發(fā)電機(jī)組嵌入式遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷分析系統(tǒng)①

彭道剛，張 浩，李 輝，夏 飛

(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

當(dāng)前全國(guó)供電緊張，部分地區(qū)嚴(yán)重缺電，使得許多發(fā)電設(shè)備長(zhǎng)期處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備的安全性隨之下降，這就要求對(duì)發(fā)電機(jī)組及生產(chǎn)過程的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷分析，以保證鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等主機(jī)設(shè)備和其他主要輔機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)行以及電廠的正常發(fā)電[1]。大型發(fā)電機(jī)組的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷分析技術(shù)是一門多學(xué)科交叉滲透的綜合性研究課題，但是，由于現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備不夠完善，現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)域?qū)＜也蛔悖畔⒉荒芄蚕淼仍?，?yán)重制約了發(fā)電機(jī)組故障的早期預(yù)見和及時(shí)、準(zhǔn)確的診斷分析[2]。

本文針對(duì)大型發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)了具有多種通信方式的嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的大型發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可有效提高大型發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和運(yùn)行效率，提高電力企業(yè)現(xiàn)代化科學(xué)管理水平。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于嵌入式平臺(tái)的大型發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷分析系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包括兩個(gè)部分:本地監(jiān)測(cè)與診斷中心和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷中心。兩者通過Internet網(wǎng)絡(luò)連接各自實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和Web服務(wù)器。為了保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的安全，在本地網(wǎng)關(guān)上架設(shè)防火墻，以阻止有攻擊意圖的網(wǎng)絡(luò)包發(fā)往遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷中心的服務(wù)器[4]。

本地監(jiān)測(cè)與診斷中心主要建設(shè)在發(fā)電企業(yè)，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)、機(jī)組運(yùn)行與檢修人員等可通過企業(yè)內(nèi)部高速局域網(wǎng)直接訪問應(yīng)用服務(wù)器，這種連接方式最快捷，主要可用于機(jī)組狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷。本地監(jiān)測(cè)與診斷中心主要由嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)平臺(tái)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、監(jiān)測(cè)工作站、診斷工作站等部分組成。嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)平臺(tái)可通過串口、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線及無線傳輸?shù)韧ㄐ欧绞綇陌l(fā)電機(jī)組的分散控制系統(tǒng)DCS(distributed control system)、廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS(supervisory information system in plant level)、數(shù)字電液控制系統(tǒng) DEH(digital electric hydraulic control system)、汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)TSI(turbine supervisory instrumentation)等系統(tǒng)或者通過嵌入式數(shù)據(jù)采集器從傳感器中實(shí)時(shí)采集機(jī)組各種工藝參數(shù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)經(jīng)過多種信號(hào)分析處理技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理后通過局域網(wǎng)發(fā)送到本地監(jiān)測(cè)與診斷中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，通過故障診斷專家系統(tǒng)平臺(tái)分析處理后形成各種監(jiān)測(cè)畫面，如棒圖、趨勢(shì)、報(bào)表、特征圖譜等，以供本地監(jiān)測(cè)和診斷工作站對(duì)機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷分析[4]。同時(shí)將監(jiān)測(cè)與診斷分析結(jié)果通過Web服務(wù)器向遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷平臺(tái)發(fā)布，供出差在外的企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)用戶和診斷專家等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和分析使用。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Overall architecture design of system

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷中心主要建設(shè)在機(jī)組設(shè)備制造商、發(fā)電企業(yè)集團(tuán)公司和研究院所等單位，主要由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、故障診斷案例庫、專家知識(shí)庫、遠(yuǎn)程管理中心等部分組成。設(shè)備制造商或發(fā)電集團(tuán)公司根據(jù)自己對(duì)機(jī)組監(jiān)測(cè)和診斷工作的需要，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在線監(jiān)視與遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)軟件從本地監(jiān)測(cè)與診斷中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取所要監(jiān)測(cè)和診斷分析的機(jī)組相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，然后存入遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，用于設(shè)計(jì)和制造新型發(fā)電機(jī)組，或者研究機(jī)組各種故障機(jī)理等，通過故障診斷案例庫、專家知識(shí)庫等實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的故障診斷和分析[5]。同時(shí)，可以集中各個(gè)方面的專家，通過遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷分析系統(tǒng)觀察機(jī)組的運(yùn)行情況，綜合計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)和人類專家的診斷結(jié)論，通過中心服務(wù)器發(fā)布的診斷分析結(jié)果，為機(jī)組的運(yùn)行和實(shí)施狀態(tài)檢修計(jì)劃提供指導(dǎo)性意見。

