中取得所需的數據庫，再將運行結果保存到實時數據庫中，實現實時信息集中統一管理，數據信息全廠共享的目的。圖2給出了XSIS系統的軟件架構圖。　　
　　1、XSIS軟件平臺系統
　　
　　XSIS軟件平臺系統主要由實時數據庫管理軟件、接口軟件、及人機界面軟件構成。
　　
　　（1）實時數據庫管理軟件
　　
　　新華公司的XRTDB（XinhuaRealTimeDataBase）工程實時數據庫系統是業界軟件之一，主要用于發電廠全廠生產過程數據的自動采集、統一存儲和集成監視。作為大型工程實時數據庫和歷史數據庫，XRTDB可在線存儲每個工藝過程點的多年數據。XRTDB工程實時數據庫系統為企業生產管理一體化解決方案XSIS系統提供生產信息數據中心和應用軟件的運行平臺，是一個過程實時信息管理平臺和綜合集成平臺。XRTDB的顯著特點主要是實用，在滿足一定的功能指標和性能指標要求下實現工程需要的實時數據庫系統。
　　
　　XRTDB是由新華公司開發的基于客戶/服務器結構的工廠實時數據集成、應用運行平臺，是過程工業全廠信息集成的*選擇之一。一方面，XRTDB用于工廠數據的自動采集、統一存儲和集成監視。另一方面，XRTDB為zui終用戶和應用軟件開發人員提供全面快捷的工廠信息。
　　
　　XRTDB服務器可運行于WindowsNT,Windows2000Server/AdvancedServer,Windows2003Server/AdvancedServer;客戶端軟件可運行于Windows95/98/NT/2000/XP。每個XRTDB服務器可容納20萬點（服務器），以原型方式存儲3-5年數據。每秒鐘可以處理20萬點的數據。在客戶端軟件上，從2到3年歷史中取數據的速度>200000條/秒。實時數據采集和監控的時間間隔可與DCS*一致。可與DCS無縫集成。XRTDB支持遠程數據訪問，客戶端應用XDB-API直接與數據庫服務器連接。在系統安全、可靠性方面，XRTDB提供強大的安*方案。可采用單向廣播方式與ERP/MIS系統連接。服務器采用雙機冗余,接口機與服務器的通信采用緩沖機制,數據源*,雙網冗余。XRTDB采用主流的TCP/IP通信協議，支持OPC，ODBC,OLEDB,SQL，API，DDE等，系統的開放性好，支持用戶二次開發。在系統擴展性方面，XRTDB系統的容量可達到20萬點；10萬點的數據存儲1年的檔案大小為不大于60G；支持分布式數據庫方式，從空間上擴展系統；而整個XRTDB數據庫系統的系統負荷，CPU負荷<15%,網絡負荷<20%。
　　
　　（2）XSIS系統的實時數據接口軟件
　　
　　XSIS系統具有豐富的實時數據接口軟件，擁有多種進口和國產DCS系統、各種PLC控制系統及那些常用的商業監控軟件的實時數據接口軟件。XSIS系統提供的標準接口軟件例舉部分如下：
　　
　　●各種DCS系統的接口軟件
　　
　　●各類PLC接口軟件包
　　
　　●Modbus接口軟件，可用于與各種系統的連接。
　　
　　●FTP接口軟件
　　
　　●寫文件方式的MIS/寫數據庫方式的MIS接口軟件/WEBMIS接口軟件。
　　
　　●多種巡測儀接口軟件
　　
　　●功率儀表接口軟件（Polling等接口規范）
　　
　　●通用AGC通訊接口軟件
　　
　　●GPS衛星時鐘校時接口軟件
　　
　　另外，新華公司具備很強的開發能力，可對各種非常規監控系統的進行通訊接口軟件開發，能很好的滿足用戶的要求。特別要指出的是，如果機組DCS系統用的是新華公司的XDPSDCS系統，則不僅XSIS系統與DCS系統通過接口軟件可做到無縫連接，實時數據刷新達到1秒，基本上與DCS同步，而且通過XSIS系統及接口軟件，可對全廠所有XDPSDCS系統進行統一校時。
　　
　　（3）人機界面軟件構成
　　
