李亮 （1978-）

男，遼寧鞍山人，大連理工大學碩士，現任北京和利時信息技術有限公司項目經理，從事企業信息化項目的實施和管理工作。



    摘要：本文介紹了中鋁貴州分公司熱電廠生產過程監控系統的網絡結構、網絡安全、網絡校時以及數據采集的整體解決方案，重點描述了在數據采集過程中各種數據采集接口的問題分析、方案實現和軟件使用，并簡要介紹了北京和利時信息技術有限公司的HiRIS實時信息系統的特點、性能和實際應用的效果。

    關鍵詞：生產過程監控系統；網絡安全；網絡校時；數據采集；OPC；HiRIS

    Abstract: The paper introduces an integrated solutions to production process 
monitoring system of thermal power plant in CHALCO Guizhou Branch including network 
structure, network security, network timing and data acquisition, puts emphasis on 
describing the analysis of problems, the realization of solutions and use of software 
of all data acquisition interfaces during the process of data acquisition, and briefly 
introduces the characters, performances and effects of HiRIS (Hollyinfo Real-time Information System) developed by Beijing Hollyinfo Technology Co., Ltd.

    Key words: production process monitoring system; network security; net timing; 
data acquisition; OPC; HiRIS

1 引言

    中鋁貴州分公司，位于貴州省貴陽市白云區，是中國鋁業股份有限公司在貴州的分支機構，具備年產電解鋁40.3萬噸、氧化鋁120萬噸、碳素制品27.2萬噸、鋁土礦119萬噸，石灰石礦65萬噸和多種高附加值產品的設計產能。根據產品工藝，中鋁貴州分公司的主要生產單位包括氧化鋁廠、電解鋁廠、碳素廠和熱電廠（以下稱“貴鋁熱電廠”）等。

    貴鋁熱電廠下設鍋爐、汽機、供電、水化、燃運、濃縮和電氣等生產車間，以及調度室、技術科、能計科、設備科和安全環等職能管理部門。除自用外，貴鋁熱電廠主要負責向中鋁貴州分公司其它兄弟單位以及家屬區提供蒸汽、水、電、壓縮風等能源。

    貴鋁熱電廠原有一套基于組態王5.0的生產管理信息系統，通過多塊研華公司的ADAM-4017模塊將8臺鍋爐和6臺汽輪機的生產數據采集上來，供調度人員監控使用。由于2004年熱電廠擴建，新增加3臺鍋爐和2臺汽輪機，與之配套增加了9/10號爐DCS控制系統、7/8號機DCS控制系統、11號爐DCS控制系統、鍋爐風機溫度監控系統（893系統）、綜合電力自動化控制系統（二總降系統），新輸煤PLC控制系統、除灰渣PLC控制系統，以及大量的二次儀表和智能電能表等；除此之外，原有的生產管理信息系統（老熱網系統）、老燃運配電PLC控制系統和二次儀表等也有相應的改變。以上這些系統和儀表設備相互獨立，生產調度人員無法同時、及時和直觀地掌握各系統的生產數據用以下達生產調度指令。因此，貴鋁熱電廠重新籌建一套生產過程監控系統（以下簡稱“新系統”），形成了一個全新的分散系統有機整合、管控一體化的平臺。

2 網絡結構

    由于貴鋁熱電廠已有用于原信息系統的光纖網絡，因此新系統的光纖網絡是以原有網絡為基礎進行一些擴展和完善的，主要包括從新系統服務器所在辦公樓到新建的各個主控室、操作室和儀表間等光纖網絡，以及從新系統服務器所在辦公樓到各車間和職能管理部門辦公樓的主光纖網絡。新鋪設光纖網絡共約3600米。