2 嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)平臺(tái)中主要采用了目前流行的PowerPC和ARM等嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)，在嵌入式平臺(tái)支持Modbus/RTU、Modbus/TCP 、CAN 、InterBus 、EPA 、Zigbee 等 工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線及無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，平臺(tái)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示[6～8]。該平臺(tái)除了完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，還提供數(shù)據(jù)采集接口、網(wǎng)絡(luò)通信接口和人機(jī)交互接口。同時(shí)，該平臺(tái)也集成了嵌入式Web服務(wù)器和嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。通過移植和修改成熟的嵌入式Web服務(wù)器到目標(biāo)平臺(tái)，支持通用網(wǎng)關(guān)接口JAVA服務(wù)器主頁CGI(common gateway interface)、JSP(java serverpages)、動(dòng)態(tài)服務(wù)器主頁ASP(active server pages)等腳本語言，根據(jù)具體應(yīng)用自主實(shí)現(xiàn)所需的Web服務(wù)，也可通過Internet對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理[9]。

圖2 嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)Fig.2 Design of the embedded data acquisition and monitoring platform

3 發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)大型發(fā)電機(jī)組，通過現(xiàn)有 DCS、SIS、DEH、TSI等系統(tǒng)中，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)大型發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷分析系統(tǒng)。主要功能包括機(jī)組生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、過程信息統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化與操作指導(dǎo)、機(jī)組性能計(jì)算與優(yōu)化、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷、設(shè)備壽命評(píng)價(jià)與管理和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷服務(wù)等內(nèi)容。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)分支，它適用于處理不斷更新的快速變化的數(shù)據(jù)及具有時(shí)間限制的事務(wù)處理。目前市場(chǎng)上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品國(guó)外主要有美國(guó)OSIsoft公司的PI、美國(guó)InStep公司的eDNA、美國(guó)GE Intellution公司iHistorian、美國(guó)Wonderware公司的InSQL、美國(guó) Honeywell公司的PHD、美國(guó)AspenTech公司的InfoPlus等，國(guó)內(nèi)主要有上海麥杰公司的openPlant、北京三維力控公司的 pSpace、浙江中控軟件公司的ESP-iSYS、中科院軟件所的Agilor、紫金橋?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫等。

圖3 系統(tǒng)功能架構(gòu)Fig.3 Functional structure of the system

系統(tǒng)采用C/S和B/S結(jié)構(gòu)，機(jī)組生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)趨勢(shì)、數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警等基礎(chǔ)功能都可以由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的功能模塊實(shí)現(xiàn)，高級(jí)應(yīng)用功能如機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化與操作指導(dǎo)、機(jī)組性能計(jì)算與優(yōu)化、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷、設(shè)備壽命評(píng)價(jià)與管理、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷服務(wù)等需要由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫提供的二次開發(fā)接口進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，支持VS.Net，采用C#作為開發(fā)語言進(jìn)行功能模塊的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

以某電廠300 MW機(jī)組為例來說明本文基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷分析系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫采用北京三維力控公司的pSpace企業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫，pSpace提供了一套訪問pSpace Server的編程接口開發(fā)包Server-SDK。Server-SDK 基于 Microsoft的 COM技術(shù)開發(fā)，支持絕大多數(shù)的32位Window s平臺(tái)編程環(huán)境，提供面向?qū)ο蟮木幊谭绞胶虯ctiveX控件，通過Server-SDK可以訪問本地或遠(yuǎn)程pSpace Server，對(duì)pSpace Server的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。當(dāng)pSpace Server數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，通過事件主動(dòng)通知Server-SDK應(yīng)用程序。Server-SDK采用快速數(shù)據(jù)訪問機(jī)制，適用于編寫高速、大數(shù)據(jù)量的應(yīng)用。本系統(tǒng)在Visual Studio 2005環(huán)境下用C#語言進(jìn)行系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用功能的二次開發(fā)。系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，用戶和診斷專家可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)由IE瀏覽器進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和分析機(jī)組的運(yùn)行狀況，為機(jī)組的運(yùn)行和實(shí)施狀態(tài)檢修計(jì)劃提供指導(dǎo)性意見。

