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浅谈电厂SIS设计与实施 |
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| 浅谈电厂SIS设计与实施 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2009-3-5 9:15:32  |
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作者：王军1 谢光强2 吴隗平1 赵晓彤1
摘要：SIS是电厂信息系统的重要发展方向。本文从信息系统角度分析了SIS的特点，提出了SIS的硬件体系结构，并提出采用面向服务架构来设计与实现SIS应用系统，以保证SIS的高扩展性、开放性和灵活性。同时，本文对硬件设备和软件产品的选型提出了一定的建议。
一、 概述
随着电力改革的深化，电力企业，尤其是电厂，为了保持长足的竞争力，迫切需要从优化生产和企业管理两个方面着手，提高生产效率和设备可用率，优化资源配置，最大程度地降低发电成本。无疑，"以信息化推进企业现代化"将是实现这一目标的有效手段之一。
我国电力学者在研究与综合国内电厂信息化现状的基础上，提出建设厂级监控信息系统（SIS：Supervisory Information System），旨在全面集成生产流程数据，实现优化生产运营的目的[ , ]。但SIS系统目前属于起步阶段，尚未形成统一的、成熟的SIS系统设计理论与实施方法。本文在SIS实施经验的基础上，立足于电厂整体信息系统角度，从硬件逻辑结构、软件系统设计和产品选型等多个方面对SIS系统的设计与实施提出建议。
二、电厂SIS定义和特点
SIS是"主要为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"[ ]。它面向生产过程，处理全厂的实时数据，是厂内单元机组DCS和公用辅助车间级自动化系统的上一级系统，同时也是整个企业信息系统的一个组成部分。
与电厂现有的管理信息系统（MIS）相比，SIS有显著不同：
●SIS处理生产过程数据。这些数据多数属于时间序列，往往是"短暂"的，即有一定的有效时间，过时则有新的数据产生。因此，SIS的数据量要远大于一般MIS的数据量。
●某些SIS应用有着很强的时效性，要求在规定的时刻或者一定的时间间隔内必须处理完毕，否则当前的计算结果或者指导将失去意义。
●SIS应用更多地侧重于数据分析，没有MIS应用中严格而清晰的"管理流程"；SIS应用每一次执行往往需要成组的历史数据，而MIS应用一般只需要少量的当前数据。
因此，SIS的数据库不仅要支持大量数据的共享，维护其数据的一致性和完整性，还需要高效的处理机制来支持大量历史数据存储与检索。传统的关系数据模型难于直接适应这种综合应用需求，所以SIS可采用一种混合存储模式，即：利用实时/历史数据库来存储生产过程数据，利用一个小规模的关系数据库存储SIS的其它配置信息（也可考虑利用MIS的关系数据库存储SIS配置信息，但从安全和性能角度考虑，推荐采用独立的关系数据库）。
从企业信息系统全局看，SIS侧重于生产过程的监控和综合优化，MIS则主要负责电厂的综合管理应用。但SIS和MIS之间不是孤立的，而是互为补充，相辅相成，协同完成各种应用。因此，在SIS设计中，必须立足于全厂进行考虑，人为地割裂MIS和SIS，只能导致消除小的"信息孤岛"（DCS、PLC等数据孤岛）的同时，形成更大的"信息孤岛"（SIS和MIS两大孤岛）。
三、建设原则
SIS建设应当遵循以下原则：
●整体规划：SIS系统是电厂信息系统的一部分，在设计与实施时，必须立足全局进行综合考虑与规划，尽最大可能避免出现"信息孤岛"或者"蜘蛛网"*。
●分步实施：根据整体规划，将SIS系统建设划分为多个阶段，分步实施，分步使用，同时利用已有应用系统的经验完善后续应用系统的设计。
●先进性与经济性兼顾：设计与实施SIS系统时，应当在经济适用的基础上充分考虑技术的先进性与前瞻性，为系统扩展提供一定的空间。
●安全可靠：安全性涵盖硬件设备容错能力、数据资源访问策略、用户验证机制和系统备份策略等多个方面。SIS系统的安全性要求高于一般的信息系统，设计时必须按照监控系统的标准来考虑安全性[3]。
●符合通行标准：应用系统设计与实施必须符合国际标准、国家标准和行业标准等。
