數據引擎技術的原理及其在DCS中的應用

2000年，PineControl分散式控制系統研究小組發現有可能利用資料庫技術來開發DCS控制站的支撐軟體系統，這樣可以更好地支持控制系統的在線組態技術的實現。為此，該研究小組對基於工業過程自動控制平台的實時資料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變化，達到有效執行控制組態演演算法的目的。事實上，該數據引擎技術還引發了一種跨平台的控制組態標準的建立，這對於推動DCS技術的發展是非常有益的。數據引擎通常是訪問資料庫的一種專用技術。

二、控制系統的組態與演演算法實現技術

控制邏輯的組態軟體是DCS的核心技術。但是，目前DCS產品所配置的控制組態軟體還不同程度地存在一系列的技術問題。首先，幾乎所有的DCS組態軟體都是基於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、跨平台運行功能的實現。其次，DCS控制組態的自診斷能力，在線監控能力和計算過程實時能力也都存在不少問題。在控制站的冗餘切換過程中，產生非穩定狀態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所對應的指令序列運行機理上。

在研究開發PineControl分散式控制系統過程中，研究人員提出了一種新的DCS組態軟體環境：PineCAD。這種組態軟體從表面上與傳統的 DCS組態軟體沒有什麼差別，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資料庫，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交由虛擬的DCS控制站來處理（也就是數據引擎），而不是傳統的DCS控制站。這種設計思想是DCS技術發展的一項重大變化。如果數據引擎能夠被安裝在不同平台的DCS控制站或者PLC、PC等具有計算能力的裝置中，那麼PineCAD就能夠整合相應的系統形成一體化的DCS，就能夠形成DCS的組態標準，進而對DCS的部件升級、更新換代、系統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範，它的工作機理就和汽車的發動機一樣，不同汽車廠家有不同的發動機，但是這些發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體的集合，它依附於特定的DCS控制站計算指令環境，並嵌入特定的實時資料庫中，模擬DCS組態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資料庫，其中數據引擎的技術功能就設置在資料庫的相關屬性中。當PineCAD的組態數據形成並下載到實時資料庫時，每個控制元件的狀態就會在相應的數據引擎屬性作用下發生特定的變化，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是通過數據引擎來隔離的，因此PineCAD的組態數據能夠在不同的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、控制演演算法執行、控制元件的在線監視、控制元件內部參數的在線修正、在線組態處理、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是一項非常複雜的技術，又是在工程實踐中非常重要的需求。如何解決控制組態修改前後控制站中各個控制變數的連續性是問題的核心。傳統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的連續性，因此容易產生髮電機組的非正常停機問題。採用數據引擎技術的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，與相關控制元件在資料庫或者控制站內存中的位置無關，也與控制元件狀態的其它特徵（如狀態名稱等）無關。

四、控制邏輯組態技術標準

由於歷史和商業方面的原因，不同廠家之間的DCS及PLC之間組態數據無法直接兼容，這無疑給工業控制系統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標準規定有5種形式的編程語言。1998年以後，該標準改為IEC61131。儘管如此，我們看到這也只是解決了一部分PLC組態的兼容性問題，而且PLC組態的兼容性僅停留在界面形態的相似層面上，DCS則根本沒有統一標準的組態形式。

與PLC一樣，DCS也需要有相應的組態標準。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台技術版本日新月異以及DCS升級換代過程中，組態資源能夠得到充分的利用；不同DCS系統之間也可以有效地共享組態資源；在一體化的DCS系統中，能夠採用統一的組態環境，提高DCS的可靠性與可維護性。因此，在信息技術高速發展的今天，DCS組態的標準化需求是相當重要，也是相當急迫的。

DCS組態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。除了實現跨平台的組態要求外，DCS組態的標準不能像PLC那樣使用五種不同風格的語言環境。那麼，通過什麼技術方法可以促進DCS組態標準的建立呢？我們認為，數據引擎技術是最合適的建立DCS組態標準的技術方法。數據引擎技術機理能夠在PineCAD圖形組態環境與不同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係，這使得無論是 DCS控制站的製造商，還是組態軟體的製造商乃至DCS的用戶，在推進DCS組態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勢，先後研究開發了 PineControl和HNA5000兩款新型DCS系統。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台運行和構建一體化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。控制站的部件種類是同類型產品中最少的，其硬體的組合非常容易。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平台，該DCS控制站的環境適應能力與可靠性能均超過傳統的DCS。

到目前為止，PineControl分散式控制系統已經在四台燃煤發電機組和兩套電站輔助系統中運行，HNA5000也將在發電機組中應用。這些DCS應用工程包括350MW進口發電機組的DCS系統改造、新建引進型國產循環硫化床鍋爐供熱發電機組的DCS項目、大型發電機組鍋爐除灰渣控制系統的改造以及發電機組電氣控制系統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控制站的在線組態功能，徹底消除了DCS控制站與PLC的區別。