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摘要 摘要 随着电力技术的发展和电厂管理水平的提高，要求电厂全面实现厂级监控信息系统， 从而消除自动化“孤岛”现象，实现全厂自动化系统的集中监控和电厂信息资源的共享。 目前，电厂普遍存在设备通讯缺乏统一接口，同时由于我国电厂监控系统较国外相比起 步比较晚，在电厂监控系统层次结构和系统模型选择上也存在一定问题。 为解决此问题，本文提出应用o p c 技术实现电厂设备间互联的解决方案，并详细讨 论了用v c + + 开发o p c 客户端组件开发流程。通过o p c 服务器客户端的数据访问方式， 消除了设备间信息互通的问题，避免了不同客户端对不同设备需要重复编写驱动的缺 点。同时文中讨论了厂级监控系统的组成和系统结构，并针对不同结构模型的优缺点进 行了详细的比较，提出了电厂可采用基于b s 和c s 混合模型的监控系统，同时通过将 a c t i v e x 技术引入b s 模型，使基于b s 模型的系统既具有c s 模型的性能，又避免了 c s 结构中维护性不强的缺点。对于电厂来说，安全问题也尤为重要，所以本文讨论了 系统安全性问题，并针对不同情况给出相应的安全策略。 最后分析了电厂监控系统的基本功能，并根据火电厂实际情况对系统的软硬件结构 和模型进行了分析和设计，并应用自行开发的o p cc o m 组件，a s r n e t 技术以及 a c t i v e x 等实现了系统。因此，通过本文的讨论，给出了电厂综合自动化的解决方案， 为以后电厂实现综合自动化提供了参考依据。 关键词：监控系统电厂o p ca s r n e t a c t i v e x a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a lt e c h n o l o g ya n di n c e n s e m e n to fm a n a g e m e n t ，r e a l i z a t i o n o fs i sf o rp o w e rp l a n ti se s s e n t i a l ，n o to n l yt oe l i m i n a t et h ep h n o n i p h e ro fs e p a r a t ei s l a n d so f a u t o m a t i o n ，a l s ot or e a l i z et h ec e n t r a l i z e ds u p e r v i s i o na n dd a t as h a r i n go ft h ep o w e rp l a n t a t p r e s e n t ，t h ed e v i c e si np o w e rp l a n t su s u a l l yl a c ko fu n i f o r mi n t e r f a c e st oc o m m u n i c a t ew i t h e a c ho t h e r f o rt h el a t et i m eo fi m p l e m e n to fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mc o m p a r i n gw i t h f o r e i g nc o u n t r i e s ，s o m ep r o b l e m sa l s oe x i s ti ns y s t e ms t r u c t u r ea n ds e l e c t i o no fs y s t e mm o d e f o rp o w e rp l a n t s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e so p ct om a k ed e v i c e sc a n c o m m u n i c a t ea n ds h a r ed a t a t h ed e t a i lw a y st od e v e l o po p cc o mf o rc l i e n ts i d ea r ea l s o d i s g u s t e d i nt h ew a y o fo p cs e r v e r c l i e n td a t aa c c e s sm o d e ，t h ep r o b l e mo fc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nd e v i c e si ss o l v e d t h ed r a w b a c k so fd r i v e rd e v e l o p m e n tf o rd i f f e r e n td e v i c e st i m e a f t e rt i m ea r ee l i m i n a t e d a l s ot h ec