(SIS)系统在平圩电厂二期的应用

SIS 系统在平圩电厂二期的应用摘 要：本文介绍了平圩发电厂二期（2600MW，超临界）SIS 系统的网络构架、软/硬件配置、数据库平台、接口程序以及应用功能模块等，并对其关键环节进行了讲解，最后为 SIS 系统的进一步完善提出了建议。关 键 词 ： SIS 实 时 /历 史 数 据 库 服 务 器 集 群 RAID0 引 言1997 年电力规划设计总院向国家电力公司上报的文件中正式提出了火电厂厂级监控信息系统（Supervisory Information System in Power Plant 简称 SIS）的概念。SIS 概念是第一个由我国专家根据计算机技术发展现状，总结火电厂实时生产过程监控和管理经验，自主提出的火电厂信息化中比较重大的概念。SIS 系统主要是对生产过程实时控制系统(DCS、PLC 等)的重要参数进行采集、汇总、存储，并在企业范围内进行信息共享。通过 SIS 系统，我们可以方便、安全地对生产信息进行统一管理、查询、分析，从而提高电厂整体效益。为了提高电厂信息化水平、满足管理生产过程的需求，平圩发电厂二期 SIS 系统随#3、#4 机组扩建工程的建设由西安热工研究院于 2007 年统一完成。1 SIS 网 络 构 建1.1 平圩发电厂二期 SIS 网络建设的总体原则为： 保证生产控制系统的网络能够高效可靠的运行； 实现生产控制系统能够同 MIS 系统的网络互连和数据交换； 生产网络和办公网络具有相应的隔离机制，保证生产网络能够最大限度的可靠安全 的运行； 应具有较高的性价比、利用率； 提供最大限度的容错冗余特性 实时/历史数据库能够长时间、大容量保存数据； 网络结构具有开放性、可扩展性。 （主要为电厂一期、三期 SIS 的接入） 。依据以上原则，SIS 网络拓扑如图 1。1.2 SIS 网络拓扑说明SIS 网络架构采用局域网标准 IEEE802.x 和网络/网际通讯协议标准 TCP/IP。SIS 网络以交换机为核心，大体上分三层。底层为 SIS 接口层网络：这层是指 SIS 接口机采集实时数据的所有电厂生产控制系统和设备，即：#3 单元机组分散控制系统(I/A Series DCS 控制系统 )、#4 组单元机组分散控制系统(I/A Series DCS 控制系统)、辅助生产系统控制网（煤、灰、水等系统的控制） 、电气网络控制系统（NCS） 、烟气脱硫分散控制系统（FGD_DCS） 、炉管泄漏自动报警系统、汽机振动监测与故障诊断系统（TDM） ，两台备用接口机。中间层为 SIS 功能实现层，也是 SIS 主干网络：两台实时 /历史数据库服务器、两台计算分析站、一台网管服务器分别通过两条千兆双绞线与冗余配置的两台核心交换机相连；9 台接口机、1台值长站、GPS 标准时钟接口、 1 台网络隔离装置采用百兆双绞线与核心交换机相连。上层为 SIS 应用层网络：通过网络隔离装置，中间层核心交换机与子交换机相连，从而将数据送往 MIS WEB 服务器，MIS 网各个客户端通过子交换机访问 MIS WEB 服务器。（图 1）1.3 SIS 通讯系统 SIS 通讯原则SIS 与生产控制系统通讯接口采用冗余链路，其中与#3、#4DCS 系统、脱硫系统、RTU、煤质在线分析和 NCS 接口通讯采用 TCP/IP（UDP ）协议，与辅网接口通讯采用 OPC 协议。SIS 通讯系统通过网络将各设备连接起来，并保证可靠和高效的通讯，同时考虑在扩建机组联网后的通讯负载能力。连接到 SIS 通讯系统上的任一系统或设备发生故障，不应导致通讯系统瘫痪或影响其它联网系统和设备的工作。