安徽馬鞍山萬能達發電有限責任公司SIS的建設

1． 前言
　　隨著我國電站自動化水平的不斷提高，分散控制系統（DCS）已經得到了大規模的應用，我公司于2003年底進行了DCS改造，基于這種情況，我公司決定對原實時管理信息系統進行了改造，我公司的SIS采集了16000測點，其中模擬量5200點，數字量10800點，系統采集兩臺機組的DCS、RTU、化學、電量、輸煤、出灰（準備接入）等數據。我公司的SIS是一套基于Internet/Intranet技術構架的工業自動化信息共享平臺。該平臺必須符合國家電力公司電力規劃設計總院編制的《2000示范電廠儀表控制和系統（I&C）系統設計原則》《廠級監控信息系統（SIS）設計導則》（討論稿）規范的SIS（Supervision Information System）實用系統。該系統可以實時地、準確地、開放地向高端應用系統提供現場數據，為管理者準確了解企業實時信息并做出準確及時的決策提供可靠的依據。采用信息共享平臺將會有效地完成企業真正意義上的信息化改造，提高企業的管理水平和工作效率，大大提高企業的競爭能力。

　　公司SIS應該是具有多個功能模塊的實用軟件系統開發平臺，即一種綜合性的工廠自動化系統、信息系統數據共享和應用開發平臺。它能夠實現和各類自動化監控系統的互聯以及數據管理，完全填補傳感器到信息管理系統之間的"信息溝壑"，消除企業信息"孤島"。它能夠提供不僅可以連接電廠主控系統DCS，同時也可以整合電廠所有輔助系統標準化的軟件解決方案。并在此基礎上建立全廠中央實時及歷史數據庫，實現在線大容量數據管理、查詢、瀏覽、分析；提供強大的二次開發接口，使得系統的應用可以不斷發展。

　　同時，公司SIS的目標是實現一個統一的軟件平臺，通過該軟件平臺，將用戶從復雜的底層技術中解放出來，他們只需要"組合"的技能，而不是復雜的"編程"技術，只需專注于他們已經熟悉的本行業的專業知識。也就是說，用戶只需關心他所要的功能，并將此功能加入到這個平臺之中，而不需要了解各種復雜的軟件和計算機技術的許多問題。

2． 公司SIS解決的問題
　　自動化系統（DAS,DCS）在國內的很多領域已經得到了非常廣泛的應用，產生了巨大的效益。隨著網絡技術的發展，用戶在傳統自動化的基礎上需要更加高級的增值應用。如：經濟效益分析、電力市場輔助決策系統等。傳統結構的自動化系統較難于在其基礎上進行二次開發。在對原來系統的安全性、數據一致性以及數據同步方面均存在不同的缺陷，在工廠環境中，傳統的關系型數據庫還不是十分理想。因為一個典型的工業環境擁有數以千萬計的以不同的速率不斷變化的模擬量和開關量，用傳統數據庫的話，幾個月就需要存儲幾百個GB的數據，一個典型的商用系統無法處理工業應用所需要的如此大量的數據。而且，對傳統數據庫來說，工廠產生數據的速度遠遠超出它所能處理的能力。一個具有10000個變量的工廠，如果平均每2秒種變化一次的話，每秒鐘就會產生5000個數據，要完整地記錄歷史數據，每秒鐘就要有5000行數據插入到數據庫中！這樣，傳統數據庫的處理速度無法滿足這樣的要求。所以，安徽馬鞍山萬能達發電有限責任公司選擇專業的實時數據庫美國Wonderware的InSQL數據庫。
　
采用軟件：
InSQL Server 8.0

優點：
　　實現一個統一的軟件平臺，實時地、準確地、開放地向高端應用系統提供現場數據，為管理者準確了解企業實時信息并做出準確及時的決策提供可靠的依據。

　　在SIS中，應該做到以下幾點:

