大型电站控制工程中操作员站系统的结构问题 （ 杭州和利时自动化有限公司：刘维 ） 操作员站系统是大型电站控制工程中的重要组成部分。本文讨论该系统在大型电站工程中（输入输出点数在5000点以上）的使用特点，并对数据库选择、不同结构的特点进行对比，指出客户机 — 服务器结构是此类系统的合理、优化的选择。最后讨论可能的网络结构形式。 本文不涉及具体的DCS产品，是单纯的学术讨论。 一．大型发由机组操作站系统的工作特点： 大机组操作站系统已经出现二十多年了，经验告诉我们，与操作站系统设计相关的工作特点如下： 1. 大机组操作站系统属于实时监视，实时进行操作控制的系统。 • 该系统与机组控制系统必须实时通讯,快速接收机组工艺状态的数据,实时地向机组发出相应地操作指令;全面记录、储存显示机组的工作情况；输出相应的报表、报警信息、工艺数据等。 • 操作站由固定、多位操作人员使用，设置多台操作终端，同时上机的用户不多，通常少于10。 • 与其它行业的信息系统相比，实时性要求更高。 2．集中放置，无地理分散要求。 除远程采集站外，操作站主要设备放置在设备间或中控室，无地理分散要求。 3．数据库容量特点： • 目前1000MW机组、单元机组侧和公共工艺侧，总的I/O点数约为14000点左右，考虑需要监控的中间变量点，总计少于20万点。 • 对当前数据库管理的对象来说，这是个小型容量数据库，特别是与人口系统、银行储户帐目系统、移动通讯用户系统比较，更可以认识到这一特点。 二、合理、优化的操作站系统结构 无地理分散要求、小型数据库容量、高实时性以及固定的少用户的工作特点决定了，操作站系统的合理优化结构，应当是客户机 — 服务器（C-S）结构，相关问题分析如下： 1．为什么不应采用分布式数据库。 • 分布式数据库是针对必需进行地理分散的系统而设计。例如：人口信息系统、银行储户系统等，不采用分布数据库几乎无法对策，机组控制系统无此必要。 • 80年代早期，曾经有过使用分布式数据库技术的国外DCS系统。背景为：当时的微型机处在萌芽期，技术水平很低，内存以32KB，64KB计算，在这种背景下，将发电机组工艺数据，分散配置到每一个控制站，操作员站仅作为显示终端使用，操作员终端内存有动态显示数据，而无真正的数据库。这是当时技术条件不足情况下的对策。如图1所示： 图1采用分布式数据库的早期DCS系统 DB1-n ：子数据库， HSDW：高速数据公路， CTL：控制站。 HSDW-High Speed Data Way：高速数据公路 • 进入二十一世纪，图1 的DCS系统显然存在诸多缺点，列举如下几点： —控制站带有数据库，严重影响控制站的实时性； —当多台操作终端，访问同一个控制站时，对该站的控制任务的快速性影响巨大，这是非常不利的结果； —子数据库之间的数据调用，需通过通讯网络（HSDW）进行，不仅加重了通讯负荷，而且速度慢，实时性差； —灵活性差，若显示终端上，需要临时组态生成趋势曲线、新的报表等，必须 生成控制站侧、显示端侧的通讯任务，然后才能生成所需的任务。 • 由于存在诸多缺点，以目前的微型机技术水平，实在不需采用分布式数据库技术。因此在电厂的机组控制系统中，目前几乎无人再用这一结构。 2．多操作站冗余的对称、自治结构。 A．目前，存在多操作站冗余的对称、自治结构。 如图2、图3所示。图3是图2更理想化的形式。简要说明如下： 图2. 多重冗余操作站结构（1） 图3.多冗余操作站结构（2） 这里：CTL：为控制站 HSDW-High Speed Data Way：高速数据公路 • 图2、图3的系统中，存在多个互为冗余的数据库，他们接收控制站CTL1-n的数据，独立监视机组工况，可对任何控制站发送控制指令； • 显示终端数量相同的情况下，图2结构成本更低一些； • 上述结构具有直观上的对称性，似乎不再是客户机 — 服务器结构，其实不然，从数据流的观点分析，仍然没有摆脱客户机 —服务器结构。 B．数据流分析： • 由于存在多个独立的、自治的操作站和数据库，为了解决故障状态下的冗余切换问题，必须“时时刻刻”保持多个数据库的一致性。这是个十分困难又必须完成的任务。 • 多数据库之间必须经常进行数据一致化工作，不能做到“时时刻刻”，但应在一定的时间△T内保持一致。换言之，每△T时间统一数据一次。因此，这类系统出现了操作站正常任务之外的一个重要的数据一致化的任务。 • 这种数据一致化工作，含：累积量数据、机组动态数据、操作端操作数据等，而且这些数据需要带有GPS为基准的时间标度。 • 由于多数据库数据一致化的工作任务繁重，将耗出去操作站CPU的相当大的资源，增加操作站工作负荷的同时也将占用大量网络资源。如何降低负荷成为系统开发者的重要思考问题。 • 为了不干扰机组级控制网络，增加数据一致化专用网络，形成负荷分担结构是最佳的硬件选择，如图4所示。采用同一网络（HSDW）完成全部通讯任务，如图2、3那样，不是好的选择。 图4.HSDW* 网络的出现 • 下一个问题是 如何实现数据一致化。技术上的自然出路是，多个数据库不需要互相校准，仅需向某一台操作站，某一个数据库数据一致化，于是出现了基准数据库，基准操作站的概念。 • 有了基准数据库，基准操作站，软件处理有了规则，诸多问题迎刃而解。具体问题的处理方法，自然是如下的结果： — 控制站内的机组状态变量数据，定时传到基准站，统一GPS绝对时间标度后，再送向其它各站，达到全系统数据一致，状态变量的绝对时间标度一致。 — 各操作站下达的控制指令信号，也需要先送到基准站，时间定标后再送向下层的控制站。 — GPS系统对DCS系统的时间标定，除SOE系统之外，原则上只要对基准库标定就可以了。当然也有同时对各操作站标定的，技术上可以实现至ms级的时间标定精度。 • 当然还要解决基准站故障后的切换问题。 • 上述问题均得到解决，系统才能获得实用,我们会发现下述事实: __ 从数据流动的观点,图2、3、4仍然是客户机 — 服务器结构，各操作站〈其实是操作终端〉不是完全对等的。 — 此种结构，仅仅是把显现的客户机 — 服务器结构，转化为隐性的客户机 — 服务器结构。 3．结论： a. 殊途同归，企图另辟新径，最终仍然本质上一致。这一现象说明对大型发电机组控制工程来说，客户机 — 服务器的操作员站体系结构是合理、自然的选择，从而也是优化的结果。这是由机组控制工程的特点和当前计算机技术水平决定的，并不随人们的主观意志而转移。 b. 目前的服务器硬件、软件系统越来越可靠，单机故障率已经非常低，除磨损件需正常更换（如风扇）外，主机的MTBF可达十万小时，原厂家成套供货的冗余服务器，将使客户机—服务器结构的优势日益明显。 三．通讯网络的结构优化 目前，操作站系统的通讯网络结构存在三种形式，如图5、6、7。此三种结构，全是借助于交换机实现的网络连接。因此对DCS厂家来说，仅仅是集成方式的不同，全可以实现，不存在能否实现及现实中的技术困难。这里进行的技术讨论，仅仅是利弊分析和技术研究，所述观点供相关同志选择时参考。 图5.DCS系统的单层网结构 1．DCS系统的单层网络结构（图5结构） • 冗余服务器可以是显现配置，也可能是隐含配置，已如前述。 • 诸多控制站（CTL）、服务器、操作端全部用一条网络（HSDW）连接在一起。这里是示意图，实际上是通过交换机接口实现连接，如图5-1所示。 图5-1.单层网的实际连接方式 • 由于全部上传、下送的数据，必须通过交换机-2的A-B接口。因此A-B口成为重负荷点，这不是我们所希望的。 • 为克服这一问题，得到双网络结构。 2．双层网络结构（图6） 图6.双层网络的结构 • 设置了 HSDW1：控制层网络，完成控制站间的通讯及向上传送的数据通讯任务。 • 设置了HSDW2：人 — 机界面网络，这样与图5比较，服务器存在两对接口；A1-B1，A2-B2可以同时完成上下通讯的任务，原则上比图5（或图5-1）结构带宽增加一倍，实时性能更好。 • 具体的交换机网络接法，如图6-1所示。 图6-1.交换机接法示意 • 以实时性、负荷均衡准则进行的分析表明图6结构，优于图5结构。但是从价格成本观点，图6结构费用更高。 3． 交换机“环行”网络结构（图7） 图7.交换机环行网络结构 • 近来出现了基于交换机级连的所谓环行网络结构。若有四个环上节点，则交换机-1连接人 — 机界面、操作站装置；交换机2、3、4连接控制站装置。 &