北京和利时信息技术有限公司

李亮 （1978-）

男，辽宁鞍山人，大连理工大学硕士，现任北京和利时信息技术有限公司项目经理，从事企业信息化项目的实施和管理工作。



    摘要：本文介绍了中铝贵州分公司热电厂生产过程监控系统的网络结构、网络安全、网络校时以及数据采集的整体解决方案，重点描述了在数据采集过程中各种数据采集接口的问题分析、方案实现和软件使用，并简要介绍了北京和利时信息技术有限公司的HiRIS实时信息系统的特点、性能和实际应用的效果。

    关键词：生产过程监控系统；网络安全；网络校时；数据采集；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

    中铝贵州分公司，位于贵州省贵阳市白云区，是中国铝业股份有限公司在贵州的分支机构，具备年产电解铝40.3万吨、氧化铝120万吨、碳素制品27.2万吨、铝土矿119万吨，石灰石矿65万吨和多种高附加值产品的设计产能。根据产品工艺，中铝贵州分公司的主要生产单位包括氧化铝厂、电解铝厂、碳素厂和热电厂（以下称“贵铝热电厂”）等。

    贵铝热电厂下设锅炉、汽机、供电、水化、燃运、浓缩和电气等生产车间，以及调度室、技术科、能计科、设备科和安全环等职能管理部门。除自用外，贵铝热电厂主要负责向中铝贵州分公司其它兄弟单位以及家属区提供蒸汽、水、电、压缩风等能源。

    贵铝热电厂原有一套基于组态王5.0的生产管理信息系统，通过多块研华公司的ADAM-4017模块将8台锅炉和6台汽轮机的生产数据采集上来，供调度人员监控使用。由于2004年热电厂扩建，新增加3台锅炉和2台汽轮机，与之配套增加了9/10号炉DCS控制系统、7/8号机DCS控制系统、11号炉DCS控制系统、锅炉风机温度监控系统（893系统）、综合电力自动化控制系统（二总降系统），新输煤PLC控制系统、除灰渣PLC控制系统，以及大量的二次仪表和智能电能表等；除此之外，原有的生产管理信息系统（老热网系统）、老燃运配电PLC控制系统和二次仪表等也有相应的改变。以上这些系统和仪表设备相互独立，生产调度人员无法同时、及时和直观地掌握各系统的生产数据用以下达生产调度指令。因此，贵铝热电厂重新筹建一套生产过程监控系统（以下简称“新系统”），形成了一个全新的分散系统有机整合、管控一体化的平台。

2 网络结构

    由于贵铝热电厂已有用于原信息系统的光纤网络，因此新系统的光纤网络是以原有网络为基础进行一些扩展和完善的，主要包括从新系统服务器所在办公楼到新建的各个主控室、操作室和仪表间等光纤网络，以及从新系统服务器所在办公楼到各车间和职能管理部门办公楼的主光纤网络。新铺设光纤网络共约3600米。

    新系统的网络结构分为管控子网和管理子网。管控子网，是指直接与各种DCS、PLC、电力综合自动化等控制系统的服务器、工程师站或操作员站等相连的网关机所在的网络；管理子网，是指新系统中使用的实时/关系数据库服务器、WEB服务器、时钟服务器、防病毒服务器、老热网系统网关机、远程数据采集网关机、客户端计算机等所在的网络。

    管控子网主交换机与管理子网主交换机都安装在新系统机房中，两台主交换机之间使用网络安全隔离器进行有隔离地连接，以保证管控子网计算机和控制系统的安全，包括各数据源设备、网关机、服务器和网络连接设备在内的网络结构示意图，如图1所示。

3 网络安全

3.1 网络安全隔离器

    为了保证管控子网中网关机以及DCS控制系统的安全性，新系统在管理子网和管控子网之间安装了“StoneWall-2000 正向型”网络安全隔离器。

                                                图1

    StoneWall-2000系列网络安全隔离设备是依照国家经贸委【2002】第30号令《电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护的规定》和国家电力调度通信中心制定的《全国电力二次系统安全防护总体方案》的要求，由中国电力科学研究院下属电网所——北京科东电力控制系统有限责任公司自主开发研制的，满足中国电网特殊需求的具有物理隔离能力的网络安全产品。它适用于计算机网络与网络之间，主机与主机之间，主机与网络之间的物理隔离，是应用了安全岛专利技术的具有物理隔离能力的网络安全产品[1]。