o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo fs i si sd i s g u s t e d a tt h es a m e t i m e ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sb sa n dc sm i x e dm o d eb yc o m p a r i n gt h em e r i ta n dd r a w b a c k b e t w e e nb sa n dc sm o d e t h ea c t i v e xt e c h n i q u ei su s e di nb sm o d et om a k et h eb s m o d eh a st h es a m ei m p l e m e n to fc sm o d ea n dt oe l i m i n a t et h ed r a w b a c ko fl a c ko f m a i n t e n a n c e i np o w e rp l a n t ，s e c u r i t yi sv e r yi m p o r t a n t s ot h es e c u r i t yp r o b l e ma n d c o r r e s p o n d i n gs o l v i n gs t r a t e g ya r ed i s g u s s e d f i n a l l y , t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ef u c t i o n so fp l o w e rp l a n t s o f t w a r ea n dh a r d w a r es t r u c t u r e a n ds y s t e mm o d ea r ea l s oa n a l y z e da n dd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o no fp o w e rp l a n t s a m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e di na s p n e tu s i n go p cc o m a n da c t i v e x d e s i g n e db e f o r e i ta p p r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h ew a yi n t h i sp a p e r t h u s ，t h r o u g ht h e d i s c u s s i o n , t h i sp a p e rp r o v i d e saw a yt or e a l i z et h ew h o l ea u t o m a t i o n ，a n di tw i l lb ea r e f e r e n c ef o r t h ef u r t h e rc o n s t r u c t i o ni np o w e rp l a n t k e yw o r d s ：m o n i t o r i n gs y s t e m ，p o w e rp l a n t ，o p c ，a s p n e t , a c t i v e x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 墨盗堡墨太至 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 7 了灸 签字日期：矽夕年 岁月1 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨三盘望有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡墨盘望 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：癌导师牦文拜 街啪一0 7 特啪：7 胁日 第章绪论 第一章绪论 随着计算机科学技术、工业控制等方面新技术的迅速发展，生产过程自动化程度的 不断提高，人们不断谋求实现对生产过程，特别是对处于分散状态的生产过程的集中监 视、控制和统计管理【lj 。在此背景下，计算机监控技术在综合自动控制理论、计算机技 术和现代通信技术的基础上迅速发展起来。监控系统在基本结构、应用场合和完成其特 定的任务方面都有很多的种类，各自有着不同的特征。有的可能是一个很简单的单一对 象控制，有的可能是一个很大的综合系统。无论哪种监控系统，具有远距离信息交换功 能是其主要特征1 2 j i 引。 在电厂生产领域中，为了完成远方终端、变电站和调度之间的远距离实时信息的自 动传输以及实时的控制任务( 直接操作某些设备或调整某些参量) ，必须应用远程监控技 术和装置。应用通信技术对远方的运行设备进行监视和控制，以实现远程测量、远程信 号、远程控制和远程调节等功能。