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电力SIS系统新趋势：容错技术取代双机热备 |
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| 电力SIS系统新趋势：容错技术取代双机热备 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2009-3-5 9:15:08  |
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【导读】本文的重点从电力紧缺开始，转到近10年来，电力行业为提高生产和管理效率，在原有MIS系统、DCS系统和PLC系统基础上，持续进行的SIS系统尝试和其中的一些技术发展趋势。
曾经不止一次从飞机上鸟瞰北京的夜景，放眼望去，繁若星光的华灯照亮了天安门广场附近的800年建筑群;在它的东西两侧，耀眼的霓虹灯、流光溢彩的摩天大楼与熙熙攘攘的人流构成了这个热闹非凡的城市;在城市各区，宛如长龙的公交和轿车的车灯、繁星点点的百姓宅灯、如玉带蜿蜒的路灯……也许是因为在电力行业工作过的原因，往往在心旷神怡的同时，会联想到，我们需要多少电能，才能维持这个拥有近1400万人口的大都市的正常运转?虽然近两年的电荒事件并未对首都构成太多影响，但和外省市的朋友们聊起来，夏天拉闸限电似乎对他们已成惯例，见怪不怪了。
当然本文的重点并非在于讨论电荒及其原因，而是从电力紧缺开始，转到近10年来，电力行业为提高生产和管理效率，在原有MIS系统、DCS系统和PLC系统基础上，持续进行的SIS系统尝试和其中的一些技术发展趋势。
SIS系统要求高可用
自1995年以来，电力行业进一步提高了厂级综合自动化水平，注重信息化的建设，特别是各地的电厂纷纷提出适合自己工厂的厂级监控信息系统(也就是现在所说的SIS系统)以提高生产效率，实现电厂管理信息系统与各种分散控制系统之间的数据交换。厂级实时监控信息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。它为电厂管理层的决策提供真实、可靠的实时运行数据，为市场运作下的企业提供科学、准确的经济性指标。但是SIS系统的开发往往不仅需要有一定的计算机知识，还需要了解自动化常识以及对电厂实时生产过程管理有比较深刻的理解。如果单纯依靠软件开发人员开发，则很难完成如此艰巨而又责任重大的任务，即使完成了也已经耗费了大量的人力和时间。
目前电厂SIS系统主要实现的功能有:
1.监视、指导机组的运行
2.降低发电企业的火电煤耗
3.主机和主要辅机故障诊断
4.科学分配机组负荷
5.降低成本、提高效益
6.管控一体化
以某典型的火电厂SIS系统为例，从表1中我们可以看到，由于SIS系统的核心部分——工业实时数据库会连续地从全企业的各类PAS(过程自动化系统)中自动采集生产过程数据，向工业以太网上的用户和应用程序提供实时数据，使得用户可以随时观察生产过程、应用程序在线对生产过程进行分析，这使得SIS系统涉及的实时计算模块达到11个之多，也必然要求承载这一实时数据库的软件和硬件平台具备尽可能高的可用性和安全性。然而众所周知，要获得从99.5%的可用性到99.999%(甚至更高)的可用性，所要付出的成本是呈几何级数增长的。
高可用的技术瓶颈
要实现高可用的SIS系统，首先需要了解SIS系统的基本构成。通常SIS系统所采用的工业实时数据库，是基于Windows 平台上(Linux操作系统和基于J2EE的跨平台产品目前较少，但潜力不可小觑)的32 位(估计年内将有64位版本出现)应用程序，内部采用ActiveX 软件总线连接，外部接口遵照OPC 标准。整个软件包包括如下产品:数据库服务器、工控系统接口、客户平台、二次开发接口以及相关用户文档等。
其中数据库服务器主要包括:实时I/O 模块、历史I/O 模块、通讯队列管理模块、实时数据缓冲模块、日志模块、实时数据区管理模块、历史数据区管理模块、压缩/解压缩模块、集群检测和集群同步模块、实时日志模块。逻辑结构如图1所示。其主要功能是在内存中刷新实时数据、连续保存历史数据，将应用程序所需要的数据打包封装，高效地传送给应用程序。
而工控系统数据接口则是一个支持OPC 标准的统一接口程序，能够连接不同的标准的或非标准的工控系统接口组件，将各种工控系统的实时数据及时地传入工业实时数据库。通常这些接口能够实现:数据在足够短的时间内、以足够快的速度接受并保存下来;接口计算机或网络等硬件可以进行冗余，以确保数据不丢失;不会造成DCS 等PAS 系统负荷过大甚至影响其正常运行;不能允许未经授权地访问接口，甚至非法地通过接口对SIS 或DCS等PAS 系统进行破坏;开发方便、性能稳定，尽可能不深入内核，并且软件尽可能通用。影响接口速度与DCS 等PAS 系统提供数据的速度、数据传递方法、网络带宽、服务器I/O 速度等因素有关。对于独占的100Mb/s 网络带宽来说，理论上能够每秒钟传递至少1.56 兆个实数，所以不管是单工模式或是双工模式，SIS系统的瓶颈一般不在网络层。