提供一個連接生產和管理系統的通用接口，方便地連接全廠的各種生產自動化系統和有關的管理系統。
提供生產信息的一個共享和訪問平臺，幫助生產和管理人員全方位地獲取工廠生產各個環節的實時/歷史信息。
提供一個開發上層應用程序的統一數據平臺，在統一的數據平臺上開發應用程序，提高數據可信度，并可以在各個應用程序間共享結果數據。
提供工業智能的手段，幫助各層次的生產人員提高生產效率。
3． 系統主要性能說明
　　為了保證現場信息能夠有效、及時、準確地進行管理，并為后續的增值應用提供有效的數據管理手段，在生產現場和辦公室之間架起一座信息共享的橋梁。實現的應用系統從工廠底層，從現場操作員開始，以一個從下到上的層次結構為SIS提供所需的信息。真正做到了工廠信息的實時共享，構成了一個真正高效的生產系統。其主要性能為：

SIS應該是一個C/S和B/S混合結構，即同時能夠滿足網上瀏覽以及客戶端系統維護功能。
SIS能夠準確、及時和可靠地將現場數據導入實時數據庫中，不得影響原來DCS系統的正常運行。
SIS具有服務器功能、客戶端功能、WEB發布功能以及現場數據接口和用戶二次開發數據接口功能。
SIS數據采集功能包括：可以采集現場所有變量（模擬量、數字、脈沖量等），并將采集的所有變量接入實時數據庫中，數據采集和存儲可以保持現場控制系統原有的時間間隔、精度且數據源唯一。
SIS在線維護功能：可以在線修改畫面、報表、數據庫、計算統計數學模型；運行參數限額的在線設置；可以提供系統遠方在線維護功能。系統管理員可以在客戶端監視SIS的整體運行情況，并可監視實時數據庫服務器和接口機之間的通訊是否正常。
SIS數據傳送功能：提供通過因特網遠程訪問的功能，預留與其它企事業單位信息系統通信的接口，預留與各子系統通信的接口。
SIS人機界面功能：顯示流程圖、曲線圖、棒狀圖、參數表、趨勢圖和報表，顯示各經濟技術指標計算量及統計量，顯示畫面可進行移動、放大、縮小，顯示畫面能自動適應顯示器的分辯率（如800＊600，1024＊768等）。
SIS二次開發和維護功能：允許在其它應用程序中嵌入、鏈接SIS，允許在SIS中嵌入其它應用程序。
SIS數據計算和統計功能：能進行基本的數據計算（如：累加、平均、最大、最小值、加權平均等）。并能根據買方提供的數學模型進行簡單的機組運行、性能和經濟指標的計算，自動生成主設備和重要輔助設備的運行臺帳（包括運行時間、啟停次數、異常運行時間、啟停狀態等），并可對運行臺帳項目內容進行注解。
SIS報表生成功能：利用軟件的制表功能，可以很方便的進行數據組合和計算生成報表，并可將轉成Excel格式顯示和打印，也可通過WEB方式發布。
SIS打印功能：打印流程圖、報表、趨勢圖、臺帳、統計指標等。
SIS圖形編輯：作圖軟件支持添加、刪除、修改畫面，并能在不同的畫面之間切換定義，并支持在線修改的功能。
SIS數據查詢功能：SIS客戶端可設置個性化查詢條件進行查詢（如范圍時間段等）
SIS數據備份功能：在確保系統安全的同時，本系統可以提供很好的數據在線備份和恢復手段，實現實時數據庫數據自動備份、修復和轉儲功能。
SIS中WEB數據發布功能：客戶不僅僅可以通過客戶端軟件瀏覽現場信息，同時可以通過瀏覽器在任何一個地方實現現場數據的瀏覽和查詢。
SIS客戶端，具有下面功能
工況圖要求：SIS應有圖形用戶界面接口，通過圖形編輯器建立各類畫面，包括：工況顯示圖、曲線圖、趨勢圖、圖素、值、棒圖和其他動態圖形。通過熱鍵按鈕切換畫面或激活其他應用。畫面支持ODBC、ActiveX、VBA等微軟的技術。在畫面上，可以使用和現場控制人員相同的流程畫面，也可以自由組織畫面。
數據連接：數據連接在實時數據庫和常用的電子表格之間提供動態連接。通過數據連接和電子表格進行數據分析和生成報告。除讀取原始數據外，通過數據連接還可讀出由實時數據庫處理過的（如平均、最大值、最小值、過濾數據等等）。
人工數據修改：該SIS應提供客戶端軟件允許通過熟悉的GUI界面，用手工輸入數據的方式向實時數據庫服務器發送數據，發送的數據包括時間、數據輸入的上下限、每次輸入數據允許的最大變化率、輸入數據相關計算等。
WEB基本功能
圖形切換功能：圖形之間具有關聯切換功能，快速定位功能，多窗口同時顯示功能。
系統顯示功能：顯示流程圖、曲線圖、棒狀圖、參數表、趨勢圖和報表，顯示生產綜合技術、經濟指標各計算量及統計量；
打印功能：打印報表、流程圖、趨勢圖；
4． 主要采用的技術說明
　　為滿足公司管理的需求，該SIS方案的主導思想為：采用以網關技術作為信息抽取手段，以Wonderware的InSQL數據庫系統技術作為信息存貯和共享手段，以圖形技術和WEB技術作為信息表現手段的工廠自動化信息共享平臺方案。