    新系統的網絡結構分為管控子網和管理子網。管控子網，是指直接與各種DCS、PLC、電力綜合自動化等控制系統的服務器、工程師站或操作員站等相連的網關機所在的網絡；管理子網，是指新系統中使用的實時/關系數據庫服務器、WEB服務器、時鐘服務器、防病毒服務器、老熱網系統網關機、遠程數據采集網關機、客戶端計算機等所在的網絡。

    管控子網主交換機與管理子網主交換機都安裝在新系統機房中，兩臺主交換機之間使用網絡安全隔離器進行有隔離地連接，以保證管控子網計算機和控制系統的安全，包括各數據源設備、網關機、服務器和網絡連接設備在內的網絡結構示意圖，如圖1所示。

3 網絡安全

3.1 網絡安全隔離器

    為了保證管控子網中網關機以及DCS控制系統的安全性，新系統在管理子網和管控子網之間安裝了“StoneWall-2000 正向型”網絡安全隔離器。

                                                圖1

    StoneWall-2000系列網絡安全隔離設備是依照國家經貿委【2002】第30號令《電網和電廠計算機監控系統及調度數據網絡安全防護的規定》和國家電力調度通信中心制定的《全國電力二次系統安全防護總體方案》的要求，由中國電力科學研究院下屬電網所——北京科東電力控制系統有限責任公司自主開發研制的，滿足中國電網特殊需求的具有物理隔離能力的網絡安全產品。它適用于計算機網絡與網絡之間，主機與主機之間，主機與網絡之間的物理隔離，是應用了安全島專利技術的具有物理隔離能力的網絡安全產品[1]。

   “StoneWall-2000正向型”網絡安全隔離器的管理軟件，通過配置規則名稱、方向選擇、協議、控制類型、內外網計算機的IP地址、MAC地址、端口號、虛擬IP地址以及IP與MAC地址綁定等選項，對網絡安全隔離器兩端交互數據的計算機及網絡設備進行隔離，保證網絡安全，其規則配置界面如圖2所示。

                                                    圖2

3.2 病毒防護

    由于新系統的管理子網也在中鋁貴州分公司的局域網當中，局域網有大量的客戶端計算機需要訪問Internet，這就對其本身、局域網中其它計算機以及各管理系統服務器等都構成網絡安全威脅。

    為了保證網絡安全和應對病毒、木馬攻擊等問題，中鋁貴州分公司在整個公司的局域網內設置了一臺防病毒服務器。防病毒服務器上安裝了美國Symantec公司的諾頓殺毒軟件企業版的服務器端程序，通過Internet實時升級更新病毒庫，并通過管理程序調度更新和管理局域網內其它安裝有諾頓殺毒軟件企業版客戶端程序的各類計算機，這樣就基本滿足了局域網內計算機以及新系統內計算機和服務器的網絡安全要求。

4 網絡校時

4.1 GPS衛星同步時鐘

    為了保證新系統中各采集系統的實時和歷史數據時間統一以方便客戶端用戶的查詢，新系統內所有服務器和客戶端計算機的時鐘必須相同，因此新系統中配備了一臺由北京東進記錄科技有限公司生產的MTS-631型GPS衛星同步時鐘。

    MTS-631是根據國內各領域對高精度時間校準的需求，結合美國GPS技術研制開發的精準時鐘系統。它自身具備顯示系統，可以顯示北京時間。同時它還具備多種時間信號輸出功能：可輸出RS232、RS422串口信號，具有時間脈沖1PPS／1PPM／1PPH空接點輸出等[2]。當MTS-631正常工作時，主機面板右側的一顆星、二顆星、三顆星和四顆星的指示燈會分別亮起，說明天線已經接收到至少4顆衛星的信號進行校時。

4.2 時鐘服務器與時間同步

    當MTS-631與衛星校時后，新系統中的所有服務器和客戶端計算機的系統時間需要與MTS-631的時間進行同步。本項目采用的同步方案是：將一臺安裝有Windows Server 2003系統的計算機作為時鐘服務器，通過RS232串口信號與MTS-631進行時間同步，其它計算機通過以太網絡與時鐘服務器再進行時間同步。