从发电厂和变电站发往调度控制中心的信息有测量量 和状态量，测量量有有功功率、无功功率、电压、电流、频率等；状态量有断路器、隔离 开关的位置，自动装置、继电保护的动作状态，发电机组、远动设备的运行状态等。监 控系统的主要任务是：将表征电力系统运行状态和各发电厂及变电站的有关实时信息 ( 测量量和状态量) 采集到调度控制中心，把调度控制中心的命令发往发电厂和变电站， 对设备进行控制和调制4 1 ，从而实现集中监视和控制，提高经济安全运行水平并能及时 了解事故的发生和范围，加快事故处理。调度人员可以借助监控装置进行遥控，实现无 人或少人化，并提高运行操作质量，改善运行人员的劳动条件。随着科学技术的进步， 远动系统的功能根据电力系统调度自动化的实际需要还在不断扩展，如遥视功能的出现 竺【5 】 寸o 在管理层面来讲，随着我国火电机组容量不断增大和电力市场竞争日益激烈，如何 运用新技术最大限度地发挥机组效能，达到发电利润最大效益化，以提高企业生产管理 水平和市场竞争力，成为目前电力企业追求的目标。电力生产企业生产和管理一般分为 3 个层次，即下层的控制操作层d c s ，面向运行操作者；中间的生产管理层一s i s ，面 向生产和技术管理者；上层的经营管理层m i s ，面向行政和经营管理者。对于管理者 来说，最快、最真实的在线监控实际运行数据和厂内其他数据指标是最为重要的。达到 这个目标需要以d c s 系统为前提，m i s 系统和s i s 系统的协同合作才能实现【6 】。 在电力改革日益深入的前提下，增加发电效益的有效方式是能科学地分析本厂的发 电成本，优化系统运行，实现电厂售电和电价的最大化。与此同时，减少生产成本的有 效方式是加强电厂的内部科学高效的管理、合理安排检修，实施全面的预算管理和人力 资源管理，提高设备的可靠性，使利润趋于最大化【7 j 。电厂的管理重点将从传统的计划 生产，逐步过渡到基于竞价决策的市场化生产。从而建立一个集办公自动化系统、综合 指标查询系统、计划统计管理系统、人事劳资管理系统、生产管理系统、设备管理系统、 安全监督管理系统、电力负荷管理系统、营销管理系统、燃料管理系统、工程管理系统、 财务管理系统、电网实时信息系统等应用系统为一身的网络化企业管理信息系统，实现 第一章绪论 办公环境网络化和计算机化，为公司业务管理和决策服到8 1 。 1 1 远程监控系统的意义 随着计算机网络技术的发展，对工业过程的远程监控成为目前发展最快的应用技 术，它能够最大限度地发挥网络的实时、高效的能力来完成远程监测、控制和故障诊断 等任务，能大大提高控制系统的技术水平，对于提高整个控制系统和企业管理部门的工 作能力和工作效率，有着重要的实际意义和经济价值。 网络( i n t e m e t ) 技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革，控制系统结构沿着网 络化方向和开放性方向发展是控制系统技术创新的大潮流，所以网络化和开放性是控制 系统发展的方向和灵魂p j 。在自动化领域，d c s 、f c s 、s i s 和m i s 等系统的兴起改变 了控制系统的结构，使其向着网络化的方向发展，产生了对人类生产、生活有着重要影 响的另一类网络控制网络。从工业控制领域来说，现在工厂和生产在地域上越来越分 散，要总揽现场控制信息和生产状况，实现对分散在各工厂和生产线上的控制网络系统 进行实时监测和控制、远程数据下载及设备的诊断维护，只有通过远程通信网络才能实 现【1 0 】。 远程监控就是指利用计算机网络技术实现对( 远程) 工业生产过程控制系统的监测 和控制；把能够实现远程监控的计算机、硬件系统称为远程监控系统，其包括远程监控 终端、远程数据传输系统、现场监控系统三部分，各部分协作，共同实现对现场设备的 远程控制。远程监控与计算机网络、通信技术密不可分，这就成为它与i n t e r n e t 技术的 结合点。因此，控制网络( i n t r a n e t ) 与i n t e m e t 的结合将成为控制领域的一个新方向。 目前，随着我国电力系统改革发展，国家五大发电集团公司的出现，特别是，国家 电力改革要求，厂网分开、竞价上网等竞争模式促使各大电力集团公司提高管理水平和 经济效益，也促使电厂监控技术的更新。而每个电力集团公司许多下属电厂分布在全国 各地，各电厂的生产、管理信息如同一个个信息孤岛，不能形成电厂信息资源的共享以 及生产实时管理、监测等i l 。 因此，基于i n t e m e t 的远程监控技术对于一些大型跨区域集团，特别是对于目前的 各大电力集团公司，能够做到实现对分散在各地的下属电厂的数据信息资源共享，掌握 各个下属电厂的经营、发电数据信息，实时监控电厂运行状况，提高集团公司经济效益 等方面具有非常重大的意义【l 引。具体主要体现在以下几个方面： 第一，采用远程监控技术，管理人员不必亲临现场( 尤其在恶劣环境下) 就可以对现 场的工作情况进行监视，完成参数设置与调整，进行故障恢复等，大大提高了劳动生产 率。 第二，远程监控技术可以充分利用异地的智力资源。处于异地的专家学者可以通过 网络获得远程的监控数据，进行分析和处理，找出问题所在，提出改进的意见，从而大 大提高产品的科技含量，增强产品的竞争力。 