●充分考虑开放性和可扩展性：必须考虑硬件设备的可扩展性和软件模块的灵活性与开放性，以适应系统将来可能的发展。
图1 电厂信息系统的一般逻辑图
四、硬件逻辑结构
图1为电厂信息系统的一般逻辑结构，以SIS防火墙为界分为SIS和MIS两个部分。MIS部分包括MIS网络、MIS数据库、各种应用服务器、Web服务器和所有的客户端，并且通过防火墙和路由器与Internet或者发电集团广域网相连，以支持远程数据访问。SIS部分包括SIS网络、存储生产过程数据的实时/历史数据库、存储配置信息的关系数据库、接口站、SIS应用服务器、SIS管理站、值长站等。
●接口站负责采集所有生产过程数据（DCS系统、输煤系统、电气系统、除灰系统等），进行必要处理后，将其送入实时/历史数据库。通常，接口站安装双网卡分别连接控制系统和SIS，相当于SIS和控制系统之间的网关。
●SIS应用服务器承担各种应用计算（如：机组性能计算）或者业务逻辑处理等功能。
●SIS管理站负责整个SIS系统的维护管理。
● 值长站是直接与SIS网络连接的客户端，为值长提供全部的SIS应用功能。
●从安全角度考虑，SIS网络与MIS网络之间通过防火墙进行连接；其次，普通客户端不直接与SIS网络相连，而是通过MIS网络来访问SIS数据。
在SIS硬件逻辑设计方面，还应注意：
●在资金允许条件下，可将SIS网络设计为双网，并配置为容错或者负载均衡方式运行，提高SIS网络的安全可靠性。
●SIS网络中，划分必要的虚网(VLAN)，屏蔽不必要的网络广播包，保证生产数据消息包的有效网络带宽。
●SIS网络主干，建议采用主流的千兆网技术，为将来规模的扩展提供足够空间。
●SIS网络设备的配置，应当遵循"满足功能的最小配置"原则，不设置任何与SIS网络通讯关系不大的多余命令。尤其防火墙，尽可能只开放HTTP协议端口和少数必要的TCP/IP通讯端口。在可能和需要的情况下，设置网络QoS(Quality of Service，服务质量)等级，优先满足SIS核心应用的网络通讯带宽。
●SIS数据库服务器尽量配置为群集或者容错方式，以提高SIS数据库的可用率。条件允许时，配置应用服务器组为网络负载均衡和组件负载均衡系统。
● 利用时间同步服务统一SIS所有硬件设备的时间。条件允许时，利用GPS对时设备校正SIS和所有生产控制系统的时间。
●为SIS数据库服务器和应用服务器配置数据备份设备。可能情况下，实现异地备份，增强SIS的容灾能力。
五、数据库服务器选型
一般而言，数据库服务器的选择有四种：
● 单服务器：由某个单服务器承担数据管理和数据服务任务。其优点是配置方便、价格低；缺点是可靠性低、可扩展性差。
● 多服务器标准群集：一般采用两个或多个服务器加磁盘阵列柜的方式，可靠性很高。群集操作系统可选Windows 2000 Advance Server或者支持群集的UNIX系统。群集的工作方式可以是热备方式或者负载均衡。热备方式下，同一时刻只有一台服务器在有效工作，易于配置和管理；负载均衡方式下，多台服务器协同承担系统负载，能够有效利用服务器资源，但配置与管理较难。
●多服务器软群集：在两台或多台服务器上采用专用软件模拟实现标准群集的效果。这种方式节省了磁盘阵列柜，成本低于标准群集，可靠性也略低于标准群集。
●容错服务器：容错服务器的可靠性高于标准群集，它几乎没有停机，不存在群集系统中的故障切换。容错服务器成本略高于标准群集。
具体选型时，还要综合考虑具体应用软件类型、应用系统的安全可靠性要求、投资等多种因素。无论选择哪种类型，都应当配置较大的内存和一块或多块千兆网卡，因为服务器的主要工作类型是输入输出密集型。
六、实时/历史数据库*产品选型
SIS数据库的商业产品较多，选型时应当考虑：数据库的易维护和易管理性、开放性与可扩展性、客户端软件功能的全面性、Web支持程度、二次开发的难易程度、数据类型的支持程度、时间与多时区支持程度、对分布式应用的支持程度、安全性控制能力、容错能力、是否支持汉字、软件厂家的技术支持能力、经济实用等因素，并结合电厂具体情况选择合适的产品。国内外的典型产品有（以下介绍均摘自相关公司网站或产品介绍资料）：
● PI(Process Information)：美国OSI公司的产品，市场占有率较高，已在国内多家电厂和冶金企业实施。"螺旋门"是PI的专利数据压缩技术，其数学机理是采用多个折线来拟合近似原始的连续曲线。PI包括服务器端软件和客户端应用软件两大类。常用的客户应用软件是PI-ProcessBook、PI-DataLink和PI-ActiveView。PI具有非常丰富的数据接口，能提供绝大多数知名控制系统的商用接口软件。公司网址：http://www.osisoft.com。