   “StoneWall-2000正向型”网络安全隔离器的管理软件，通过配置规则名称、方向选择、协议、控制类型、内外网计算机的IP地址、MAC地址、端口号、虚拟IP地址以及IP与MAC地址绑定等选项，对网络安全隔离器两端交互数据的计算机及网络设备进行隔离，保证网络安全，其规则配置界面如图2所示。

                                                    图2

3.2 病毒防护

    由于新系统的管理子网也在中铝贵州分公司的局域网当中，局域网有大量的客户端计算机需要访问Internet，这就对其本身、局域网中其它计算机以及各管理系统服务器等都构成网络安全威胁。

    为了保证网络安全和应对病毒、木马攻击等问题，中铝贵州分公司在整个公司的局域网内设置了一台防病毒服务器。防病毒服务器上安装了美国Symantec公司的诺顿杀毒软件企业版的服务器端程序，通过Internet实时升级更新病毒库，并通过管理程序调度更新和管理局域网内其它安装有诺顿杀毒软件企业版客户端程序的各类计算机，这样就基本满足了局域网内计算机以及新系统内计算机和服务器的网络安全要求。

4 网络校时

4.1 GPS卫星同步时钟

    为了保证新系统中各采集系统的实时和历史数据时间统一以方便客户端用户的查询，新系统内所有服务器和客户端计算机的时钟必须相同，因此新系统中配备了一台由北京东进记录科技有限公司生产的MTS-631型GPS卫星同步时钟。

    MTS-631是根据国内各领域对高精度时间校准的需求，结合美国GPS技术研制开发的精准时钟系统。它自身具备显示系统，可以显示北京时间。同时它还具备多种时间信号输出功能：可输出RS232、RS422串口信号，具有时间脉冲1PPS／1PPM／1PPH空接点输出等[2]。当MTS-631正常工作时，主机面板右侧的一颗星、二颗星、三颗星和四颗星的指示灯会分别亮起，说明天线已经接收到至少4颗卫星的信号进行校时。

4.2 时钟服务器与时间同步

    当MTS-631与卫星校时后，新系统中的所有服务器和客户端计算机的系统时间需要与MTS-631的时间进行同步。本项目采用的同步方案是：将一台安装有Windows Server 2003系统的计算机作为时钟服务器，通过RS232串口信号与MTS-631进行时间同步，其它计算机通过以太网络与时钟服务器再进行时间同步。

    MTS-631带有一个时钟软件，将它安装在时钟服务器上用以监测时钟服务器与MTS-631时间同步的情况。当时钟服务器与MTS-631时间同步成功后，时钟软件的窗口如图3所示。

                                             图3

    对于新系统中的其它计算机，可以使用Windows系统自带的网络命令nettime与时钟服务器进行时间同步，命令内容为：

    nettime \\时钟服务器IP /set /y

    这里将命令保存在一个后缀为bat的批处理文件中，再将该批处理文件添加至Windows系统的“任务计划”的一个任务计划中，通过设置该任务计划的执行时间或周期（比如：每小时执行一次），即可实现该计算机与时钟服务器的时间同步。


5 数据采集接口

    在生产过程监控系统的实施过程中，数据采集接口无疑是重点和难点。这里所说的数据采集接口，是指数据从服务器、计算机和仪表等数据源上传至与实时数据库过程中所有涉及的数据通讯软件。

    新系统中包括各种DCS 、PLC和电力综合自动化控制系统、监控系统、二次仪表和智能电能表等共12套数据采集系统。每套数据采集系统都配置一台安装有接口软件的网关机，负责将数据从数据源采集上来并上传至实时数据库，并且起到一定的安全隔离作用。

    在数据采集系统中，通常会涉及到OPC、DDE、CDT、UDP、Modbus RTU、Modbus TCP/IP 等通讯协议和规约。在新系统中所有数据采集系统，都直接或间接地在数据源计算机或网关机上提供OPCServer。