    MTS-631帶有一個時鐘軟件，將它安裝在時鐘服務器上用以監測時鐘服務器與MTS-631時間同步的情況。當時鐘服務器與MTS-631時間同步成功后，時鐘軟件的窗口如圖3所示。

                                             圖3

    對于新系統中的其它計算機，可以使用Windows系統自帶的網絡命令nettime與時鐘服務器進行時間同步，命令內容為：

    nettime \\時鐘服務器IP /set /y

    這里將命令保存在一個后綴為bat的批處理文件中，再將該批處理文件添加至Windows系統的“任務計劃”的一個任務計劃中，通過設置該任務計劃的執行時間或周期（比如：每小時執行一次），即可實現該計算機與時鐘服務器的時間同步。


5 數據采集接口

    在生產過程監控系統的實施過程中，數據采集接口無疑是重點和難點。這里所說的數據采集接口，是指數據從服務器、計算機和儀表等數據源上傳至與實時數據庫過程中所有涉及的數據通訊軟件。

    新系統中包括各種DCS 、PLC和電力綜合自動化控制系統、監控系統、二次儀表和智能電能表等共12套數據采集系統。每套數據采集系統都配置一臺安裝有接口軟件的網關機，負責將數據從數據源采集上來并上傳至實時數據庫，并且起到一定的安全隔離作用。

    在數據采集系統中，通常會涉及到OPC、DDE、CDT、UDP、Modbus RTU、Modbus TCP/IP 等通訊協議和規約。在新系統中所有數據采集系統，都直接或間接地在數據源計算機或網關機上提供OPCServer。

    安裝在網關機上的OPC 客戶端程序（HiRISOPC 采集器）負責采集OPCServer 的數據并上傳至實時數據庫。

5.1 組態王

    貴鋁熱電廠的老燃運配電系統和原生產管理信息系統（老熱網系統），都采用了亞控科技發展有限公司的組態王軟件。

5.1.1 組態王6.0

    老燃運配電系統，上位機安裝了組態王6.0，通過研華公司的ADAM-4520 模塊與三菱A1S 型PLC 進行通訊，如圖1 所示。由于該上位機只作為接口而不進行人為操作，且組態王6.0 本身提供OPCServer，所以將該上位機直接作為網關機，在網關機本地進行數據采集和上傳。

5.1.2 組態王5.0

    原生產管理信息系統（老熱網系統），是基于組態王5.0 定制開發的B/S 結構的管理系統，包括一臺WEB 服務器和一臺數據庫服務器。WEB 服務器通過組態王的網絡節點功能采集來自各車間的8臺組態王采集站的數據，而采集站利用多塊研華公司的ADAM-4520 轉換模塊和ADAM-4017 采集模塊與大量的二次儀表進行通訊。

    在新系統中，WEB 服務器只作為一個數據源，但存在沒有數據接口的問題：

    （1）由于組態王5.0 版本較早，沒有OPCServer；

    （2）直接以網絡節點的變量為點地址的點，不支持DDE 通訊；

    （3）由于原生產管理信息系統是定制開發的，因此將WEB 服務器的組態王直接升級至新版本的風險較大。

    經過對以上問題的分析和研究，新系統中采用了在網關機上安裝組態王6.5 的方案，同樣采用組態王網絡節點的功能，將WEB 服務器的數據同步至網關機上，而組態王6.5 具有OPCServer 可以與OPC 采集器通訊。這樣即實現了原生產管理信息系統數據上傳至新系統，又保證了在新系統實施過程中新、老系統的并行而不影響生產調度人員的使用。該方案如圖4 所示：

                                        圖4

5.2 Honeywell PlantScape 和PKS

    貴鋁熱電廠的11 號爐DCS 采用了Honeywell 公司的PlantScape 系統，而9/10號鍋爐和7/8 號汽輪機的DCS 采用了Honeywell 公司的PKS 系統。

