計算機監(jiān)控系統(tǒng) 控制單元

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[導(dǎo)讀]電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用分層分布式結(jié)構(gòu)，它將分布在機組控制室的每個現(xiàn)地監(jiān)控單元利用網(wǎng)絡(luò)連接起來，組成一個計算機網(wǎng)絡(luò)．本文根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)速度的要求和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，對監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及軟硬冗余

電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用分層分布式結(jié)構(gòu)，它將分布在機組控制室的每個現(xiàn)地監(jiān)控單元利用網(wǎng)絡(luò)連接起來，組成一個計算機網(wǎng)絡(luò)．本文根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)速度的要求和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，對監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)及軟硬冗余進(jìn)行分析，給出軟件冗余的設(shè)計思想，討論了如何選擇更合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以便實現(xiàn)對系統(tǒng)的合理高效控制．
　　關(guān)鍵詞：計算機監(jiān)控系統(tǒng)（CSCS）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?分層分布式

Study of the Network Configuration
of Computer Surveil and Control System in Power Plant

Tao Ke1,XU Yi-shan1,HE Peng2

(1.Information and Electricity College, Three Gorges University, Yichang443002,China;
2.Information and Technology Center, Three Gorges University, Yichang443002,China)

Abstract： Computer Surveil and Control System （CSCS）is often a distributed system, and it connects all Local Control Units which are in the Unit Control Room into a computer network. According to the speed and stability demands of the CSCS , this paper analyzes the network structure and design idea of both hardware and software ,and discuss the principle of how to choose a more reasonable network topology to achieve the goal of more efficient and safer control．
　　Keywords： Computer Surveil and Control System（CSCS） Network topology distributed system

　　隨著計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機應(yīng)用已深入到很多行業(yè)中．對于電力系統(tǒng)中普遍應(yīng)用的電站監(jiān)控系統(tǒng)來說，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)更是極大地推進(jìn)它向自動化,網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展.
　　電站是電力系統(tǒng)中的電能供給方，根據(jù)它的實際生產(chǎn)要求，對處于自動控制的最高層的計算機監(jiān)控系統(tǒng)有著與普通的計算機控制不同的要求，從而所構(gòu)成的計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)也與普通的計算機網(wǎng)絡(luò)不同，它的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用針對性強，對網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性要求高，要求計算機網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的局部故障不影響其他設(shè)備的正常運行．所以電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)在普通計算機網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上采取了硬件冗余方式，同時在軟件上也進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計，以滿足相關(guān)的要求.本文就計算機監(jiān)控系統(tǒng)的各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、硬件組成及軟件設(shè)計進(jìn)行分析和討論．

一、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通用設(shè)置
　　電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的計算機的要求是：
　　1、對于處于現(xiàn)地監(jiān)控位置的現(xiàn)地控制單元，其網(wǎng)絡(luò)需要有穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接，在網(wǎng)絡(luò)某處出現(xiàn)不能連接故障時不影響其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的正常的數(shù)據(jù)傳輸．
　　為達(dá)到這樣的要求，通常各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點計算機都設(shè)置為硬件的網(wǎng)絡(luò)冗余，即設(shè)置雙網(wǎng)卡，故障時自動切換．由于現(xiàn)地控制單元多為CPU模件板與其他功能插件板的組合，所以對于現(xiàn)地控制單元上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點計算機也實行雙機冗余，即有兩塊負(fù)責(zé)實時數(shù)據(jù)處理的CPU模件板．從而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的設(shè)置通常為一塊模件板設(shè)置一塊網(wǎng)卡，對應(yīng)于各自的網(wǎng)絡(luò)．如下圖所示：

　　2、其它控制和監(jiān)視節(jié)點，如處于數(shù)據(jù)的收集和命令的發(fā)送、接受位置的監(jiān)控主站，操作人員使用的操作員工作站等，也采取硬件冗余．主要是主站的雙機加雙網(wǎng)卡冗余，操作員站等的雙網(wǎng)卡冗余。

