分布式計算機監(jiān)測系統(tǒng)在火電廠中應(yīng)用

1 概述

　　目前我國火電廠300MW以上的大型機組大多都采用國外的DCS系統(tǒng)，這些系統(tǒng)造價昂貴，對于100MW中型機組不適用，并且100MW中型機組以往都是采用常規(guī)儀表檢測、顯示。采用計算機對機組的模擬量和開關(guān)量信號進行數(shù)據(jù)采集，可取代以往的部分常規(guī)模擬儀表和數(shù)字儀表，縮小運行人員的監(jiān)視范圍，而且計算機提供的信息比常常規(guī)儀表更準確、更直觀、更集中。為了提高系統(tǒng)的實時性、可靠性、減輕運行人員的勞動強度，創(chuàng)想聯(lián)合為一火電廠3臺100MW機組設(shè)計、安裝了分布式計算機監(jiān)測系統(tǒng)。

　　衡量實時監(jiān)測系統(tǒng)的重要技術(shù)指標就是系統(tǒng)的可靠性和實時性。因而系統(tǒng)研制過程中，必須在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)和抗干擾措施等方面充分將現(xiàn)有的先進技術(shù)與生產(chǎn)實際相結(jié)合，提高系統(tǒng)的整體性能。

2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　被控對象是3臺汽輪發(fā)電機組，在進行系統(tǒng)方案設(shè)計時，考慮到以后系統(tǒng)的擴展及有關(guān)部門需求的增加，沒有采用集中式的主機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，決定用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以便擴充和設(shè)備的更新；進行網(wǎng)絡(luò)選型論證時，考慮到系統(tǒng)擴充及維護的簡易性，決定選用總線形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)：為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，沒有采用單主機總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用多主機網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)。

　　采用多主機分布式監(jiān)測方式，它具有以下特點：

　　適應(yīng)能力強，可以通過選用適當(dāng)數(shù)量的上位機和數(shù)據(jù)采集站來構(gòu)成相應(yīng)規(guī)模的系統(tǒng)，便于擴展。

　　可靠性高，某個主機或采集站出現(xiàn)故障，不會對系統(tǒng)的其他主機或采集站造成影響。當(dāng)一個采集站出現(xiàn)故障時，只影響本采集站的功能。當(dāng)一個主機出現(xiàn)故障時，可由其他主機“代管”。

　　實時響應(yīng)性好，各個數(shù)據(jù)采集站之間是真正“并行”工作，因此，系統(tǒng)的實時響應(yīng)性好。

　　與單主機監(jiān)測系統(tǒng)相比，不易造成“瓶頸”現(xiàn)象。

　　整個系統(tǒng)上位機選用工控機，下位機選用智能測控前端，每臺上位機配有1臺UPS，主控室和集控室分別配1臺打印機。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 軟件設(shè)計

　　在本軟件設(shè)計中，開發(fā)平臺采用WindowsNT。為保證系統(tǒng)的實時性和可靠性，充分利用匯編語言實時功能強，而高級語言運算能力強的優(yōu)點，采用MSVB5.0和8088匯編語言混合編程方式。匯編語言執(zhí)行速度快，且能有效地控制硬件，因此，采用匯編語言子程序來完成數(shù)據(jù)采集、通信等工作。利用高級語言來完成上位機的數(shù)據(jù)處理、顯示、打印等工作。

　　整個軟件系統(tǒng)由四部分組成，即網(wǎng)絡(luò)初始化程序，數(shù)據(jù)采集程序，數(shù)據(jù)通信程序，數(shù)據(jù)處理與管理程序，各子程序采用模塊化設(shè)計。

　　3.1 網(wǎng)絡(luò)初始化程序

　　網(wǎng)絡(luò)初始化程序?qū)W(wǎng)絡(luò)進行初始化，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)卡（通信適配卡）和采集前端機的工作方式，確定網(wǎng)卡是否允許越限中斷，是否允許事件中斷，是否自動查詢前端，選擇網(wǎng)絡(luò)工作方式：循環(huán)或主從方式。給各主機的工作方式：只聽或聽講。對閃端采集機的工作模式、采樣周期、通道個數(shù)等進行設(shè)定。