此外，為將機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)從本地監(jiān)測(cè)與診斷中心傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷中心，采用VS.Net設(shè)計(jì)開發(fā)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在線監(jiān)視與遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括客戶端和服務(wù)器端兩部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。在電廠側(cè)客戶端，實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠DCS或SIS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)主界面上顯示，顯示內(nèi)容包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、測(cè)點(diǎn)名、測(cè)點(diǎn)描述、單位等測(cè)點(diǎn)信息，通過TCP/TP協(xié)議，客戶端的數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)可實(shí)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷中心的服務(wù)器端。在遠(yuǎn)程服務(wù)器端，系統(tǒng)將接收到從電廠側(cè)客戶端傳輸過來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并在主界面上顯示，同時(shí)，將接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)寫入到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷中心服務(wù)器端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。

圖4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of real-time data remote transfer system

圖5所示為大型發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷分析系統(tǒng)首頁，點(diǎn)擊“進(jìn)入系統(tǒng)”按鈕，即可進(jìn)入本系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與診斷分析。

圖5 系統(tǒng)首頁Fig.5 Main monitoring page of the system

本系統(tǒng)主要功能包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)趨勢(shì)監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表、性能監(jiān)測(cè)與耗差分析、壽命評(píng)估與故障預(yù)測(cè)等五大部分模塊。以下通過幾個(gè)典型實(shí)例加以介紹。

圖6所示為發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之汽水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)畫面，實(shí)現(xiàn)汽水系統(tǒng)工藝過程及相關(guān)參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)。

在發(fā)電機(jī)組在線性能監(jiān)測(cè)與耗差分析子系統(tǒng)中，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)組的可控耗差及不可控耗差進(jìn)行分析計(jì)算與顯示，對(duì)機(jī)爐單項(xiàng)指標(biāo)、輔機(jī)電耗、汽機(jī)小指標(biāo)、鍋爐小指標(biāo)、機(jī)組運(yùn)行指標(biāo)等各性能參數(shù)進(jìn)行分析與顯示，使運(yùn)行人員及時(shí)了解機(jī)組運(yùn)行情況，并對(duì)異常情況進(jìn)行正確、及時(shí)的處理。

圖6 機(jī)組汽水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)畫面Fig.6 Monitoring page of the steam-water system

圖7所示為機(jī)組性能參數(shù)一覽表監(jiān)測(cè)畫面，主要功能為計(jì)算并顯示汽輪機(jī)組運(yùn)行的重要性能參數(shù)，包括:發(fā)電機(jī)功率、主汽壓力、主汽溫度、再熱汽壓力、再熱汽溫度、主蒸汽流量、給水流量、熱耗率。高壓缸效率、中壓缸效率、汽機(jī)效率、鍋爐效率、廠用電率、發(fā)電機(jī)煤耗、供電煤耗、再熱蒸汽流量、再熱蒸汽壓損、機(jī)組補(bǔ)水率、煙氣含氧量、飛灰含碳量等，同時(shí)，可對(duì)每個(gè)參數(shù)采用曲線方式進(jìn)行趨勢(shì)分析。

圖7 機(jī)組性能參數(shù)一覽表監(jiān)測(cè)畫面Fig.7 Monitoring page of the unit performance parameters

圖8所示為機(jī)組可控耗差分析監(jiān)測(cè)畫面，主要功能為對(duì)主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、再熱主蒸汽溫度、煙氣含氧量、排溫度等機(jī)組性能參數(shù)運(yùn)行值及煤耗差量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)算分析。

圖8 機(jī)組可控耗差分析監(jiān)測(cè)畫面Fig.8 Monitoring page of the unit energy-loss analysis

4 結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)、嵌入式、網(wǎng)絡(luò)和通信等技術(shù)的飛速發(fā)展，使得基于網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能，從許多方面提高了監(jiān)測(cè)與診斷水平，節(jié)約了成本。本文圍繞研究和開發(fā)基于嵌入式平臺(tái)的大型發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷分析系統(tǒng)，對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的應(yīng)用作了大量的調(diào)查和研究工作，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，著重研究了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)中的嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)平臺(tái)、多種網(wǎng)絡(luò)通信方式、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、機(jī)組性能監(jiān)測(cè)與診斷分析等關(guān)鍵技術(shù)，以及系統(tǒng)主要功能模塊的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程。

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