电厂信息化工程与SIS的工程实施问题探讨
2011年11月15日 14:22:35
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一、电厂信息化工程的主要思路
电力工业是一个非常巨大的产业，在产业中占据重要的地位，是国民经济发展中极为重要的基础支柱产业，是制造业的重要组成部分。其特点是以处理连续物料流、能量流为主。国外大公司及研究机构已针对流程工业综合自动化技术与系统提出了2个重要的概念：一是提出总体解决方案，二是发展工业信息技术（工业IT）。这对发展我国的综合自动化技术及相应的软硬件产业提供了很好的思路［1］。国内也专门针对电厂的特点提出了厂级监控信息系统（SIS）的概念，并迅速将其工程化，这对于实现电厂信息化水平，提高电力生产的安全性和经济性，是一件非常有意义的事情。
作为典型的流程工业企业，电厂信息化工程的主要思路：在获取生产流程所需全部信息的基础上，将分散的控制系统、生产调度系统和管理决策系统有机地集成起来，综合运用自动化技术、信息技术、计算机技术、生产加工技术和现代管理技术，从生产过程的全局出发，通过对生产活动所需的各种信息的集成，集控制、监测、优化、调度、管理、经营和决策于一体，形成一个能适应各种生产环境和市场需求的、总体*的、高质量、益、高柔性的现代化企业综合自动化系统，以达到提高企业经济效益，适应能力和竞争能力的目的。
电厂在生产流程和生产设备方面的柔性较小，因此，电厂信息化工程的柔性在过程控制层很难体现，主要靠过程优化层的生产装置操作优化、生产调度层的物流和能量流在线调度优化、企业管理层和经营决策层的决策层的决策优化以及建立通用模型来保证。这些优化方法加上DCS、现场总线技术、分布式数据库和客户机/服务器网络环境的应用，使电厂信息化工程的柔性大大增强。
二、电厂实施信息化工程的技术特点与新华应用模块的构成
2.1必须做到信息的集成与共享
实时数据库和关系数据库并举，实现信息集成和共享。在信息化工程实施中，关键技术之一是信息集成。由于电厂生产对安、稳、长、满、优的追求致使大量的反映生产过程状态的实时测量的数据需要处理、管理和有效地应用，而数据库管理系统是信息集成的基础。要对生产过程进行监督控制，对生产状态进行分析、评价，必须利用实时数据。因而电厂信息集成环境中需要同时设置关系数据库和实时数据库系统，作为整个系统信息的集散中心。这两种数据库既可独立操作，又可协同操作，及时并行或交叉地处理来自全厂的各种信息，真正做到信息集成与共享。
2.2必须解决各种接口技术和安全技术
"接口"保证系统作为一个有机的整体运行，"安全"则保证系统长期、稳定地运行，这对于连续生产的电厂尤为重要。
在接口技术方面，除一般的硬件与软件接口外，特别要解决DCS与整体网络的接口、零散点数据采集系统与整体网络的接口、异种关系数据库之间的接口、关系数据库与实时数据库之间的接口等关键技术。
在安全技术方面，要特别重视计算机网络系统和数据库系统的安全性设计。
2.3逐步实施运行操作优化
这是全局优化的基础，也是电厂信息化工程功能层次中承上启下的纽带。
运行操作优化是电厂适应市场原料和产品需求变化，随时接受调度指令，调整主要生产设备的操作状况，这是柔性生产的关键，也是取得效益的重要环节。其难点是建立过程稳态数学模型。
由于工艺技术复杂，且建模涉及到工艺机理和信息处理技术，是跨学科的，因此建立工业实用的模型是很困难的。常用的建模方法有：机理法、统计法以及人工神经网络等方法。为适应运行操作优化的需要，上出现了许多相应软件公司和生产过程仿真软件产品。过程优化算是又一技术难点，必须根据不同装置及不同生产过程去寻求合适的算法，在常规的各类规划算法的基础上引入启发式规则，往往是解决计算量过大和加快收敛速度的有效途径。
2.4重视实施*控制
由于电力生产过程的动态特性往往是非线性、大惯性和大滞后的，各个变量相互关联，甚至是时变的，所以提高控制品质并非易事。然而，如果没有良好的控制品质，运行过程操作优化将是没有意义的，*控制与操作优化两者是相辅相成的。因此，在电力生产中，*控制受到广泛重视，国外已有许多成熟的商品化的*控制软件，我国也开始引进并组织力量研究、开发和应用。
2.5信息的高度集成
由于信息的高度集成，有可能通过对大量生产实时数据的处理，将其变成有用的信息，例如，用于设备及过程的故障诊断、生产过程的安全维护等方面，这也是电力生产信息化工程的特点。
2.6新华应用模块的构成与实施
