孟濤，岳恒，柴天佑（東北大學(xué)自動(dòng)化研究中心，110004）

摘 要：介紹了采用FIX組態(tài)軟件平臺(tái)而研發(fā)的火力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。所研發(fā)的監(jiān)控軟件，不僅實(shí)現(xiàn)了發(fā)電生產(chǎn)過(guò)程信息的采集、處理和監(jiān)控，而且提供了故障診斷與報(bào)警，自動(dòng)生成生產(chǎn)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)與發(fā)電廠管理系統(tǒng)的集成。此外，研究開(kāi)發(fā)的事件順序記錄（SOE）系統(tǒng)能快速準(zhǔn)確地判斷跳合閘順序，分析出事故發(fā)生的原因。該監(jiān)控系統(tǒng)在清河發(fā)電廠的成功應(yīng)用表明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，功能完善，可靠性高。

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)；故障診斷專家系統(tǒng)；事件順序記錄（SOE）

一、引言

隨著基于Windows操作系統(tǒng)監(jiān)控軟件的流行，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)也真正為我們提供了一個(gè)“Windows on Plants”，使我們可能了解整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程所發(fā)生的一切?；鹆Πl(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)提供了機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的顯示畫面，各種報(bào)警處理，以及自動(dòng)生成報(bào)表等多項(xiàng)功能，是發(fā)電廠安全、可靠運(yùn)行的重要保證。研發(fā)具有快速、準(zhǔn)確地處理發(fā)電過(guò)程的信息以及事件順序記錄（SOE）系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)SCADA系統(tǒng)與發(fā)電廠管理信息系統(tǒng)集成的監(jiān)控軟件，對(duì)實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠綜合自動(dòng)化具有重要的實(shí)際價(jià)值。

本文研發(fā)了基于FIX組態(tài)軟件平臺(tái)的火力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并成功地應(yīng)用于清河發(fā)電廠。

二、火力發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)

本文研發(fā)的發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件具有發(fā)電過(guò)程信息采集、處理，過(guò)程狀態(tài)顯示，故障診斷與報(bào)警，自動(dòng)生成各種生產(chǎn)報(bào)表，提供SCADA系統(tǒng)與發(fā)電廠管理信息系統(tǒng)的集成，以及SOE系統(tǒng)。

該監(jiān)控系統(tǒng)是以FIX監(jiān)控組態(tài)軟件為平臺(tái)，結(jié)合發(fā)電過(guò)程開(kāi)發(fā)了下列功能模塊，如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能模塊框圖

1、數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

利用FIX監(jiān)控平臺(tái)下高性能的驅(qū)動(dòng)程序，可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)PLC、ADAM數(shù)據(jù)采集模塊的通信，完成了數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并建立了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

FIX系統(tǒng)任務(wù)SAC（The Scan，Alarm，and Control Program）負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的刷新。SAC有兩種處理方式：

（1）基于時(shí)間的處理方式

基于時(shí)間的處理方式需要為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)項(xiàng)規(guī)定一個(gè)掃描時(shí)間。掃描時(shí)間決定SAC多長(zhǎng)時(shí)間刷新讀一次 數(shù)據(jù)。對(duì)于ADAM模塊采集的模擬量和PLC中的開(kāi)關(guān)位置信號(hào)我們采用了這種方式，并且增加了相位掃描功能，如圖2所示，從中可以看出相位掃描有效地使用了CPU時(shí)間。

圖2 多標(biāo)簽的相位掃描

（2）基于事件的處理方式

基于事件的處理方式容許事件觸發(fā)SAC以更新數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的變化和PLC主動(dòng)提供的消息都可以作為觸發(fā)事件。下位機(jī)中的大量保護(hù)信號(hào)（一般都很多）只在故障情況下發(fā)生變化，而故障發(fā)生的幾率是很小的。采用基于事件的方法處理它們可以減少CPU的使用時(shí)間，明顯改善了系統(tǒng)的性能，因?yàn)镾AC不必按規(guī)定的時(shí)間間隔掃描標(biāo)簽。

相位掃描以及基于事件處理方式的使用保證了信息處理的快速、準(zhǔn)確。

2、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)顯示

清晰、美觀的畫面為操作人員監(jiān)視生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)提供了生動(dòng)簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互能力。本文介紹的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的畫面由靜態(tài)和動(dòng)態(tài)畫面兩部分組成。靜態(tài)畫面一般反映系統(tǒng)中主要設(shè)備的配置情況。動(dòng)態(tài)畫面則反映設(shè)備和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，例如文字圖形的可見(jiàn)與不可見(jiàn)，數(shù)值的變化以及符號(hào)、顏色的改變等。通過(guò)它們及其各種組合可以清楚直觀的反映發(fā)電機(jī)組，母線，變壓器，開(kāi)關(guān)等設(shè)備的運(yùn)行情況。

