（检测技术与自动化装置专业论文）厂级监控信息系统sis的研究与实践.pdf

摘要 摘要 随着电力市场改革的深入和电厂信息化建设的发展，电力企业面临 激烈的市场化竞争。如何提高电厂的综合自动化和管理水平，充分挖掘 企业生产潜力，降低发电生产成本，增强企业竞争力，已成为发电企业 普遍关注的问题。电厂厂级实时监控信息系统s i s ( s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o n s y s t e m ) 正是电厂信息化建设和满足电力市场竞争需求的产物。s i s 系统 是实现电厂管理信息系统( m i s ) 矛i 各种分散计算机控制系统( d c s ) 的 桥梁，在此基础上的核心功能模块应用。s i s 可在整个电厂范围内实现信 息共享，真正做到管控一体化，从根本上提高发电企业的整体经济效益。 本文针对s i s 系统在中小型火电厂建设中所面临的主要问题，介绍 s i s 系统产生的工业背景及发展情况，从软件和硬件两方面说明建设符合 中小型电厂的厂级实时信息监控系统的系统构想、网络架构建设、网络 安全设计；论述s i s 系统功能模块的计算原理，s i s 系统的主要功能， 进行性能计算模块、耗差分析计算模块、设备状态评价模块、负荷优化 分配模块等应用功能模块设计；提出了在线评价辅机设备状态，在此基 础上提出了在负荷优化分配模块上，实现综合考虑辅机设备状态的厂级 优化负荷分配系统，扩展s i s 系统功能模块。论文最后介绍了s i s 系统 在湛江奥里油电厂的实际应用。 关键词：计算机网络 s i sm i s火力发电厂 a b s t r a c t 一一一一一 a b s t r a c t w i t ht h e r e f o r m i n gt h o r o u g h i ne l e c t r i c p o w e rm a r k e t a n dt h e c o n s t r u c t i n go fi n f o r m a t i z a t i o ni np o w e rp l a n t ，p o w e rg e n e r a t i o nc o r p o r a t i o n s w i l lb ef a c e dw i t hc o m p e t i t i o n sa si n d e p e n d e n to n e s u n d e rt h e n e w c i r c u m s t a n c e ，p o w e rc o r p o r a t i o n sf o c u st h e i ra t t e n t i o n so nh o w t oi m p r o v e t h el e v e lo fg e n e r a la u t o m a t i o na n dm a n a g e m e n t ，d i gp o t e n t i a lp r o d u c t i v e a b i l i t ya n do p t i m i z er e s o u r c e s ，r e d u c ep o w e rp r o d u c t i o nc o s ta n de n h a n c e c o m p e t i t i v ea b i l i t y i n p o w e r m a r k e t a sar e s u l to fp o w e rp l a n t s i n f o r m a t i z a t i o nc o n s t r u c t i n ga n dr e q u i r e m e n to fm a r k e tc o m p e t i t i o n ，t h e i m p l e m e n t a t i o no fs u p e r v i s o r ya n dc o n t r o lb ye s t a b l i s h i n gs i s ( s u p e r v i s o r y i n f o r m a t i o ns y s t e m ) h a sb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l et a s ko fp o w e rc o r p o r a t i o n s s i si st os e tu pt h eb r i d g eb e t w e e ne l e c t r i cp o w e rp l a n tm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ( m i s ) a n dt h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) ，a n da t t h i sb a s i st oa p p l yc o r ef u n c t i o nm o d u l e s i sm a y r e a l i z ei