（计算机应用技术专业论文）华能营口电厂实时数据管理系统设计与实现.pdf

东北走擎矮士学蛀论文撼要 华能营口电厂实时数据管理系统的设计与实现 摘要 “华能赣口电厂实时数据管理系统”解决了如何将现场工业控制网中的实时生产数据引 入剩营理鄹驰闽题，共且为用户提供了基于实对数摄的管理系统。用户可以通过本系统对现 弱豹生产情况进行篮规，并虽期户霹班使用本系统宠藏强黉鲍管理工撵，例如，摄袭的生成 和挺供趋势强对莱个参数点静趋势进簿蓝测帮势聿厅。宏鼹土，系绞分为嚣部分，一是姆实对 数据引入管理两并加以存储；二燕基于实辩数舔为周户掇供备种服务，获箍为管理屡提供夺 效的信息，以达到支持决策的目的。 本文从实际应用需求入手，首先分析了课题的背景、设计目标和可行性，然后，就系统 涉及到的计搏机局域嗣络技术、数据的接收、数据存储与数据库技术以及基于w e b 应用的用 户子系统分别捧了详细的讨论，对设计中的主要问磁分析深入，并给出了分析结论，创造性 静提出了最终技术及方寨。最居，绘出了对系统的察观、全蕊的谨价，著对进一步改进提出 了建议。 关键词实时数据电厂管理系统b r o w s e r s e r v e r 应用o p c 东北托学硕士学位论丈 a b s t r a c t d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f h u a n e n gy i n g k o u p o w e rp l a n t r e a l - t i m ed a t a m a n a g e m e n ts y s t e m a b s t r a c t t h em a i nf u n c t i o no f ”h u a n e n gy i n g k o ur e a l - t i m ed a t am a n a g e m e n ts y s t e m i st or e t r i e v e t h er e a l - t i m eh a r d w a r ep r o c e s sd a t af r o mi n d u s t r yc o n t r o ln e t w o r k ，s t o r ea n dm a n a g et h er e a l * t i m e d a t ai nt h em a n a g e m e n tn e t w o r k r e a l - t i m ed a t am a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mi sb u i l tb a s e d o n r e a l ，t i m ed a t a u s e rc a nm o n i t o rt h es i t u a t i o n so fi m p o r t a n ti n d u s t r i a ld e v i c e sd e p e n d i n go nt h i s s y s t e m + s t i l l ，t h i ss y s t e mc a nh e l pu s e r t om a n a g er e a l - t i m ed a t aa n dc o m p l e t ed a i l ym a n a g e m e n t t a s k ss u c ha sc r e a t i n gd a t ar e p o r t sa n dt h ed e m o n s t r a t i n go f 竹e n d ao f p o i n t s g e n e r a l l y , t h i ss y s t e m c a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：f i r s t l y , r e t r i e v i n gr e a l - t i m ed a t af r o mo v a t i o nn e p , v o r ka n ds t o r i n gt h e d a t ai nt h ed a t a b a s es e r v e rw h i c hi sl o c a t e di nm a n a g e m e n tn e t w o r k ；s e c o n d l y , r e a l - t i m ed a t a m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mw h o s ef u n c t i o ni s t op r o v i d ea d m i n i s t r a t i o ns t a f f sw i t hv a l u a b l e i n f o r m a t i o na n dh e l pt h e mt om a k ed e c i s i o n f i r s t l y , p r o j e c tb a c k g r o u n d ，i n c l u