    安装在网关机上的OPC 客户端程序（HiRISOPC 采集器）负责采集OPCServer 的数据并上传至实时数据库。

5.1 组态王

    贵铝热电厂的老燃运配电系统和原生产管理信息系统（老热网系统），都采用了亚控科技发展有限公司的组态王软件。

5.1.1 组态王6.0

    老燃运配电系统，上位机安装了组态王6.0，通过研华公司的ADAM-4520 模块与三菱A1S 型PLC 进行通讯，如图1 所示。由于该上位机只作为接口而不进行人为操作，且组态王6.0 本身提供OPCServer，所以将该上位机直接作为网关机，在网关机本地进行数据采集和上传。

5.1.2 组态王5.0

    原生产管理信息系统（老热网系统），是基于组态王5.0 定制开发的B/S 结构的管理系统，包括一台WEB 服务器和一台数据库服务器。WEB 服务器通过组态王的网络节点功能采集来自各车间的8台组态王采集站的数据，而采集站利用多块研华公司的ADAM-4520 转换模块和ADAM-4017 采集模块与大量的二次仪表进行通讯。

    在新系统中，WEB 服务器只作为一个数据源，但存在没有数据接口的问题：

    （1）由于组态王5.0 版本较早，没有OPCServer；

    （2）直接以网络节点的变量为点地址的点，不支持DDE 通讯；

    （3）由于原生产管理信息系统是定制开发的，因此将WEB 服务器的组态王直接升级至新版本的风险较大。

    经过对以上问题的分析和研究，新系统中采用了在网关机上安装组态王6.5 的方案，同样采用组态王网络节点的功能，将WEB 服务器的数据同步至网关机上，而组态王6.5 具有OPCServer 可以与OPC 采集器通讯。这样即实现了原生产管理信息系统数据上传至新系统，又保证了在新系统实施过程中新、老系统的并行而不影响生产调度人员的使用。该方案如图4 所示：

                                        图4

5.2 Honeywell PlantScape 和PKS

    贵铝热电厂的11 号炉DCS 采用了Honeywell 公司的PlantScape 系统，而9/10号锅炉和7/8 号汽轮机的DCS 采用了Honeywell 公司的PKS 系统。

    对于Honeywell 的PlantScape，由于开发时间较早，服务器没有OPCServer 功能。

    考虑到采集效率和通讯点数的原因，新系统根据PlantScape 提供的动态链接库文件自行开发了一个OPCServer 软件，运行在网关机上。该OPCServer 软件通过设置PlantScape主服务器的IP 地址、组和点地址等信息实现与PlantScape 主服务器通讯，如图5 所示。

    Honeywell 的PKS 服务器自带有OPCServer 的功能。对于网关机，需要新建一个具有管理员权限的用户mngr，密码与PKS 主服务器的mngr 用户密码相同。当网关机通过mngr 用户登录时，安装其上的OPC 采集器就可以与PKS 主服务器的OPCServer 通讯了。

    无论是PlantScape 还是PKS，都有主、从两台服务器，而只有主服务器才提供OPCServer的功能。因此，当主、从服务器发生切换时，上述PlantScape的OPCServer程序和直接访问PKS OPCServer的OPC采集器都需要相应修改主服务器的IP地址，否则与主服务器的通讯就会中止。

                                             图5

    器发生切换时，上述PlantScape的OPCServer程序和直接访问PKS OPCServer的OPC采集器都需要相应修改主服务器的IP地址，否则与主服务器的通讯就会中止。

5.3 Pecstar

    贵铝热电厂的二总降综合电力自动化系统，其上位机采用了深圳市中电电力技术有限公司的PecStar电力综合自动化组态软件。PecStar具有支持多种商用数据库的可选组件（如SQL Server），安装这些组件后，可直接将PecStar中的实时数据存入标准商用数据库，供用户进行二次开发利用。

    贵铝热电厂的Pecstar使用了SQL Server数据库，将二总降供电系统中模拟量和开关量的实时数据分别存储在数据库的realtime_measure表和realtime_status表中。realtime_measure表中的每一个单元格代表一个模拟量，而realtime_status表中的每一个单元格代表16个连续的二进制开关状态。

    新系统中开发了一套可以读取SQL Server数据库表数据的OPCServer软件。通过设置连接SQL Server数据库所在服务器的IP地址、认证名、密码、数据库名称和表名，就可以将SQL Server数据库指定表中的数据采集上来并对外提供OPCServer。该OPCServer程序的运行界面如图6所示。