新华控制技术集团有限公司一直致力于为电厂的自动化和信息化提供符合我国国情的总体解决方案，相继开发和提供了DEH、DCS（XDPS400）、一体化DCS、XSIS（核心数据库平台为XRTDB）,同时提供了大量的应用软件模块。新华应用模块有：厂级生产过程实时运行监视软件包（XSIS-RISS）、厂级负荷优化分配软件包（XSIS-LODS）、单元机组运行性能计算软件包（XSIS-OPCS）、单元机组运行能损分析软件包（XSIS-OPLAS）、单元机组炉管寿命评估软件包（XSIS-BTLAS）、汽轮机振动采集、监测与分析系统（XSIS-TCM）、汽轮机高中压转子温度场计算与寿命评估软件包（XSIS-SAILER）等等，如图2所示。
图2XSIS系统功能软件框图
但目前在SIS中建议分阶段实施，*阶段首先实现厂级生产过程实时运行监视软件包（XSIS-RISS）和单元机组运行性能计算软件包（XSIS-OPCS）、单元机组运行能损分析软件包（XSIS-OPLAS）等基础应用。等到时机成熟后再考虑其它应用功能。
三、电厂信息化与实时数据库系统
3.1实时数据库系统的概念
实时数据库系统是其数据和事务都具有时间属性，或显示的时间约束的数据库系统。在实时数据库系统中，事务处理的正确性不仅依赖于逻辑结果的正确性，而且依赖于逻辑结果产生的时间是否满足相应的时间约束。实时数据库系统中的数据对象都有一个有效时间间隔，表示它在这个时间段内足够真实地反映了物理环境的当前状态。因此，任何与该数据对象有关的事务处理必须在有效的时间间隔内完成。也就是说，实时数据库系统中的事务处理时间具有可预测性。而流行的关系数据库系统旨在维护*性数据，强调数据的完整性与一致性，未考虑与数据处理相关联的时间限制。事实上，关系数据库系统面临的zui大挑战就是不可预测的事务执行时间。
*，由于技术发展的原因，企业生产过程监控采用着来自众多厂商的不同种类的监控系统。这些系统都是面向装置或设备的，每个系统只能采集或管理相应装置或设备在运行过程中产生的部分实时数据。就企业整体而言，缺乏一个统一的、完整的、企业级实时数据管理平台，以支持多装置/设备协调优化控制与生产管理实时决策优化。由于生产过程产生的数据有效期短，而且数据量大，传统的集散式控制系统（DCS）和关系数据库技术并不能完*问题。DCS数据存储能力有限，同时企业中异构的DCS无法进行有效的数据共享；而流行的关系数据库系统数据处理速度慢，关系数据模型无法对生产过程数据进行存储。由此，人们将实时数据处理技术与数据库技术相结合，开发出了实时数据库系统，为企业信息化提供一个统一而完整的企业级实时数据库运行平台，使企业经营管理决策层能够对生产过程进行实时动态监控与分析，随时掌握企业运行状况，及时发现问题并进行处理，从而降低生产成本，提高产品质量。实时数据库系统在企业信息化中的地位，如图3所示。
实时数据库系统可用于生产过程数据的自动采集、存储和监视。大型实时数据库系统可以在线存储每一个工艺过程点的多年数据。实际上，实时数据库系统对于企业来说就如同飞机上的"黑匣子"。另一方面，实时数据库系统为zui终用户提供了快捷、的企业实时信息。由于企业实时数据存放在统一的数据库中。企业中的所有人，无论在什么地方都可看到和分析相同的信息，客户端的应用程序使用户很容易在企业级实施管理，诸如工艺改进、质量控制、故障预防维护等。通过实时数据库系统可集成控制系统（DCS、PLC）等、企业资源计划系统（ERP）、模拟与优化等应用，在业务管理与生产控制之间起到桥梁作用，实现企业的数字化管理。实时数据库系统在电厂信息化过程中有着广阔的应用前景。
3.2实时监控软件平台
实时监控软件平台以实时数据库为核心，为用户提供实时监控与管理的平台。它支持基础自动化系统中的*控制软件与厂级监控系统（SIS）中的过程优化软件之间的集成。其关键技术包括实时数据库技术，可靠性、冗余容错技术、数据获取技术和人机界面技术等。实时监控软件平台的功能主要包括：动态的过程流程数据显示；实时趋势显示；历史趋势显示；历史趋势查询；报警信息、操作信息等事件报警、显示与存储；报警信息、操作信息等事件的历史查询；采用图形组态或嵌入宏语言的方式，实现二次计算、控制及其他定制功能；集成的、弹性的报表制作、显示、打印功能。
3.3综合集成软件平台
综合集成软件平台以企业信息的集成为基础。它主要采用的技术包括系统数据管理技术、计算机网络技术和系统集成平台技术。综合集成软件平台必须解决数据仓库、全厂信息模型和数据模型建立、数据获取和数据挖掘等关键技术。关系数据库系统与实时/历史数据库系统的相关补充为综合集成软件平台提供强有力的静态与动态数据与信息集成支撑，构成综合集成软件平台的基础架构。