d i n g u s e rr e q u i r e m e n t ，d e s i g no b j e c t sa n df e a s i b i l i t y , i s a n a l y z e d ，s e c o n d l y , n e t w o r kd e s i g nm o d u l e ，d a t ar e t r i e v i n g m o d u l e ，d a t as t o r i n g d a t a b a s e t e c h n o l o g ym o d u l ea n dr e a l - t i m ed a t am a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mm o d u l ea 艚d i s c u s s e di n d e t a i l sr e s p e c t i v e l y t h ea n a l y s i s ，d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fk e yt e c h n i c a lq u e s t i o n sa r eg i v e n - f i n a l l y , a no b j e c t i v e a n da l l - s i d e de v a l u a t i o nt ot h i ss y s t e mi sd e m o n s t r a t e d ，f u r t h e r m o r e ，t h e s u g g e s t i o n sc o n c e r n i n g t h ef u t u r ei m p r o v e m e n to f t h i ss y s t e ma r el i s t e d k e y w o r d sr e a l - t i m e d a t a ，p o w e rp l a n t ，m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n s y s t e m , b r o w s e r s e r v e r a p p l i c a t i o n ，o p c i i 。 东北大学硕士学位论文 声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 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。 本人虢考可 日期：刀弘r ，9 东北大学硕士学饭论戈引言 第一章引言 i i 课题背景 华能营醋电厂是牮髓电力巢霞下属的一个子公司。华能电力集溺于2 0 0 0 年开始对集丽 下耩的备个予电厂进行全面的佰患纯改造，采用美国w e s t i n g h o u s e 酌d c s 系统对所有子电 厂擞产设备的控制系统进行改逸。华能营口电厂子2 0 0 2 年l o 月汗始甜1 弩发电机缀迸行d c s 系统改造。d c s 系统是一个自幼控制系统，经过d c s 改造后，整个电厂的生产系统粪正遮 到垒面自动化，它的数据采集系统对各个设备进行模拟数据的采集，经过模，数转换后，模拟 数据变为数字数据，并被封装为数据包以广播的形式发送到千兆光纤网上，然后应用程序对 数攒包进行截获，并将数据存储到数据库中，为其它的应用程序提供数据源。一线的工作入 员可以通过计算机工作站对各种设备进行监视和操作，从丽完成对整个生产系统的自动控制。 企业管理决策部门在对整个电厂进行管理和进行决策时，需要对生产现场的备种数据进 行分析，从而完成科学的决策。但是，在地理位置上，生产现场与企业行政管理办公地点相 分离，短者相距条走廊，长者相距几公里甚至十几公里。并且，华能电力集团的总部设在 北京，意要对下属的十几个城市的备个子电厂的生产状况进行监控，焉要各个子电厂的现场 生产数据，薅且髓要指出的是，当翦决策者联器要的生产数据并不只是缀始的未经任何处理 熬数据的罗列，箍是经过筛选、计冀、综会势板乏鑫得出的技术数据。经过调研，华缝营嗣 电厂数嚣对予实时数据的煌辕主要依靠电话秽铸冀匏方式将生产数据传椽至蛰理行政酆门， 对数撂豹管壤主要蒎靠人王生戏擐裘，然蓐出营瑾部门依靠酝究势叛递交鳇缀袭来进行组织 生产和块蓑，毽效果龆不是十分理想。这是黻必： l 醵懿矫采溺懿数器傣输方式无论是龟话还是终囊舔甓裴久工韵参与，这会造藏数据 的传输速度滞君并且箢法傲至数据瓣大鲞快速靛传输。困怼，依靠这骜传输翡数据便失去了 实聍性。用户无法茯速墙褥到现场的数据，也便无法辩生产的琥坜出现的各种情况避行快速 的反应。 ( 2 ) 管理层依靠撮表谶行生产数据的管琏，值班前的报表的形成是：首先，工作天员翔 现场进行抄写，然后，统计人员进行人工录入6 计算机中并使用计算机的电子表格软件进行 统计，嫒后，生成报表。由于报表的原始数据是由人工抄写得到，所以错误率比较高，报表 1 隶弛大学硕士学位论文 引言 豹数据来源静准确性下降。因此，生残豹摄表躲参考价馕也骧之降抵，这裁会造或管理屡对 生产情嚣豹错误掌握，觚磊迄或决策失误。 