电厂SIS系统接口可靠性研究

摘要：数据是电厂sis系统的基础，数据采集接口以特定的通讯协议从底层控制系统进行数据采集并将数据通过物理网络转发到数据库服务器进行存储。本文从数据传输及数据采集接口功能实现过程进行分析，讨论了影响接口可靠性的的多方面因素，并从接口设备、软件设计、通讯协议上提出了相应的提高接口运行可靠性的方法和途径。

关键词：SIS系统；通讯接口；OPC协议；实时数据库

0、引言

随着我国电厂信息化水平的不断提高，厂级监控信息系统（SIS）已经成为提高发电厂运行与管理水平、实现发电厂管控一体化的重要平台。作为厂级信息系统，实时数据是电厂SIS系统的重要信息基础，其数据不仅包括火电厂机、炉、电等核心设备过程数据，还涵盖了脱硫、水、煤、灰、等辅助检测控制系统。对于高参数、大容量的大型机组而言，电厂自动控制系统类型多样，且数据标签点数量、存储频率和通讯方式都有较大差别，电厂SIS建设常常需要针对每个控制系统进行接口开发，实现数据获取、转发、缓存等功能，还要考虑接口机与软件的冗余布置。随着SIS规模的不断扩大，对如何提高接口的性能和可靠性以更好满足对所有接口综合监视和管理提出了更高要求。

本文就电厂SIS系统实施过程中影响接口可靠性的因素进行简要分析并从工程实际出发提出有效提高数据采集接口可靠性的方法和途径。

1、影响接口可靠性因素分析

SIS系统是建立在全厂控制系统（DCS、PLC等）之上，跨越运行与管理的信息系统， SIS系统接口软件基本功能是从底层控制系统中以通讯方式采集现场实时数据以及将数据通过通讯网络写入数据库服务器。数据采集软件安装在接口机上，接口机经过隔离设备同控制系统相连，通过交换机同SIS数据库服务器构成通讯网络。从SIS定位及数据采集接口功能实现过程分析，影响接口可靠的因素包括以下几方面：

1）接口采集设备的性能和可靠性；

2）接口软件功能设计是否合理和完善；

3）接口设备与控制系统物理连接方式及软件协议的选择；

4）是否具备对多接口集中高效管理的能力；

5）接口的日常监测和管理；

2提高接口可靠性方法和途径

SIS系统接口涉及电厂多种监测系统，可靠性受到多种因素影响，从硬件设备、物理网络、软件功能设计、接口通讯协议等多方面综合考虑，通过选择合理的方法和途径才能有效提高接口长期运行可靠性。

2、选用高可靠性硬件产品

SIS系统接口众多，除条件较好的机房外，一定数量的数据采集设备安装在现场设备间，由于设备间灰尘、振动及电磁干扰等因素影响，要保证SIS系统数据接口的可靠性，首先应对接口采集设备规格进行统一规划和要求。为适应现场复杂的工作环境和保证长时间稳定运行，应采用可靠性高的专用工业控制计算机作为接口数据采集设备。采集设备采用双路电源供电，数据采集通道采用冗余双通道通讯。

完善接口软件功能

接口软件应功能完备，方便维护人员对接口的管理和问题处理。

1）具备数据缓冲和数据恢复的功能。其实现方法是，接口软件在往数据库服务器发送数据的时候，总是检测网络的连通性，一旦网络或服务器故障时，接口机软件在开辟的内存空间和硬盘空间中缓存实时数据，同时接口机定时检测网络是否连通，一旦连通后，接口机软件会将缓存的数据按照时间顺序把数据重新发送从而实现数据的还原。

2） 具备事件采集和维护管理功能，对数据采集和转发的运行过程进行监测，实时记录数据处理过程相关事件，并提供“数据采集过程报警”、“数据转发过程报警”、“事件记录”和“操作事件记录”的实时显示、记录、打印等数据的管理及输出，当维护工程师需要的时候，可通过在线的查询，分析采集系统的运行状况及故障情况。

3）参数可配置功能。不同控制系统标签点数、数据采集频率、数据精度等各方面要求存在较大差异，客户通过调整接口软件的配置参数即可适应不同控制系统接口多方面功能需求，而无需对软件进行重新编译和部署。

4）丰富的人机界面。为利于系统维护以及数据点的数值对比核实，软件应留有显示标签点值的界面窗口供维护人员检索查询，软件界面显示数据项应包括数据点编号、类型、点当前值、时间标签、状态值等。

2.3 选择高效通讯方式和协议

1）通讯方式选择

常见的不同系统间数据通讯在物理介质及链路层有串行口和以太网两种方式。以太网与串行口通讯方式相比有几方面优势：支持远距离数据传输和高速率数据通信、软件调试方便、支持多节点连网、可带电插拔接口设备（串行口设备一般不允许带口插拔，容易损坏接口），在条件具备时应优先选择以太网通讯方式进行数据采集。

串行口通讯方式一般用于智能仪表、工控测量设备等不具备以太网接口的设备上，串行口依其功能特点分为RS232、RS485、RS422三种形式，在必须选用串行口进行通讯时应优先选择RS485方式。相对其它两种方式，RS485支持高速率、远距离、多节点数据通讯，且布线方便，成本低。