5． 系統主要指標


6． SIS主要軟件架構說明
　　該SIS是一套具有多個實用軟件系統的開發平臺，它可以實現數據從現場設備獲取、存貯、查詢、發布、分析等一系列功能。它必須使用實時數據庫，采用美國Wonderware公司InSQL數據庫系統。軟件系統主要由下述功能組成：

IDAS數據采集（現場實時接口數據服務）

　　現場實時接口數據服務是直接面向設備的數據采集系統，它能夠適應不同設備的不同通訊協議，準確、快速地將現場數據收集上來，同時使用統一的數據存取標準接口將數據寫入InSQL數據庫中。IDAS模塊可以適應于不同的數據傳輸介質以及不同的數據通訊協議。IDAS模塊能夠順利地實現和DCS系統（西屋、Foxboro、新華XDPS,PLC等）、變電站的監控系統（NCS）、RTU、化學采集、輸煤程控等的通訊; IDAS具有歷史數據緩存（Buffer）功能，即當其與數據庫系統的連接中斷后，可以將歷史數據保存在其本地的硬盤中，當與數據庫的連接恢復后，自動將緩存的數據寫到數據庫中，保證數據的完整性。IDAS模塊的主要結構以及運行界面如下圖示：

基于上述結構的數據采集和通訊采用IDAS for XDPS DCS軟件系統實現DCS或其他輔助系統數據的采集和實時數據庫的導入。

　　IDAS是一個可以處理多協議、多設備的現場設備數據輸入/輸出服務器軟件。可以完成DCS、MODBUS、TCP/UDP、OPC等多種用戶協議的翻譯和數據截獲。同時將所有截獲到的數據采用統一的數據格式導入"IDAS模塊內部高速數據軟總線"中，通過IDAS模塊主控模塊，將數據寫入InSQL數據庫中。數據采集程序和DCS采用異步通訊模式，保證數據幾乎沒有時間延遲。

InSQL實時數據庫

　　InSQL實時數據庫是功能強大，性能卓越的實時關系型數據庫開發外殼（Shell）。它解決了關系型數據庫在存儲和管理工廠環境下快速產生的大量的實時數據時遇到的問題。使得系統能夠快速地存取現場實時數據同時能夠保存大量的歷史數據。InSQL實時數據庫最大的特點是其具有廣泛的適應性，通過采用現有的工業數據庫產品內核，使得系統在實時數據存貯方面具有非常良好的表現。配合標準的SQL數據庫查詢語言，使數據庫系統的二次開發的易用性得到了保證。