n f o r m a t i o ns h a r e w i t h i ne n t i r ee l e c t r i cp o w e rp l a n tr a n g e ，a c h i e v er e a l l ym a n a g ea n dc o n t r o l i n t e g r a t i o n ，i m p r o v i n gf u n d a m e n t a l l yt h e o v e r a l le c o n o m i ce f f e c to fp o w e r p l a n te n t e r p r i s e a i m i n ga ts o m ep r i m a r ye x i s t e n tp r o b l e m sa n da c t u a ls i t u a t i o n si nm i d d l e m i n i t y p ep o w e rp la n ts i s ，t h ep a p e r i n t r o d u c e si n d u s t r yb a c k g r o u n da n d d e v e l o p m e n tc o n d i t i o no fs i s t h es y s t e mi d e a ，n e t w o r kf r a m ed e s i g n sa n d t h en e t w o r ks a f e t yh a v i n gs e tf o r t ht h es i sa c c o r d i n gw i t hm i d d l em i n i t y p e e l e c t r i cp o w e rp l a n ti nt w oa s p e c t st h a tf r o mt h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r e d e s c r i b i n gs i ss y s t e mf u n c t i o nm o d u l ec a l c u l a t i o np r i n c i p l e ，b e i n ga i m e d a t t h em a i nf u n c t i o no fs i st od e s i g nc a l c u l a t i n gm o d u l e ，e q u i p m e n ts t a t e a p p r a i s i n gm o d u l ea n dl o a do p t i m a ld i s t r i b u t i o nm o d u l e t h ep a p e rb r i n g f o r w a r dt h es t a t ee q u i p m e n ta p p r a i s i n go nl i n e ，r e a l i z a t i o no v e r a l le v a l u a t i o n a u x i l i a r ye n g i n ee q u i p m e n t c o n d i t i o n f a c t o r y l e v e l o p t i m i z a t i o n l o a d d i s t r i b u t i o ns y s t e mw h i c hb a s eo nl o a do p t i m a ld i s t r i b u t i o nm o d u l e f i n a l l y , t h ea r t i c l eh a si n t r o d u c e dt h a ts i ss y s t e mr e a l i t ya p p l i e sa n da p p l i e se f f e c ti n i l a b s t r a c t p o w e rp l a n to fz h a n ji a n g k e yw o r d ：c o m p u t e rn e t w o r k , s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m ， m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，t h e r m a lp o w e rp l a n t 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：关赢奈k 矽p7 年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定， 即：我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在2年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密o 。