第三，远程监控技术可以充分利用异地的物质资源。任何一个生产实体或科研单位 都不可能拥有全部的生产和科研设备。通过该技术，就可以利用异地先进的物质设备进 第一章绪论 行研究和探索。 第四，远程监控技术可以获得现场监控数据，为远程故障诊断技术提供了物质基础。 第五，通过远程监控技术，可以加强企业间合作，可以更合理的安排生产，加强企 业的竞争力。 第六，电厂监控信息系统是面向生产管理层的自动化管理平台，它是实现厂内各个 机组和全厂生产过程最优控制及管理的系统，也是一个联系发电厂各生产过程控制系统 及m i s 的纽带：可综合全厂各单元机组、辅助车间有关实时信息，通过计算、优化和分 析，对各单元机组的运行和设备维护提供在线运行指导，并进行发电厂各单元机组间的 负荷经济分配；通过其计算机和通信设施，可实现全厂各生产部门的实时信息上网共享 1 1 3 【l4 1 。 1 2 电厂监控系统的现状 电厂监控系统是近几年快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，也是电力市场经济深入发展的产物。 我国发展火电厂监控系统起步较晚，世纪年代中期以前，火电厂自动化基本上没有 为厂级生产过程综合自动化和管理现代化提供自动化系统l l 引。随着计算机和自动控制技 术的快速发展，我国火电厂自动化系统的发展经历了三个阶段： 8 0 年代末到9 0 年代初期，d c s 及p l c 及从试点到推广应用。 9 0 年代中期，以为基础的火电厂自动化系统逐步成熟。 9 0 年代后期，火电厂自动化设计新思路的提出和应用。它提出了发展辅助车间系统 网络化和厂级、系统的任务，从而使火电厂从分散控制系统时代进入了数字化时代，进 而向电厂企业信息化迈进1 16 。 国外，早在上世纪九十年代中后期，一些世界知名的和供应商为了提高电厂经济性 和管理水平，已着手开发了一系列类似于某些功能的性能优化控制和管理模块软件，并 取得了不错的效果【l 。 国内电厂实时监控系统起步于9 0 年代，由于当时一控制系统对外的数据接口缺乏 统一的标准，因此产品大都面向具体应用需求。近几年，虽然出现了采用组态技术的产 品，但在功能及灵活性等方面与国外的控制系统组态开发平台相比仍有较大的差距，且 在系统体系结构上没有质的变化，无法满足电厂信息化建设的需要。 目前，在电厂监控系统，基于局域网的电厂监控系统比较成熟，如d c s 、s i s 、m i s 系统等。随着i n t e r n e t 技术的发展，国际上一些d c s 厂家也在开发基于b s 结构的远程 d c s 监控系统，但目前还没有成熟的应用。总体来说，基于i n t e r n e t 的电厂远程监控系 统很少，且技术不成熟，不能满足现在电力企业发展的需求。而且，由于基于i n t e m e t 的自动化技术是新兴的研究领域，处于起步阶段，在现有条件下，网络存在传输延时、 传输时间不确定性和安全性低等问题，使得自动化领域的许多功能不能基于w e b 实现； 一些通过网络可实现的远程监控功能，由于空间和时间的差异，也必须深入进行研究， 第一章绪论 制定切实可行的实现方案，然后才能实现。综合以上分析，可见针对发电系统的基于 i n t e m e t 的远程实时监控技术进行研究是具有很大的发展前景的，对整个电力系统的远 程监测、控制、数据共享、远程诊断具有重要意义【1 8 】。 1 3 论文课题的研究内容 本课题以火电厂机组的生产监控作为研究对象，实现火电厂机组远程监测、控制技 术的研究开发，即任何一个i e 浏览器终端用户( 电力集团公司、电厂管理人员和工程 技术人员等) 在授权的情况下通过i n t e m e t 网络对火电厂的监控系统进行实时监测，浏 览生产的实时数据、流程画面、趋势图和报表信息；同时可在线对采集的历史数据进行 分析、诊断、和管理等，其中包括了两方面内容：现场信息集成和远程控制服务技术。 其主要工作如下： l 通过对电厂和监控系统的o p c 技术的研究，把o p c 技术引入到电厂监控系统当 中来，解决由于现有系统底层设备通讯接口不统一，从而导致驱动重复开发的缺点。 2 研究网络远程监控系统的层次结构，通过对两层c s 模式和b s 模式进行综合分 析比较，提出基于b s 和c s 的混合结构的远程监控系统新型结构方案。 3 用v ca t l 开发o p cd ac o m 中间件，作为通用的访问o p c 服务器组件。这是 本文的一个工作重点。 4 为了实现在b s 结构中实时显示现场设备的运行状态，提出v c 开发a c t i v e x 控 件，用来嵌入到w e b 网页中，弥补b s 较c s 实时性不足的缺点。 5 探讨远程监控系统的安全性问题及保证安全的策略。 6 设计基于o p c 的远程实时监控系统，通过对电厂监控系统的功能进行分析，详 细介绍监控系统的结构体系和软件设计方案，应用a s p n e t 技术实现了监控系统的w e b 服务器，用于远程访问。 1 4 本章小结 本章首先对远程监控技术课题的发展、意义进行了论述，通过分析监控系统国内外 的研究现状，指出课题研究的现实意义。最后，对本文要研究的内容进行了总体规划。 