發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率是衡量發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況的兩個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，對(duì)發(fā)電機(jī)組的有功、無(wú)功信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)畫出其趨勢(shì)圖，對(duì)運(yùn)行人員來(lái)說(shuō)是非常重要的。監(jiān)控系統(tǒng)中的模擬量除了以動(dòng)態(tài)數(shù)字顯示以外，還設(shè)計(jì)了連續(xù)曲線的形式，即趨勢(shì)圖，來(lái)顯示各模擬量值的變化趨勢(shì)。操作者不僅可以看到過(guò)去的趨勢(shì)而且可以看到當(dāng)前的趨勢(shì)。通過(guò)趨勢(shì)圖操作員可以看出有功功率和無(wú)功功率的變化情況，從而預(yù)測(cè)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率。

3、故障診斷與報(bào)警

根據(jù)火力發(fā)電廠以往現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，建立了故障診斷專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)和推理規(guī)則，其表示方法如下：

rule：if 故障現(xiàn)象1 and 故障現(xiàn)象2 and ....then 故障原因1

當(dāng)保護(hù)信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)上面規(guī)則由上位機(jī)顯示故障原因。盡管規(guī)則較為簡(jiǎn)單，但在實(shí)際運(yùn)行中故障診斷結(jié)果基本正確，使監(jiān)控系統(tǒng)具備了初級(jí)的智能化水平。

上位機(jī)監(jiān)控軟件從報(bào)警的類型、產(chǎn)生、狀態(tài)記錄各方面作了十分細(xì)致的設(shè)計(jì)，能及時(shí)反映生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，快速處理各種故障、事故和排除隱患，保護(hù)設(shè)備和保證生產(chǎn)正常運(yùn)作。

4、自動(dòng)生成生產(chǎn)報(bào)表

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的報(bào)表記錄為系統(tǒng)運(yùn)行狀況的分析提供了重要依據(jù)。FIX軟件支持DDE客戶和服務(wù)器的兩種模 式，結(jié)合報(bào)表生成器選項(xiàng)使用預(yù)先定義的宏，可以方便地創(chuàng)建定制報(bào)表的自動(dòng)生成。

報(bào)表記錄可提供發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)全部模擬量的歷史數(shù)據(jù)，即可以文件形式保存在上位機(jī)中，也可以輸出至打印機(jī)。自動(dòng)生成報(bào)表的功能省卻了人工讀表記錄帶來(lái)的不便。

5、監(jiān)控系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的集成

發(fā)電生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為發(fā)電廠管理信息系統(tǒng)的重要組成部分，它的接入及保存方式直接影響著管理信息系統(tǒng)完備性及可靠性。FIX為了保護(hù)自身的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)并沒(méi)有給其他用戶應(yīng)用程序提供直接讀寫數(shù)據(jù)庫(kù)SQL語(yǔ)言，但是FIX組態(tài)軟件為我們提供了應(yīng)用ODBC的解決方案。

FIX組態(tài)軟件提供的Real-Time ODBC SQL接口允許向Access、MS SQL Server、Oracle等多種DBMS寫入實(shí)時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到我們的數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)模不大，所以選擇了Microsoft的Access數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以方便地 在整個(gè)發(fā)電廠共享現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。采用FIX軟件平臺(tái)的上位機(jī)作為SCADA節(jié)點(diǎn)與發(fā)電廠MIS系統(tǒng)的聯(lián)接過(guò)程如圖3所示。

圖3 FIX ODBC接口與Access數(shù)據(jù)庫(kù)的聯(lián)接

三、火力發(fā)電廠SOE系統(tǒng)

事件順序記錄SOE（Sequence of Events）功能是發(fā)電廠電網(wǎng)事故的重要診斷手段，它是指發(fā)電廠在廠用電系統(tǒng)發(fā)生事故而導(dǎo)致保護(hù)裝置動(dòng)作、開(kāi)關(guān)連跳的情況下，上位機(jī)應(yīng)能判別出開(kāi)關(guān)的跳合閘先后動(dòng)作順序并記錄相應(yīng)的結(jié)果。根據(jù)此結(jié)果便可以及時(shí)判定事故原因，查出故障點(diǎn)。

