數據引擎技術的原理及其在DCS中的應用

一、引言

在這里我們將介紹有關數據引擎技術的基本原理，揭示該技術在轉變傳統(tǒng)DCS控制站性能方面的作用。通過剖析數據引擎技術在DCS控制站中的應用，說明控制組態(tài)的技術標準應如何建立，控制組態(tài)邏輯的在線編輯（編譯）功能將如何實現。數據引擎技術已經在一部分發(fā)電廠中得到應用，并都獲得相當可喜的成功。

2000年，PineControl分布式控制系統(tǒng)研究小組發(fā)現有可能利用數據庫技術來開發(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)技術的實現。為此，該研究小組對基于工業(yè)過程自動控制平臺的實時數據庫技術和相應的數據引擎技術進行了深入的研究，推出了具有商業(yè)應用價值的新型數據引擎技術。

該技術的主要特點是能夠根據輸入輸出的數據產生驅動控制邏輯元件的狀態(tài)變化，達到有效執(zhí)行控制組態(tài)算法的目的。事實上，該數據引擎技術還引發(fā)了一種跨平臺的控制組態(tài)標準的建立，這對于推動DCS技術的發(fā)展是非常有益的。數據引擎通常是訪問數據庫的一種專用技術。

二、控制系統(tǒng)的組態(tài)與算法實現技術

控制邏輯的組態(tài)軟件是DCS的核心技術。但是，目前DCS產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化為特定控制指令序列的機理進行的，這就限制了控制邏輯在線修改、跨平臺運行功能的實現。其次，DCS控制組態(tài)的自診斷能力，在線監(jiān)控能力和計算過程實時能力也都存在不少問題。在控制站的冗余切換過程中，產生非穩(wěn)定狀態(tài)轉移的現象還十分突出。所有這些問題都集中表現在控制組態(tài)所對應的指令序列運行機理上。

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時數據庫，而不形成針對某種特定DCS控制站的計算指令序列。更重要的問題是PineCAD設計理念是把控制邏輯的組態(tài)交由虛擬的DCS控制站來處理（也就是數據引擎），而不是傳統(tǒng)的DCS控制站。這種設計思想是DCS技術發(fā)展的一項重大變化。如果數據引擎能夠被安裝在不同平臺的DCS控制站或者PLC、PC等具有計算能力的裝置中，那么PineCAD就能夠整合相應的系統(tǒng)形成一體化的DCS，就能夠形成DCS的組態(tài)標準，進而對DCS的部件升級、更新換代、系統(tǒng)移植等過程產生積極的影響，給DCS用戶帶來極大的應用價值。

三、數據引擎技術原理

數據引擎是一種技術規(guī)范，它的工作機理就和汽車的發(fā)動機一樣，不同汽車廠家有不同的發(fā)動機，但是這些發(fā)動機必須適應標準的汽油理化結構在燃燒過程中產生動力的技術要求。數據引擎是一系列軟件的集合，它依附于特定的DCS控制站計算指令環(huán)境，并嵌入特定的實時數據庫中，模擬DCS組態(tài)圖形所形成的計算流程，驅動整個控制站的控制元件序列的計算過程。

在DCS控制站中，我們需要安裝一種特殊的實時數據庫，其中數據引擎的技術功能就設置在數據庫的相關屬性中。當PineCAD的組態(tài)數據形成并下載到實時數據庫時，每個控制元件的狀態(tài)就會在相應的數據引擎屬性作用下發(fā)生特定的變化，從而實現控制的功能。我們注意到，這種控制元件的計算過程與對應控制站的計算指令系統(tǒng)是通過數據引擎來隔離的，因此PineCAD的組態(tài)數據能夠在不同的DCS控制站中應用。
數據引擎已經取代了傳統(tǒng)DCS控制站的計算過程與方法。其主要運行機理包括以下方面：控制元件拓撲計算流程管理、控制算法執(zhí)行、控制元件的在線監(jiān)視、控制元件內部參數的在線修正、在線組態(tài)處理、控制元件的計算凍結、控制元件計算周期的管理等。