综合集成软件平台的主要功能包括：（1）通过实时跟踪控制生产计划、原料供应、操作人员、过程信息和设备信息，使企业生产经营管理人员对企业的生产条件有一个全面的了解。（2）收集并存储生产过程历史信息，并将这些数据以可追忆的形式提供给企业生产管理人员。（3）从全厂生产过程中的各个方面收集生产信息，并按照全厂信息模型组织这些数据，zui终提供给企业管理人员和其他软件使用。（4）收集、存储并分析能够真正代表生产成本的数据，并提供给生产经营管理人员和企业资源计划管理软件、供应链管理软件使用。（5）收集、存储将分析合格产品和不合格产品的生产数据，为持续的生产过程优化、提高提供切实可行的现场数据依据。（6）集成所有生产过程有关的操作规程、技术文档、设备文档，并以方便的界面提供给企业管理和操作人员。（7）全面标准、开放的数据存储和服务，使得企业资源计划管理软件和供应链管理软件可以按自己的需要访问、组织、使用系统中的所有数据。
3.4实时数据库与关系数据库的关系
实时数据库采集了海量的各种装置的流量、液位、温度、压力等等数据，可以根据装置主要进出口的流量数据计算主要产品产量和能耗，根据物位可换算出原料与产品的库存，而各种温度、压力数据则直接反映了机组的运行状况，这些都是计划、调度、成本核算及决策关系数据库*的生产一线数据，是实现全厂生产过程管理的核心。
关系数据库储存的计划、成本、化验等考核生产实绩的指标，是实时数据库系统赖以即时调整生产指令、优化操作的基准参数。
实时数据库与关系数据库并行运行是电厂信息集成的重要特点。
四、二次开发的关键
4.1状况良好的现场仪表、控制设备
状况良好的现场仪表、控制设备是将生产过程数据实时采集上网的先决条件。实时数据库系统的正常运行受现场采集环境的影响，如DCS工作站故障、DCS软件模块缺损、巡检仪系统间断性发不出测量信号等，这些故障一般都由于电厂生产连续不可中断的特点而难以及时修复，导致部分生产过程数据的实时采集中断。故基础仪表、过程控制设备运行的稳、准、灵是实时数据采集的先决条件。
4.2全面采集与完整保存的过程数据
全面采集与完整保存的过程数据是实时数据二次开发利用的基础。物料平衡、流程模拟、*控制等应用很大程度上依赖大量过程实时、历史信息进行计算，如装置的流量等信息或无法采集上网、或精度不够，使二次开发及推广应用的效果受到影响。
4.3实时数据库与关系数据库紧密配合
实时数据库与关系数据库紧密配合是二次开发成功的关键。实时数据库与关系数据库的并行运行是电厂信息化工程的重要特点，虽然实时数据库提供了大量生产过程信息，构成了电厂管理信息的基础，但在计划、调度、决策中许多*的如市场、计划等经营决策和指令信息仍需由关系数据库提供，两者的集成才能为企业提供从设计、操作、管理全过程的信息支持。
五、应用效果分析
5.1监控生产，实现全生产过程的全厂级实时管理
实时数据库系统的建立为各级管理部门提供的远程实时生产过程信息，有效地帮助调度人员及时调整物流方向，减少非计划停车，保持生产的平稳运行。
5.2故障报警，及时定位事故发生的原因
通过比较当前的和历史趋势数据，特别是结合装置安全运行的多参数模型，可以及早报告事故隐患，并且通过对事故前后实时记录的历史数据的分析，可以定位事故发生产原因，以避免事故的再次发生。
5.3加强操作考核，提高生产效率，降低能耗，动态监控生产成本
装置的平稳运行是各种动力和原料消耗的综合结果，以同样的能耗生产更多的高质量的电能，在保证质量的前提下，充分利用能耗市场供给成本的差异，及时调整操作方案，实现在生产过程中，而不明在生产完成后即有效控制生产的成本。
5.4应用和集成平台
全厂全生产过程实时数据的历史积累，是从中发现过程运行规律的数据基础，而这些规律的集合则可构成*控制和流程模拟的数学模型；同时，生产实时数据也为*控制和在线流程模拟提供了数据运行环境；另外，实时记录的物流信息也是各种物料平衡计算的依据，从而使生产更为合理的统计信息。
六、SIS实施过程中存在的典型问题
SIS系统实施是一个系统工程，存在着作为一个大系统的复杂性问题，在此不再一一陈述。而更愿意针对SIS系统实施，列出我们在具体的研究开发和工程实施过程中遇到的*问题。给予这些问题足够的重视，或许对我国电厂信息化工程的顺利展开和达到预期的目标有所帮助。
（1）软件产品的成长成熟是靠企业用出来的，而不是单纯的技术开发和开发商自身的测试能够解决的。
（2）企业对应用国产软件思想上存在障碍，如何鼓励？
（3）科技部门、管理部门由于不能干涉企业运营而在推广方面存在顾虑，如何拓展新的工作思路和渠道？
（4）SIS解决方案供应商与集成商的自我定位，不要盲目求大或误导用户，应引导用户分阶段逐步实施电厂信息化工程，使SIS市场规范化和良性运行，zui终为用户带来更多更实在的经济和社会效益。
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