雖然SOE功能是發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能，它是發(fā)電廠的一種特殊需求，目前應(yīng)用于發(fā)電過(guò)程的大型DCS系統(tǒng)具有專門的SOE模塊，但還沒(méi)有一種適用于一般控制系統(tǒng)的具有SOE單一功能、價(jià)格低廉的產(chǎn)品。因此，我 們自行研發(fā)了火力發(fā)電廠SOE系統(tǒng)。

1、SOE系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行在FIX軟件平臺(tái)下，F(xiàn)IX本身就是一個(gè)龐大的軟件，各種監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)占用了上位機(jī) 相當(dāng)多的資源，如果還用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)SOE的全部功能，勢(shì)必增加了上位機(jī)的負(fù)擔(dān)，而且SOE記錄時(shí)間的分辨率是否能達(dá)到1ms也值得懷疑。

集散控制的主要思想就是分散控制，集中管理。為了實(shí)現(xiàn)SOE功能，本文提出了上位機(jī)、單片機(jī)雙機(jī)解決方案，把SOE功能從上位機(jī)中分離出來(lái)，用自行研制開(kāi)發(fā)的SOE功能單片機(jī)電路板實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)查詢、記錄故障時(shí)間、分辨開(kāi)關(guān)跳合閘先后順序等主體功能，然后利用中斷方式的串口通信將結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)，由上位機(jī)負(fù)責(zé)完成顯示、存檔以及日后的查詢、打印等管理工作。其信號(hào)流圖如圖4所示。

圖4 SOE功能信號(hào)流圖

由于單片機(jī)的運(yùn)行與上位機(jī)相對(duì)獨(dú)立，上位機(jī)能否準(zhǔn)確、及時(shí)地顯示事故情況下開(kāi)關(guān)跳合閘順序很大程度上依賴于單片機(jī)傳送上來(lái)的數(shù)據(jù)，因此通信的可靠性是SOE軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。

本系統(tǒng)中上位機(jī)與單片機(jī)之間利用RS232接口進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信。在通信方式的選擇上做了如下考慮：

查詢方式需要上位機(jī)CPU不斷的檢測(cè)SOE功能電路板的狀態(tài)，雖然效率較高，但是占用了上位機(jī)大量CPU時(shí)間，與我們當(dāng)初將SOE功能從上位機(jī)中分離出來(lái)的想法向背；而中斷方式由于單片機(jī)的輸出緩沖有限，每次SOE的結(jié)果需要多次中斷上位機(jī)才能將全部數(shù)據(jù)傳送給它，降低了通信效率。

本文采用了折中的辦法，單片機(jī)與上位機(jī)的通信方式采用中斷和查詢交替進(jìn)行的方式。當(dāng)單片機(jī)判斷SOE已經(jīng)結(jié)束后向上位機(jī)發(fā)送通信握手信號(hào)，上位機(jī)接收通信握手中斷信號(hào)后激活運(yùn)行在上位機(jī)的SOE功能應(yīng)用程序，該程序再通過(guò)查詢方式讀取全部數(shù)據(jù)。這種通信方式集中斷方式和查詢方式二者之長(zhǎng)，使得數(shù)據(jù)交換既簡(jiǎn)單、高效又最大限度地節(jié)約了上位機(jī)系統(tǒng)的CPU時(shí)間。

SOE功能電路板主體為89C51單片機(jī)，同時(shí)包括單片機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控電路、串行通信接口以及二級(jí)輸入光電隔離保護(hù)，保證了SOE系統(tǒng)能夠在發(fā)電廠這樣的工業(yè)環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

2、SOE系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)與功能

SOE功能電路板的軟件功能主要完成對(duì)各通道的掃描，判斷事故的起止時(shí)間，處理數(shù)據(jù)結(jié)果以及發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)等。單片機(jī)程序包括下面三個(gè)模塊。

（1）主程序模塊

主程序模塊負(fù)責(zé)單片機(jī)的初始化，在記錄跳合閘事故數(shù)據(jù)后調(diào)用數(shù)據(jù)處理和通信子模塊。

（2）數(shù)據(jù)處理子模塊

數(shù)據(jù)處理子模塊確定開(kāi)關(guān)跳變時(shí)間，并按時(shí)間對(duì)發(fā)生跳變的開(kāi)關(guān)進(jìn)行排序。

（3）通信子模塊

通信子模塊按照預(yù)先制定的通信規(guī)則將SOE的結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)。