任何站与高速网络之间的接口无源且电气隔离，同时都能在授权范围内接受 SIS 系统上的数据，并可向 SIS 通讯系统发送数据。SIS 通讯系统的设计保证在网络最繁忙时，任何功能站或终端上数据更新时间以及对于数据库服务器的访问小于 1 秒。当数据通讯系统中出现某个差错时，系统能自动要求重发该数据。SIS 内设备之间互联的光纤、电缆、双绞线( 包括两端的接触件 )等以及与下层控制网络连接的通讯光纤，符合 IEEE 防火标准，采用抗干扰、抗辐射等技术措施。SIS 系统能在其工作的发电厂电子噪声、射频干扰及振动较大的环境中运行而不降低性能。 SIS 主干网通讯网络主干的信息传输介质为双绞线（千兆） ，它与核心交换机采用冗余配置。冗余配置的设备具有故障在线自动切换功能。各服务器的通讯速率不小于 1000Mb/s。 数据采集接口机的相关通讯数据采集接口机信息传输介质为双绞线（百兆） ，它通过冗余网卡与冗余核心交换机连接，当其中一个数据通道故障时，不影响数据采集接口设备与核心交换机和数据库服务器的通讯。数据采集接口机与生产过程控制网络接口的通讯速率和生产过程控制系统的通讯速率相匹配；与 SIS 的通讯速率不小于 100Mb/s。数据接口机的数据缓充内存至少能存储一周的生产过程信息。并支持网络唤醒功能，在网络通讯恢复正常时，自动将缓充内存中的数据送至数据库服务器。 SIS 和 MIS 通讯在 MIS 侧设置 1 台实时数据库镜像服务器（MIS WEB 服务器） ，它通过 SIS 和 MIS 之间的 1台单向物理隔离装置将 SIS 中实时数据库服务器的生产实时数据完全镜像到 MIS 侧来，这样即保证了在 MIS 侧能对生产实时数据进行充分的应用，同时也保证了 MIS 与 SIS 网络的有效隔离。单向物理隔离装置采用通过国家认证的专用装置（南瑞 Syskeeper2000） ，镜像服务器指标与实时数据库服务器指标相同（但不再另配外置磁盘阵列柜，因此服务器内置硬盘容量更大，在做 Raid 1阵列后满足 4 年历史数据存储要求） 。1.4 电源配置双电源设备，一个电源接自 UPS，另一个电源接切换后不经过 UPS 的电源。两路电源切换时间为毫秒级。（图 2）2 实 时 /历 史 数 据 库实时/历史数据库是 SIS 的核心部件，是发电企业集团信息化的基础。是过程优化与生产管理决策的数据平台。平圩发电厂二期 SIS 实时/ 历史数据库采用美国 Instep 公司 eDNA 数据库。为了保证实时/历史数据库长周期、安全、可靠的运行，我们在 SIS 中应用了 RAID 磁盘技术和服务器集群技术。2.1 eDNA 概述2.1.1 eDNA 的特点： 无损压缩技术，数据存储效率高、恢复精度 100%采用专有压缩技术使存储效率非常高。 eDNA 保持了对信息的精确记录，同时又在存储时保持极高的压缩比，这在行业中是无与伦比的。 分布式结构，提供灵活的扩充能力和冗余性能通过服务来实现数据的压缩存储及各种功能，服务为驻留在单台或多台服务器上的程序模块，每一个服务实现一个特定的功能。eDNA 在最初设计时就采用了分布式结构，可以方便地将历史数据及各种服务分别安装在不同的服务器及客户端上，简化了系统结构，实现了分布式计算，提高了系统的工作效率。 资源优化以压缩数据方式进行传输减小了对网络带宽的要求，基于消息的协议允许上千用户的同时访问。eDNA 没有客户端用户数量限制，具有非常方便的扩容能力和使用经济性。 系统访问灵活实时/历史数据服务器可以根据用户需求选择基于 C/S（Client/Server）结构或者B/S（Browser/Server）结构，方便用户使用。 很强的二次开发能力数据库具有完善的二次开发手段，包括应用开发接口(API)和数据库访问技术等。