　　XSIS方案中給出了2種結構的人機界面（MMI），在SIS網絡中采用C/S結構，客戶端軟件采用XDPS3.0MMI軟件，安裝在各個終端設備上，使用時客戶端向服務器發出請求，得到響應后以模擬圖、曲線、報表、報警等多種形式監控SIS系統，也可對SIS系統進行操作。在MIS網絡中則用B/S結構，XWEB服務器接收SIS網絡接口站單向傳送的數據，將內存中的實時數據進行更新，同時對收到的數據進行壓縮處理后存放到實時數據庫中，MIS網絡上的*用戶可以用IE瀏覽器觀察SIS系統，除了不能操作SIS系統外，其它與SIS網絡客戶端功能*一致。另外，在這2種結構中，盡管系統容量龐大，但只要接口軟件允許（主要取決于DCS或監控系統側），SIS系統和XWEB服務器上的數據刷新周期可達1秒。
　　
　　除了大容量、實時數據刷新快的特點外，XSIS方案中非常吸引人的是引入了虛擬DPU、功能模塊和圖形組態軟件，利用它無需編程就可實現計算、數據統計以及對全廠所有機組DCS系統、輔機監控系統等涉及的重要設備故障進行報警，并可在值長站上彈出相應畫面，使值長迅速了解故障情況，及時采取措施。新華公司用圖形組態軟件實現了機組級及廠級性能計算、能損分析和負荷分配，具有調試方便、在線修改容易等特點，用戶也可利用圖形組態軟件擴展SIS系統的功能，實現自己的想法。
　　
　　人機界面軟件的主要功能功能有：
　　
　　●XSIS系統有網絡自檢功能
　　
　　●圖形顯示和圖形制作功能
　　
　　●實時數據趨勢和歷史數據趨勢查詢功能
　　
　　●數據庫一覽
　　
　　●報表制作、查詢和打印功能
　　
　　●提供虛擬DPU及圖形組態手段，可對數據進行統計、重要設備故障報警等處理
　　
　　●報警和歷史報警查詢
　　
　　●SIS系統統一校時功能
　　
　　2、XSIS系統應用軟件
　　
　　新華公司到目前為止已開發了許多SIS系統應用軟件，并在一些電廠投運，限于篇幅，不再詳述，僅列出這些軟件的名稱，它們是：
　　
　　●單元機組運行性能計算軟件包（XSIS-OPCS）
　　
　　●單元機組運行性能監測（能損分析）軟件包（XSIS-OPMS）
　　
　　●廠級負荷優化分配軟件包（XSIS-LOD）
　　
　　●單元機組運行故障診斷軟件包（XSIS-ODMS）
　　
　　●單元機組優化吹灰程控軟件包（XSIS－OSBS）
　　
　　●汽輪機振動采集、監測與分析軟件包（XSIS-TCM）
　　
　　●單元機組故障診斷專家系統軟件包（XSIS－VES）
　　
　　●單元機組診斷規則管理軟件包（XSIS-RMS）
　　
　　●汽輪機通流評估與診斷軟件包（XSIS-Speed）
　　
　　●汽輪機高中壓轉子溫度場計算與壽命評估軟件包（XSIS-SAILER）
　　
　　●鍋爐汽包溫度場計算與壽命評估軟件包（XSIS-SAILED）
　　
　　●單元機組輔機運行壽命評估軟件包（XSIS-SAILEA）
　　
　　●鍋爐優化運行控制軟件包（XSIS-Optim）
　　
　　●鍋爐承壓管泄漏在線監測軟件包（XSIS-BLD）
　　
　　三、XSIS系統在電廠的應用情況
　　
　　XSIS系統解決方案一經推出，就受到了許多用戶的歡迎。目前已有多家電廠選用了新華公司XSIS系統，數家電廠正在洽談中。下面我們就河北興泰發電有限責任公司XSIS系統的調試、投運情況作簡單介紹。
　　
　　1、項目背景
　　
　　河北興泰發電有限責任公司現在裝機總容量為1300MW，共有六臺200MW機組，其中#4、#5、#6、#7、#8及#9機組增容改造后增容至220MW，并分別進行了控制系統DCS＆DEH改造。＃4－＃9機組DCS＆DEH控制系統選用的是上海新華控制工程公司的XDPS-400分散控制系統，公用系統和輔助系統使用的是GE公司的PLC裝置，2004年開工擴建的2×300MW燃煤供熱發電機組的DCS＆DEH控制系統及其公用系統和輔助系統選用日立公司的分散控制系統。按照電廠“總體設計，分步實施”的要求，這次主要是SIS系統平臺建設、6臺220MW機組DCS系統、一套RTU設備和一套GEPLC監控系統的實時監控系統、性能計算、能損分析以及負荷分配等。平臺設計要求服務器、存儲設備、網絡設備的選用必須滿足6臺220MW和未來2臺300MW機組DCS系統、輔助監控系統的全部測點進入SIS系統，實時數據庫的容量是10萬點，并且按數據原型壓縮存儲3年以上。