　　3.2 數(shù)據(jù)采集程序

　　數(shù)據(jù)采集程序用于現(xiàn)場采樣，裝配在采集站中。生產(chǎn)過程的信號有模擬量和數(shù)字量兩類。數(shù)字量包括開關(guān)量和脈沖量二種。開關(guān)量有掃描型和中斷型之分。對不同的實時檢測點設(shè)計成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件，分別完成從相關(guān)設(shè)備采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，進行預(yù)處理以組織成供通信軟件傳送的格式。

　　3.3 數(shù)據(jù)通信參數(shù)

　　數(shù)據(jù)通信程序由數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和接收模塊構(gòu)成。它實際上是單片機之間的（通信適配卡與采集站都是以單片機為核心構(gòu)成的）通信。通信適配卡發(fā)送上位機對采集站的命令；接收采集站的實時數(shù)據(jù)，供上位機調(diào)用。

3.4 數(shù)據(jù)處理與管理程序

　　數(shù)據(jù)處理與管理程序主要包括數(shù)據(jù)獲取程序，和組態(tài)管理程序。數(shù)據(jù)獲取程序通過調(diào)用網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動程序，獲取下位機采集的實時數(shù)據(jù)，同時用DDE（動態(tài)數(shù)據(jù)交換）方式傳送給工控組態(tài)管理程序。組態(tài)管理程序主要有實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)，歷史數(shù)據(jù)庫組態(tài)，流程畫面組態(tài)。它完成數(shù)據(jù)存貯，顯示，報警，打印，提供用戶畫面，和分析計算。數(shù)據(jù)存貯部分包括實時數(shù)據(jù)，報表數(shù)據(jù)，調(diào)整報警限數(shù)據(jù)的存儲；數(shù)據(jù)顯示部分包括對動態(tài)實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)提供各種圖形顯示；用戶界面采用流行的DCS圖形界面顯示，和簡潔的功能鍵操作提示，所提示的主要操作有圖號切換、站號切換等，以及一些輔助性操作，如：系統(tǒng)在線幫助，值班員登錄等；數(shù)據(jù)處理主要包抱燃煤量計算、發(fā)電量計算等。

4 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

　　數(shù)據(jù)圖形顯示：包括實時數(shù)據(jù)趨勢顯示、歷史數(shù)據(jù)趨勢顯示（顯示的時間區(qū)間可改變）、棒狀圖顯示、流程圖顯示。

　　數(shù)據(jù)查詢：可查詢兩個月前的歷史數(shù)據(jù)記錄、報警記錄等。

報表打印：包括報警記錄打印、月報表、輪值信息打印、燃煤量報表、發(fā)電量報表打印。

　　人工輸入：為了滿足一些數(shù)據(jù)的特殊要求，運行人員每隔一小時將一些數(shù)據(jù)從鍵盤上輸入到人工輸入一覽表中。

　　在線分析：包括發(fā)電量分析、燃煤量分析、事故分析等。

　　權(quán)限設(shè)定：為了更好地維護系統(tǒng)，對不同的操作站設(shè)定不同的權(quán)限，一些高級的操作只有工程師站或管理員站獨用，而操作員站只進行日常的運行、維護操作。并且不同的操作級別設(shè)定不同的密碼，不同的操作站只能登錄相應(yīng)級別的權(quán)限。

　　系統(tǒng)對時與更改時間：由于本系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，需要保持整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時間一致。權(quán)限為管理員站的操作站可進行系統(tǒng)對時和更改系統(tǒng)時間。系統(tǒng)對時以網(wǎng)絡(luò)控制機的時間為準。

　　與廠級管理信息系統(tǒng)（MIS）相接：在上位機任一PC總線插槽插入-LAN網(wǎng)卡與廠級MIS相連接，將發(fā)電機組的實時信息傳至廠級管理機構(gòu)。

