數(shù)據(jù)引擎技術(shù)的原理及其在DCS中的應(yīng)用

一、引言

在這里我們將介紹有關(guān)數(shù)據(jù)引擎技術(shù)的基本原理，揭示該技術(shù)在轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)DCS控制站性能方面的作用。通過剖析數(shù)據(jù)引擎技術(shù)在DCS控制站中的應(yīng)用，說明控制組態(tài)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)如何建立，控制組態(tài)邏輯的在線編輯（編譯）功能將如何實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)引擎技術(shù)已經(jīng)在一部分發(fā)電廠中得到應(yīng)用，并都獲得相當(dāng)可喜的成功。

2000年，PineControl分布式控制系統(tǒng)研究小組發(fā)現(xiàn)有可能利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)來開發(fā)DCS控制站的支撐軟件系統(tǒng)，這樣可以更好地支持控制系統(tǒng)的在線組態(tài)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。為此，該研究小組對基于工業(yè)過程自動控制平臺的實(shí)時數(shù)據(jù)庫技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)引擎技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，推出了具有商業(yè)應(yīng)用價值的新型數(shù)據(jù)引擎技術(shù)。

該技術(shù)的主要特點(diǎn)是能夠根據(jù)輸入輸出的數(shù)據(jù)產(chǎn)生驅(qū)動控制邏輯元件的狀態(tài)變化，達(dá)到有效執(zhí)行控制組態(tài)算法的目的。事實(shí)上，該數(shù)據(jù)引擎技術(shù)還引發(fā)了一種跨平臺的控制組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的建立，這對于推動DCS技術(shù)的發(fā)展是非常有益的。數(shù)據(jù)引擎通常是訪問數(shù)據(jù)庫的一種專用技術(shù)。

二、控制系統(tǒng)的組態(tài)與算法實(shí)現(xiàn)技術(shù)

控制邏輯的組態(tài)軟件是DCS的核心技術(shù)。但是，目前DCS產(chǎn)品所配置的控制組態(tài)軟件還不同程度地存在一系列的技術(shù)問題。首先，幾乎所有的DCS組態(tài)軟件都是基于把控制邏輯流程圖轉(zhuǎn)化為特定控制指令序列的機(jī)理進(jìn)行的，這就限制了控制邏輯在線修改、跨平臺運(yùn)行功能的實(shí)現(xiàn)。其次，DCS控制組態(tài)的自診斷能力，在線監(jiān)控能力和計(jì)算過程實(shí)時能力也都存在不少問題。在控制站的冗余切換過程中，產(chǎn)生非穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象還十分突出。所有這些問題都集中表現(xiàn)在控制組態(tài)所對應(yīng)的指令序列運(yùn)行機(jī)理上。

在研究開發(fā)PineControl分布式控制系統(tǒng)過程中，研究人員提出了一種新的DCS組態(tài)軟件環(huán)境：PineCAD。這種組態(tài)軟件從表面上與傳統(tǒng)的DCS組態(tài)軟件沒有什么差別，但是PineCAD的工作原理是把控制邏輯流程圖映射到特定的實(shí)時數(shù)據(jù)庫，而不形成針對某種特定DCS控制站的計(jì)算指令序列。更重要的問題是PineCAD設(shè)計(jì)理念是把控制邏輯的組態(tài)交由虛擬的DCS控制站來處理（也就是數(shù)據(jù)引擎），而不是傳統(tǒng)的DCS控制站。這種設(shè)計(jì)思想是DCS技術(shù)發(fā)展的一項(xiàng)重大變化。如果數(shù)據(jù)引擎能夠被安裝在不同平臺的DCS控制站或者PLC、PC等具有計(jì)算能力的裝置中，那么PineCAD就能夠整合相應(yīng)的系統(tǒng)形成一體化的DCS，就能夠形成DCS的組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而對DCS的部件升級、更新?lián)Q代、系統(tǒng)移植等過程產(chǎn)生積極的影響，給DCS用戶帶來極大的應(yīng)用價值。