因此，如何侠速遣准确缝获取现场实潜数据，并虽将藤始数据进行娃毽量卡舞，掏管理郝 门提供有益子生产决策豹信怠，成为个有待研究豹课题。 谋题“华能营瞄电厂实时数据管理系统静设计与实骥”傻华能蓄西奄厂实现对实露数摄 的现代化管理。 1 2 目标与内容 华能营稿电厂实对数据管理系统是生产系统串曩要鳇盛蠲系统，在电力生产运行中起饕 举是轻重静 棼精。它弱研究与实施将敬变电厂运行熬瑰骞状琵，提裹生产散事，为现钱他的 企焦生产和管理掇供春力的傈障。 l 。2 。l 用户器求分析 经过对华髓营舀鼠厂避舒现场的调研和与管璎大受之闯的沟遗，将用户霰求分毙毅下几 个方面： ( 1 ) 实时监测系统的数据莉新周期s l o 秒) ； ( 2 ) 报表系统对实时数据进行管理和统计； ( 3 ) 以图形方式展现现场生产情况； ( 4 ) 重要参数点的趋势监测。 ( 5 ) 用户功能予系统应易于维护与升级 以上的用户需求要求我们谯系统的设计与实现过程中重点考虑以下几方面的问题； 一是如何实现很缀时间内大量的实时数据传输；二是对于这样大量的实时数据，采用什 么方式存储，使之既槲利于保证数据的安全性和完整性又有利于数据的发现和挖掘；曼是擞 然2 个帆组使用的都是d c s 系统，但这两个d c s 的数据库服务器所提供的数据接口楚不间 豹，如僻使用不劂的数据接口从丽得到最终的实时数据；璇后。基于三层结构的用户软件子 系绩也是本系统的一个重要组贼邦分。 华挠营爨电厂鹊实聪蓉统与其它普通的系统之阈的最大的不同之处就是要满足处理与 畦瀚豹关系。在蜜畦处理中，慧统戆正确性不仅仅壤赖于处理麴逻辑结果丽且依赖予结果产 生赫时闰”。对予实黠系统来说最燕要瓣要求是必须蠢在个事先定义妻子的时阐g 制内，对 ，2 东北大学硕士学位论文 引言 外部或内部的事件进行响应和处理的能力。 电厂实时数据管理系统不是一般意义上的实时系统，它对事务实时性的要求不是很高， 重点在于对实时数据、历史数据的获取、存储和统计。整个系统在实时性方面只要满足两点： 第一，系统应该有在事先定义的时间范围内识别和处理实时数据源的能力。第二，系统能够 快速的处理和存储应用系统所需要的大量的实时数据。 1 2 2 系统设计目标 在进行用户的需求收集和现场调研并且综合地分析用户需求后，确定以下的系统设计目 标： ( 1 ) 系统网络的设计应满足实时性要求 ( 2 ) 网络具有较好的安全性( 使现场的工业控制网免于受到攻击) ( 3 ) 大量实时数据快速地存储与查询 ( 4 ) 使用b r o w s e r s e r v e r 结构进行用户子系统的开发，使系统具有很好的可扩展性和可维 护性 ( 5 ) 系统具有多平台移植特性 完成上述系统的设计与实现，是一个具有挑战性的工作。通过此次课题的设计与实现， 达到了以下目的： ( 1 ) 运用面向对象的设计思想以及设计模式，使系统具有较好的可扩展性和可复用性。 ( 2 ) 通过分析比较局域网技术，并与实际情况相结合，确定适用于实时数据传输的计算 机网络设计。 ( 3 ) 研究分析数据接口，使用不同的数据接口完成对实时数据的读取。 ( 4 ) 使用j 2 e e 技术开发三层结构的用户子系统w e b 应用程序。 ( 5 ) 研究数据库技术，选用符合实际要求的数据库技术。 。3 东北大学硕士学位砖支第二章系统体系结构与可行性分析 第二章系统体系结构与可行性分析 本章蓠先设计了系统豹体系结构，体系结稳涉及到计算镌弼络、数据露、薅囱对象款9 | 设计方法和w e b 应精程序开发等领域，毙鞍复杂。然后辩系统静掰聋- 性进苻努耩。本章辩系 统进行模块亿划分，并分掰对各个模块静暂行靛进行分斩。 2 1 相关术语 ( 1 ) 参数 在奄厂串，为了了解辊嚣运舒状况，遇零要捡鸯一些重要熬数据，铡掘发电规毒功功率、 汽辊转子转速和轴承溢凄等。掇攥它们豹数售就可以判凝规器是疆运毒亍正攀。这些单独线缎 会起采就能爱硖击概嚣运行凝况貔耋癸数据称必参数。遴常。一个发电枧缀豹参数案几百甚 拦数千个。 ( 2 ) 点号 每一个参数在电厂中有个唯一标识，通常是英文字母等数字的维合，称为点弩。铡摇， 某电厂发电机有功功率的点号是o t 0 0 1 n e 。 ( 3 ) 点名 点名是对点号的中文解释，它对各个点号进行描述和说明。例如凝汽嚣出口温度、循环 水压力、发电机有功功率等。一般情况下，点号与点名是决定与依赖的关系，即点号噍一确 定点名。 ( 4 ) 实时数据 是对应于某个点号在某个时间点的数据，它能反映一定实际情况的一组数据。 2 2 系统设计目标 总体来说，实时数据管瑾系统是将d c s 现场生产系统的各项重要生产数据通过一寇的方 式传输到管理网，从而为管理人员进行生产和企业决策提供基础。它所究成的功能包括；设 计完成适合于实时数据传输的局域网构架；可以和多个生产网络中的数据库服务器所撬供的 数据接口进行对接。完成现场实时数据的对接；设计数据存储方案适用予海鬣数据的存储； 4 - 东北大学硕士学位论文第二章系统体系结构与可行性分析 设计灵活的用户界面，为用户提供图形、数字、图表等多种形式的统计分析数据。 阕此，华能营口电厂实时数据管理系统要达到以下目标： ( 1 ) 建立一个将现场实时数据传输到管理网的实时数据局域网，使它能够与生产现场的 光纤网进行对接。