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：吴方标 关声春天指导教师签名：砌 劲0 年6 月1 日2 j 哆年6 月 日 。 第1 章概述 第l 章概述 1 1s i s 系统的发展背景与形成过程 1 9 9 7 年1 0 月，电力规划设计总院发电处的侯子良教授第一次提出了 厂级实时监控信息系统( s i s ) 的概念，指出s i s 系统将是以分散控制系统 d c s 为基础，以安全经济运行和提高电厂整体效益为目的，实现从d c s 系 统到管理信息系统m i s 的桥梁。侯子良教授在 2 0 0 0 年电厂仪表和控制 ( i & c ) 系统设计原则中提出应进一步提高全厂综合自动化水平，在大型 火电厂配置厂级监控信息系统( s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称 为s i s 系统) 的新设计思路。经过一个短暂的酝酿期后，在2 0 0 0 年国家 经贸委颁发的火力发电厂设计技术规程( d l 5 0 0 0 2 0 0 0 ) 第1 2 1 0 条“厂 级监控和管理信息系统”中明确规定，“当电厂规划容量为1 2 0 0 m w 及以 上、单机容量为3 0 0 m w 及以上时，可设置厂级监控信息系统。” 2 0 0 2 年8 月，为了统一电力行业内人士对s i s 系统的认识，使s i s 系统得以稳定健康发展，侯子良教授重新为厂级监控信息系统( s i s ) 下了 更加准确的定义：火电厂厂级监控信息系统是主要为火电厂全厂实时生 产过程综合优化服务的生产过程实时管理和监控的信息系统。可以看出， 厂级实时监控信息( s i s ) 系统以分散控制系统为基础，以经济运行和提高 发电企业整体效益为目的，采用先进、适用、有效的专业计算方法，实 现整个电厂范围内的信息共享、厂级生产过程的实时信息监控和调度， 同时又提高了机组运行的可靠性的信息系统。它为电厂管理层的决策提 供真实、可靠的实时运行数据。为市场运作下的发电企业提供科学、准 确的经济性指标。因此，它是电厂生产的成本信息和报价信息的基础。 从管理角度来看，它为控制企业成本、为提高生产力提供重要而真实的 运行数据。同时，通过数据的分析和比较，能提出科学的、合理的决策 方案，使企业管理层的经营决策更具科学性。厂级实时监控信息系统能 够实现全厂范围内的管控一体化，为实现全厂整体效益的提高、信息技 术的提升和稳定、经济运行的根本目的打下坚实基础。 武汉r 程大学硕士学位论文 在s i s 相关产品方面，主要有两种情况：一种是一些著名的控制系 统厂商开发了一些管理控制结合的软件产品，如a b b 公司的o p t i m a x 、 h o n e y w e l l 公司的t p s 、西门子公司的s i e n e r g y 、f o x b o r o 公司的a e m 等， 这些系统都是包括数据平台和高级应用软件的完整的应用软件包，比较 有代表性的是a b b 公司的o p t i m a x 和西门子公司的s i e n e r g y ，在国内已 有应用业绩。另外一种就是采用很多公司推出的实时数据库产品，如o s i 公司的p i ，w o n d e r w a r e 公司的i n d u s t r i a ls q ls e r v e r ，h o n e y w e l l 公 司的u n i f o r m a n c e ，a s p e n 公司的i n f o p l u s ，s c i e n t e c h 公司的r , t i m e r 系统等。这些系统只是基础的数据平台和应用平台，不包含上层的专业 应用系统，这一种在国内应用比较多。国内尽管s i s 系统概念提出的时 间不长，但在技术研究和产品开发方面已取得了不少成果。山东电力研 究院、西安热工研究、北京电科院、华北电力大学、南京明维等企业相 继推出了一些比较成熟的实时数据库、机组性能优化分析、故障诊断与 状态检修系统等产品，很多已经成功应用于工程实践中，取得了良好的 效益。目前，越来越多的企业研究和关注s i s ，很多电厂都在建设或积极 规划s i s 系统，一些已经取得成效的电厂在继续向纵深拓展，可以预见 今后几年内s i s 将得到更快的发展和更广泛的应用。心1 目前，s i s 正在新建大中型火电工程中普遍推广应用，一些已经投入 运行的大中型火电厂也纷纷在增配s i s 功能软件。 1 2sis 系统研究与应用的选题背景和意义 发电厂s i s 是近几年才迅速发展起来的一个新领域，但它并不是一 个孤立的、全新的系统，它的产生和发展是信息技术和电力生产领域多 种技术成果紧密结合、相互促进的结果，也是市场经济深入发展的产物。 2 0 世纪七八十年代计算机和自动化技术就开始应用到发电厂的生产监测 控制领域，2 0 世纪9 0 年代后电厂管理信息系统又得到快速发展。到2 0 世纪9 0 年代末，国内大多数大中型电厂在机组( 车间) 级监控方面采用了 先进的d c s 和p l c 控制系统，在经营管理方面建立了管理信息系统，但 是长期以来过程控制系统与管理信息系统一直处于孤立运行状态，经营 管理系统缺乏生产实时数据支持，各个控制系统互不联系形成一个个自 第1 章概述 动化孤岛，缺乏信息传递和共享手段，湮没在各个控制系统中的大量信 息没有得到很好的提炼和应用。】