5.4 Moore NCS

    贵铝热电厂9/10号炉风机温度监控系统（893系统），采用了美国摩尔工业国际公司生产的NCS分布式I/O系统。

    NCS分布式I/O系统，通过通用的与模块化的结构设计，采用编程方式处理电流、电压、离散量、继电器、RTD、热电偶、电阻和变阻器等各类信号的输入和控制输出。NCS分布式I/O系统由一个或几个相互独立的现场站组成，每个现场站包括一个接口模块和一些输入输出模块[3]。

    对于监视功能而言，NCS从变送器采集模拟量信号、从离散设备采集开关量信号，再将信号集中并通过以太网或Modbus网直接将数据送至上位机，如图6所示。

                                              图6

    新系统中使用了由美国摩尔工业国际公司提供的Modbus以太网OPCServer软件—EIM OPCServer。当上位机通过以太网与NCS系统的接口模块连接并设置相同网段IP地址后，EIM OPCServer软件包中的EIM Device Discovery程序会为EIM OPCServer的地址空间自动获得和刷新每个设备的点标签，无需要设置即可使用，如图7所示。当然，也可以通过EIM OPCServer软件包中的Configurator程序对设备、点标签等信息进行配置、修改，如图8所示。

                                                 图7

                                                  图8

    注：本系统中上位机即为网关机。

5.5 RSView32

    贵铝热电厂的除灰渣和新输煤两套系统，分别采用了Rockwell公司的SLC 5/04和SLC 5/05型号PLC，上位机采用RSView32 V6.3工业监控软件。

    RSView32软件本身提供有OPCServer，但不是默认功能，在启动后需要进行以下任一操作才可以使用：

    （1）选择“启动”编辑器里“启动”页上的“OPC/DDE 服务器”复选框；

    （2）发出RTDataServerOn /NetDDE 命令 (从命令行或另一个RSView32组件里)。这将允许其它应用程序读取数值但不能改变它[4]。

    还有一点值得注意，就是当使用类似由FactorySoft公司开发的OPCClient软件连接读取RSView32的OPCServer时，RSView32的OPCServer并不像大多数的OPCServer提供“浏览点”功能，即在OPCClient软件浏览点的列表窗口中无法看到任何信息。因此，只有通过RSView32将其数据库导出后，才能获得RSView32 OPCServer点的信息。

5.6 远程数据采集系统

    这里所谓的远程数据采集系统，是指即没有DCS也没有上位机监控系统，使用分布式I/O模块、工业通讯串口联网服务器以及安装在主机上的接口软件，通过RS485网络和以太网，直接或间接地采集现场二次仪表或智能仪表数据的系统。

    新系统中包括ADAM、宇光表和电能表3套远程数据采集系统，每套系统中的二次仪表或智能仪表都直接或间接地接入485网络，通过研华公司的ADAM-4570/1串口联网服务器将各设备升级至以太网环境下，连接在以太网上的主机（网关机）利用虚拟串口程序依据每个串口联网服务器的IP地址分配虚拟COM端口并配置波特率、停止位和奇偶校验位等信息，再为每套远程数据采集系统安装相应的OPCServer软件，配置设备、组、点等信息将二次仪表或智能仪表数据采集上来，最终送入实时数据库。

5.6.1 ADAM远程数据采集系统

    在贵铝热电厂中，部分显示液位的二次仪表安装时间较早，没有485数字信号输出，只有4-20mA电流信号输出，因此新系统中采用了类似老热网的方案，使用研华公司的ADAM-4017模拟量输入模块，将二次仪表输出的电流信号转成数字信号接入485网络。该系统的主机（网关机）可以安装ADAM 4000/5000系列的485 OPCServer或者台湾泓格公司的NAP7000 OPCServer与ADAM-4017通讯并实现数据的采集。新系统中采用的是NAP7000 OPCServer程序，程序界面如图9所示。

                                                    图9

5.6.2 宇光表远程数据采集系统

    贵铝热电厂水化车间为计量软化水的流量，大量安装了由厦门宇电自动化科技有限公司生产的AI708H智能流量积算仪（这里称为宇光表）。由于AI708H具有485接线端子，因此可以为每一块AI708H设置不同的地址直接接入485网络。