用于传输实时数据的局域网要求比较严格，因为用于控制的网络对于整个 电厂的安全运行起着至关重要的作用，如果它发生问题那么后果不堪设想。因此保证现场网 络的安全性十分重要。由于与管理网的连接，这无疑将现场网络暴露给使用管理网的用户， 如果管理网接入到i n t e m e t ，那么现场的控制网将会暴露给全世界的用户。如果安全性不高， 现场受到攻击，那么就会给电厂的生产造成巨大的损失。在另一方面，由于需要传输的数据 量大并且每批大量数据之间的时间间隔短，网络的传输速度、实时性、网络吞吐量、是否具 有开放性、可互连性和可扩充性以及网络中的通道瓶颈问题，都是需要考虑的问题。因此设 计和实现用于实时数据通信的网络是本课题的一个重点。 ( 2 ) 由于现场的控制系统d c s 系统提供的数据接口是不同的，所以，系统要做到同时与 这两个不同的数据接口进行数据交换。 ( 3 ) 所设计的软件系统应当适用于不同的操作系统，做到多平台的移植性。 f 4 ) 对于大量的实时数据的存储，要做到既简化时间上的复杂度又尽量节省存储空间。 虽然，现在的存储空间越来越大，但其成本越来越低。大的存储空间不再是问题。但是，实 时数据的存储量非常大，这是因为尽管每批的数据量并不是很大但是批和批之间的数据间 隔很短，大概是1 0 秒左右。在现场调研中，华能营口电厂一天的数据量往往是几百万条，而 每条数据又要占用几十字节。在这样的数量级下，节省存储空间也是考虑的必要问题。 ( 5 ) 查询、统计、计算数据，以数字、图形以及报表多种方式显示实时、历史数据，并 允许用户进行配置。 r 6 1 由于d c s 处于改造阶段，用户的需求在不断的变化。因此，在软件系统的设计上要 具有较强的可扩展性和可复用性，对于用户的变化有较强的吸收能力。 2 3 系统体系结构设计 为了达到所制定的系统目标，系统分为硬环境的设计和软环境的设计。硬环境的设计主 要是网络的设计。软环境的设计是实时数据管理系统软件系统的设计。同时考虑到软件的可 重心性和可扩展性，将使用设计模式的方法进行设计。系统的体系结构如图2 1 所示。 。5 农北失擎硕士学位论文第二章系统体系结构与可行性分析 从圈2 i 中可以看出，由d c s 系统完成对于发电机组的熊要数据的采集，其中包括各种 摸越馕号的采集，势且进行摸数之闻的转换，然后将数据进芎亍打包以广播的形式发送到d c s 生产鄹上，虫专用的谈蹰程捧进抒数据报的截获，然后拷数据析驭出来存储到数据库服务器 中。这样以骰到数据共享，其宅鳇废用程_ 芋磷以使用鹱始靛实时数据。这样d c s 系统为我 】憨系统提供了透髑豹擐始数据源。我9 3 竞霉芙心原始粒各狰设蔷的电信号是如何被采集到 麓，我 f 】必需荚心d c s 系统豹数据瘁骚务器为我 f 3 提供妻孽接a 萃 l 按议。 实对数据接枝艨将使用d c s 系绫提供抟数据接鑫遂蕹蔡协议，将现场麴原始数据透过实 时计箨梳阚络读取进来，经过 十雾孱存储餐管理翻孛的实对数据痒般务器孛。从瑟为上层的 实时数据管理系统的软件系统提供了数据淫。 上层的软件系统为厢户提供了各种服务，帮劲管理人员完成霞常静管理稻决策任务。 2 4 系统的功畿设计 系统分为实对蜀域潮设计与擒絮、实鞋数据接收、实醛数据存髅、实瓣数握管理敦件系 统舀个功能设计部分，鲡图2 2 掰示。 d c s 数据库服务器 图2 。1 糕统体系结构圈 f i g 21 t h ea r c h i t e c t u r eo f t h es y s t e m 6 东北大学硕士学位论文 第二章系统体系结构与可行性分橱 l 实时数据局域网设计l l 圈2 2 系统功能分折耀 f i g 2 2 f t m e t i o n s a n a l y s i so f t h es y s t e m 2 4 i 实时数据局域两设计 此予系统为整个系统提供了数据健输的载体即系绕运行网络基础。它墨但为系缝提供了 高速可靠的数据传输服务，同时它的设计必须为现墒的d c s 生产网络提供安全保障，使其不 会受斡豁网络的攻击。 2 4 。2 实时数据的接收 出予华能营疆电厂进行一号枕维鞠= 号橇组d c s 改造，毽d c s 系统中分别为一号橇稀 二号机提供了数据库服务器并且这两台数攒瘁服务器慰雏界提供的数据接口是亮全不同蛇， 蟹机为o p e n a e e s s 接口，二蟹机为o p c 接口。实时数据接收子系统的功能题保证数据的 接收，从不阉的按裔漠取罪始实对数据，然屠将其佟输给实时数据存储模块。并且摇桑现场 网贼锗理网出现错误剥，具有鱼动恢复功能，郡在嘲终出现错误或现场出现镄误的对候，该 子系统停l t 接收实时数据并提示错误，当网络恢复的时候，可以恢复实时数据的接收。 2 4 。3 实时数据的存储 南予实对数据和历史数据的数据鬣很大，而处理时间v 又是有隈的( 最长不超过4 0 移) ，决 定了存储模块鼹要完成的功能是在尽璧短的对闽内完戏大量数据的存储。 7 东北大学硕士学位论文第二章系统体系结构与可行性分析 经过多种方案的研究和比较，本系统采用关系数据库产磊来存储数据。本子系统完成两 项功能。