【钔 随着电力体制改革的深入和企业外部环境的变化，电厂的运营目标 不再是单纯的维持机组正常稳定运行，而要在保证安全生产的基础上通 过优化控制、管理使设备潜能得到充分发挥，使整个生产保持在最经济 的运行状态。不少企业在机组经济性分析、故障诊断和电厂集中生产管 理方面做了一些工作，如尝试在d c s 中加装机组性能计算和运行优化软 件包，在m i s 中加入实时数据网上查询系统等。但由于缺乏整体规划和 准确的定位，很多工作没有达到预期目标，实际效果并不理想。 经过多方面的分析和总结，人们逐渐认识到，除了其他技术和管理 因素外，很重要的原因是缺少一个统一完善的厂级生产数据平台。人们 开始尝试在d c s 和m i s 系统上建立一个生产信息平台，然而两者自身的 不足限制了其发展。d c s 主要定位是机组过程控制，在d c s 上开发上层应 用的要求高、局限大，更改维护困难，而且可能影响控制的安全稳定性， 不是一个理想的选择。而m i s 主要针对办公、财务等静态结构型数据管 理而设计，其中的关系数据库无法满足实时过程数据管理的需要。因此， 必须建立一个专门面向生产管理层的中间层系统，用一个企业级的实时 数据平台集成全厂过程控制信息系统，并在此基础上开发建设各种高级 应用系统。按照这种思路和模式，山东电力研究院、西安热工研究院、 电力规划设计总院等科研单位和企业做了大量研究开发工作，形成了厂 级性能优化分析系统、故障监测诊断系统以及远程数据监测与服务系统 等。同时，国外一些商业化产品如i n f o p l u s 、p i 、o p t i m a x 等被引入国 内电厂，相关应用更加受到人们的关注。 5 ， 1 9 9 7 年，电力规划设计总院首次明确地提出了厂级监控信息系统的 概念，“发电厂厂级监控信息系统是主要为发电厂生产过程优化服务的生 产过程实时管理和监控信息系统”。之后又提出了包括过程控制、厂级监 控、管理决策三个层次的发电厂厂级自动化结构和计算机集成生产系统 ( c i p s ) 模型。2 0 0 0 年厂级监控信息系统正式纳入了国家经贸委颁发的火 力发电厂设计技术规程( d l s 0 0 0 - - 2 0 0 0 ) 中，成为指导基建工程中规划 设计厂级监控信息和管理信息系统的纲领性文件。多数新扩建电厂已经 将s i s 系统作为必备系统纳入基建项目，s i s 系统的开发和应用进入了一 武汉翻鼙大学硕士学位论文 个快速发展阶段。 但s i s 系统开发应用也存在一定的困难：一些s i s 网络架构不合理、 数据库的建设力度不够、缺乏相对成熟的功能软件模块，不能充分保证 系统的可扩展性，以备后续建设；国内s i s 系统建设的发展还是在探索 阶段，只有少量新建电厂投上了s i s 系统，缺少规范试点和丰富的功能， 经验、技术不够成熟；s i s 系统的研究没有经验可以参考，可应用国外的 同类产品比较昂贵，也限制了s i s 高等级功能的应用。阳1 中型火电厂厂级监控信息系统的研究与应用课题，是以湛江奥里油 6 0 0 m 1 】l 发电机组系统为设计对象，对s i s 系统的网络结构、系统安全、功 能模块的特征与应用等进行了较深入的研究，提出了火力发电厂大中型 发电机组s i s 系统的架构，在讨论热力系统模型的基础上，开发了s i s 系统各类应用功能模块。本课题是一项实际的工程设计项目，论文也介 绍了项目设计、应用、投运情况。 第2 章s i s 系统架构设计 第2 章s i s 系统架构设计 2 1s i s 系统总体设计思想 随着国内厂网分离，网上竞价体制的实施，为了迎接挑战，电力企 业就必须改善生产，提高生产效率，降低成本，以获取最佳的经济效益。 而电厂s i s 系统建设就是改进生产，提高企业生产管理水平的一个重要 部分。 s i s 系统作为一种监控信息系统，是为电厂全厂生产自动化提供服 务的，其根本是一个对来自d c s 控制系统及其它辅助控制系统的原始生 产数据进行处理的应用软件信息平台。从数据流角度看，s i s 系统主要由 数据采集、数据的加工和处理、热力学模型以及计算结果的显示几个部 分组成： 数据采集数据采集负责收集与系统相关的各类原始数据，原始数 据包括来自生产现场的模拟量开关量数据和用户由键盘手动输入的一些 用于辅助计算的静态参数。对生产过程中的现场数据，s i s 系统设置专 门的通讯接口与下端的网络进行通讯，保证实时数据的准确及时传输。 这些采集上来的原始数据必须存放在专门的数据库中以供历史查询使 用。对系统优化计算过程中需要用到，但是d c s 等生产网络中无法提供 的数据，即静态数据需要由用户从键盘输入，例如煤种、燃煤低位发热 量等。这些数据一般不需要经常改动，可在一定的时间段内使用同一组 数据，需要更新时由用户手动修改。 数据的加工和处理数据的加工与处理是将原始数据进行分类统 计、容错处理，保证计算程序运行的准确性。这个过程属于数据计算分 析的前置处理，修正一些可能由于硬件原因或者网络原因而导致传输数 据有误的点，使得进入计算模块的数据都属于“正常数据，以免计算程 序出现死循环或者除数为零等数据异常错误而影响整个系统的正常运 行。 