　　InSQL實時數據庫的查詢充分考慮到了系統用戶的計算機專業水平和行業特點，采用了SQL外殼的解決方案，即在InSQL實時數據庫之外，再加上一層客戶化的數據查詢分析處理器，使用客戶的專業術語進行查詢，而不是讓用戶使用他們所不熟悉的ADO等查詢語言進行數據查詢，這樣更加易于數據庫的使用和推廣。

　　如：通過外殼程序，

　　可以讓用戶填表輸入查詢

#2主汽溫度A 2004-4-1 2003-4-5 6000

表示查詢#2機組A測主汽溫度自"2004-4-1"到"2003-4-5"間隔為1分鐘的查詢結果。

客戶應用軟件開發工具包

　　系統應該提供了一個可供用戶操作系統資源的應用軟件開發工具包。為了解決系統的二次開發用戶大部分為非計算機專業的人員。該工具包提供了包括數據查詢、存貯、人機界面生成以及網頁生成等一系列開發實用工具和基于組件的開發構件。使得系統的用戶使用這些工具即可在無需編程的情況下，組態生成需要的應用子系統，也可使用任一種常用的高級編程語言（VB、VC、Delphi等）輕松開發出同一風格的客戶端應用子系統。也可以將SIS系統的組件和Microsoft的辦公自動化軟件系統Office融合，形成完整的解決方案.

WebServer （Web應用服務器）

　　系統應該提供了一個可供用戶操作系統資源的應用軟件開發工具包。為了解決系統的二次開發用戶大部分為非計算機專業的人員。該工具包提供了包括數據查詢、存貯、人機界面生成以及網頁生成等一系列開發實用工具和基于組件的開發構件。使得系統的用戶使用這些工具即可在無需編程的情況下，組態生成需要的應用子系統，也可使用任一種常用的高級編程語言（VB、VC、Delphi等）輕松開發出同一風格的客戶端應用子系統。也可以將SIS系統的組件和Microsoft的辦公自動化軟件系統Office融合，形成完整的解決方案.

用戶實用程序集合

　　系統包含多種實用程序，通過這些程序，用戶可以輕松地完成系統參數的描述以及組態信息的生成，從而達到生成實用系統的目的。

7． 實際使用介紹
　　2003年11月，安徽馬鞍山萬能達發電有限責任公司通過招標確定安徽瑞志信息技術有限公司為其SIS開發商并使用該公司獨立開發的iSDP（internet/intranet Shared Data Platform）系統，iSDP是一套基于internet/intranet技術架構的工業自動化信息共享平臺，被安徽省發展計劃委員會高新技術產業化示范工程項目，它的核心數據庫使用Wonderware的InSQL，接口使用Wonderware的IDAS模塊，能夠完全完成公司的應用目標。

　　公司SIS由前置網關計算機（或稱接口機）、防火墻、網絡交機、中心數據庫服務器、網絡操作系統服務器、web服務器、管理工程師操作員站和客戶機系統構成。其中，每一個服務器的功能可以自由組合由一臺或若干臺計算機系統組成。

　　本系統從物理結構上分為生產現場部分、管理維護機房中心、客戶端三部分。三部分之間通過計算機網絡系統互連，傳輸介質為光纜或者雙絞線。即生產數據通過SIS網接入中央數據庫系統，然后通過iSDP提供的各類服務，將結果導入廠區MIS主干網絡。

　　在生產現場中，使用兩臺現場接口計算機，內置雙網卡，通過單向交換機，分別連接#1、#2DCS系統的接口機，由于采用了單向交換機制，就從物理上隔離了生產網絡和管理網絡。在現場接口計算機中，運行有IDAS for XDPS程序負責接收從DCS來的數據，由于數據是單向流動的，從軟件上也杜絕了對DCS系統的干擾。