    该系统的主机（网关机）上，安装由厦门宇电自动化科技有限公司开发的厦门宇电仪表OPC服务器软件，根据每块AI708H的地址和参数代号可以采集到每块表的瞬时流量（PV）、累计流量低4位（FLJL）和累计流量高4位（FLJH）的实时数据（如图10所示）。通过对瞬时流量的量程转换和对累计流量高、低位加权作和的方法，可以得到与AI708H表盘上显示一致的瞬时和累计流量值。

                                                   图10

5.6.3 电能表远程数据采集系统

    除上述电力综合自动化系统外，贵铝热电厂供电车间还大量安装了由加拿大Power Measurement公司研制的ION6200多功能数字式电能表，用以监视和计量发电机和变压器等设备的电流、电压、功率和电度等。

    ION6200作为智能电能表，具有485信号输出，可以直接接入485网络。由于ION6200支持标准Modbus RTU协议，因此在该系统的主机（网关机）上安装了一套由北京和利时系统工程有限公司开发的HollysysCommOPCServer软件。

    该软件通过Modbus RTU协议与ION6200通讯，根据ION6200配套的《串口通讯协议和ION/Modbus寄存器图表》文档[5]，配置每块ION6200（Modbus设备）的相电流、线电压、有功功率和有功电度等参数的寄存器地址，将数据采集上来后再对外提供OPC服务，该程序的运行界面如图11所示。

                                             图11

6 HiRIS

    HiRIS（Hollyinfo Real-time Information System），是由北京和利时信息技术有限公司独立开发的一套实时信息软件系统，它包括一个实时数据库和一个展示平台，具有实时生产数据的采集、存贮、管理与查询功能，单套HiRIS可以管理多达10万点的实时数据，配合先进的历史数据压缩算法可以保存长达数年的历史数据；HiRIS的趋势分析提供了实时和历史两种趋势的查看功能，并能对多点或单点多时间段的数据进行对比分析；HiRIS流程图提供实时流程图查看功能，以模拟图方式查看数据与生产现场的同步变化。除此之外，HiRIS还具有数据转存、报表插件、计算采集器等功能以及拥有丰富的通讯接口、与MES管理模块无缝连接、界面友好和维护方便等特点，其具体性能指标如下：

    点数：典型配置8，000点，最大100，000点

    最大并发会话：≥64

    最大采集器数：≥15

    历史数据时间精度：0.1秒

    采用UNICODE编码：名称与描述等支持多国语言

    高可靠性：24×7 连续运行

    可扩展性：通过二次开发接口，灵活扩展系统功能

    待各系统的OPCServer全部启用后，就利用HiRIS实时信息系统的OPC采集器程序（如图12所示），与每个OPCServer通讯，将数据全部采集至HiRIS实时数据库当中。用户使用客户端计算机通过访问IE网页即可浏览流程图、实时数据和历史趋势（组）等，如图13和图14所示。

                                                  图12

                                                图13

                                                 图14


7 结论

    基于HiRIS的贵铝热电厂生产过程监控系统，通过以上解决方案的分析和实施，整合了贵铝热电厂各个分散的控制系统、监控系统和仪表等的数据来源，消除了现场生产数据的信息孤岛，丰富了调度人员指挥生产和分析事故的手段，为制造执行系统（MES）的其它管理功能模块提供了有力的底层数据支撑，使贵铝热电厂未来生产的全面信息化踏出了坚实的一步。

其它作者：

孙    洁（1980-），女，贵州贵阳人，现任中铝贵州分公司热电厂生产技术科助理工程师，从事计算机网络及实时监控系统管理和维护工作。

毕永全（1970-），男，贵州玉萍人，现任中铝贵州分公司热电厂生产技术科助理工程师，从事计算机网络及实时监控系统管理和维护工作。

李    萌（1981-），女，贵州贵阳人，现任中铝贵州分公司热电厂生产技术科技术员，从事计算机网络及实时监控系统管理和维护工作。

参考文献

[1] 北京科东电力控制系统有限责任公司. 科东公司网络安全产品介绍. 2006.

[2] 北京东进记录科技有限公司. 时钟产品介绍. http://www.mdr.com.cn/. 2006.

[3] 美国摩尔工业国际公司. NCS产品说明书. http://www.miinet.com/cn/products/sg_distributed.shtml.

[4] 美国罗克韦尔自动化公司. 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.