2）通讯协议选择

合理高效的通讯协议能有效降低数据传输过程出现错误的概率，提高数据的完整性和可靠性，通过合理组织报文能充分利用有效带宽，在大量数据高速传输时更能体现其优势。

SIS系统接口常见通讯协议有OPC、Modbus、TCP、UDP、IEC102，IEC104，CDT，DNP，DLT645等。对于大型机组DCS系统，单台机组DCS系统标签点数在两万点以上，若采用定时请求应答轮询机制采集数据，假定单次通讯报文为1K字节，一个标签点信息占用10字节（标签编号2字节，标签点值4字节，时间4字节），则一次通讯报文可传送100个标签点信息，两万点标签数据完整采集一次需传送200次，一般在两次报文传送之间需增加发送延时，通常延时参数可设置20-50毫秒，因此在1秒内可传送数据50-20次，2万点数据完整传送一次的时间在4-10秒之间。SIS系统要求数据采集频率为秒级，通常为1-2秒，所以这种轮询采集方式不能满足上万标签点的DCS系统数据采集需求。

通过对控制系统运行数据的在线分析，可以发现不同过程数据变化特点存在较大差异，对于温度、流量等模拟量可依据其变化特点和重要程度采用不同的采集频率，这样既减少了数据流量也保证了数据质量。DCS系统中有大量开关量数据，在机组正常运行时，大部分状态保持长时间不变，只有在工况调整过程才发生状态值变化，比如送风机和引机运行状态、各段抽汽电动阀全开状态、运行报警信号状态等，对于这些长期不变化的开关量数据定时进行采集是没有意义的，这类数据的最佳处理方式应该是在数据服务提供方进行数据处理，当检测到数据变化时及时将数据回传到客户端，而不论此时客户端是否发送了数据采集请求报文。

在SIS系统所涉及到的接口协议中，OPC协议很好的满足了对于大量数据的高频率采集需求，OPC的数据访问方法有同步访问、异步访问和订阅式数据采集方式三种。

・同步数据访问方式

OPC服务器端按照OPC客户端的要求将数据返回给OPC客户端，OPC客户端在结果被返回之前必须处于等待状态。当客户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降。

・异步数据访问方式

OPC服务器接到OPC客户端的要求后，几乎立即将方法返回。OPC客户端程序随后可以进行其他处理，当OPC服务器完成数据访问时，OPC服务器主动触发OPC客户端程序的异步访问完成事件，将数据访问结果传送给OPC客户应用程序，客户应用程序在其事件处理程序中接收从OPC服务器传来的数据。因此异步方式的效率较高，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CPU和网络资源。

・订阅式数据访问方式

订阅方式不需要OPC客户应用程序向OPC服务器提出请求，而是服务器按一定的更新周期（UpdateRate）更新数据缓冲器的数值时，如果发现数据有变化超过死区（DeadBand），就会以数据变化事件（DataChange）通知OPC应用程序。由此可以根据模拟量点的重要程序通过设置合理的变化死区，忽略数值的的微小变化，从而减轻了OPC服务器和OPC客户端程序的负荷，对于开关量也可以达到及时跟踪状态变化的目的。这也使得网络上的请求包数大大减少，并有效降低了对服务器的重复访问次数。在数据点很多的情况下，这种通信方式的优势更能凸现出来。

OPC协议是由微软公司联合几个公司制定以DCOM为基础开发的，它只能用于Windows系统，在大量以UNIX为主的变电站自动化系统比如ECS电气控制系统、NCS网络控制系统中IEC60870-5-104规约适合于大量数据的高速传输。104规约属于问答式异步通信方式，大致流程为：主站测试链路报文-子站回确认帧，调度总召，子站上送全遥测遥信，调度下发二级数据召唤报文，子站回变化遥测，其中遥信变位和SOE都是主动上送。

2.3 对接口集中管理

SIS系统中涉及接口种类众多，这些接口可能分布在不同的设备间，为了提高接口安全可靠性，降低单一接口故障对其它接口系统影响，不同接口安装在不同接口机上，这种接口配置方式在一定程度上增加了对接口维护检测和问题处理的复杂程度，因此在接口中有必要增加接受集中管理的功能设计，开发对整个系统接口进行集中管理的软件模块。

国外一些数据库厂商已经提供了相应的软件来实现对多种数据接口的集中管理配置功能。如美国OSI Software公司PI（Plant Information System）实时数据库系统提供了接口设置工具ICU（Interface Configuration Utility）软件， ICU是一个非常优秀的系统管理工具，可以替代许多手工设置来完成对多种接口软件的配置工作，如：编辑接口配置文件，将接口软件安装成服务，设置接口标签点的输入/输出速率和查找运行日志文件，启动和调试接口。美国Instep公司eDNA实时数据库系统将数据采集接口开发成系统标准PUSH实时服务，例如OPC接口OPCRTS，通过系统BOSS服务可以实现对数据采集接口服务的远程网络管理和操作，创建和删除服务、开始和停止服务、浏览和控制服务、提供服务列表和事件等功能。

2.4 加强安全管理

接口是实现过程数据从控制系统转移到SIS的桥梁，为保证接口本身及底层控制系统安全，必须在接口机与控制系统网络间增加物理隔离装置，从物理上隔离两侧数据直接通讯。加强对接口机设备的日常管理工作，接口机的开启和操作、电缆连接等工作必须专人负责；安装防病毒软件并及时升级病毒库以防止由于病毒感染造成的接口机故障；日常定期对接口机工作状态进行巡视和记录。

3、结论

数据采集接口可靠性直接关系到整个SIS系统能否高效、稳定、安全地进行全厂实时数据的采集和处理。通过在多个电厂SIS项目的实际应用表明，通过选用合适的接口采集设备、选择合理的通讯方式和通讯协议、对接口软件功能进行优化设计，能有效提高SIS系统接口的可靠性，降低接口故障发生的概率，保证了IS系统高可用率，使SIS系统在促进电厂运行安全稳定、经济环保、提升科学管理水平上发挥着越来越大的作用。

参考文献：

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