    對于Honeywell 的PlantScape，由于開發時間較早，服務器沒有OPCServer 功能。

    考慮到采集效率和通訊點數的原因，新系統根據PlantScape 提供的動態鏈接庫文件自行開發了一個OPCServer 軟件，運行在網關機上。該OPCServer 軟件通過設置PlantScape主服務器的IP 地址、組和點地址等信息實現與PlantScape 主服務器通訊，如圖5 所示。

    Honeywell 的PKS 服務器自帶有OPCServer 的功能。對于網關機，需要新建一個具有管理員權限的用戶mngr，密碼與PKS 主服務器的mngr 用戶密碼相同。當網關機通過mngr 用戶登錄時，安裝其上的OPC 采集器就可以與PKS 主服務器的OPCServer 通訊了。

    無論是PlantScape 還是PKS，都有主、從兩臺服務器，而只有主服務器才提供OPCServer的功能。因此，當主、從服務器發生切換時，上述PlantScape的OPCServer程序和直接訪問PKS OPCServer的OPC采集器都需要相應修改主服務器的IP地址，否則與主服務器的通訊就會中止。

                                             圖5

    器發生切換時，上述PlantScape的OPCServer程序和直接訪問PKS OPCServer的OPC采集器都需要相應修改主服務器的IP地址，否則與主服務器的通訊就會中止。

5.3 Pecstar

    貴鋁熱電廠的二總降綜合電力自動化系統，其上位機采用了深圳市中電電力技術有限公司的PecStar電力綜合自動化組態軟件。PecStar具有支持多種商用數據庫的可選組件（如SQL Server），安裝這些組件后，可直接將PecStar中的實時數據存入標準商用數據庫，供用戶進行二次開發利用。

    貴鋁熱電廠的Pecstar使用了SQL Server數據庫，將二總降供電系統中模擬量和開關量的實時數據分別存儲在數據庫的realtime_measure表和realtime_status表中。realtime_measure表中的每一個單元格代表一個模擬量，而realtime_status表中的每一個單元格代表16個連續的二進制開關狀態。

    新系統中開發了一套可以讀取SQL Server數據庫表數據的OPCServer軟件。通過設置連接SQL Server數據庫所在服務器的IP地址、認證名、密碼、數據庫名稱和表名，就可以將SQL Server數據庫指定表中的數據采集上來并對外提供OPCServer。該OPCServer程序的運行界面如圖6所示。

5.4 Moore NCS

    貴鋁熱電廠9/10號爐風機溫度監控系統（893系統），采用了美國摩爾工業國際公司生產的NCS分布式I/O系統。

    NCS分布式I/O系統，通過通用的與模塊化的結構設計，采用編程方式處理電流、電壓、離散量、繼電器、RTD、熱電偶、電阻和變阻器等各類信號的輸入和控制輸出。NCS分布式I/O系統由一個或幾個相互獨立的現場站組成，每個現場站包括一個接口模塊和一些輸入輸出模塊[3]。

    對于監視功能而言，NCS從變送器采集模擬量信號、從離散設備采集開關量信號，再將信號集中并通過以太網或Modbus網直接將數據送至上位機，如圖6所示。

                                              圖6

    新系統中使用了由美國摩爾工業國際公司提供的Modbus以太網OPCServer軟件—EIM OPCServer。當上位機通過以太網與NCS系統的接口模塊連接并設置相同網段IP地址后，EIM OPCServer軟件包中的EIM Device Discovery程序會為EIM OPCServer的地址空間自動獲得和刷新每個設備的點標簽，無需要設置即可使用，如圖7所示。當然，也可以通過EIM OPCServer軟件包中的Configurator程序對設備、點標簽等信息進行配置、修改，如圖8所示。

