Study of the Network Configuration
of Computer Surveil and Control System in Power Plant

Tao Ke1,XU Yi-shan1,HE Peng2

(1.Information and Electricity College, Three Gorges University, Yichang443002,China;
2.Information and Technology Center, Three Gorges University, Yichang443002,China)

    Abstract： Computer Surveil and Control System （CSCS）is often a distributed system, and it connects all Local Control Units which are in the Unit Control Room into a computer network. According to the speed and stability demands of the CSCS , this paper analyzes the network structure and design idea of both hardware and software ,and discuss the principle of how to choose a more reasonable network topology to achieve the goal of more efficient and safer control．
　　Keywords： Computer Surveil and Control System（CSCS） Network topology distributed system


　　隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)應(yīng)用已深入到很多行業(yè)中．對(duì)于電力系統(tǒng)中普遍應(yīng)用的電站監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)更是極大地推進(jìn)它向自動(dòng)化,網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展.
　　電站是電力系統(tǒng)中的電能供給方，根據(jù)它的實(shí)際生產(chǎn)要求，對(duì)處于自動(dòng)控制的最高層的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有著與普通的計(jì)算機(jī)控制不同的要求，從而所構(gòu)成的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)也與普通的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不同，它的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用針對(duì)性強(qiáng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性要求高，要求計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的局部故障不影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行．所以電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)在普通計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上采取了硬件冗余方式，同時(shí)在軟件上也進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)，以滿足相關(guān)的要求.本文就計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、硬件組成及軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和討論．

一、 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通用設(shè)置
　　電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的計(jì)算機(jī)的要求是：
　　1、對(duì)于處于現(xiàn)地監(jiān)控位置的現(xiàn)地控制單元，其網(wǎng)絡(luò)需要有穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接，在網(wǎng)絡(luò)某處出現(xiàn)不能連接故障時(shí)不影響其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的正常的數(shù)據(jù)傳輸．
　　為達(dá)到這樣的要求，通常各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)都設(shè)置為硬件的網(wǎng)絡(luò)冗余，即設(shè)置雙網(wǎng)卡，故障時(shí)自動(dòng)切換．由于現(xiàn)地控制單元多為CPU模件板與其他功能插件板的組合，所以對(duì)于現(xiàn)地控制單元上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)也實(shí)行雙機(jī)冗余，即有兩塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的CPU模件板．從而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的設(shè)置通常為一塊模件板設(shè)置一塊網(wǎng)卡，對(duì)應(yīng)于各自的網(wǎng)絡(luò)．如下圖所示：

　　2、其它控制和監(jiān)視節(jié)點(diǎn)，如處于數(shù)據(jù)的收集和命令的發(fā)送、接受位置的監(jiān)控主站，操作人員使用的操作員工作站等，也采取硬件冗余．主要是主站的雙機(jī)加雙網(wǎng)卡冗余，操作員站等的雙網(wǎng)卡冗余。

二、 分布式監(jiān)控系統(tǒng)中的有主和無(wú)主結(jié)構(gòu)
　　電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)屬于分布式系統(tǒng)，對(duì)于分布式系統(tǒng)的主機(jī)的處理有兩種常見(jiàn)的兩種方式，即分布式有主結(jié)構(gòu)和分布式無(wú)主結(jié)構(gòu)．
　　分布式有主結(jié)構(gòu)是指在整個(gè)系統(tǒng)中有特定功能的計(jì)算機(jī)充當(dāng)系統(tǒng)主機(jī)功能，主機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)地控制單元傳送的數(shù)據(jù)收集以供其他計(jì)算機(jī)使用，同時(shí)，將其他計(jì)算機(jī)傳到的數(shù)據(jù)，其中包括命令，下達(dá)給系統(tǒng)中的現(xiàn)地控制單元，因而，分布式有主結(jié)構(gòu)對(duì)主機(jī)的要求較高．
　　分布式無(wú)主結(jié)構(gòu)指的是整個(gè)系統(tǒng)中無(wú)充當(dāng)主機(jī)功能的計(jì)算機(jī)，通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)服務(wù)器來(lái)收集系統(tǒng)中各種實(shí)時(shí)信息，以供需要時(shí)使用，任意的計(jì)算機(jī)現(xiàn)地控制節(jié)點(diǎn)與應(yīng)用計(jì)算機(jī)如操作員站之間直接進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)傳輸．
　　分布式有主結(jié)構(gòu)與分布式無(wú)主結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別主要集中在主機(jī)功能上，在實(shí)際應(yīng)用及軟件操作上，分布式無(wú)主結(jié)構(gòu)需要整個(gè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件的支持，開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中間鏈路層的協(xié)議，而分布式有主結(jié)構(gòu)可以避開(kāi)設(shè)置專用的軟件和協(xié)議，兩者分別針對(duì)于不同的要求．