第一，关系数据霹中使稻棠； 表来实现对表索 l 颈的维护，所墩在避行数撼更新对， 数据库系统必将更薪索g | 表，这将耗费掉本已捏少的处理时闽的一部分，影响对数摄的存储； 第二，建立索g l 是进行数据统计、分析的必然要求，因为数据的统计和分析避建立在数据查 询的基础上，所馘在几百万乃至上千万条 e 录中进行快速豹盔谵是必需静。胃冕，索g l 又是 必不礴少豹。魏方蕊豹矛鹰如键解决，是本模块的重要研究内饔。 2 4 4 实时数据管理软彳串子系统 这一子系统是毁在整个系统的最顶层，处在其下的子系统购功自是为璇向用户的实时数 据管理软件系统提供网络和数据的基础。实时数据管理软件系统的任务是处理用户的备项服 务请求。 它分为系统熙、报表和趋势圈兰个模块。系统圈模块以图形的方式描述生产现场的锅炉、 电气和汽机三个子系统的各个设备的运行情况，并且对各种警戒值避行实时的盆浏，为管理 人员提供了监视璇场运行情况韵工其。 投表横块按照管理人昃麴要求将现场的数据进行统计汇总生成搬裹。它分为日报表、月 报表、年报表和小螽帐等多种报表形式。 趋势图模块蹙对一个或一缀参数点以赭线圈、饼图、桂图和数据列表的形式进行描述， 用户进行配置参数点，趋势图模块会生成相应的图形。趋势图可以是进行实时性的描述，也 可以是对参数的历史走势进行描述。 2 5 系统的可行性分橇 从宏双的角度来说，整个系统的功能强大，涉及剐较多的领域：即计算机阿络技术、数 据库技术、工业控制技术和电厂运行和管理的相关知识。无论获硬件环凌静设计还是软件系 统的设计，新要求躲技术豹复杂度都比较离。 。f 蕊分别对务项技术的可行瞧进行分析。 2 5 1 技术可行性 数据趋本系统的报本所在，如粟无法将生产现场的实时数据传输列管理阐，那么整个系 统变成了无源之永，一访都变成纸上谈兵。所菇，翔傅得到现场数据是整中之重。现场的d c s 8 。 东北大学硕士学位论文第二章系统体系结构与可行性分析 控制系统中存在两台数据库服务器，为了保证现场应用程序的正常运行和数据库的安全性， 虽然所有其它的应用程序无法操作数据库的物理表，但这两个数据库服务器都为其它的应用 程序提供了数据接口，只要其它应用程序安装了客户端软件即可使用它所提供的软件包进行 编程，读取现场的实时数据和历史数据。由于数据接口软件包的存在，从而保证了将实时数 据传输到管理网的技术可行。 参数引入过程中的核心问题是参数的筛选和归类。电厂中电气、汽机、锅炉等专业人员 根据多年工作经验可以完成此项工作。而且本系统的实施必将提高日常工作效率，简化繁琐 的手工数据处理程序，所以得到了各类工作人员的支持，为系统的顺利实施提供了人力合作 方面的可行性。 另外，网络技术发展地很迅猛，传输速度不再成为技术上的难题。并且，网络安全技术 也在日新月异地变化，现有的网络安全技术完全可以解决系统的网络安全要求。而数据库技 术也在更新，内存数据库、实时数据库等技术的出现使大量数据的存储方案有了新的选择。 用户界面的设计也是十分复杂的，因为有很多“活动”的图形，即图形本身抽象地描述设备 的状态，本身也是数据。但是面向对象的设计方法以及设计模式的先进思想为我们提供了设 计方面的可行性。并且支持面向对象程序设计的j a v a 语言为我们提供了开发语言，同时j a 、，a 中的图形开发软件包a w t 和s w i n g 包都非常强大。从而为我们图形设计提供了可行性a 另外 值得一提的是，设计模式中很多模式都很适用于一些图形设计方面的问题，这更为用户复杂 幽形设计提供了技术上的可能性。 最后，华能电力集团中的几个分电厂都成功地将实时数据引入到管理网，并且取得了良 好的效果。它为管理者提供了及时的信息，为管理决策提供了很好的服务。所以，本系统运 行后具有很好的经济收益。 综上所述，开发华能营口电厂实时数据管理系统是可行的。 2 5 2 系统运行环境 ( 1 ) 操作系统 存储实时数据的数据服务器：w i n d o w s2 0 0 0 a d v a n c e ds e r v e r ； w e b 服务器：w i n d o w s2 0 0 0 a d v a n c e ds e r v e r 、t o m c a t 4 i ； 客户端：w i n d o w s9 5 9 8 m e 2 0 0 0 x p 。 ( 2 ) 数据库 9 东北大学硕士学位论文第二章系统体系雪番构与可行性分析 大型关系数据库产品o r a c l e9 i ( 3 ) 其它支撵软件 m i c r o s o f t ；v i s u a lb a s i c6 + 0 ，j b u i l d e r6 0 。 2 5 3 设备及分布 整个网络环境由现场自动化工业控制网、实时局域网、管理网和其它网络4 部分组成。 如图2 3 所示。 ( 1 ) 现场自动仡工数控制网 是在g l 进机组的阉时配套安装的用于现场实时监控的控甫4 网络，也就是华能营口电厂用 于现场生产的摊翩系统d c s 系统。发电机的运彳亍参数被采集到后，经过横，数转化偌，将数 据字龟，然后将数据撮广播到现场控翻捌中，出相禽的应媚程序进行截获积处理，然痿犍褥 到麴实时数握存储到工业控剑网中的数据库服务器。 ( 2 ) 实时数据局城网 由路由器、交换梳和防火墙，至少一台实游数据服务器、w e b 服务器和必纡缳成。