●InfoPlus.21：美国Aspen Technology公司产品，多用于石化、制药等行业。InfoPlus.21是一款性能优异的实时数据库系统，高度模块化，开放性与可扩展性好；与Aspen的其它产品集成，易于实现先进控制与优化、过程建模、故障检测、批过程分析等高级应用。常用的工具软件有：流程和趋势显示软件Aspen Process Explore、网页发布软件Web.21、流程事件管理与显示软件Event.21等。公司网址：http://www.aspentech.com。
●eDNA：美国Instep公司产品，在美国和加拿大的一些电站使用，在国内电厂有应用案例。eDNA由一组服务性质模块和应用性质模块所组成，可以实现分布式部署与应用，可扩展性非常好，能够有效地节省和保护用户投资。eDNA采用无损压缩技术对生产数据进行保存，能够同时实现数据的高压缩比和高精度。常用的客户端应用模块有：eDNA-View、eDNA-Trend和eDNA-Web。公司网址：http://www.instepsoftware.com。
●iHistorian：美国GE Fanuc公司产品，在国内多家电厂和冶金企业使用。iHistorian只是存储过程数据的服务器软件，具体应用中还需要网页浏览服务软件infoAgent、流程分析软件iDownTime或者iFix软件相互配合使用。iHistorian具备良好的容错和分布式部署能力，可扩展性强；所有管理、配置与应用都在浏览器中完成，安全性、易维护性和易用性很高。公司网址：http://www.intellution.com。
●IndustrialSQL：美国Wonderware公司产品，在国内电厂有使用案例。IndustrialSQL是一款以商用关系数据库为基础的实时/历史数据库，其内核是微软的SQL Server，具备良好的安全性、易用性和容错性，可扩展能力强。客户端应用软件有：报表与分析软件包ActiveFactory、设备性能实时分析与优化软件包DT Analyst、浏览器访问工具SuiteVoyager等。公司网址：http://www.wonderware.com。
●RSBizWare：美国Rockwell公司产品。RSBizWare由一组软件模块组成，支持多层、分布式部署，可扩展性强。其实时/历史数据库以SQL Server或者Oracle为基础，使用RSBizWare的时间序列压缩算法将原始过程数据转换为一种预定义压缩格式后存储。常用的客户端软件有RSBizWare Production Client、RSBizWare Report等。RSBizWare支持浏览器直接访问流程图、趋势曲线与报表等。公司网址：http://www.rockwell.com。
●openPlant：上海麦杰公司的具有自主知识产权产品，在国内多家电厂和冶金企业应用。openPlant是一款基于J2EE架构的软件包，支持分布式应用，可扩展性、安全性和易管理性很强。openPlant采用时空二维压缩算法处理过程数据，具有高压缩效率与数据精度。openPlant全部采用浏览器进行配置管理与访问，实现了客户端的零安装。常用的应用模块：@Process、@Detail和@Trend。公司网址：http://www.magustek.com。
● RealTERM：南京明维公司的具有自主知识产权产品，在国内多家电厂应用。RealTERM是基于Windows平台的32位应用软件包，内部采用ActiveX软件总线连接，外部接口遵照OPC标准，具有标准的模块化结构，易于维护和扩展。客户端采用三层体系结构和Exe/Web双平台运行方式，用户无需下载任何插件或者软件即可使用浏览器访问实时数据与历史数据。公司网址：http://www.chinamerit.com。
七、应用系统设计
从功能角度分析，SIS侧重于生产过程的监控和综合优化，常见应用功能包括：生产过程信息监视和统计分析、厂级及机组级性能计算分析和操作指导、全厂调度和机组负荷优化分配、设备状态监测诊断和检修指导、机组寿命管理、远程监视及技术服务功能等。