5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

　　5.1 網(wǎng)絡(luò)控制機

　　本分布式計算機監(jiān)測系統(tǒng)是一多主機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主機與前端，主機與主機之間的通信均通過網(wǎng)絡(luò)總線完成，因此，必須對網(wǎng)絡(luò)進行統(tǒng)一管理才能使網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)運行。

　　各臺主機中由編號最小的主機（1#）作為網(wǎng)絡(luò)控制機對整個網(wǎng)絡(luò)進行統(tǒng)一管理，當(dāng)它從網(wǎng)絡(luò)中退出（下電或故障）時，則下一個編號的聽講主機（2#）自動成為新的網(wǎng)絡(luò)控制機以保證網(wǎng)絡(luò)的正常運行，以此類推下去，從而達到主機冗余備用的功能。當(dāng)原來的網(wǎng)控機重新入網(wǎng)時，則當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)控制機自動將網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)交出，前者將重新成為網(wǎng)絡(luò)控制機。

　　5.2 主機的工作方式

　　主機的工作方式分為三種：只講方式、聽講方式、只聽方式。考慮到各主機間可進行數(shù)據(jù)共享，主機可以冗余備用，任一主機不僅可以獲得本前端機的數(shù)據(jù)，而且也可以獲得其他前端機的數(shù)據(jù)，主機的工作方式采用聽講方式，各主機均有權(quán)占用總線獲取數(shù)據(jù)。

　　5.3 網(wǎng)絡(luò)運行模式

　　網(wǎng)絡(luò)運行模式有主從運行模式、循環(huán)運行模式。考慮到主機數(shù)量不是很多，在循環(huán)運行模式中各主機占用總線的機會均等，便于各前端機采集到的數(shù)據(jù)及時送到主機進行處理與顯示，決定網(wǎng)絡(luò)運行模式采用循環(huán)運行模式。

　　網(wǎng)絡(luò)的通信方式為半雙工異步通信方式，傳輸速率為187.5KBPS，遵從TCP/IP協(xié)議。該分布式監(jiān)測系統(tǒng)不僅在拓撲結(jié)構(gòu)上是分布式，而且在地理安裝位置上也是分布式的，從而有效地運用了分布式系統(tǒng)“危險分散”的原則。

6 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

　　電廠的發(fā)電機組處于強電磁場的工作環(huán)境，電磁干擾很大，因此順進行系統(tǒng)抗干擾設(shè)計以保證系統(tǒng)的可靠性，穩(wěn)定性。

　　采取電氣隔離技術(shù)：采集前端機、通訊識配卡與網(wǎng)絡(luò)總線的連接經(jīng)過電氣隔離，徹底避免測控電路板之間的相互干擾和地線回流等問題。

　　網(wǎng)絡(luò)的串行通信是以峰一峰值6V的的電平和平衡差動方式傳送，從而使網(wǎng)絡(luò)的通訊具有很強的抗干擾能力。

　　網(wǎng)絡(luò)總線采用屏蔽雙絞線，從而抑制電磁感應(yīng)，使傳輸信號得到屏蔽。

　　采用終端匹配電阻，從而掏長線傳輸干擾。

　　對于因強電磁場干擾而產(chǎn)生的顯示器屏幕抖動，可將顯示器刷新頻率調(diào)至最大，并在顯示器上加屏蔽罩。

　　采取數(shù)字濾波技術(shù)、開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù)。

7 結(jié)束語

　　該分布式計算機監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，用戶界面圖形化，數(shù)據(jù)實時化；硬件積木化，軟件模塊化。經(jīng)一年多運行表明：系統(tǒng)運行穩(wěn)定，抗干擾能力強，信息可靠性高，受到運行人員的好評。為科學(xué)管理發(fā)電生產(chǎn)，正確的輔助決策起到了重要作用。該分布式計算機監(jiān)測系統(tǒng)不僅適用于電廠，而且適合于冶金、化工等工業(yè)生產(chǎn)。