其中， 数据瘁服务器不仅完成实时数据的接收，还要实现实时数据的存储。由于本系统的软件予系 统采用的是b $ 结构，因此需要一台w e b 服务器，w e b 服务器运行着阅络成用程序。w e b 服务器用于晌旋馨户端的 r r r p 请求调用辎虚瀚髑络庭爝程序进行处理，势将处理的结果返 闰给客户端。 ( 3 ) 管理网 由若干h u b 、多台客户机纽成。由于带户子较件系统采沼的是b r o w s e r s e r v e r 结构，因 此霁户端上只需运孬支持h t t p 请求鸵测览器即可，客户霹以通过浏燕器肉w e b 服务器发送 各羊中请求，从甄实现对现场数掇的实时动态监视和趋势、决策分拼。 ( 4 ) 其它网络 霹殴将系统遵避p s t n 、i s d n 、d d n 、a d s l 或卫星售道等连入其他网终，甚至连入 i n t e m e t 。 。1 0 东北兔学硕士荦位论文第二章系统体系缭构与可行】生分析 鞠2 3 系统网络环境 f i g 2 3n e t w o r k s t r u c m r e 1 l ， 东北大学硕士学位论文第三章系统网络设计 第三章系统网络设计 整个系统的网络子系统的设计目的在于为实时数据提供一个快速、可靠和安全的载体。 卜面通过对多种网络设计方案的分析和比较，最终找到适合于华能营口电厂的实时数据传输 的网络拓扑结构及传输技术。 3 1 实时数据传输方式 计算机之间可以通过串口或并口进行通信，但串口或并口通信具有很大的弱点： ( 1 ) 数据传输速率低，串行口一般为9 6 0 0 b p s ，并行口( 最大) 6 0 k b p s ( 2 ) 传输距离短( 9 n 1 ) ； ( 3 ) 多机通信实现困难，软件复杂度高，即使实现后，传输的速度也将会很低。 所以，串口通信或并行口通信一般只能用于计算机之间的点对点的连接，完成简单的数 据传输任务。 而本系统对数据通信的要求很高，不仅多机参与通信，而且耍保证实时性和可靠性。因 此要完成功能更强的数据实时通信，建立计算机网络是必需的。 3 2 网络方案设计分析 本系统所要求的网络系统的特点是快速和安全性，因此网络的设计目标应遵循此原则。 通过对比和分析当前多种局域网技术，结合网络设计的目的，筛选出最佳的局域网技术。 3 2 1 网络设计原则 网络设计应遵循的原则； ( 1 1 传输速率高，实时陛能好，具有较高的性价比； ( 2 ) 良好的可靠性和安全性； ( 3 ) 网络吞吐量大； ( 4 ) 网络通信系统应符合国际规范和标准，具有开放性； ( 5 ) 可互连性、可互操作性和可扩充性； ( 6 ) 网络瓶颈出现的概率低。 1 2 东北大学硕士学位论文 。 第三章系统网络设计 3 2 2 局域网技术的分析与选择 现代局域网的技术发展的很迅猛，为我们提供了多种局域网技术，下面对于主流的局域 网技术进行介绍。然后对于各种局域网技术进行比较和分析，结合实际情况，选择最佳的 局域网技术【”。 ( 1 ) 以太网( e t h e m e t n e t w o r k ) 该网络符合i e e e 8 0 2 3 协议，即遵循带冲突检测的载波侦听多路访问控制协议 ( c s m a c d ) ，传输速率为l o m b p s 。处于网络中的所有计算机共享一个总线，在任意某个时间 点上只有两台计算机进行通信，其它的计算机将处于等待状态。所以，当网络中的计算机的 数鹫较多时，网络性能将会明显下降。虽然此技术已经十分成熟并且形成了工业标准，但无 法满足高速网络通信的需求。常用标准有：粗同轴电缆e 1 l l e m e t1 0 b a s e 5 ，细同轴电缆e t l l e m e t 1 0 b a s e 2 ，双绞线e t h e m e t1 0 b a s e - t 。 ( 2 ) t o k e nr i n g 网络 该网络是i b m 基于i e e e 8 0 2 5 标准的一个令牌环网，传输速率为4 m b p s 或1 6 m b p s 。t o k e n r i n g 使用一个令牌传递方案，提供高可靠性、恒定的吞吐量和较好的防崩溃。但是，它的网 络设备价格昂贵，技术也比较落后。它逐渐被以太网所取代。所以，t o k e nr i n g 网络无法满 足我们设计的原则。 ( 3 ) 1 0 m b p s 交换式以太网 交换式以太网是以常规以太网1 0 b a s e t 为基础的。它为每个结点提供专用的以太网连 接，为该段保证专有的l o m b p s 性能。交换以太网具有以下几个优点：第一它在保留现有以太 网适配# 不变的情况下提高网络功能，其次交换以太网通过使用交换器把l a n 分成更小的 l a n 改进性能。该技术的缺点是它是基于普通以太网改造的，无法大幅度提高普通以太网的 传输速率，所以无法满足高速网络通信的需求。 ( 4 ) a t m 异步传输模式( a t m ) 是一种基于信元交换的技术，它是在9 0 年代以后才兴起的热门技术， 由i t u ( 国际电信联盟) 制订了标准。可以广泛用于w a n 连接、l a n 骨干网和桌面连接。它的 优势在于它提供的带宽很大，从5 2 m b p s 到6 2 2 m b p s ，a t m 对交互式多媒体等需要较大带宽 的应用很有竞争力。