                                                 圖7

                                                  圖8

    注：本系統中上位機即為網關機。

5.5 RSView32

    貴鋁熱電廠的除灰渣和新輸煤兩套系統，分別采用了Rockwell公司的SLC 5/04和SLC 5/05型號PLC，上位機采用RSView32 V6.3工業監控軟件。

    RSView32軟件本身提供有OPCServer，但不是默認功能，在啟動后需要進行以下任一操作才可以使用：

    （1）選擇“啟動”編輯器里“啟動”頁上的“OPC/DDE 服務器”復選框；

    （2）發出RTDataServerOn /NetDDE 命令 (從命令行或另一個RSView32組件里)。這將允許其它應用程序讀取數值但不能改變它[4]。

    還有一點值得注意，就是當使用類似由FactorySoft公司開發的OPCClient軟件連接讀取RSView32的OPCServer時，RSView32的OPCServer并不像大多數的OPCServer提供“瀏覽點”功能，即在OPCClient軟件瀏覽點的列表窗口中無法看到任何信息。因此，只有通過RSView32將其數據庫導出后，才能獲得RSView32 OPCServer點的信息。

5.6 遠程數據采集系統

    這里所謂的遠程數據采集系統，是指即沒有DCS也沒有上位機監控系統，使用分布式I/O模塊、工業通訊串口聯網服務器以及安裝在主機上的接口軟件，通過RS485網絡和以太網，直接或間接地采集現場二次儀表或智能儀表數據的系統。

    新系統中包括ADAM、宇光表和電能表3套遠程數據采集系統，每套系統中的二次儀表或智能儀表都直接或間接地接入485網絡，通過研華公司的ADAM-4570/1串口聯網服務器將各設備升級至以太網環境下，連接在以太網上的主機（網關機）利用虛擬串口程序依據每個串口聯網服務器的IP地址分配虛擬COM端口并配置波特率、停止位和奇偶校驗位等信息，再為每套遠程數據采集系統安裝相應的OPCServer軟件，配置設備、組、點等信息將二次儀表或智能儀表數據采集上來，最終送入實時數據庫。

5.6.1 ADAM遠程數據采集系統

    在貴鋁熱電廠中，部分顯示液位的二次儀表安裝時間較早，沒有485數字信號輸出，只有4-20mA電流信號輸出，因此新系統中采用了類似老熱網的方案，使用研華公司的ADAM-4017模擬量輸入模塊，將二次儀表輸出的電流信號轉成數字信號接入485網絡。該系統的主機（網關機）可以安裝ADAM 4000/5000系列的485 OPCServer或者臺灣泓格公司的NAP7000 OPCServer與ADAM-4017通訊并實現數據的采集。新系統中采用的是NAP7000 OPCServer程序，程序界面如圖9所示。

                                                    圖9

5.6.2 宇光表遠程數據采集系統

    貴鋁熱電廠水化車間為計量軟化水的流量，大量安裝了由廈門宇電自動化科技有限公司生產的AI708H智能流量積算儀（這里稱為宇光表）。由于AI708H具有485接線端子，因此可以為每一塊AI708H設置不同的地址直接接入485網絡。

    該系統的主機（網關機）上，安裝由廈門宇電自動化科技有限公司開發的廈門宇電儀表OPC服務器軟件，根據每塊AI708H的地址和參數代號可以采集到每塊表的瞬時流量（PV）、累計流量低4位（FLJL）和累計流量高4位（FLJH）的實時數據（如圖10所示）。通過對瞬時流量的量程轉換和對累計流量高、低位加權作和的方法，可以得到與AI708H表盤上顯示一致的瞬時和累計流量值。

                                                   圖10

5.6.3 電能表遠程數據采集系統

    除上述電力綜合自動化系統外，貴鋁熱電廠供電車間還大量安裝了由加拿大Power Measurement公司研制的ION6200多功能數字式電能表，用以監視和計量發電機和變壓器等設備的電流、電壓、功率和電度等。