显然，某些SIS应用系统不仅依赖于SIS本身的数据，还需要MIS中的相关数据。同样，某些MIS应用系统（如：计划统计系统、运行值班日志等）的正常运行也需要SIS的数据支持。本文摒弃建立SIS和MIS专用数据接口的思路，而采用基于Web Services的面向服务架构（Service-oriented Architecture）来设计与实现SIS应用系统。
面向服务架构是分布式计算的概念，即：将网络上的软件资源看作服务，每一种应用都依赖于一个或多个服务的协同工作而完成[ ]。基于Web Services的面向服务架构则意味着支持应用的多数服务都是Web Services实体。Web Services定义为"以Internet标准协议（HTTP和SOAP协议）访问的、以XML为信息载体的、能够完成特定功能的可编程实体"[ ]，其最大的优点是基于标准通讯协议和松散耦合。标准通讯协议保证了服务的开放性和不同厂商产品的互操作性；而松散耦合则意味着服务自身的改动将很少影响其它的服务。因此，基于Web Services的面向服务架构的SIS应用系统，具有非常强的分布式部署能力、开放性、互操作性、扩展性和灵活性。相应地，采用这种架构能够简化系统的开发与部署，降低系统开发和集成成本，保护用户原有投资。
整个SIS应用系统采用多层结构设计，由数据存取层、业务逻辑层、表现层构成，各层之间利用Internet标准协议进行交互，如图2所示。
图2 SIS应用系统逻辑架构
数据存取层由一组Web Services组成，每个Web Services都以数据对象形式封装SIS数据库或者MIS数据库的一种数据操作功能。根据具体实时/历史数据库产品类型，数据存取层采用专用API函数或者标准的ADO/ODBC访问生产过程数据；而对于MIS的关系数据库，则一般采用ADO，甚至XML查询文本进行存取。数据存取层屏蔽了SIS数据库和MIS数据库具体结构信息，为业务逻辑提供一致透明的数据访问，使业务逻辑不必考虑数据的具体来源。一旦数据库的结构发生变化，只需调整数据存取层的相关服务即可。这种设计的另一个好处是使得SIS应用系统能够独立于具体的SIS数据库，增强了应用系统的可移植性。
业务逻辑层是SIS应用系统的核心，所有的应用功能都在这里实现。按照运行方式的不同，SIS应用系统的业务逻辑可分为主动式的后台自治服务和被动式的响应请求服务。后台自治服务指能够按照用户设定的时间条件或者事件条件，主动执行并完成一定功能的编程实体；它适合于承担SIS应用中具备明确计算处理规则、计算量较大或者较少需要用户交互的应用，如：机组性能计算模块、设备状态监测模块等。响应请求服务则是根据表示层的消息请求来完成的指定任务，主要实现用户交互功能，如：综合查询、检修指导等。具体应用中，这两种服务分别承担不同的角色，协同完成指定的功能。
表现层是用户与SIS应用系统交互的窗口，仅承担界面显示、简单的数据验证功能，不涉及任何处理逻辑。它以网页或者客户窗体的形式接收用户的应用请求，并对请求信息进行简单的验证后，送入业务逻辑层进行处理；处理完成后，表现层将逻辑层返回的处理结果展示给用户。
此外，在安全控制方面，建议设计公共安全组件来管理和控制SIS应用系统的权限。这样，既增强了代码的可重用性，提高了开发效率，又便于统一规划和管理访问策略，防止安全漏洞的出现。
八、结语
SIS系统是电厂信息系统发展的方向之一。在具体实施前，必须全面考察电厂信息系统的现状和需求，提出SIS的实现方案。其次，SIS系统涉及范围很广，必须清醒地认识到SIS建设不可能一蹴而就，而是一个相对长期的、不断丰富与完善的过程。最后，在实施过程中，应及时收集用户反馈，调整和开发用户最需要的功能，保证SIS建设的投资回报率。
[参考文献]：
[[1]] 侯子良. 中国火电厂自动化发展趋势及对策[J],中国电力, 1999,32(10).
[[1]] 陈继南. 以经济控制为目标的发电厂SIS系统[J], 热工自动化信息, 2000.2
[[1]] 侯子良. 火电厂厂级监控信息系统(SIS)论争[J], 热工自动化信息, 2002.1
[[1]] Jason Bloomberg. 面向服务架构(SOA)的原则, http://www.csdn.net/develop/article/21/21481.shtm
[[1]] Thuan Thai, Hoang. Q. Lam著, 王敏之译. .Net框架精髓[M], 中国电力出版社, 2001.12
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