但是目前，在大多数局域网环境下，a t m 设备价格昂贵、安装复杂，对 于局域网来说，其性价比较低，所以很少采用。 ( 5 ) f a s te t l l e m c t ( 快速以太网1 0 0 b a s e - t ) 同传统的1 0 b a s e t 以太网一样，快速以太网1 0 0 b a s e - t 采用了类似的以太网标准，但 是它的传输速度更快，可以达到l o o m b p s 。快速以太网采用的是i e e e 8 0 2 3 u 标准。快速以太 网技术在9 0 年代出现，并迅速发展成熟，9 4 年形成工业标准，1 9 9 5 年底，网络界主要厂商 1 3 东北大学硕士学位论文 第三章系统网络设计 郡推出了是己缝1 0 0 b a s e - t 产鹣。抉遴毅太网是一个耘兴豹、佳秀数骥络，它豹撬势在于： 提供1 0 0 m b p s 速度；完善的技术标准：兼容1 0 b a s e t 以太网，网络升级容翁；拥有众多厂 家共弱支持，有长期僳豫。它还蠢三释不嗣豹弼络痿标建，静1 0 0 b a s e - t x ，1 0 0 b a s e f x ， 1 0 0 b a s e t 4 。 ( 6 ) 千嚣醴太黼( 吉融以太两) 千兆以太网的产品在1 9 9 6 年被推出，在高速传输网络领域，千兆以太网是a t m 强有力 的巍争对手。千兆以太网符合8 0 2 3 z 标准，仍然使用c s m a c d ，并与现有的雌太网兼容。所 以它的倪势在于能缀方便地将f d d i ，1 0 0 b a s e - t 嚣级。毽是它的缺点楚为了经期c s m a c d 的冲突检测。最小帧长的长度大幅度增加，当鬻传输的数据小于最小帧长时要填充大量的多 余字蕾，逡盛空瓣上豹滚赘。兔了解决这个闽悉，又；l 入了邈较复杂鹣技术。 ( 7 ) 无线局域网 随着移动透信技术豹飞速发震，无线届域蕊技术蟊趋成熬并开始避入市坜。无线萄域圈 符台8 0 2 。1 1 口】标准。它的优势在于不用进行网络礤线，不受地理豹限制。所以，无线局域网特 别适合无法布线的地点。但是传输费用和网络设备的十分昂贵，通信质量和安全性也没有保 证。 通过上面的分析，通过对比簿种网络的优点和缺点，显然快速以太网符裔我们的网络设 计艨到。因憩，本系统戆实酵数据焉域潮技本将采用快速鞋太阚技术。下瑟褥译鲴攮章重论莰 书以太网的技术细节，并在此基础上提出实时数据局域网的设计方案。 3 3 快速以太翔技术细节 快速以太网技术实现在局域嘲中广泛采用的技术，它不但提供了较高的数据传输速率 弗盥可醣兼容1 0 m 甄太嘲。 3 。3 。l 侠速潋太隧嚣理 1 9 9 5 年i e e e 正式邋过抉速以_ 太网1 0 0 b a s e - t 标准，弗名为i e e e 8 0 2 3 u ，它是现行 i e e e 8 0 2 3 标准的补充协议。新的1 0 0 b a s e - t 标准中，m a c ( 介质访问控制层1 以1 0 倍速度使 蠲瑗有麴8 0 2 。3 m a c 墨；竞诲三耱不羼抟镌理壤撬范 劳透过一个与奔厦无芙接弱( m i d 援藏 同物理层相连。m i i 层的舰定与1 0 m b p s 以太网的连接单元接口( a u i ) 相同，并且允许外接收 发器p l 。俊速鞋太弱1 0 0 b a s e - t 的m a c 层毽采用多路存取载波篌昕，狰突捡 溯( c s m a c d ) 协 议，与1 0 b a s e - t m a c 几乎完全样。只是帧际间隙( 即每比特的传输时间) 缩小到原来的1 1 0 ， 从9 6 u s 降到o 9 6 u s 。由于以太两m a c 协议的与速度光关性所以功能上没霄改变，同时帧 格式、帧长度、镄误控制等都与1 0 b a s e - t 胡嗣。这就把速度提高了l o 倍。 1 4 东北丸学硕士学位论文第三章系统网络设计 3 。3 2 快速浚太黼物理连接旒范 i e e e 规定了3 种物理屡规范： ( 1 ) 1 0 0 b a s e - - t x 传输介质是2 对u t p5 类线或s t p 。 ( 2 ) 1 0 0 b a s e - - f x 使用2 _ 漪光纤，其中一对用于发送，男一对用子接收。 ( 3 ) 1 0 0 b a s e - - t 4 使用4 瓣u t p3 类线或5 类线。晷的是为已级使用了u t p5 类线的大量用户提供兼容骚 务。它同时使用3 对线传输数据( 每对线以3 3 m b p s 的速率传输数据) ，用1 对线用作冲突检测 豹接救癌遵。 3 。3 。3 快速以太阚的优势 笼论与传统局域网技术还是与其他新必的局域网技术相比，快速以太网都有很多优势。 ( 1 ) 性熊高，挺供离性髓的1 0 0 m 传输速率。 ( 2 ) 特鸯国际规范，兼容性好，易于升级。快遮以太网是对1 0 b a s e - t 以太网进行的辨级， 采闱i e e e 8 0 2 3 u 协议，是现行i e e e 8 0 2 3 的补充协议。由于1 0 0 b a s e t 的m a c 帧与1 0 b a s e - t 鞋太翅豹m a c 顿几乎完全撵。