　　在管理維護機房中心的SIS服務器系統擔負著實時和歷史數據的存貯、查詢。本服務器系統采用雙網卡結構加裝防火墻，從而使SIS網與MIS網隔離。

　　本系統SIS網絡部分采用了百兆以太網的解決方案。即交換機和服務器之間通過百兆網絡模塊實現互連，同時為了保證網絡系統的可靠性，服務器和交換機采用光纖百兆以太網模塊連接，而SIS服務器同SIS網通過千兆以太網模塊連接。

　　體系結構如下圖示：

采用Wonderware Insql 8.0作為中央實時數據庫系統的解決方案的軟件系統結構如下圖示：

其中，系統中央實時數據庫系統采用美國Wanderware公司的InSql 8.0實時數據庫系統，而采用iSDP的目的就是為了提高系統的性能價格比，并提供給用戶符合中國用戶操作和思維習慣的客戶化產品。

　　本系統的軟件設計所采用的主要技術為：

基于OPC的現場數據網關，由于本系統采用OPC技術，充分挖掘了硬件本身的通訊潛力。另外加上本系統的"均衡網絡負荷"和"即時數據傳輸（JIT）"的特點，將數據瞬時導入中央實時數據庫中,數據的高速傳輸得到保障。
數據緩存技術：可以使得系統在諸如服務器檢修、網絡斷線等災難性故障產生時，由現場的數據網關計算機完成現場數據的存貯。在系統恢復以后將數據和主服務器進行數據同步。避免數據丟失。
高速數據存貯技術：由于采用了專門優化設計的算法來采集和存儲模擬量和開關量，在相同的硬件條件下，InSQL Server的性能超過所有的傳統關系型數據庫，使把高速產生的數據存儲到關系型數據庫成為可能。 InSQL Server可以直接存儲來自于I/O Server的快速產生的數據，用I/O Server直接連接了大量的數據源.
節省存儲空間技術即無損壓縮技術：InSQL Server存儲數據所需要的存儲空間只是傳統關系型數據庫存儲相同數據所需存儲空間的零頭。它真正所需要的磁盤空間取決于工廠的大小和狀態以及需要保存歷史數據的時間長度。采用的動態壓縮算法是一個"零數據丟失"算法，保證了數據的高分辨率和高質量。
面向對象的人機界面編輯和存貯技術：iSDP_BluePrint人機界面編輯系統采用面向電力行業的設備的圖形編輯方式，可以實現電力系統設備的簡單拖拽式定義，面向對象的設計和描述方式使得客戶在定義人機界面時如同親自在安裝設備。圖形系統基于矢量存貯方式，可以實現無級縮放和漫游。本人機界面采用組件式的數據定義方式，可以完成各種模擬現場設備的動態圖符的定義，如：棒圖、儀表、趨勢圖等。同時所有動態點的歷史和實時數據都將和中央實時數據庫系統關聯，在運行時顯示現場設備的運行狀況。
面向維護人員和使用人員的數據管理技術：由于本系統涉及的現場變量數以萬計。完全按照市售的數據庫直接輸入將給系統的數據輸入和維護造成極大的不便。因此，本系統采用的數據庫維護工具是基于工業實時數據庫管理系統（InSQL）的開放式完全圖形視圖工具，同現場測點定義數據庫相連，為SIS系統的測點定義、維護提供一個方便高效的工具，管理數據模型是按兩條主線抽象出來的統一管理模式，這兩條主線一是：設備分層管理（系統——邏輯設備單元——線路——測點）；二是：采集裝置分層管理（系統——采集裝置——測點）。 按照這兩條路線可以方便快速地定位到任一廠站的任一線路單元及其測點或者任一采集裝置的任一采集測點，而且可以在樹圖上實現廠站、單元、測點的隨意刪除、修改。另外，廠站、測點的規模多少不受限制。如此管理，不僅僅可以便于從維護人員的角度進行數據的管理，同時也可以從操作人員的角度進行設備和測點的使用。