上位機(jī)的SOE功能應(yīng)用程序采用了標(biāo)準(zhǔn)Windows32程序的運(yùn)行模式。其消息模型如圖5所示。由于事故發(fā)生的幾率相對(duì)很小，SOE功能應(yīng)用程序大多數(shù)時(shí)間處于空閑狀態(tài)，這樣大大節(jié)省了上位機(jī)的系統(tǒng)資源。

圖5 上位機(jī)SOE應(yīng)用程序的消息模型

上位機(jī)SOE功能應(yīng)用程序利用VC⁺⁺6.0提供的基于COM技術(shù)的ActiveX控件Microsoft Communication Control實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與單片機(jī)的串口通信；利用VC⁺⁺6.0的Document/View（文檔/視圖）框架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了SOE結(jié)果的顯示、存檔 及打印。

將SOE系統(tǒng)分成兩部分，由單片機(jī)和上位機(jī)分工合作共同實(shí)現(xiàn)不僅改善了其性能，而且節(jié)省了上位機(jī)的系統(tǒng)資源，使整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行得到了優(yōu)化。SOE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案已通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，成功地應(yīng)用在清河發(fā)電廠。

四、監(jiān)控系統(tǒng)在清河發(fā)電廠的應(yīng)用

本文研發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用在清河發(fā)電廠4臺(tái)100000kw機(jī)組中。整個(gè)系統(tǒng)采用了集散控制思想，由上位機(jī)完成數(shù)據(jù)管理、機(jī)組狀態(tài)顯示、故障診斷報(bào)警以及記錄報(bào)表等功能。對(duì)于開(kāi)關(guān)邏輯控制，數(shù)據(jù)采集和事件順序記錄SOE這些任務(wù)分別由OMRON C2000H PLC，ADAM4017數(shù)據(jù)采集器和SOE功能電路板完成。其中，ADAM40174模擬量采集器將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)RS485總線傳遞至ADAM4520，由它轉(zhuǎn)換為RS232通過(guò)COM1串口進(jìn)入上位機(jī)。4臺(tái)PLC除了進(jìn)行4臺(tái)機(jī)組的邏輯控制外，通過(guò)LINK適配器連接形成了網(wǎng)絡(luò)，并將保護(hù)信號(hào)和開(kāi)關(guān)位置信號(hào)經(jīng)COM2串口送入上位機(jī)，由上位機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān) 控。SOE功能電路板同樣通過(guò)RS232與上位機(jī)通信，由于工控機(jī)的兩個(gè)串口都被占用，所以實(shí)際應(yīng)用中使用了多串口卡。清河發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 清河發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)通過(guò)串口通信只接受來(lái)自這些設(shè)備的數(shù)據(jù)信號(hào)，而不對(duì)它們發(fā)送控制命令，這樣不但減輕了上位機(jī)的負(fù)擔(dān)，而且從根本上杜絕了由于上位機(jī)通信時(shí)信號(hào)受干擾所帶來(lái)的誤動(dòng)作現(xiàn)象。即使當(dāng)上位機(jī)因故障而停機(jī)時(shí)，也不影響PLC的正常工作，這樣可大大提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

監(jiān)控系統(tǒng)在清河發(fā)電廠投入運(yùn)行以來(lái)，一直安全可靠的運(yùn)行，完全滿足了日常生產(chǎn)的要求?，F(xiàn)在已經(jīng)離不開(kāi)這套計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生的報(bào)警信息、記錄報(bào)表，已成為生產(chǎn)管理、機(jī)組維護(hù)、故障分析的重要依據(jù)。

監(jiān)控系統(tǒng)以其良好的安全措施、豐富完善的監(jiān)控功能和友好的圖形界面，大大方便了運(yùn)行維護(hù)人員的工作；不但提高了機(jī)組運(yùn)行的自動(dòng)化水平和電廠的現(xiàn)代化管理水平，而且降低了生產(chǎn)成本，使清河發(fā)電廠在競(jìng)價(jià)上網(wǎng)中提高了競(jìng)爭(zhēng)力。

五、結(jié)束語(yǔ)

我們結(jié)合發(fā)電生產(chǎn)過(guò)程而研發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于充分利用發(fā)電過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)電過(guò)程的在線管理、提高發(fā)電過(guò)程中的運(yùn)行效率具有穩(wěn)定的推動(dòng)作用。本文提出的監(jiān)控系統(tǒng)在清河發(fā)電廠的實(shí)際運(yùn)行表明：該系統(tǒng)具有完善的監(jiān)控功能，友好的人機(jī)界面，不僅運(yùn)行安全可靠，而且為運(yùn)行人員提供操作指導(dǎo)，使發(fā)電機(jī)組高效運(yùn)行。