至于客户平台则是一个监控信息集成应用程序，可以根据用户的权限和操作在线检查、组装和启动不同的功能组件。在这一个程序中，用户就可以完成调看DCS 画面、在线多媒体摄像、画面组态、工况分析、性能计算、设备状态、操作指令等等功能。
从系统的构成来看，显然制约SIS系统可用性的最大瓶颈在于计算机硬件平台的可用性能。从表2可以明显看出，对于普通的SIS系统而言，由于是基于Windows操作系统的应用，只能在x86架构的处理器上运行，而绝大多数采用x86处理器的IA服务器厂商只能提供已经沿用数十年的“双机热备”技术来提供系统冗余(即通过“心跳线”连接两台机器，如有故障，在数十秒时间内将应用切换到另外一台，但实时数据可能丢失)，系统的可用性被迫停留在99.5%的低水平上，这意味着对于有着365×7×24工作需求的电力企业而言，每年将有43.8小时的被迫停机时间。
剖析容错:革新的技术原动力
上面分析到，以往的SIS系统一般采用主从冗余、故障切换的方式来保障系统连续服务，任何时刻只有一台服务器运行，另外一台热备用，并且这两套服务器均需要相同的高档配置(通常是4路或以上服务器)。为了避免一个出现几率不超过0.001%的故障，用户不得不花费两倍的投资。如果系统需要升级或者扩容，必须总是成对地增加服务器，即使“财大气粗”的用户能够忍受高昂的双倍投资，那么他仍将面临一个尴尬的场面，即所获得的数据中，实时数据和历史数据是互相隔离的。例如，可能有1、2 号机组的数据在服务器A 上，而3、4 号机组的数据在服务器B 上。这将直接增加数据的安全风险和数据挖掘的难度。
那么，容错技术的优势在哪里?
以NEC的容错服务器Expree 5800/ft系列为例，容错技术的原理大致如下图所示，可以明显看出容错相对双机热备的技术优势。
而这一技术优势则来自于NEC采用的基于单机系统的完全物理冗余，这一技术的可用性基本与IBM的大型主机和HP的NonStop系列大型机所实现的可用性持平，均达到99.999%,但实现成本则仅为同等计算能力的、动辄十万美元计的大型机的十分之一。
其实，作为一个诞生接近20年的技术(1985年前后出现，由NEC和美国容错共同拥有)，容错也并非是一个“崭新、前沿”的技术，只是以前由于市场进入较晚的原因，容错产品在欧美多使用在银行、证券等“相对富有”而且对可用性同样有极高要求的行业，在国内则起步较晚。
技术链接:
容错与双机热备的技术特征对比
可靠性对比
双机热备系统可靠性最高可达99.9%，而容错系统的可靠性能够达到99.999%，也就是说全年的停机时间从8小时降到5分钟。
双机热备虽然是两台硬件冗余，但是同时又引进了双机软件，使整个系统的可靠性并不能理解成为两套硬件对系统的可靠性保障。
由于双机热备系统维护过程中对使用者技术的要求，往往在系统故障时会因为使用过程中双机或者应用系统的配置变化而导致无法故障切换，存在较大风险。而容错系统采用的是硬件检测和切换故障，不引进任何额外的软件，对于使用者来说是单一的系统，不会因为维护过程影响系统的可靠性保障。
可用性对比
容错系统对使用者来说完全是单一系统，对于操作系统以上的应用完全透明，应用不需做任何更改，维护不需要额外的技术背景。
双机热备要求维护人员有较深的双机技术背景，安装实施复杂。双机系统对应用的支持需要额外的投入，比如对数据库系统和其他一些标准应用，用户需要购买相应的代理软件才能支持对该应用的故障切换，对于非标准的应用(软件开发时没有事先考虑留好接口)双机软件不能支持故障切换。而且实现切换也需要做较复杂的配置和脚本调试
故障切换对比
双机热备的故障切换是当主机出现故障时，在“静默状态”的备用机器上重新启动所有的应用，这样必然导致用户当前任务的丢失。也就是说客户端当前进行的操作将终止，所进行的业务需要从头开始。一方面造成客户应用的停止，另一方面将给后台系统造成一些不必要的麻烦比如垃圾数据。而且由于所有应用都需要重新启动，切换时间最少在数十秒以上。
容错系统当出现故障时，由于高速缓冲、内存和硬盘的数据是完全同步的，而且两套系统是同时工作的，所以切换只需要把输出从故障部分转移到正常部分即可。当前的任务无需终止，完全无缝地切换过去，几乎不用切换时间(应用完全感觉不出来
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