分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)在火電廠中的應(yīng)用
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1 概述
目前我國火電廠300MW以上的大型機(jī)組大多都采用國外的DCS系統(tǒng)，這些系統(tǒng)造價(jià)昂貴，對于100MW中型機(jī)組不適用，并且100MW中型機(jī)組以往都是采用常規(guī)儀表檢測、顯示。采用計(jì)算機(jī)對機(jī)組的模擬量和開關(guān)量信號(hào)進(jìn)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(yùn)行人員的監(jiān)視范圍，而且計(jì)算機(jī)提供的信息比常常規(guī)儀表更準(zhǔn)確、更直觀、更集中。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，我為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，我們?yōu)橐换痣姀S3臺(tái)100MW機(jī)組設(shè)計(jì)、安裝了分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)。
衡量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)就是系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)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(jìn)技術(shù)與生產(chǎn)實(shí)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(jì)
被控對象是3臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組，在進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到以后系統(tǒng)的擴(kuò)展及有關(guān)部門需求的增加，沒有采用集中式的主機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，決定用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以便擴(kuò)充和設(shè)備的更新；進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選型論證時(shí)，考慮到系統(tǒng)擴(kuò)充及維護(hù)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(jī)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用多主機(jī)網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)。
采用多主機(jī)分布式監(jiān)測方式，它具有以下特點(diǎn)：
適應(yīng)能力強(qiáng)，可以通過選用適當(dāng)數(shù)量的上位機(jī)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(kuò)展。
可靠性高，某個(gè)主機(jī)或采集站出現(xiàn)故障，不會(huì)對系統(tǒng)的其他主機(jī)或采集站造成影響。當(dāng)一個(gè)采集站出現(xiàn)故障時(shí)，只影響本采集站的功能。當(dāng)一個(gè)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由其他主機(jī)“代管”。
實(shí)時(shí)響應(yīng)性好，各個(gè)數(shù)據(jù)采集站之間是真正“并行”工作，因此，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性好。
與單主機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)相比，不易造成“瓶頸”現(xiàn)象。
整個(gè)系統(tǒng)上位機(jī)選用研華工控機(jī)，下位機(jī)選用智能測控前端，每臺(tái)上位機(jī)配有1臺(tái)UPS，主控室和集控室分別配1臺(tái)打印機(jī)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
在本軟件設(shè)計(jì)中，開發(fā)平臺(tái)采用WindowsNT。為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，充分利用匯編語言實(shí)時(shí)功能強(qiáng)，而高級語言運(yùn)算能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)的數(shù)據(jù)處理、顯示、打印等工作。
整個(gè)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(jì)。
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(jìn)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(jī)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(dòng)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(jī)的工作方式：只聽或聽講。對閃端采集機(jī)的工作模式、采樣周期、通道個(gè)數(shù)等進(jìn)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(hào)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(shí)時(shí)檢測點(diǎn)設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)際上是單片機(jī)之間的（通信適配卡與采集站都是以單片機(jī)為核心構(gòu)成的）通信。通信適配卡發(fā)送上位機(jī)對采集站的命令；接收采集站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，供上位機(jī)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(dòng)程序，獲取下位機(jī)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)用DDE（動(dòng)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(shí)時(shí)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(bào)警，打印，提供用戶畫面，和分析計(jì)算。數(shù)據(jù)存貯部分包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，報(bào)表數(shù)據(jù)，調(diào)整報(bào)警限數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)顯示部分包括對動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)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(hào)切換、站號(hào)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(jì)算、發(fā)電量計(jì)算等。
4 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)圖形顯示：包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)趨勢顯示、歷史數(shù)據(jù)趨勢顯示（顯示的時(shí)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(gè)月前的歷史數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警記錄等。
報(bào)表打印：包括報(bào)警記錄打印、月報(bào)表、輪值信息打印、燃煤量報(bào)表、發(fā)電量報(bào)表打印。
人工輸入：為了滿足一些數(shù)據(jù)的特殊要求，運(yùn)行人員每隔一小時(shí)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(hù)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(dú)用，而操作員站只進(jìn)行日常的運(yùn)行、維護(hù)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(shí)與更改時(shí)間：由于本系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，需要保持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)間一致。權(quán)限為管理員站的操作站可進(jìn)行系統(tǒng)對時(shí)和更改系統(tǒng)時(shí)間。系統(tǒng)對時(shí)以網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)的時(shí)間為準(zhǔn)。
與廠級管理信息系統(tǒng)（MIS）相接：在上位機(jī)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(jī)組的實(shí)時(shí)信息傳至廠級管理機(jī)構(gòu)。
5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)
5.1 網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)
本分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)是一多主機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主機(jī)與前端，主機(jī)與主機(jī)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(jìn)行統(tǒng)一管理才能使網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)運(yùn)行。
各臺(tái)主機(jī)中由編號(hào)最小的主機(jī)（1#）作為網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一管理，當(dāng)它從網(wǎng)絡(luò)中退出（下電或故障）時(shí)，則下一個(gè)編號(hào)的聽講主機(jī)（2#）自動(dòng)成為新的網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)以保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，以此類推下去，從而達(dá)到主機(jī)冗余備用的功能。當(dāng)原來的網(wǎng)控機(jī)重新入網(wǎng)時(shí)，則當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)自動(dòng)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(jī)。
5.2 主機(jī)的工作方式
主機(jī)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(jī)間可進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，主機(jī)可以冗余備用，任一主機(jī)不僅可以獲得本前端機(jī)的數(shù)據(jù)，而且也可以獲得其他前端機(jī)的數(shù)據(jù)，主機(jī)的工作方式采用聽講方式，各主機(jī)均有權(quán)占用總線獲取數(shù)據(jù)。
5.3 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模式
網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模式有主從運(yùn)行模式、循環(huán)運(yùn)行模式。考慮到主機(jī)數(shù)量不是很多，在循環(huán)運(yùn)行模式中各主機(jī)占用總線的機(jī)會(huì)均等，便于各前端機(jī)采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)送到主機(jī)進(jìn)行處理與顯示，決定網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模式采用循環(huán)運(yùn)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?fù)浣Y(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(yùn)用了分布式系統(tǒng)“危險(xiǎn)分散”的原則。
6 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)
電廠的發(fā)電機(jī)組處于強(qiáng)電磁場的工作環(huán)境，電磁干擾很大，因此順進(jìn)行系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)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(jī)、通訊識(shí)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(dòng)方式傳送，從而使網(wǎng)絡(luò)的通訊具有很強(qiáng)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(hào)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(qiáng)電磁場干擾而產(chǎn)生的顯示器屏幕抖動(dòng)，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(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，用戶界面圖形化，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)化；硬件積木化，軟件模塊化。經(jīng)一年多運(yùn)行表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，信息可靠性高，受到運(yùn)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(jì)算機(jī)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)。
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