第二章o p c 技术及监控系统实现框架 2 1o p c 简介 第二章o p c 技术及监控系统实现框架 2 1 1o p c 的概念及技术优势 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是为过程控制设计的o l e 技术，由一些世界上占 领先地位的自动化系统和硬件、软件公司与微软( m i c r o s o f t ) 紧密合作而建立的，o p c 基金会负责o p c 规范的制定和发布。o p c 提出了一套统一的标准，采用 c l i e n t s e r v e r 模式，针对硬件设备的驱动程序由硬件厂商或专门的公司完成，提供 具有统一o p c 接口的s e r v e r 程序，软件厂商按照o p c 标准访问s e r v e r 程序，即 可实现与硬件设备的通信【l 纠。与传统的方式相比，o p c 技术具有以下优势： 1 硬件厂商熟悉自己的硬件设备，因而设备驱动程序性能更可靠、效率更高。 2 软件厂商可以减少复杂的设备驱动程序的开发周期，只需一套遵循o p c 标准的 程序就可以实现与硬件设备的通信，并可以把人力、物力资源投入到系统功能的 完善中。 3 可以实现软硬件的互操作性【2 0 。 o p c 把软硬件厂商区分开来，使得双方的工作效率有了很大的提高，因此o p c 技 术得到了广大软硬件厂商的支持，并迅速发展【2 l j 。 2 1 2o p c 技术的本质c o m d c o m 随着计算机网络技术的发展，计算机监控系统也普遍的采用了分布式结构，因而系 统的异构性是一个非常显著的特点。o p c 技术本质是采用了m i c r o s o f t 的c o m d c o m ( 组件对象模型分布式组件对象模型) 技术，c o m 主要是为了实现软件复用和互操作， 并且为基于w i n d o w s 的程序提供了统一的、可扩充的、面向对象的通讯协议，d c o m 是c o m 技术在分布式计算领域的扩展，使c o m 支持在局域网、广域网甚至i n t e r a c t 上不同计算机的对象之间的通讯瞄j 。 2 2o p c 技术规范 o p c 基金会制定了各类o p c 规范，并不断地进行升级和功能扩展以适应工业自动 化领域的发展与变化。在设计相应的o p c 服务器或客户程序时需要以这些规范为基础， 以保证互操作性例。o p c 规范的组成结构如图2 1 所示。 第二章o p c 技术及监控系统实现框架 图2 1o p c 规范组成结构图 在这些众多规范中，o p c 数据存取规范是o p c 基金会最初制定的一个工业标准， 其重点是对现场设备的在线数据进行存取，本课题主要应用此规范进行研究的，所以下面 所讲内容都是针对数据存取规范而阐述的。 基于c o m d c o m 技术的o p c 采用客户服务器结构，为各厂家提供了一个公用的 数据交换标准和规范，各个硬件设备厂家为其设备提供一个符合o p c 规范接口的服务 器，其他应用程序通过o p c 接口对o p c 服务器的访问实现对硬件设备的读写，由此软 件开发者只需要开发一套o p cc l i e n t 程序，而不需要了解各硬件设备的通讯协议，也 不需要为市场上几百种的硬件设备编写专门的驱动程序。 o p c 规范主要包括o p c 服务器( s e r v e r ) 和o p c 应用程序( c l i e n t ) 两部分。 其中一个o p cc l i e n t 可以连接一个或多个o p c 服务器，而多个o p cc l i e n t 也可以 同时连接一个o p c 服务器j 。 2 3o p c 服务器组成 o p c 服务器由3 类对象组成：服务器( s e r v e r ) 、组( g r o u p ) 、和数据项( i t e m ) ， 如图2 2 所示【2 5 1 。 第二章o p c 技术及监控系统实现框架 图2 - 2 0 p c 服务器组成图 服务器对象保存服务器和服务器作为o p c 组对象容器的所有信息。o p c 组对象保 存组对象的信息，并提供组织o p c 数据项的机制。o p c 组对象为客户提供了组织数据 的一种方法。例如，一个组可能代表一个特殊设备的数据项。o p cc l i e n t 可以通过组 对象来读写数据，并可以设定o p c 服务器应该提供给o p cc l i e n t 的数据更新速率。 o p c 规范定义了2 种组对象：公共组和私有组。公共组由多个客户共享，局部组只隶属 于一个o p c 客户。全局组对所有连接在服务器的应用程序都有效，而私有组只能对建 立它的c l i e n t 有效。在一个s e r v e r 中，可以有若干个组。 o p c 数据项代表与o p c 服务器的数据源连接，并不是数据源，数据项是读写数据 的最小逻辑单位( 在实际应用中，可能是物理设备的寄存器或寄存器的某一位) ，数据 项不提供对外接口，不能作为单独的对象供o p cc l i e n t 访问，必须隶属于某一个组， 所有对o p c 数据项的访问必须经过包含o p c 数据项的组对象，即必须通过组对象才可 以访问到o p c 数据项。在一个组对象中，客户可以加入多个o p c 数据项。