    ION6200作為智能電能表，具有485信號輸出，可以直接接入485網絡。由于ION6200支持標準Modbus RTU協議，因此在該系統的主機（網關機）上安裝了一套由北京和利時系統工程有限公司開發的HollysysCommOPCServer軟件。

    該軟件通過Modbus RTU協議與ION6200通訊，根據ION6200配套的《串口通訊協議和ION/Modbus寄存器圖表》文檔[5]，配置每塊ION6200（Modbus設備）的相電流、線電壓、有功功率和有功電度等參數的寄存器地址，將數據采集上來后再對外提供OPC服務，該程序的運行界面如圖11所示。

                                             圖11

6 HiRIS

    HiRIS（Hollyinfo Real-time Information System），是由北京和利時信息技術有限公司獨立開發的一套實時信息軟件系統，它包括一個實時數據庫和一個展示平臺，具有實時生產數據的采集、存貯、管理與查詢功能，單套HiRIS可以管理多達10萬點的實時數據，配合先進的歷史數據壓縮算法可以保存長達數年的歷史數據；HiRIS的趨勢分析提供了實時和歷史兩種趨勢的查看功能，并能對多點或單點多時間段的數據進行對比分析；HiRIS流程圖提供實時流程圖查看功能，以模擬圖方式查看數據與生產現場的同步變化。除此之外，HiRIS還具有數據轉存、報表插件、計算采集器等功能以及擁有豐富的通訊接口、與MES管理模塊無縫連接、界面友好和維護方便等特點，其具體性能指標如下：

    點數：典型配置8，000點，最大100，000點

    最大并發會話：≥64

    最大采集器數：≥15

    歷史數據時間精度：0.1秒

    采用UNICODE編碼：名稱與描述等支持多國語言

    高可靠性：24×7 連續運行

    可擴展性：通過二次開發接口，靈活擴展系統功能

    待各系統的OPCServer全部啟用后，就利用HiRIS實時信息系統的OPC采集器程序（如圖12所示），與每個OPCServer通訊，將數據全部采集至HiRIS實時數據庫當中。用戶使用客戶端計算機通過訪問IE網頁即可瀏覽流程圖、實時數據和歷史趨勢（組）等，如圖13和圖14所示。

                                                  圖12

                                                圖13

                                                 圖14


7 結論

    基于HiRIS的貴鋁熱電廠生產過程監控系統，通過以上解決方案的分析和實施，整合了貴鋁熱電廠各個分散的控制系統、監控系統和儀表等的數據來源，消除了現場生產數據的信息孤島，豐富了調度人員指揮生產和分析事故的手段，為制造執行系統（MES）的其它管理功能模塊提供了有力的底層數據支撐，使貴鋁熱電廠未來生產的全面信息化踏出了堅實的一步。

其它作者：

孫    潔（1980-），女，貴州貴陽人，現任中鋁貴州分公司熱電廠生產技術科助理工程師，從事計算機網絡及實時監控系統管理和維護工作。

畢永全（1970-），男，貴州玉萍人，現任中鋁貴州分公司熱電廠生產技術科助理工程師，從事計算機網絡及實時監控系統管理和維護工作。

李    萌（1981-），女，貴州貴陽人，現任中鋁貴州分公司熱電廠生產技術科技術員，從事計算機網絡及實時監控系統管理和維護工作。

參考文獻

[1] 北京科東電力控制系統有限責任公司. 科東公司網絡安全產品介紹. 2006.

[2] 北京東進記錄科技有限公司. 時鐘產品介紹. http://www.mdr.com.cn/. 2006.

[3] 美國摩爾工業國際公司. NCS產品說明書. http://www.miinet.com/cn/products/sg_distributed.shtml.

[4] 美國羅克韋爾自動化公司. RSView32 V6.3 Help.

[5] 加拿大 Power Measurement公司. ION 6200 Serial Communications Protocol and ION / Modbus Register Map V0.4. 2001.