数据引擎技术的原理及其在DCS中的应用

数据引擎技术的原理及其在DCS中的应用

一、引言

        在这里我们将介绍有关数据引擎技术的基本原理，揭示该技术在转变传统DCS控制站性能方面的作用。通过剖析数据引擎技术在DCS控制站中的应用，说明控制组态的技术标准应如何建立，控制组态逻辑的在线编辑（编译）功能将如何实现。数据引擎技术已经在一部分发电厂中得到应用，并都获得相当可喜的成功。   

     2000年，PineControl分布式控制系统研究小组发现有可能利用数据库技术来开发DCS控制站的支撑软件系统，这样可以更好地支持控制系统的在线组态技术的实现。为此，该研究小组对基于工业过程自动控制平台的实时数据库技术和相应的数据引擎技术进行了深入的研究，推出了具有商业应用价值的新型数据引擎技术。

该技术的主要特点是能够根据输入输出的数据产生驱动控制逻辑元件的状态变化，达到有效执行控制组态算法的目的。事实上，该数据引擎技术还引发了一种跨平台的控制组态标准的建立，这对于推动DCS技术的发展是非常有益的。数据引擎通常是访问数据库的一种专用技术。

    二、控制系统的组态与算法实现技术

        控制逻辑的组态软件是DCS的核心技术。但是，目前DCS产品所配置的控制组态软件还不同程度地存在一系列的技术问题。首先，几乎所有的DCS组态软件都是基于把控制逻辑流程图转化为特定控制指令序列的机理进行的，这就限制了控制逻辑在线修改、跨平台运行功能的实现。其次，DCS控制组态的自诊断能力，在线监控能力和计算过程实时能力也都存在不少问题。在控制站的冗余切换过程中，产生非稳定状态转移的现象还十分突出。所有这些问题都集中表现在控制组态所对应的指令序列运行机理上。

        在研究开发PineControl分布式控制系统过程中，研究人员提出了一种新的DCS组态软件环境：PineCAD。这种组态软件从表面上与传统的DCS组态软件没有什么差别，但是PineCAD的工作原理是把控制逻辑流程图映射到特定的实时数据库，而不形成针对某种特定DCS控制站的计算指令序列。更重要的问题是PineCAD设计理念是把控制逻辑的组态交由虚拟的DCS控制站来处理（也就是数据引擎），而不是传统的DCS控制站。这种设计思想是DCS技术发展的一项重大变化。如果数据引擎能够被安装在不同平台的DCS控制站或者PLC、PC等具有计算能力的装置中，那么PineCAD就能够整合相应的系统形成一体化的DCS，就能够形成DCS的组态标准，进而对DCS的部件升级、更新换代、系统移植等过程产生积极的影响，给DCS用户带来极大的应用价值。

    三、数据引擎技术原理

       数据引擎是一种技术规范，它的工作机理就和汽车的发动机一样，不同汽车厂家有不同的发动机，但是这些发动机必须适应标准的汽油理化结构在燃烧过程中产生动力的技术要求。数据引擎是一系列软件的集合，它依附于特定的DCS控制站计算指令环境，并嵌入特定的实时数据库中，模拟DCS组态图形所形成的计算流程，驱动整个控制站的控制元件序列的计算过程。

       在DCS控制站中，我们需要安装一种特殊的实时数据库，其中数据引擎的技术功能就设置在数据库的相关属性中。当PineCAD的组态数据形成并下载到实时数据库时，每个控制元件的状态就会在相应的数据引擎属性作用下发生特定的变化，从而实现控制的功能。我们注意到，这种控制元件的计算过程与对应控制站的计算指令系统是通过数据引擎来隔离的，因此PineCAD的组态数据能够在不同的DCS控制站中应用。
数据引擎已经取代了传统DCS控制站的计算过程与方法。其主要运行机理包括以下方面：控制元件拓扑计算流程管理、控制算法执行、控制元件的在线监视、控制元件内部参数的在线修正、在线组态处理、控制元件的计算冻结、控制元件计算周期的管理等。