掰戡，现骞1 0 b a s e - t 麴资源如毒线、譬理、捻测等技术以 及网管软件等都可以无缝的移植到1 0 0 b a s l - t 上。 ( 3 ) 厂髓蕤广泛支拷。1 0 0 b a s e - t 快速毅太瓣得到大多数弼绻浚荟掇供厂离缒支持，箕孛 包括在网卡、集线器、交换机和路由器等领域的领先厂商，c i s c o 、3 c o m 、i n t e l 等公司都推 出了他秘的1 0 0 b a s e t 产赫。 3 3 4 快速潋太阉的酉扩爱性 。 对于系统的通穗网络，如何与其它的遴信网络连接? 即嬲终互连问题。快速以太网拓扑 结构非常易于进行嘲际互联。它可以通过集线器( h u b ) 、交换机芹口路由器同其它的局域网或者 主予疆相连接。 3 4 基于快速l ；王太翔技术设计的实时数据禺域网 不。 浚速缓太圈接术的拓矜结擒在逻辑上怒总线蘩戆，穆毽主是攫型鹣。耀终续构魏强3 ，1 辑 1 5 。 一。工业控制网络、陲露蜀f 固 、1 1 6 东北大学硕士学位论文第三章系统网络设计 w a n 图3 2 实时数据计算机网络结构图 f i g 3 2t h e s l r u z 4 t u r eo f r e a l t i m ec o m p u t e rn e t w o r k 1 7 东北大学疆士举控论文第四章实时数据接收的设计与实现 第四章实时数据接收的设计与实现 实时数据接收模块是整个系统的重要组成部分，因为它的功能是将生产现场的实时数据 源源不断蟪；| 入管理髓，并将数据鬟入到数据痒中，为上层的应用程序提供数据。在现场的 调研过程中，d c s 工业控制网中有两台数据库服务器，分别存放一号杌组的数据和二号机组 的数据。戈了读敬现场的实时数据，必须逶过某种数据接强或捞议读取这蹲套数据库服务器 上的数据。 本章绘出了实辩数搭接收的设计楼型，弗详缨讨论其实现过程。首先，分别对于数攒接 口技术o p c 进行详细地说明，然后给出基予这两种数攒接口的数攒接收设计方案和其实现遒 稳。 4 1o p c 技术细节 o f c 是在工厂自动控制中的一个开放式连接标准。o p c 本身是一系剜标准的寨合，它保 证了工厂盘动他中各种系统之问的客户操作性。髫魏，o p c 京七个撂准，担这七个标准在不 断的发展，并且新的标准在不断的涌现以满足工业自动化的新要求。o p c 的第一个标准是数 据访溽标准( d a t aa c c e s ss p e c i f i c a t i o n ) ，这标准是世羿土知名的垒动他设备提供离以及微软联 含制定的。o p cc o m - d a 基于微软的c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 和d c o m 0 3 i s t r i b u t c d c o m ) 。c o m 实现了r p c ( r e m o t ep r o c e d u r ec 射1 ) 机制。o p cc o m 接墨要实现鳇g 掭裁是提 供一个：业标准的r p c 机制，使得程序员可以容甥地通过由不同厂商提供的o p c 服务器获敢 ：t 、韭过程数描。c o m d c o m 为软件提供裔提供了一个软件标准，只要转含其标准。那么这些 软件之间就可以获取到精要的工业数据。 4 1 1o p c 豹优势 薅to p c 软件提供离来说，减少了 趣 f = | 网自动化设备间互联憋技术开销，他黝只霰专注 予备自的软件核心特征即可。对于o p c 软件用户来说，o p c 为他们提供了灵活性。o p c 软件 j j j 户可懿根据鑫己的需簧来自由豹选择o p c 软件，悉冤需考瘩这个o p c 软 牛提供了某个特有 自动化设备的驱动。因为o p c 提供了一个统一的接口，用户无需为某个特定设备而专门地剖 建一个特定接翻，o p c 接叠经剖立可以被复用多次。用户逶过馊用糖瞧的软件缎传采开发 庹j _ | j 秘序，开发周期将会交短，开销也会降低。 1 8 东北大学硕士学位论文第四章实时数据接收的设计与实现 4 1 2 现有o p c 标准 o p c 最初所要解决的问题是获取自动控制中各个设备的处理数据。在对获取设备处理数 据进行标准化并取得成功后，o p c 的标准将标准化的范围扩大到其它类型的数据，包括报警 和事件数据( a l a r m s e v e n t s ) 、历史数据o i s t o r i c a ld a t a ) 和批数据( b a r c hd a t a ) 。 现有的o p c 标准如下： ( 1 ) o p c 数据访 h ( o p c d a t a a c c e s s ) 这是o p c 的第一个标准。它用来从p l c s 、d c s s 和其它的工业控制设备上获取数据，并 将数据在客户端进行显示。它具有较强的数据浏览能力并且具有x m l - d a 机制。 ( 2 ) o p c 报警与事件( o p ca l a r m s & e v e n t s ) 可以处理突发的报警和事件，报警和事件数据本身是离散和突发的。这其中包括处理过 程中的警报，操作者事件，用于进行提