热力学模型热力学模型是数据处理的核心内容，将电力生产的一 次数据通过热力系统的优化理论模型进行计算，得出反映机组运行经济 武汉t 程大学硕士学何论文 性以及设备安全状况的各类二次计算指标。 计算结果的显示计算结果显示部分负责通过一定的方式将模型计 算出的二次指标和部分原始一次数据显示给决策者或者运行人员。 基于上述设计思想s i s 系统的设计必须从硬件、软件、数据库等方 面考虑整个s i s 系统数据处理以及数据存贮需要解决的问题。 2 2 s i s 系统设计目标及原则 2 2 1s i s 系统设计目标 电厂s i s 设计的目标是通过将机组d c s 、辅控等控制系统产生的实时 数据统一采集到全厂实时历史数据库平台。并在此基础上开发机组运行 优化、机组性能计算、机组煤耗偏差分析、小指标统计考核、自动利用 率统计、实时报价、实时生产调度、关键设备的运行监控等可以为企业 带来巨大效益的应用软件。因此s i s 系统必须具有很高的运行安全性和 数据安全性、较强的扩展性及开放性。一个完整的s i s 系统应该包括： 实时运行状态的监控，历史运行状况的分析监视、指导机组的运 行，不仅可以分析机组当前实时运行状况，还能够分析机组长期运行状况 的变化。当机组在一定的负荷下运行时，各种参数存在着与负荷及其他 运行条件对应的理想值，通常称之为目标值。这些目标值是根据设计、 运行、热力实验等技术参数确定的，机组在运行过程中，如果这些参数 偏离了目标值，就会造成热经济损失。因此s i s 系统应具有监视机组的 运行参数，并在其发生偏离时，及时警告并对偏离进行分析计算，得出 调整的操作方式，以指导机组的运行优化。 科学分配机组负荷，降低发电企业的煤耗根据电网中调所下达的 全厂发电总负荷，对各机组出力实施不同的负荷分配方式，为发电企业 带来的效益完全不同。因此，电厂s i s 系统应根据适时调整和负荷调度 建议，对机组运行进行调整、及时优化机组运行条件，进行科学合理的 负荷分配。在满足厂级总负荷时，以大偏差优先，小偏差负荷优化为原 则，同时，根据各单元机组负荷响应性能，尽可能满足单元机组负荷优 化操作条件，降低机组运行煤耗，以获取整体的最大经济效益。 第2 章s i s 系统架构设计 降低成本、提高效益降低成本，提高经济效益是所有企业追求的 目标，也是电厂s i s 系统所要实现的目标。不仅可以分析机组运行的经 济性，还能分析设备状态，进行设备安全评价和维护成本分析。通过性 能计算模块来调整机组的运行状态，设备状态分析模块来降低主要设备 的故障率，使之能更经济、更可靠、更稳定地运行，从另一个角度来说 也是降低发电企业的电力生产成本和提高效益的具体表现。 管控一体化随着中国国家电力公司体制改革的深入发展，厂网分 开，竞价上网己经成为电力系统顺应经济改革的必然发展趋势。由于电 力市场的出现，使电力调度、运行力式、决策管理、计划和财务各部门 围绕发电企业最大利益目标而工作，就必须加快企业信息化建设，高度 重视整合企业的软、硬件资源，生产过程实时信息资源。综合考虑管理 信息系统和生产过程控制系统的整合，加快电厂s i s 系统的应用及i t 技 术的提升，以实现全厂范围内的管控一体化提供了坚实基础。 系统必须是开放的，允许用户或第三方灵活地进行二次开发从软 件的角度来看主要有：在系统的划分和集成中，要求各子系统能独立运 行，同时也能有机地组成一个大的分析系统。整个系统首先要有一个总 体设计，在总体设计的原则下，各子系统有一个完全独立的的设计，每 个子系统都按同样的设计原则和软件结构进行设计；在系统功能的修改 和扩充中，首先要求功能模块必须是组件插拔式的，组件的修改和增减 不影响系统的软件结构。其次软件应该支持国际上普遍认可的接口标准， 允许用户和第三方进行二次开发和增加新的应用模块。【7 1 2 2 2s i s 系统设计原则 s i s 系统设计的基本原则是在保证控制系统安全，稳定的实现通信功 能的基础上，实现s i s 系统各项功能以及为m i s 系统的应用提供有用信 息，以达到生产现代化，管理现代化，信息资源共享化的目标。针对电 厂的需求，s i s 系统设计应考虑以下几点原则：遵循统一规划、分级管理、 共同建设的指导原则；根据实际应用需要，在设计网络容量和数据库容 量时注重系统的实用性和可扩展性，充分考虑需求和未来应用扩展的需 要；以业务需求为基础，规划系统建设，作到经济、高效，使整个系统 武汉i ：程大学硕十学位论文 的性能价格比最优。阳1 采用先进稳定及成熟的系统构架技术，充分保证系 统未来新功能增加的扩展需求。同时应遵循以下原则： 系统安全可靠性系统安全可靠运行是每一个成熟应用系统最基本 的要求，对自动化程度很高的电厂来说，运行的安全可靠性尤为重要。 所以本系统拟采用多重冗余，网络上采用冗余工业以太网，历史数据库 服务器从硬件和软件两方面实现冗余，工作站及接口机实现网络平台冗 余。网络结构为双网络。实时服务器、操作员站、工程师站、接口站等 均采用3 c o m 专用服务器i o i o o m b 自适用网卡。 