三、數(shù)據(jù)引擎技術(shù)原理

數(shù)據(jù)引擎是一種技術(shù)規(guī)范，它的工作機(jī)理就和汽車的發(fā)動機(jī)一樣，不同汽車廠家有不同的發(fā)動機(jī)，但是這些發(fā)動機(jī)必須適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的汽油理化結(jié)構(gòu)在燃燒過程中產(chǎn)生動力的技術(shù)要求。數(shù)據(jù)引擎是一系列軟件的集合，它依附于特定的DCS控制站計(jì)算指令環(huán)境，并嵌入特定的實(shí)時數(shù)據(jù)庫中，模擬DCS組態(tài)圖形所形成的計(jì)算流程，驅(qū)動整個控制站的控制元件序列的計(jì)算過程。

在DCS控制站中，我們需要安裝一種特殊的實(shí)時數(shù)據(jù)庫，其中數(shù)據(jù)引擎的技術(shù)功能就設(shè)置在數(shù)據(jù)庫的相關(guān)屬性中。當(dāng)PineCAD的組態(tài)數(shù)據(jù)形成并下載到實(shí)時數(shù)據(jù)庫時，每個控制元件的狀態(tài)就會在相應(yīng)的數(shù)據(jù)引擎屬性作用下發(fā)生特定的變化，從而實(shí)現(xiàn)控制的功能。我們注意到，這種控制元件的計(jì)算過程與對應(yīng)控制站的計(jì)算指令系統(tǒng)是通過數(shù)據(jù)引擎來隔離的，因此PineCAD的組態(tài)數(shù)據(jù)能夠在不同的DCS控制站中應(yīng)用。
數(shù)據(jù)引擎已經(jīng)取代了傳統(tǒng)DCS控制站的計(jì)算過程與方法。其主要運(yùn)行機(jī)理包括以下方面：控制元件拓?fù)溆?jì)算流程管理、控制算法執(zhí)行、控制元件的在線監(jiān)視、控制元件內(nèi)部參數(shù)的在線修正、在線組態(tài)處理、控制元件的計(jì)算凍結(jié)、控制元件計(jì)算周期的管理等。

DCS控制站控制邏輯的在線組態(tài)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的技術(shù)，又是在工程實(shí)踐中非常重要的需求。如何解決控制組態(tài)修改前后控制站中各個控制變量的連續(xù)性是問題的核心。傳統(tǒng)DCS控制站的運(yùn)行機(jī)理很難確保在這種修改過程中所有控制元件狀態(tài)的連續(xù)性，因此容易產(chǎn)生發(fā)電機(jī)組的非正常停機(jī)問題。采用數(shù)據(jù)引擎技術(shù)的DCS控制站可以很好地解決這個問題。因?yàn)閿?shù)據(jù)引擎技術(shù)很重要的特點(diǎn)是控制元件的計(jì)算流程建立在控制元件的拓?fù)淇臻g結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，與相關(guān)控制元件在數(shù)據(jù)庫或者控制站內(nèi)存中的位置無關(guān)，也與控制元件狀態(tài)的其它特征（如狀態(tài)名稱等）無關(guān)。

四、控制邏輯組態(tài)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

由于歷史和商業(yè)方面的原因，不同廠家之間的DCS及PLC之間組態(tài)數(shù)據(jù)無法直接兼容，這無疑給工業(yè)控制系統(tǒng)的投資帶來許多負(fù)面的影響。為此，1993年國際電工委員會(IEC)制定了IEC1131 PLC的標(biāo)準(zhǔn)。其中IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有5種形式的編程語言。1998年以后，該標(biāo)準(zhǔn)改為IEC61131。盡管如此，我們看到這也只是解決了一部分PLC組態(tài)的兼容性問題，而且PLC組態(tài)的兼容性僅停留在界面形態(tài)的相似層面上，DCS則根本沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)形式。

與PLC一樣，DCS也需要有相應(yīng)的組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。這種標(biāo)準(zhǔn)將可以極大地保護(hù)DCS用戶的投資，使得在今天控制站平臺技術(shù)版本日新月異以及DCS升級換代過程中，組態(tài)資源能夠得到充分的利用；不同DCS系統(tǒng)之間也可以有效地共享組態(tài)資源；在一體化的DCS系統(tǒng)中，能夠采用統(tǒng)一的組態(tài)環(huán)境，提高DCS的可靠性與可維護(hù)性。因此，在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，DCS組態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化需求是相當(dāng)重要，也是相當(dāng)急迫的。