 DCS控制站控制逻辑的在线组态是一项非常复杂的技术，又是在工程实践中非常重要的需求。如何解决控制组态修改前后控制站中各个控制变量的连续性是问题的核心。传统DCS控制站的运行机理很难确保在这种修改过程中所有控制元件状态的连续性，因此容易产生发电机组的非正常停机问题。采用数据引擎技术的DCS控制站可以很好地解决这个问题。因为数据引擎技术很重要的特点是控制元件的计算流程建立在控制元件的拓扑空间结构基础上，与相关控制元件在数据库或者控制站内存中的位置无关，也与控制元件状态的其它特征（如状态名称等）无关。

    四、控制逻辑组态技术标准

       由于历史和商业方面的原因，不同厂家之间的DCS及PLC之间组态数据无法直接兼容，这无疑给工业控制系统的投资带来许多负面的影响。为此，1993年国际电工委员会(IEC)制定了IEC1131 PLC的标准。其中IEC1131-3标准规定有5种形式的编程语言。1998年以后，该标准改为IEC61131。尽管如此，我们看到这也只是解决了一部分PLC组态的兼容性问题，而且PLC组态的兼容性仅停留在界面形态的相似层面上，DCS则根本没有统一标准的组态形式。

       与PLC一样，DCS也需要有相应的组态标准。这种标准将可以极大地保护DCS用户的投资，使得在今天控制站平台技术版本日新月异以及DCS升级换代过程中，组态资源能够得到充分的利用；不同DCS系统之间也可以有效地共享组态资源；在一体化的DCS系统中，能够采用统一的组态环境，提高DCS的可靠性与可维护性。因此，在信息技术高速发展的今天，DCS组态的标准化需求是相当重要，也是相当急迫的。

       DCS组态标准的技术困难相对PLC来说要大很多。今天，人们已经习惯了数字与模拟控制信号的混合处理。除了实现跨平台的组态要求外，DCS组态的标准不能像PLC那样使用五种不同风格的语言环境。那么，通过什么技术方法可以促进DCS组态标准的建立呢？我们认为，数据引擎技术是最合适的建立DCS组态标准的技术方法。数据引擎技术机理能够在PineCAD图形组态环境与不同DCS控制站计算指令集之间建立一种直接的数据处理的映射关系，这使得无论是DCS控制站的制造商，还是组态软件的制造商乃至DCS的用户，在推进DCS组态标准化的进程中都不必付出很大的技术投入。

        数据引擎技术除了具备DCS组态标准的技术基础外，还能够消除长期以来DCS控制站与PLC是否存在功能差别的争议，促使PLC真正成为DCS控制站的一种选择。这在DCS技术和商业两个方面都具有很高的价值。

    五、新型DCS技术方案与工程应用

         数据引擎技术的研究与应用工作在最近两年内已经取得很大进展。北京华能新锐控制技术有限公司的研究人员充分利用数据引擎的技术优势，先后研究开发了PineControl和HNA5000两款新型DCS系统。其中PineControl在2002年通过了国家电力公司的技术鉴定。这两种DCS分别以不同的PLC作为控制站，充分体现了数据引擎跨平台运行和构建一体化DCS的能力。在这样的DCS中，所有控制站的内核都是一致的，不因控制对象的不同而有所改变。控制站的部件种类是同类型产品中最少的，其硬件的组合非常容易。这种安装了数据引擎的PLC，其计算、管理与安全实时性能均能够达到目前国际上DCS产品及技术的先进水平，而作为PLC平台，该DCS控制站的环境适应能力与可靠性能均超过传统的DCS。

        到目前为止，PineControl分布式控制系统已经在四台燃煤发电机组和两套电站辅助系统中运行，HNA5000也将在发电机组中应用。这些DCS应用工程包括350MW进口发电机组的DCS系统改造、新建引进型国产循环硫化床锅炉供热发电机组的DCS项目、大型发电机组锅炉除灰渣控制系统的改造以及发电机组电气控制系统DCS改造等。经过3年多的运行实践，数据引擎技术的设计思想和实现原理均得到了这些发电机组各种运行工况的考验，达到控制品质一流和安全可靠无故障的良好应用效果，得到DCS用户的高度评价。

        总之，数据引擎是DCS的一项新技术，它给DCS未来的技术发展注入了新的活力，促进了DCS体系的标准化，真正实现了DCS控制站的在线组态功能，彻底消除了DCS控制站与PLC的差别。今后，随着信息技术的快速发展，数据引擎技术将会发挥越来越重要的作用。