和OFFICE系統集成的數據查詢技術：報表功能是一個組件，不僅僅可以單獨使用，也可集成到畫面、人機界面工具（iSDP_BluePrint）中使用，同時可以導出/導入Excel格式。不論是新手還是專家，使用iSDP_Report產生報表都非常方便。iSDP_Report具有表格計算功能。我們擴展了Excel功能，增加了通過向導和定制的Excel功能訪問存儲在InSQL Server中的數據的能力。對于各種生產和經營報表是非常理想。可以把報表保存為模板，幫助你產生自己標準的報表。產生的報表可以通過Web方便地分發和訪問。
基于WEB的數據查詢技術：iSDP_WebServer是運行在服務器端的Windows組件，它集成了ASP,ActiveX,XML等技術，采用基于HTTP的數據通訊方式進行信息的交互。使得客戶端的用戶通過瀏覽器（IE）就可以不用安裝任何軟件及可以瀏覽到系統提供的所有信息。真正做到了瘦客戶機的運行模式。iSDP_WebServer是基于B/S和C/S構架的混合系統，系統的所有組態結果（人機界面、報表、趨勢以及計算結果列表）在運行時都將和實時數據庫系統InSQL通過C/S方式實現互連，然后通過HTTP協議相應客戶的請求，將結果發送到客戶端顯示。為了在這樣一個分布式計算機系統中實現上述的系統功能，我們采用了針對不同的需求采用不同的解決方案的辦法：
針對實時信息的訪問，采用直接的基于變化量的TCP通訊訪問機制，即可以保證實時信息的及時響應，又可以避免對數據庫的過于頻繁的讀寫。
針對歷史信息的數據庫查詢，采用基于ISAPI/NSAPI的網絡服務模式，可以有效地避免由于系統處理多個用戶并發訪問系統而創建進程可能造成的系統堵塞，可以提高系統的工作效率，并且適用任何一種網絡的接入方式，保證系統的數據安全到達。
針對大量的、突發的數據庫訪問，本系統采用了歷史數據Cache管理模式，可以減少大量的，重復的數據庫訪問，降低數據庫服務器的負荷，提高訪問速度。
系統安全和數據安全技術：iSDP的安全特性可以分為物理安全、網絡安全、操作系統安全和數據庫安全幾個部分，其中數據庫安全又分系統管理級、系統應用工程師級及操作員級。iSDP有非常完善的安全機制。在系統管理級下，注冊工程師（組）及操作員（組）帳號和口令，同時嚴格規定其各自權限。進入iSDP時，必須登記注冊及校驗口令。iSDP組態編程時，將內部參量按區劃分，系統授權操作員按權限操作指定的區域，同時采用系統安全保護。iSDP的客戶端用戶必須是授權的客戶，且必須輸入用戶名和密碼才能進入，WEB必須是本公司的機器方可訪問。iSDP的用戶安全授權采用iSDP的客戶管理插件進行，用戶可以通過和系統開發人員自定義若干個安全級別，并通過程序給予確認。軟件環境如下：

服務器端：

　　網絡操作系統 （NOS）：Microsoft Windows 2000 Server 中文版
　　工業數據庫管理系統（RT_DBMS） : Wonderware InSQL 8.0
　　Web服務器（Web Server） : Microsoft Internet Information Server 4.0

客戶端：

　　操作系統：（OS）

　　　　Microsoft Windows 98 中文版 + IE （不可運行iSDP_SISClient）
　　　　Microsoft Windows ME 中文版 + IE （不可運行iSDP_SISClient）
　　　　Microsoft Windows2000 Professional 中文版
　　　　Microsoft Windows XP Professional 中文版

　　iSDP軟件系統的主要功能模塊如下圖示：

整個工程5月1日開始試運行，7月1日正式運行，從運行情況來看，由于采用全部現場DCS圖形，界面友好，安裝方便，穩定性好，所以用戶能快速使用本系統。

本文感謝：

滕佑來：安徽馬鞍山萬能達發電有限責任公司，安徽馬鞍山電業路#1。

胡長舟：安徽馬鞍山萬能達發電有限責任公司，安徽馬鞍山電業路#1。