二、分布式監(jiān)控系統(tǒng)中的有主和無主結(jié)構(gòu)
　　電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)屬于分布式系統(tǒng)，對于分布式系統(tǒng)的主機的處理有兩種常見的兩種方式，即分布式有主結(jié)構(gòu)和分布式無主結(jié)構(gòu)．
　　分布式有主結(jié)構(gòu)是指在整個系統(tǒng)中有特定功能的計算機充當(dāng)系統(tǒng)主機功能，主機負(fù)責(zé)對現(xiàn)地控制單元傳送的數(shù)據(jù)收集以供其他計算機使用，同時，將其他計算機傳到的數(shù)據(jù)，其中包括命令，下達(dá)給系統(tǒng)中的現(xiàn)地控制單元，因而，分布式有主結(jié)構(gòu)對主機的要求較高．
　　分布式無主結(jié)構(gòu)指的是整個系統(tǒng)中無充當(dāng)主機功能的計算機，通過設(shè)置數(shù)據(jù)服務(wù)器來收集系統(tǒng)中各種實時信息，以供需要時使用，任意的計算機現(xiàn)地控制節(jié)點與應(yīng)用計算機如操作員站之間直接進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)傳輸．
　　分布式有主結(jié)構(gòu)與分布式無主結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別主要集中在主機功能上，在實際應(yīng)用及軟件操作上，分布式無主結(jié)構(gòu)需要整個計算機監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件的支持，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中間鏈路層的協(xié)議，而分布式有主結(jié)構(gòu)可以避開設(shè)置專用的軟件和協(xié)議，兩者分別針對于不同的要求．

三、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析
　　由于總線型網(wǎng)絡(luò)自身特點的限制，不適合于在電站監(jiān)控系統(tǒng)這樣對于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用，所以本文對其不作分析．對于應(yīng)用較為廣泛的星型和環(huán)型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)分析并進(jìn)行擴展，同時結(jié)合有、無主結(jié)構(gòu)分析其應(yīng)用性質(zhì)．
　?、?星型網(wǎng)絡(luò)
　　星型網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如下：

　　由星形網(wǎng)絡(luò)組成的監(jiān)控系統(tǒng)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過中心交換機連接，同時考慮到冗余需要，利用另外一臺交換機組成雙網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)工作原理如下：
　　有主結(jié)構(gòu)：現(xiàn)地控制單元有兩塊CPU模件，實現(xiàn)該單元節(jié)點處的故障冗余，為主的CPU板實時采集各種信號，并針對故障信號采取相應(yīng)處理，同時將采集的信號量數(shù)字化，再傳送給主站；主站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收，同時向操作員站送實時數(shù)據(jù)，并將操作員站的命令下達(dá)．
　　無主結(jié)構(gòu)：現(xiàn)地控制單元實時采集各種信號并針對故障信號采取相應(yīng)處理，主站作為數(shù)據(jù)服務(wù)器，定時向各現(xiàn)地控制單元節(jié)點要數(shù)據(jù)并記錄，操作員站通過交換機直接與現(xiàn)地控制單元通訊，傳送數(shù)據(jù)與命令．
　　星形網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)相對簡單，由于普遍通訊協(xié)議為TCP/IP，開發(fā)額外的系統(tǒng)應(yīng)用程序比較簡單，缺點是系統(tǒng)安全性能不高，若交換機壞，則網(wǎng)絡(luò)就面臨崩潰，對主站依賴性強．此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在一些系統(tǒng)升級改造的電站應(yīng)用較多．
　　 ② 擴展環(huán)型網(wǎng)絡(luò)
　　擴展環(huán)型網(wǎng)絡(luò)是在環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，加上各其他功能節(jié)點，或通過轉(zhuǎn)換與其他應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)連接，而現(xiàn)地計算機控制依舊處于環(huán)型網(wǎng)絡(luò)上．示意圖如下：