　　
　　2、平臺系統設計
　　
　　按照電廠的要求，我們對硬件平臺系統進行了設計，并與電廠有關人員進行了多次交流和溝通，zui終確定了圖1所示的平臺方案和硬件設備的選型，冗余實時數據庫服務器我們選擇了IBMX235，主要配置為：2*XeonP42.4G,512K高速緩存，2GMBDDRDIMM，5*36G10kUltra3SCSIDisk，2*1000Mbps網卡；XWEB服務器也選了IBMX235，但配置稍差些，CPU只配了一個，內存也只有1GMB；核心交換機是24口3COM4924千兆交換機，數據采集交換機是24口3COM4400百兆交換機；接口站放在監控系統現場，通過百兆光纖收發器、光纖線路與數據采集交換機相連。在軟件方面，實時數據庫管理系統容量選擇10萬點，客戶端安裝XDPS3.0MMI軟件，MIS網絡上的XWEB服務器提供實時監控系統的IE瀏覽服務。
　　
　　3、XSIS系統投運情況
　　
　　河北興泰發電有限責任公司XSIS系統于2004年4月進廠進行安裝調試，經過雙方的共同努力，于6月初將XSIS平臺系統和實時監控系統調試完畢，投入試運行。系統的規模和性能有：
　　
　　●系統總容量為10萬點，實際使用64377點，其中模擬量27423點，開關量36954點；
　　
　　●SIS系統中所有實時數據的刷新周期為1秒；
　　
　　●MIS網上通過瀏覽器觀測的實時監控系統的數據刷新周期為2秒。
　　
　　●實時數據庫服務器管理系統采用二級壓縮，壓縮率基本保持在100倍以上，1G的硬盤空間可以壓縮存放1周左右時間的數據；
　　
　　●實時數據庫的數據壓縮處理周期與SIS網絡上實時數據刷的新周期一致；
　　
　　●實時數據庫歷史數據查詢響應速度非常快，1天的歷史數據趨勢曲線顯示基本上在1秒左右就可實現，
　　
　　●冗余實時數據庫服務器和XWEB服務器其數據庫管理軟件運行所占的CPU負荷率均很低，在2%~5%之間。
　　
　　在實時監控系統方面，除了不能操作外，所有在DCS系統操作員站上有的功能，XSIS系統的客戶機和MIS網絡上IE瀏覽器用戶基本上都擁有，各機組的圖形畫面、趨勢曲線、統計報表等，在XSIS系統都可顯現（圖3~圖6）。實時監控軟件實現的功能有：
　　
　　●XSIS系統有網絡自檢功能
　　
　　●6臺機組圖形制作和顯示
　　
　　●實時數據趨勢和歷史數據趨勢查詢功能
　　
　　●數據庫一覽
　　
　　●日報、月報和年報報表制作、查詢和打印功能
　　
　　●利用虛擬DPU及圖形組態手段，對報表所需數據進行統計、重要設備故障報警等處理
　　
　　●報警和歷史報警查詢
　　
　　●通過SIS網絡，將全廠6臺DCS機組用GPS時間統一校時
　　
　　經過近半年的試運行，XSIS系統表現*、穩定可靠，沒有出現過因系統本身原因而出現的停機、功能喪失，性能指標*達到了電廠的招標要求。平臺系統及實時監控系統于2004年12月1日通過電廠驗收，移交電廠投入正式運行。
　　
　　圖3~圖6是摘自河北興泰發電有限責任公司XSIS系統的一些畫面。
　　
　　四、結束語
　　
　　XSIS系統在河北興泰發電有限責任公司的成功，標志著在實時數據庫管理軟件方面，不再是進口軟件一統天下的局面。新華公司XRTDB實時數據庫軟件，在規模、性能、壓縮和解壓縮效率上并不比國外zui的實時數據庫軟件差，而在硬件環境方面，XRTDB要求卻很低，這是其它產品無法與之相比的。因此，以XRTDB實時數據庫為核心的XSIS系統平臺解決方案，加上新華公司的技術力量、電廠經驗和完善的售后服務，必將贏得更多的電廠用戶的信任和支持。