每个数据项 包括3 个变量：值( v a l u e ) 、品质( q u a l i t y ) 和时间戳( t i m es t a m p ) 。数据值是以v a r i a n t 形式表示的0 11 7 7 1 。 2 4o p cc l i e n t 应用程序 2 4 1o p c 接口 o p c 规范有两种接口方式：自定义接e l ( c u s t o mi n t e r f a c e ) 和自动化接e l ( a u t o m a t i o n i n t e r f a c e ) 。自定义接口是一组c o m 接口，主要用于采用c + + 语言的的应用程序开发； 自动化接口是自动化的o l e 接口，主要用于采用v b ，d e l p h i 等基于脚本编程语言的 应用程序开发1 2 引。 对于客户端应用程序的开发，采用自定义接口的方式运行效率高，但开发难度大； 采用自动化接口的方式运行效率低，但开发简单。 对于分布式的对象上的o p c 客户程序的开发，o p c 标准采用d c o m 技术实现服务 第二章o p c 技术及监控系统实现框架 器和客户程序的通讯。 2 4 2 访问o p c 服务器进行数据交互 o p c 服务器可分为三层结构，s e r v e r ，g r o u p 和i t e m 。 在访问o p c 服务器时，第一步要完成c o m 库的初始化，然后创建一个服务器对象， 建立与服务器的连接，获得服务器对象的接口；第二步要添加组对象，并设定数据刷新 速率，死区等参数；第三步添加数据项对象，数据项对象有只读，只写等属性，可以根 据实际需要设置属性1 2 纠。 o p c 客户和o p c 服务器进行数据交互有2 种访问方式：同步和异步方式。 同步方式实现较为简单，客户向服务器发出读写请求，然后等待服务器返回信息， 当客户数据较少而且同服务器交互的数据量比较少的时候可以采用这种方式，然而当网 络堵塞或大量客户访问时，会造成系统的性能效率下斛3 0 j 。 异步方式实现较为复杂，客户向服务器发出读写请求后，服务器立刻返回信息表示 请求已接受，客户可以进行其他处理，当服务器完成读写操作后，通过调用回调函数， 通知客户程序操作完成，并传递相应的信息，因此异步方式的效率更高，能够避免多客 户大数据请求的阻塞，并可以最大限度地节省c p u 和网络资源。另外一种异步方式是 服务器周期性的扫描缓冲区的数据，发现数据变化范围超过死区后，立刻通知客户程序， 传递相应信息i j 。 2 5o p c 数据存取规范的局限及其发展 对o p c 数据存取规范详细规定了客户程序和服务器程序进行数据通信的机制。其 它类型的o p c 服务器往往是在数据存取服务器的基础上通过增加象、扩展接口而来的， 所以该规范也是其它o p c 规范的基础。通过这一系列的规范，o p c 为异构计算机环境 下控制系统的集成与互操作奠定了框架，只要服务器和客户端遵循这个框架，不同厂商 的设备就可以实现集成和互操作，简化了控制系统中的信息共享和交互，从而大大降低 了系统的成本。基于c o m 的o p c 规范在生产现场范围内的局域网中表现良好，但当 o p c 的应用向更广的范围扩展时，却暴露出了严重的缺陷，其根本原因在于o p c 规范 使用的c o m d c o m 技术i 彪j 。 c o m d c o m 技术存在两个缺陷： 1c o m 是微软独自开发、研究的，没有获得其他厂商的广泛支持。当初微软开发 c o m d c o m 技术作为w i n d o w s 平台上跨进程、机器通信的r p c 机制，虽然后来微软 也向其它平台开放了c o m 标准，并进行了移植，但c o m d c o m 技术仍然主要局限于 微软的w i n d o w s 平台，在其他平台上并没有获得广泛的支持。因此，o p c 服务器和客 户端通常都必须在w i n d o w s 平台上才能正常运行。如果非微软平台上的多个控制系统 需要共享和交换信息，就无法使用o p c 标准。 2d c o m 在网络通信方面存在缺陷。默认情况下，d c o m 在运行时为每个通信连接 动态分配t c p 或u d p 端口，但绝大多数防火墙是不允许这种行为的。 - 8 - 第二章o p c 技术及监控系统实现框架 当o p c 的应用在现场范围内的局域网中时，上述缺陷通常不会造成影响，因为局 域网中的内部连接一般不会经过防火墙，应用平台也很容易统一使用w i n d o w s 。但随着 网络的迅速发展以及企业信息管理系统集成度的提高，企业范围的信息管理系统经常需 要获取现场数据并进行分析以加强管理，而这些管理系统通常距离现场较远，可能需要 通过广域网甚至i n t e r a c t 进行连接，这就无可避免的需要经过防火墙。同时，很多信息 管理系统并不使用w i n d o w s 平台，无法使用基于c o m 的o p c 规范。因此o p c 迫切需 要一种能实现跨平台应用并在i n t e m e t 范围上工作良好的通信机制来代替c o m ，这就促 使o p c 基金会推出了基于x m l 的o p c 规范。 