　　由擴展環(huán)型網(wǎng)絡(luò)組成的監(jiān)控系統(tǒng)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過環(huán)型鏈路交換數(shù)據(jù)，利用兩條環(huán)鏈構(gòu)成冗余，除現(xiàn)地單元、操作員站外的其他應(yīng)用計算機屬于另一個TCP/IP網(wǎng)，主站與應(yīng)用程序這些功能計算機通過協(xié)議轉(zhuǎn)換連接到兩個網(wǎng)絡(luò)中．網(wǎng)絡(luò)工作原理如下：
　　此種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較適合于無主結(jié)構(gòu)，若應(yīng)用為有主結(jié)構(gòu)，TCP/IP網(wǎng)段的信息交換將由于主站性能限制而受到遲滯，對應(yīng)用快速性不利．
　　在無主結(jié)構(gòu)模式下，現(xiàn)地控制單元實時采集各種信號并針對故障信號采取相應(yīng)處理，主站作為數(shù)據(jù)服務(wù)器，記錄各現(xiàn)地控制單元節(jié)點數(shù)據(jù)，操作員站在環(huán)網(wǎng)上直接與現(xiàn)地控制單元通訊，傳送數(shù)據(jù)與命令．在環(huán)網(wǎng)之外的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通過與主站、應(yīng)用程序工作站通訊，取得各種信息并可發(fā)送命令．
　　擴展環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是在結(jié)構(gòu)上，分層應(yīng)用明顯，各節(jié)點功能清楚，系統(tǒng)安全性能高，兩個不同協(xié)議網(wǎng)段間的故障互相沒有影響，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好．缺點結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)投入較大，開發(fā)應(yīng)用程序時，需考慮到兩個網(wǎng)段的不同協(xié)議．目前國內(nèi)某在建大型水電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用的就是這種結(jié)構(gòu)．

四、軟件冗余設(shè)計
　　硬件冗余只是在結(jié)構(gòu)構(gòu)成上實現(xiàn)了故障切換，而建立在硬件基礎(chǔ)上的操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序系統(tǒng)也需要實現(xiàn)冗余，這樣才能在硬件故障時有效偵測到，并終止冗余中故障一方的監(jiān)視控制功能，防止異常事件發(fā)生，所以監(jiān)控系統(tǒng)中的雙機冗余如主站與現(xiàn)地單元均需要在內(nèi)部的運行軟件上加以實現(xiàn)軟件冗余．
　　軟件冗余較多利用Socket通訊和“進(jìn)程間通訊”（InterProcess Communication IPC）結(jié)合的設(shè)計概念[1],即冗余的兩計算機運行的同樣的操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序，互相利用運行中的程序即進(jìn)程的數(shù)據(jù)通訊，并判斷對方的工作狀態(tài)，并作出相應(yīng)的應(yīng)用處理．本文給出常見的軟件設(shè)計框圖及部分判斷執(zhí)行代碼。

　　軟件冗余除了在應(yīng)用程序上的實現(xiàn)外，還有基于特定操作系統(tǒng)平臺的應(yīng)用程序，這些操作系統(tǒng)內(nèi)含服務(wù)冗余設(shè)計，就無須應(yīng)用程序上的軟件冗余設(shè)計，如Windows2000 Advanced Server內(nèi)部就集成了故障轉(zhuǎn)移功能：即如果群集中的某個節(jié)點失敗，其他節(jié)點可以繼續(xù)提供服務(wù)，從失敗處繼續(xù)進(jìn)行，且對于客戶端來說，關(guān)鍵的應(yīng)用程序和資源仍然可用。

五　結(jié)語
　　結(jié)合本文上面的分析，電站監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>有著與與普通計算機網(wǎng)絡(luò)的很大結(jié)構(gòu)不同，同時網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序也有較大區(qū)別，本文根據(jù)電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求特殊性，從較多網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成拓?fù)渲羞x出較具代表性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出網(wǎng)絡(luò)的組成特征及針對性較高的軟件冗余步驟設(shè)計，以滿足實際需要。