DCS控制站控制邏輯的在線組態(tài)是一項非常復雜的技術，又是在工程實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控制站的運行機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，因此容易產生發(fā)電機組的非正常停機問題。采用數據引擎技術的DCS控制站可以很好地解決這個問題。因為數據引擎技術很重要的特點是控制元件的計算流程建立在控制元件的拓撲空間結構基礎上，與相關控制元件在數據庫或者控制站內存中的位置無關，也與控制元件狀態(tài)的其它特征（如狀態(tài)名稱等）無關。

四、控制邏輯組態(tài)技術標準

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)數據無法直接兼容，這無疑給工業(yè)控制系統(tǒng)的投資帶來許多負面的影響。為此，1993年國際電工委員會(IEC)制定了IEC1131 PLC的標準。其中IEC1131-3標準規(guī)定有5種形式的編程語言。1998年以后，該標準改為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)一標準的組態(tài)形式。

與PLC一樣，DCS也需要有相應的組態(tài)標準。這種標準將可以極大地保護DCS用戶的投資，使得在今天控制站平臺技術版本日新月異以及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的可靠性與可維護性。因此，在信息技術高速發(fā)展的今天，DCS組態(tài)的標準化需求是相當重要，也是相當急迫的。

DCS組態(tài)標準的技術困難相對PLC來說要大很多。今天，人們已經習慣了數字與模擬控制信號的混合處理。除了實現跨平臺的組態(tài)要求外，DCS組態(tài)的標準不能像PLC那樣使用五種不同風格的語言環(huán)境。那么，通過什么技術方法可以促進DCS組態(tài)標準的建立呢？我們認為，數據引擎技術是最合適的建立DCS組態(tài)標準的技術方法。數據引擎技術機理能夠在PineCAD圖形組態(tài)環(huán)境與不同DCS控制站計算指令集之間建立一種直接的數據處理的映射關系，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DCS組態(tài)標準化的進程中都不必付出很大的技術投入。

數據引擎技術除了具備DCS組態(tài)標準的技術基礎外，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技術和商業(yè)兩個方面都具有很高的價值。

五、新型DCS技術方案與工程應用

數據引擎技術的研究與應用工作在最近兩年內已經取得很大進展。北京華能新銳控制技術有限公司的研究人員充分利用數據引擎的技術優(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鑒定。這兩種DCS分別以不同的PLC作為控制站，充分體現了數據引擎跨平臺運行和構建一體化DCS的能力。在這樣的DCS中，所有控制站的內核都是一致的，不因控制對象的不同而有所改變?？刂普镜牟考N類是同類型產品中最少的，其硬件的組合非常容易。這種安裝了數據引擎的PLC，其計算、管理與安全實時性能均能夠達到目前國際上DCS產品及技術的先進水平，而作為PLC平臺，該DCS控制站的環(huán)境適應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)已經在四臺燃煤發(fā)電機組和兩套電站輔助系統(tǒng)中運行，HNA5000也將在發(fā)電機組中應用。這些DCS應用工程包括350MW進口發(fā)電機組的DCS系統(tǒng)改造、新建引進型國產循環(huán)硫化床鍋爐供熱發(fā)電機組的DCS項目、大型發(fā)電機組鍋爐除灰渣控制系統(tǒng)的改造以及發(fā)電機組電氣控制系統(tǒng)DCS改造等。經過3年多的運行實踐，數據引擎技術的設計思想和實現原理均得到了這些發(fā)電機組各種運行工況的考驗，達到控制品質一流和安全可靠無故障的良好應用效果，得到DCS用戶的高度評價。

總之，數據引擎是DCS的一項新技術，它給DCS未來的技術發(fā)展注入了新的活力，促進了DCS體系的標準化，真正實現了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，隨著信息技術的快速發(fā)展，數據引擎技術將會發(fā)揮越來越重要的作用。