向下可以与各种 DCS 及 PLC 等互联，向上可以方便地实现数据库的存取操作。 用户授权优势eDNA 没有点数限制，没有客户端用户数量限制，具有非常方便的扩容能力和使用经济性。2.1.2 eDNA 的组成eDNA 由各种服务，客户端和应用工具组成，其中： eDNA 服务功能，例如：实时服务从各种各样的数据源中采集汇总实时过程信息，使办公室计算机终端可以随时获得这些信息。历史服将这些数据在硬盘上长期保存起来,让人们可以在办公桌上随时查看这些历史数据。 BOSS 服务提供对数据，对服务和对用户的强大管理功能。此外还有配置服务，计算服务，安全服务等。 eDNA 客户端功能， 提供直观易用的工具用于表现过程信息；提供 标准化的感观效果；使用方便，即便是非专业人士业也可以在很短的一两个小时内建立信息丰富的过程信息图表。 eDNA 工具，将过程信息集成到标准的桌面应用工具中；强大的 API 函数提供了对获取数据的全面支持和应用的极大灵活性；Excel 加载宏和 ODBC 提供 SQL 查询接口XML 接口。2.2 数据库点表目前，平圩发电厂二期 SIS 系统的数据库点表如下。共计 29117 个，其中：AI 点 10227 个，DI 点 18950 个。数据库实时数据刷新周期不超过 1 秒。类型#3DCS#4DCS公用DCS 辅网 NCS RTU#3其它#4其它#3、 #4公用AI 4076 4076 345 1178 98 454DI 5007 5007 621 2505 228 220 2229 2229 9042.3 RAID 技术RAID:独立磁盘冗余阵列,是英文 Redundant Array of Independent Disks 的缩写，有时也简称磁盘阵列（Disk Array） ，1987 年由美国柏克莱大学提出。简单的说，RAID 是一种把多块独立的硬盘（物理硬盘）按不同的方式组合起来形成一个硬盘组（逻辑硬盘） ，从而提供比单个硬盘更高的存储性能和提供数据备份技术。RAID 的应用有多种类型，目前可以获得业界广泛认同的有 4 种，RAID 0、RAID 1、RAID 0+1 和 RAID 5。依据不同 RAID 类型具有的特点，我们的 SIS 系统中 2 台实时/历史数据库服务器、所有接口机均由 2 块硬盘做 Raid 1 阵列，MIS WEB 服务器由 6 块硬盘（ 73G）做 Raid 5 阵列。RAID 1 技术特点： RAID 1 - Disk Mirroring 又称镜像（如图 3） ，即每个工作盘都有一个镜像盘,每次写数据时必须同时写入镜像盘 ,读数据时只从工作盘读出 ,一旦工作盘发生故障立即转入镜像盘,从镜像盘中读出数据,当更换故障盘后,数据可以重构, 恢复工作盘正确数据,这种阵列的数据安全性很高, 但空间利用率不高，其有效容量减小到总容量一半以下 ,因此 RAID1 适用于对数据安全性要求苛刻的场合。（图 3）RAID 5 技术特点：RAID 5 - Striping with floating parity drive（如图 3） ，按某种规则把数据和奇偶校验信息均匀地分布在阵列所属的硬盘上,所以在每块硬盘上, 既有数据信息也有校验信息。允许单个磁盘出错，当其中一块硬盘损坏，可以利用剩余磁盘中的数据计算出坏硬盘中的数据。当有N 块阵列盘时,用户空间为 N-1 块盘容量。适用于对性能、安全均有一定要求的场所。（图 4）2.4 集群技术+磁盘阵列集群技术是一组相互独立的计算机，利用高速通信网络组成一个单一的计算机系统，并以单一系统的模式加以管理。其出发点是提供高可靠性、可扩充性和抗灾难性。