抗干扰性电力工业现场环境复杂，电气信号，噪音，灰尘等因素 对传输数据信号干扰很大；另外大气过电压、电磁波、无线电和静电等 干扰也会侵入系统内部，造成系统设备的损坏和误动作。为避免影响s i s 系统信号的传输和系统设备的正常工作，这就要求s i s 系统的抗干扰能 力很强。为达到抗干扰目的，工业以太网应采用了光纤通信、信号电缆 采用屏蔽双绞线、交换机应采用专业的优质交换机、电气设备全部可靠 接地、软件采取各种自诊断措施等等。 实时性既要对全厂生产过程的综合监控( 例如负荷实时调度) ，又 要对生产过程的管理( 例如设备状态监测和分析) ，还要对数据进行处理。 所以s i s 系统网络主干网应采用1 0 0 0 m b 工业以太网，远距离通讯通过光 纤通讯。监测软件与各系统的接口通讯程序采用目前流行的o p c 接口方 式或者专用接口驱动包，实现秒级采集现场实时数据。某些特殊接口还 应采用自己编写的接口驱动包( 如网控、r t u ) ，以实现数据的秒级刷新。 易操作、维护性人机界面设计中应充分考虑了其方便、美观、实 用的特点，操作简便实用。 兼容、开放性s i s 系统网络采用的以太网，软、硬件等，均应采用 技术上成熟的且经过广泛应用的产品，并具有良好的兼容性和开放性， 保证系统的互连性、优化运行、升级改造时的良好移植性和功能软件的 二次开发功能。 2 3s i s 系统网络平台设计 s i s 系统是基于先进的i t 技术为核心，整合多方资源严格根据客户 第2 章s i s 系统架构设计 的实际需求，针对火电厂而提出的实时监控信息系统，是集实时历史数 据管理过程、监测过程、管理及优化控制为一体的厂级综合自动化信息 系统。构建一个优秀的s i s 系统首先就要构建一个合理、高速的s i s 系 统网络。 2 3 1s i s 系统网络结构 s i s 系统的通讯特点主要是：信息量大，要求数据通讯能力强；对应 的网络接口和系统种类较多，即与机组的d c s 控制系统、水网、灰网、 煤网等辅助车间程控系统、烟气连续监测系统( c e m s ) 、锅炉炉管检漏装 置等独立监测系统、电网调度系统( a g c ) 以及管理信息系统( b l i s ) 等都存 在接口；用户数量要求便于扩展。 以太网( e t h e r n e t ) 组网既灵活又简便，可采用多种拓扑结构。网络 拓扑结构是指一个网络中的各节点之间互联的连接方式，它对网络系统 的传输距离、节点连接能力、网络可靠性和扩充性等性能会产生直接的 影响，也会影响网络系统的价格。通常拓扑结构有星形、环形、总线形3 种。 图2 - 1星型网络结构图 星形拓扑( 如图2 1 所示) 是由中央节点和通过点到到通信链路接 到中央节点的各个站点组成。由于星形拓扑结构具有系统安全性高、控 制简单、故障诊断和隔离容易、方便服务等优点，目前其已在大多数高 速网络中得到应用。阳1 武汉1 程人学硕十学位论文 以太网按传输速率可分成1 0m b s 、1 0 0m b s 和1 0 0 0m b s3 种， 无论何种以太网，其m a c 层( 介质访问控制层) 均采用争用型的介质访问 控制协议。经过实践验证，1 0 0m b s 以太网已能满足工业控制领域的实 时要求，因此有人建议厂级监控信息系统采用1 0 0 0m b s 的以太网组网。 通常千兆位以太网( g i g a b i te t h e r n e t ) 采用以交换机为中心的星形拓扑 结构，主要用于交换机与交换机之间或交换机与企业超级服务器之间的 高速网络连接。通过将网络核心部件挂接到千兆位以太网交换机上，而 将l o o m b s 的系统迁移到网络的边缘，可显著提高网络的可用带宽。因 此，s i s 系统应采用网络主干为10 0 0m b s 、支干为1 0 0m b s 的以太网， 整个网络采用交换机来连接各个节点的星形结构，这种结构特别适合在 整个电厂和建筑物中实施综合布线。n 叫 考虑到光纤具有频带宽、传输距离远( 多模光纤为5 0 0m ，单模光纤 为20 0 0m ) 、抗干扰能力强等优点，特别适用于高速网络。而在局域网 中双绞线是一种廉价的传输介质，5 类无屏蔽双绞线( u t p ) ( 传输距离为 1 0 0i l l ，链路操作模式为半双工) 或屏蔽双绞线在1 0 0m b s 以太网中得到 广泛应用。因此主干网的通讯介质以及各控制系统到主干网的连接采用 光纤，各功能站以及客户终端和网络的连接采用双绞线。 在本课题研究的s i s 系统，将在物理上采用星型拓扑以太网，整个 系统实现双网络冗余，双服务器冗余，双交换机冗余等。s i s 网络主要采 用了分层分布式设计，整个系统分为上下两层，下层为s i s 接口层网络， 采用独立接口机连接各个独立控制系统进行数据采集。上层为s i s 应用 层网络，连接s i s 应用层历史数据库服务器、实时w e b 服务器及各工作 站。通过分层设计，网络结构更加清晰，有利于更好地理解网络，便于 架设和维护。在功能上分层设计便于分散通讯负荷，更加提高了各层通 讯效率和网络可靠性。 分层设计从s i s 系统数据流上主要体现为下层是数据接口和采集层， 上层是数据应用层。