三、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析
　　由于總線型網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)的限制，不適合于在電站監(jiān)控系統(tǒng)這樣對(duì)于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用，所以本文對(duì)其不作分析．對(duì)于應(yīng)用較為廣泛的星型和環(huán)型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)分析并進(jìn)行擴(kuò)展，同時(shí)結(jié)合有、無(wú)主結(jié)構(gòu)分析其應(yīng)用性質(zhì)．
　　① 星型網(wǎng)絡(luò)
　　星型網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如下：

　　由星形網(wǎng)絡(luò)組成的監(jiān)控系統(tǒng)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)中心交換機(jī)連接，同時(shí)考慮到冗余需要，利用另外一臺(tái)交換機(jī)組成雙網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)工作原理如下：
　　有主結(jié)構(gòu)：現(xiàn)地控制單元有兩塊CPU模件，實(shí)現(xiàn)該單元節(jié)點(diǎn)處的故障冗余，為主的CPU板實(shí)時(shí)采集各種信號(hào)，并針對(duì)故障信號(hào)采取相應(yīng)處理，同時(shí)將采集的信號(hào)量數(shù)字化，再傳送給主站；主站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收，同時(shí)向操作員站送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將操作員站的命令下達(dá)．
　　無(wú)主結(jié)構(gòu)：現(xiàn)地控制單元實(shí)時(shí)采集各種信號(hào)并針對(duì)故障信號(hào)采取相應(yīng)處理，主站作為數(shù)據(jù)服務(wù)器，定時(shí)向各現(xiàn)地控制單元節(jié)點(diǎn)要數(shù)據(jù)并記錄，操作員站通過(guò)交換機(jī)直接與現(xiàn)地控制單元通訊，傳送數(shù)據(jù)與命令．
　　星形網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，由于普遍通訊協(xié)議為TCP/IP，開(kāi)發(fā)額外的系統(tǒng)應(yīng)用程序比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是系統(tǒng)安全性能不高，若交換機(jī)壞，則網(wǎng)絡(luò)就面臨崩潰，對(duì)主站依賴性強(qiáng)．此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在一些系統(tǒng)升級(jí)改造的電站應(yīng)用較多．
　　 ② 擴(kuò)展環(huán)型網(wǎng)絡(luò)
　　 擴(kuò)展環(huán)型網(wǎng)絡(luò)是在環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，加上各其他功能節(jié)點(diǎn)，或通過(guò)轉(zhuǎn)換與其他應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)連接，而現(xiàn)地計(jì)算機(jī)控制依舊處于環(huán)型網(wǎng)絡(luò)上．示意圖如下：