2 6o p c 技术引入电厂监控系统 o p c 技术本质是采用 m i c r o s o f t 的c o m d c o m ( 组件对象模型分布式组件对象模 型1 技术，c o m 主要是为了实现软件复用和互操作，并且为基于w i n d o w s 的程序提供了 统一的、可扩充的、面向对象的通信协议；d c o m 是c o m 技术在分布式计算领域的扩展， 使c o m 支持在局域网、广域网甚至i n t e r a c t 上不同计算机的对象之间的通信。c o m 是基 于c s ( 客户服务器) 模型，基于c o m 的o p c 技术同样是以客户机朋艮务器的形式来实现 的，包括o p c 服务器和o p c 客户端两部分。通常把符合o p c 规范的设备驱动程序称为o p c 服务器，而将符合o p c 规范的应用软件统称为o p c 客户。服务器充当客户与硬件设备之 间的桥梁，客户是独立于设备的( 即不管现场设备以何种形式存在客户都以统一的方式 去访问) 。o p c 所提供的接口标准事实上是一种“软件总线”，在客户端和服务器端各自 定义了统一的具有不变特性的标准“接口”。基于“o p c 总线 的客户机和服务器间是 多对多协同工作的关系，客户机通过o p c 接口对服务器上的数据进行访问和控制。图2 3 比较了传统的c s 模式和o p c 模式1 3 引。 0 p c i l 匣务器i0 p c 服务器i0 p c 服务器l 设备l l 设备2设备3 图2 3 传统模式与采用o p c 模式的对比 在厂站监控系统中引入o p c 模式后，监控组态软件( o p c 客户机端) 凭借o p c 技术统 一的方式就可以便捷的与远动设备( o p c 月a 务器端) 进行通信，较好的解决了以往数据通 信中存在的瓶颈问题。同时，基于d c o m 的特性将使o p c 成为分布式的网络化监控系统 设计中使用的中间件州。 第二章o p c 技术及监控系统实现框架 2 7 电厂监控系统的层次结构 基于电厂监控系统通常可以分为三层：现场智能设备层、s i s 层和m i s 层。还有一 种分类法是在m i s 层上加上一个远程监控层。 l 现场智能设备层( d c s 层) 现场智能设备层的核心是现场总线、以太网和智能仪表。现场设备则是以网络节点 的形式挂接在现场总线上，或现场智能仪表挂接在e t h e m e t 上，或智能p l c 直接与上位 机互联。依照现场总线的协议标准，底层智能设备采用了功能块的结构，通过组态设计， 从而完成数据采集、a d 转换、数字滤波、温度压力补偿、p i d 控制等各种模块【3 5 1 。 2s i s 层 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 ms i s ) 是集过程实时监测、优化控 制及生产过程管理为一体的厂级自动化信息系统。 该系统通过对火电厂生产过程的实时监测和分析，实现对全厂生产过程的优化控制 和负荷经济分配，在整个电厂范围内充分发挥主辅机设备的潜力，达到整个电厂生产系 统运行在最佳工况的目的；同时该系统提供全厂完整的生产过程历史实时数据信息，可 作为电力集团公司信息网络化的可靠生产信息资源，使集团公司管理人员能够实时掌握 各发电企业生产信息及辅助决策信息，充分利用和共享信息资源，提高决策科学性。 3m i s 层 管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mm i s ) ，是一个由人、计算机等组成的 能进行信息的收集、传送、储存、维护和使用的系统，能够实测企业的各种运行情况， 并利用过去的历史数据预测未来，从企业全局的角度出发辅助企业进行决策，利用信息 控制企业的行为，帮助企业实现其规划目标。 4 远程监控层 远程监控层的主要目的是在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。首先 要将中间监控层的数据库( 即d c s 系统中的实时数据库) 中的数据信息转入到厂级监控 层的关系数据库中，即s i s 系统中的实时历史数据库。这样，远程客户端通过w e b 浏 览器可实时浏览和查询现场设备的工作状况，对生产过程进行实时的远程监控。远程用 户被赋予一定的权限后，还可以在线修改各种设备参数和运行参数，从而在广域网范围 内实现底层测控信息的实时传递；或实时下载历史数据，进行远程故障诊断、性能优化、 数据分析等u 6 1 。 目前，远程监控实现的途径就是通过i n t e m e t ，主要方式是租用企业专线或者利用 公众数据网。由于涉及电厂实际的生产过程和数据信息共享，因此必须保证监控系统网 络的安全性，一般我们通常采用包括防火墙、用户身份认证以及密钥管理等技术来解决。 2 8 电厂监控系统的模型 本文设计的监控系统是以电厂内部厂级监控s i s 系统为运行平台，它为电力集团公 司、科研机构、电厂运行人员、设备供应商等不同用户提供服务和系统诊断功能。 第二章o p c 技术及监控系统实现框架 在电厂s i s 的设计方面，从以数据库系统为中心的设计角度来讲，既有采用传统的 客户机服务器( c l i e n t s e r v e r ，简称c s ) 结构，也有使用浏览器朋艮务( b r o w s e s e r v e r ，简 称b s ) 结构，两种结构的数据库服务的核心是一致的，但由于结构的不同。