下层采用独立接口机连接独立网络控制系统进行数 据采集，送往s i s 上层网络数据库服务器或操作台、功能站中，上层网 络连接实时历史数据库服务器、w e b 服务器、各个功能站和值长台等，以 实现s i s 系统的实时监测、历史查询、性能评估、操作指导等功能，还 可以实现网络维护、软件分析、调试及二次开发等。 l o 第2 章s i s 系统架构设计 2 3 2 网络规划和配置 网络规划应遵循一下原则： 网络架构网络架构必须与发电厂规划容量相适应，为系统的可靠 使用和拓展提供保障。网络架构拟采用i e e e 8 0 2 x 标准，网络协议宜使 用t c p i p 或者专用协议，以减少不同网络连接带来的诸多不便和不可预 料的问题。n 副 网络通讯负荷与速率网络主干通讯负荷率必须4 4 0 ，数据库服务 器、计算机功能站c p u 平均负荷率必须4 4 0 ，数据库服务器与核心交换 机主干网络的通讯速率必须1 0 0 0 m b p s ；计算机功能站及其它节点计算 机终端的通讯速率l o o m b p s ；接口设备与s i s 系统的通讯速率 l o o m b p s ，与下层控制网络接口的通讯速率依据下层控制网络具体情况而 定，但不得小于下层控制网络的通讯速率。 网络架构应采用集中和分布相结合的设计数据库服务器、核心交 换机、计算功能站定位于主干网络，以路由交换机制与系统内其它计算 机进行数据交换。主干网络、数据库服务器以及核心交换机设备采用冗 余配置，具有故障在线自动切换功能。对总容量低于3 0 0 m w 的火电厂可 以不采用冗余配置的方式。遵循多种开放协议，采用c s 或b s 开放性 体系架构，使用标准的数据访问和接口规范，具有良好的可扩展性。能 够提供远程服务接口和远程访问系统的能力。 系统时间标准系统内所有设备应有一个统一的时间标准，所有设 备应定期与该时间标准进行同步，在条件具备时，该时间标准也应成为 下层控制系统以及m i s 系统的同步时间标准。 依据上述原则s i s 系统应该构建为独立的网络系统，但实际上s i s 网络除了内部的数据交换，还需要和m i s 系统进行数据交换，所以我们 必须考虑与m i s 系统的连接问题。s i s 系统和m i s 系统的网络连接常见的 有两种方案： i 1 、两者共用一个网络，中间用防火墙等安全措施进行隔离，这样s i s 中 的高级应用可以方便地从m i s 中读取管理信息数据，但降低了网络的安 全性。采用这种方案的电厂非常少( 见图2 - 2 ) 。 武汉1 ：程大学硕十学位论文 1 5 攀重矿8 画画警画画i j 图2 - 2s i s 与m i s 公用网络示意图 2 、s i s 和m i s 分别采用独立的网络，实时历史数据库一方面采集生产 实时数据，为高级应用提供运行数据；同时承担与m i s 交换数据的任务， 两个系统只是通过各自的数据服务器之间互连和交换信息。s i s 的应用只 需与实时历史数据库通讯，m i s 的应用只与m i s 数据服务器发生联系， 从而保证了两个网络的安全性、可靠性。s i s 系统网络采用1 0 0 0 m b p s 的 冗余以太高速网络作为信息传递和数据传输的媒体，主干网的通讯介质 和各下层控制系统到主干网的连接采用光纤，其中主干网的通讯速率为 1 0 0 0 m b p s ，其它节点的通讯速率为l o o m b p s 。s i s 系统中所有的服务器和 工作站都直接连接到交换机上。s i s 系统和m i s 网之间设置专用硬件防火 墙，还设置了隔离网闸，提高s i s 系统与外围系统数据访问的安全性。” 基于上述理由，本课题采用第二种方案( 如图2 - 3 ) ，s i s 和m i s 分 别采用独立的网络。该方案的特点是：采用独立接口机连接各个控制子 系统进行数据采集，实时和历史数据通过数据库服务器进行集中管理， 同时接口机在数据库服务器或网络出现故障时可缓冲存储实时数据，保 证实时数据不丢失：每台工作站独立与数据库服务器进行数据通信，从 数据库中读取运行数据进行分析运算，产生的结果又返同保存在数据库 中。一旦工作站发生故障只影响本台工作站的高级应用，可确保其他工 作站不受影响，提高了系统的可靠性；通过物理隔离设各或防火墙与外 部网络连接，确保s i s 系统和下层控制系统能够正常安全地工作，在数 据共享基础上保证整体系统的安伞。“ 第2 章s i s 系统架构设计 两1 火?m s 服务器 墙t 二m f s 客户 端 l - 一一 。1 一。一 m i s 客p 端 m i s 几酮 m i s 交换 日 机 际万 一一 端 2 4 系统安全设计 图2 - 3m i s 与s i s 网络连接 为了防止非法访问、非法操作和保护系统安全，需要从硬件和软件 两方面进行防护。硬件方面通过设置硬件防火墙，防止外部网入侵；软 件方面，不仅要设置软件防火墙，还要建立用户权限管理机制。s i s 从 网络安全设计、系统防病毒设计、设备物理安全设计、计算机系统安全 性等方面进行全方位的安全设计，并且对系统进行了冗余设计，进一步 保证s i s 具有很高的安全可靠性。 2 4 1 网络安全设计 s i s 网络和m i s 网络间采用防火墙进行隔离通过设置各种安全策略 防止外来入侵和破坏，并实现从s i s 到m i s 的数据单向传输，保证s i s 网 络的安全。 