　　由擴(kuò)展環(huán)型網(wǎng)絡(luò)組成的監(jiān)控系統(tǒng)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)環(huán)型鏈路交換數(shù)據(jù)，利用兩條環(huán)鏈構(gòu)成冗余，除現(xiàn)地單元、操作員站外的其他應(yīng)用計(jì)算機(jī)屬于另一個(gè)TCP/IP網(wǎng)，主站與應(yīng)用程序這些功能計(jì)算機(jī)通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換連接到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中．網(wǎng)絡(luò)工作原理如下：
　　此種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較適合于無(wú)主結(jié)構(gòu)，若應(yīng)用為有主結(jié)構(gòu)，TCP/IP網(wǎng)段的信息交換將由于主站性能限制而受到遲滯，對(duì)應(yīng)用快速性不利．
　　在無(wú)主結(jié)構(gòu)模式下，現(xiàn)地控制單元實(shí)時(shí)采集各種信號(hào)并針對(duì)故障信號(hào)采取相應(yīng)處理，主站作為數(shù)據(jù)服務(wù)器，記錄各現(xiàn)地控制單元節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，操作員站在環(huán)網(wǎng)上直接與現(xiàn)地控制單元通訊，傳送數(shù)據(jù)與命令．在環(huán)網(wǎng)之外的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通過(guò)與主站、應(yīng)用程序工作站通訊，取得各種信息并可發(fā)送命令．
　　擴(kuò)展環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)上，分層應(yīng)用明顯，各節(jié)點(diǎn)功能清楚，系統(tǒng)安全性能高，兩個(gè)不同協(xié)議網(wǎng)段間的故障互相沒(méi)有影響，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好．缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)投入較大，開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序時(shí)，需考慮到兩個(gè)網(wǎng)段的不同協(xié)議．目前國(guó)內(nèi)某在建大型水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用的就是這種結(jié)構(gòu)．

四、軟件冗余設(shè)計(jì)
　　硬件冗余只是在結(jié)構(gòu)構(gòu)成上實(shí)現(xiàn)了故障切換，而建立在硬件基礎(chǔ)上的操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序系統(tǒng)也需要實(shí)現(xiàn)冗余，這樣才能在硬件故障時(shí)有效偵測(cè)到，并終止冗余中故障一方的監(jiān)視控制功能，防止異常事件發(fā)生，所以監(jiān)控系統(tǒng)中的雙機(jī)冗余如主站與現(xiàn)地單元均需要在內(nèi)部的運(yùn)行軟件上加以實(shí)現(xiàn)軟件冗余．
　　軟件冗余較多利用Socket通訊和“進(jìn)程間通訊”（InterProcess Communication IPC）結(jié)合的設(shè)計(jì)概念[1],即冗余的兩計(jì)算機(jī)運(yùn)行的同樣的操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序，互相利用運(yùn)行中的程序即進(jìn)程的數(shù)據(jù)通訊，并判斷對(duì)方的工作狀態(tài)，并作出相應(yīng)的應(yīng)用處理．本文給出常見(jiàn)的軟件設(shè)計(jì)框圖及部分判斷執(zhí)行代碼。

　　軟件冗余除了在應(yīng)用程序上的實(shí)現(xiàn)外，還有基于特定操作系統(tǒng)平臺(tái)的應(yīng)用程序，這些操作系統(tǒng)內(nèi)含服務(wù)冗余設(shè)計(jì)，就無(wú)須應(yīng)用程序上的軟件冗余設(shè)計(jì)，如Windows2000 Advanced Server內(nèi)部就集成了故障轉(zhuǎn)移功能：即如果群集中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)失敗，其他節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)提供服務(wù)，從失敗處繼續(xù)進(jìn)行，且對(duì)于客戶端來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵的應(yīng)用程序和資源仍然可用。

五　結(jié)語(yǔ)
　　結(jié)合本文上面的分析，電站監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>有著與與普通計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的很大結(jié)構(gòu)不同，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序也有較大區(qū)別，本文根據(jù)電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求特殊性，從較多網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成拓?fù)渲羞x出較具代表性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出網(wǎng)絡(luò)的組成特征及針對(duì)性較高的軟件冗余步驟設(shè)計(jì)，以滿足實(shí)際需要。