两者适宜的 用户对象也不同。在分析两种结构的优缺点的基础上，提出了两种基于混合结构模型的 电厂s i s 体系结构。 在电厂s i s 的数据接口方面实时数据接口系统是s i s 中重要的基础组成部分之一， 它为后续系统如实时数据库、数据处理、历史数据显示等提供了数据来源。该系统主要 任务之一就是将生产现场，包括d c s 、数据采集监控系统和其它辅机系统的实时信息引 入s i s 系统，进而与m i s 系统形成一个管控一体化的信息系统，为全厂各职能部门提供 全方位、立体的生产信息。因此，建立一个可靠、高效的数据通信接口是实施实时数据 库系统的关键。 2 8 1 基于c s 和b s 模型系统比较 c s 大致经历了四个阶段的发展：从胖客户机模式到瘦客户机模式，再由两层半模 式发展到三层模式。传统的c s 模式系统是基于资源不对等，且为实现共享而提出来的， 是2 0 世纪九十年代成熟起来的技术，c s 结构将应用一分为二，服务器( 后台) 负责数据 管理，客户机( 前台) 完成与用户的交互任务。b s 结构是一种以w e b 技术为基础的新型 模式。把传统c s 结构中的服务器部分分解为一个数据服务器与个或多个应用服务器 ( w | e b 服务器) ，从而构成一个三层结构的客户服务器体系p 7 。 b s 较c s 模式的优势主要体现在以下几个方面： l 在体系结构上，相对于传统的二层c s 结构而言，三层的b s 是由其发展而来 的。b s 体系结构是把原来在客户机一侧的应用程序模块与显示功能分开，将它放到 w e b 服务器上单独组成一层，客户机上只需安装单一的浏览器。这样客户机的压力大大 减轻了，不再负责数据库的存取和复杂数据计算等任务，只需要其进行显示；负荷均衡 地分配给了w e b 服务器，充分发挥了服务器的强大作用，从而克服了c s 二层结构负 荷不均的弊端，降低了投资和使用成本。不仅如此，由于与i n t e m e t 接口容易，实现了 数据在i n t e m e t i n t r a n e t 上的资源共享，适合远程访问，所以借助i n t e m e t i n t r a n e t 可以实 现远程的指导运行和专家诊断，方便快捷有效。 2 易于维护和升级。维护人员不再为程序的维护工作奔波于每个客户机之间，而 把主要精力放在功能服务器上。由于用户端无需安装专用的软件，当企业对网络应用进 行升级时，只需更新服务器端的软件，减轻了系统维护与升级的成本与工作量，使用户 的总体拥有成本大大降低。 3 界面统一、使用简单。b s 结构的客户端只需安装单一的b r o w s e r 浏览器软件( 如 i e ，n e t s c a p e 等) ，不需要像c s 结构中那样安装数据库客户端软件、应用软件等。通过 这个友好界面的浏览器，用户即可访问文本、图像、声音及数据库等信息，操作界面简 单统一，无需培训便可直接使用，利于推广。 4b s 模式还具有适合网上发布信息，扩展性好、灵活性强等优点。可见，随着 i n t e m e t 的不断普及和应用的迅速升级，其优越性必将得到充分发挥，b s 模式的监测系 第二章o p c 技术及监控系统实现框架 统也会由此更加蓬勃发展。 b s 结构的新颖与流行，和在某些方面相对于c s 的巨大改进，使b s 成了系统平 台的首选，也使人忽略了b s 不成熟的一面，以及c s 所固有的一些优点。事实上，c s 结构相对于b s 结构也有许多优势之处【3 8 】： 1c s 具有较强交互性，客户端有一套完整的应用程序，在出错提示、在线帮助等方 面都有强大的功能。 2c s 提供了更安全的存取结构。由于c s 是配对的点对点的结构模式，采用安全性 比较好的网络协议( 例如：n t 的n e t b e u t 协议) ；而b s 采用点对多点、多点对多点这 种开放的结构模式，并采用t c p i p 这一类运用于i n t e m e t 的开放性协议，其安全性通常 主要依赖数据服务器上管理密码的数据库来保证。 3c s 的两层结构，将降低网络通信量，使c s 完成的速度总比b s 快，更利于处理 大量数据。 可见，其实c s 结构也并非一无是处，b s 系统也并非就一定比c s 结构好，所以 本文设计系统时，提出了基于b s 和c s 混合模型的设计方法，详细内容将在第五章讨 论。 2 9 本章小结 本章主要内容为，首先简要介绍了以下o p c 技术，然后提出把o p c 技术引入到电 厂监控中来，然后重点又对监控系统的层次结构和模型分类进行了阐述。 第三章中间件的设计开发 第三章中间件的设计开发 本章主要由两部分组成，前一部分主要是对o p c 组件的开发方法的研究，这一部分 是系统开发的重点，而后一部分则介绍a c t i v e x 控件的开发。 3 1 客户端开发方法研究 o p c 客户端开发的意义是提供了一种读取服务器端数据的方法，只要客户端可以成 功地读取数据，那么以相同的方法，在功能组件上可以获取所有系统实时现场数据。客 户端程序的设计主要是针对客户程序中o p c