DCS組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)困難相對PLC來說要大很多。今天，人們已經(jīng)習(xí)慣了數(shù)字與模擬控制信號的混合處理。除了實(shí)現(xiàn)跨平臺的組態(tài)要求外，DCS組態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)不能像PLC那樣使用五種不同風(fēng)格的語言環(huán)境。那么，通過什么技術(shù)方法可以促進(jìn)DCS組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的建立呢？我們認(rèn)為，數(shù)據(jù)引擎技術(shù)是最合適的建立DCS組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法。數(shù)據(jù)引擎技術(shù)機(jī)理能夠在PineCAD圖形組態(tài)環(huán)境與不同DCS控制站計(jì)算指令集之間建立一種直接的數(shù)據(jù)處理的映射關(guān)系，這使得無論是DCS控制站的制造商，還是組態(tài)軟件的制造商乃至DCS的用戶，在推進(jìn)DCS組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程中都不必付出很大的技術(shù)投入。

數(shù)據(jù)引擎技術(shù)除了具備DCS組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)基礎(chǔ)外，還能夠消除長期以來DCS控制站與PLC是否存在功能差別的爭議，促使PLC真正成為DCS控制站的一種選擇。這在DCS技術(shù)和商業(yè)兩個方面都具有很高的價值。

五、新型DCS技術(shù)方案與工程應(yīng)用

數(shù)據(jù)引擎技術(shù)的研究與應(yīng)用工作在最近兩年內(nèi)已經(jīng)取得很大進(jìn)展。北京華能新銳控制技術(shù)有限公司的研究人員充分利用數(shù)據(jù)引擎的技術(shù)優(yōu)勢，先后研究開發(fā)了PineControl和HNA5000兩款新型DCS系統(tǒng)。其中PineControl在2002年通過了國家電力公司的技術(shù)鑒定。這兩種DCS分別以不同的PLC作為控制站，充分體現(xiàn)了數(shù)據(jù)引擎跨平臺運(yùn)行和構(gòu)建一體化DCS的能力。在這樣的DCS中，所有控制站的內(nèi)核都是一致的，不因控制對象的不同而有所改變。控制站的部件種類是同類型產(chǎn)品中最少的，其硬件的組合非常容易。這種安裝了數(shù)據(jù)引擎的PLC，其計(jì)算、管理與安全實(shí)時性能均能夠達(dá)到目前國際上DCS產(chǎn)品及技術(shù)的先進(jìn)水平，而作為PLC平臺，該DCS控制站的環(huán)境適應(yīng)能力與可靠性能均超過傳統(tǒng)的DCS。

到目前為止，PineControl分布式控制系統(tǒng)已經(jīng)在四臺燃煤發(fā)電機(jī)組和兩套電站輔助系統(tǒng)中運(yùn)行，HNA5000也將在發(fā)電機(jī)組中應(yīng)用。這些DCS應(yīng)用工程包括350MW進(jìn)口發(fā)電機(jī)組的DCS系統(tǒng)改造、新建引進(jìn)型國產(chǎn)循環(huán)硫化床鍋爐供熱發(fā)電機(jī)組的DCS項(xiàng)目、大型發(fā)電機(jī)組鍋爐除灰渣控制系統(tǒng)的改造以及發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)DCS改造等。經(jīng)過3年多的運(yùn)行實(shí)踐，數(shù)據(jù)引擎技術(shù)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)原理均得到了這些發(fā)電機(jī)組各種運(yùn)行工況的考驗(yàn)，達(dá)到控制品質(zhì)一流和安全可靠無故障的良好應(yīng)用效果，得到DCS用戶的高度評價。

總之，數(shù)據(jù)引擎是DCS的一項(xiàng)新技術(shù)，它給DCS未來的技術(shù)發(fā)展注入了新的活力，促進(jìn)了DCS體系的標(biāo)準(zhǔn)化，真正實(shí)現(xiàn)了DCS控制站的在線組態(tài)功能，徹底消除了DCS控制站與PLC的差別。今后，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)引擎技術(shù)將會發(fā)揮越來越重要的作用。