错误接管集群技术是将建立在同一个网络里的两台或多台服务器通过集群技术连接起来，集群节点中的每台服务器各自运行不同的应用，具有自己的广播地址，对前端用户提供服务，同时每台服务器又监测其他服务器的运行状态，为指定服务器提供热备份服务。我厂 SIS 的实时 /历史数据库服务器由两台高档 PC 服务器+外置磁盘阵列构成服务器错误接管集群，作为整个系统的数据库服务器（如图 5） 。数据库服务器的 CPU 平均负荷率40%。服务器A磁盘阵列（Z盘）服务器B心跳连接去冗余核心交换机（图 5）说明：2 台服务器作群集 A、B ，一台磁盘陈列做数据盘。服务器 A、B 的网卡 1 用心跳线连接起来；网卡 2 用网线接至核心交换机上；磁盘阵列用 SCSI 线一根与服务器 A 的 RAID 卡相连，另一根与服务器 B 的 RAID 卡相连。双机与磁盘阵列柜互联结构可以有效的避免由于应用程序自身的缺陷导致系统全部停机的情况，同时由于所有的数据全部存贮在外置的磁盘阵列柜中，当工作机出现故障时，备份机接替工作机，从磁盘阵列中读取数据，切换时间 30 秒左右，这种操作也可以人为手动进行。3 SIS 应 用目前，我厂 SIS 系统的主要应用有：全厂生产流程监视、全厂生产数据存储、全厂生产数据趋势查询、机组级及厂级性能计算、机组经济性指标分析、过程信息统计和分析、机组优化运行及操作指导等。选其中几项介绍如下：3.1 全厂生产流程监视全厂各生产过程监控系统包括机组 DCS、全厂辅网控制系统、NCS、脱硫、TDM 等系统的实时生产数据，其生产流程都能通过 SIS 在工作站和终端上进行监视。主要包括：全厂机组循环系统总图、全厂网控系统图、全厂用电系统图、辅助车间系统图（包括水、灰、煤系统等） 、锅炉总图、汽轮机总图、发电机系统图、厂用电系统图、锅炉烟风系统、锅炉汽水系统、汽机汽水系统、主、再热蒸汽系统图、高压给水加热器系统、低压给水加热器系统及冷端系统等。3.2 全厂生产数据存储该功能将以高精度采集所有来自外围控制系统的实时数据，并通过很高的数据压缩率将这些数据保存为历史数据文档。同时在 SIS 系统中能对这些数据进行计算和分析，计算和分析的所有结果也将和实时数据一起被保存。3.3 全厂生产数据趋势查询该功能主要完成厂级和机组级生产实时数据趋势、异常数据、实时数据、考核指标、性能指标、优化数据和统计数据的查询和回放。3.4 机组级及厂级性能计算本功能包括厂级、机组级性能计算，其中性能计算的标准均遵守 ASME(美国机械工程师学会) “电厂试验规定”的最新版本。 机组性能计算包括：1) 电厂总体性能主要包括：机组功率因素、机组负荷率、补给水率、机组效率、厂用电率、标准发电煤耗率、标准供电煤耗率。2) 锅炉性能排烟热损失（q2） 、固体未完全燃烧热损失（q4） 、锅炉散热损失（q5） 、灰渣物理热损失（q6）及锅炉效率、过剩空气系数等。3) 汽机性能汽机高压缸效率、汽机中压缸效率，汽轮机热耗率、汽机抽汽计算（包括流量、压力、焓等） 、加热器能量平衡计算，高压缸汽机质量平衡，中压缸汽机质量平衡等。4) 凝汽器性能、清洁系数可以按照 HEI 标准计算主要包括：凝汽器的热负荷、凝汽器的循环水流速、对数平均温差、实际的凝汽器传热系数、端差计算、凝汽器过冷度。5) 给水加热器性能包括：计算进入加热器的抽汽量、出口端差计算、疏水端差计算、给水温升计算。6) 空预器性能包括：空预器（A）的效率、空预器（ B）的效率、空气温升、空气漏风率。 厂级性能计算SIS 系统是厂级实时生产过程监控信息系统，与其它系统的主要区别在于要求反应出全厂范围内的生产方面实时信息，提供给生产管理人员一个实时准确的生产信息以供快速决策和简洁数据参考，为此，在 SIS 系统中设置了厂级性能计算功能，它