任何时候火电厂控制系统的安全运行比其它方面都更重要。在某些 常规s i s 系统中，d c s 至s i s 的数据采集，采用通用t c p i p 协议传输数 据，这就存在隐患：t c p i p 协议是d c $ 和i n t e r n e t 网络的通用协议， 物理上不是隔离的；d c s 、水网、灰网等其它一些控制如果采用微软操作 系统，一般缺陷较多，容易受到黑客和病毒的攻击；某些情况下防火墙 也存在安全隐患，如防火墙设置不正确、防火墙本身存在缺陷等。n 纠 武汉l 科 学硕十学位论文 为r 保证电厂的安全稳定的运行，本课题的s i s 系统采用专用通信 阱议加物理防火墙隔离方案对s i s 和d c s 进行隔离，来获取底层d c s 和 其它辅助设备控制系统的实时运行数据，从而实现底层控制系统与厂级 实时监控信息系统的物理隔离。图2 - 4 给出了实时监控信息系统s i s 的 网络通讯设计方案对比。 常规s i s 通信方案 提高安全性的s i s 通信方案 崮2 - 4s i s 网络通信方案对比 使用通信协议加物理防火墙隔离方案的主要特点： l 、d c s 与s i s 之间采用高速串口连接且中间经过一个专用接口装置， 而不是采用网乍直接连接s i s 网络的方式，也就断绝了d c s 受到黑客和 病毒攻击的物理基础。 2 、数据传输过程采用了专用的通讯协议，与t c p i p 协议完全不兼容。 该协议不提供t c p i p 协议常见的文件共享、文件传输、远程控制等功能， 而且物理隔离作用下，所有数据只能单向传输，即只能由控制系统传向 厂级监控信息系统，也就断绝了黑客和病毒攻击的软件基础。 3 、由于s i s 与d c s 之问相互隔离s i s 系统的任何设备故障不会影响 d c s 的正常运行。”“ 2 4 2 计算机系统安全设计 计算机系统的安全主要从以下几方面考虑： 系统安全性考虑系统提供强有力的集中式安全管理，即统一账号、 集中验证、安仝各份管理，并支持多级安全，不同人员可赋予不同的安 全级别，制定多种安全策略。系统通过以下措施来保证系统的安全操作： 创建用户组和账号、分配用户名和密码、分配使用程序和程序功能的权 第2 章s i s 系统架构设计 限、控制对各种用程序的访问权限、安全区和用户信息可通过v b a 进行 编程设定。 程序安全性具体从程序( 或软件模块) 的角度分析，各程序之间 的输入、输出接口明确，调用关系清楚，各函数、变量的定义、使用合 理，生命周期明确，对每一模块进行严密的功能测试和性能测试，并对 程序问的接口、调用与被调用关系严格测试确保其安全性。 操作系统的安全性微软的专业服务器s e r v e r 2 0 0 3 操作系统可为每 一位用户设置相应的用户名、密码及对应的各种控制权限，对应的工作 组和域等，当系统进行操作时，系统会自动进行身份确认，提示操作人 员输入自己的用户名及密码，系统验证无误后，操作人员在自己的权限 内进行各种控制操作。 文件安全性考虑控制历史数据文件的访问，保护历史文件的完整 性，历史数据文件的备份和恢复。 数据库访问安全性在历史数据库中针对不同用户级别分配用户权 限，仅具有用户账号的用户才能进入数据库，不同的用户对数据库的访 问具有不同的权限。系统管理员、维护人员、操作员用户可根据实际情 况具体授权，不同权限用户对数据库操作权限不同。 数据安全管理实时数据库平台设计采用高可靠性的双机冗余数据 服务器方案，备份系统设计采用主从双数据库系统共享磁盘阵列的数据 存储方案。同时实时历史数据库软件具有在线的定时备份功能。采用分 布式数据采集方案用多个节点机分别采集不同控制系统的数据。接口机 的缓存功能可以保存7 1 5 天的数据防止数据库服务器故障时丢失数据。 同时单个节点的故障不会影响其它控制系统的数据采集。 防病毒方案可选择专业的防病毒软件，为系统提供防病毒安全。 电子门禁设备物理安全设计采用电子门禁系统，通过电子身份验 证进行s i s 机房出入管理。建立完善的计算机安全管理制度，按应用需 求对人员进行安全等级划分，指定专人负责网络安全管理并建立系统维 护软件功能模块。 1 引 武汉t 程人学硕十学位论文 2 4 3 冗余设计 s i s 系统采用冗余网络，主干网包括数据库服务器、主交换机模块、 通讯总线等设备冗余配置，当局部出现故障后，不影响整个系统运行。 采用网络冗余、交换机冗余、服务器冗余、历史数据库软件冗余、网卡 冗余等安全策略进一步增强系统安全可靠性。s i s 冗余设计主要有： 网络冗余洛阳大唐热力发电厂的s i s 系统就是采用双冗余以太网， 当其中s i s 系统中某一条网络故障时，自动切换到另一条网络。假设将 两条通讯网络设为a 、b ，系统开始默认通讯网络为a ，当网络a 出现故 障，两台服务器及操作员站会自动切换至网络b 。 交换机冗余两台主交换机在整个网络系统安全中起着至关重要的 作用，当其中一台交换机发生故障时，必须自动切换到另一交换机。 服务器冗余本系统在整个网络采用星形冗余结构的基础上，通过 双机容错软件实现对服务器采用双机冗余( 见图2 5 ) 。 双机主从式服务器备份 图2 5 双机主从式服务器冗余 在正常情况下，主服务器负责从各系统采