電站熱工優(yōu)化控制平臺(tái)軟件體系的研究

孫耘，尹峰，李旭侃，丁寧，張鵬

（浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

電站熱工優(yōu)化控制平臺(tái)軟件體系的研究

孫耘，尹峰，李旭侃，丁寧，張鵬

（浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

為了整合TOP（電站熱工優(yōu)化控制平臺(tái)）系統(tǒng)下位DCS實(shí)時(shí)控制技術(shù)、上位高性能優(yōu)化算法站技術(shù)以及多元接口與安全控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了含多類型數(shù)據(jù)通信的上、下位軟件體系，實(shí)現(xiàn)了軟件體系的標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化、可維護(hù)、易擴(kuò)展的基本要求，在較強(qiáng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)、過程控制的基本功能，以及高級(jí)優(yōu)化組件的模塊化加載體系結(jié)構(gòu)。

TOP；軟件體系；組態(tài)監(jiān)控；優(yōu)化算法；模塊化加載

0 引言

TOP（Thermal Optimized-control Platform，電站熱工優(yōu)化控制平臺(tái)）系統(tǒng)是針對(duì)火力發(fā)電廠日益提高的節(jié)能、環(huán)保、高效控制要求而研究開發(fā)的，整合了下位DCS（分散控制系統(tǒng)）實(shí)時(shí)控制技術(shù)、上位高性能優(yōu)化算法站技術(shù)以及多元接口與安全控制技術(shù)的通用軟硬件平臺(tái)系統(tǒng)，一方面能滿足常規(guī)DCS的實(shí)時(shí)控制功能，分散控制風(fēng)險(xiǎn)，另一方面則能進(jìn)行大量復(fù)雜的計(jì)算、分析、建模等工作，提高運(yùn)算能力。

TOP系統(tǒng)從DCS中在線獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過多種優(yōu)化算法的加載，完成控制功能，并將優(yōu)化結(jié)果實(shí)時(shí)送回DCS，基于開放結(jié)構(gòu)的軟件系統(tǒng)具備一般通用DCS的組態(tài)與監(jiān)控軟件功能，同時(shí)還具備優(yōu)化運(yùn)算與模型調(diào)用的功能。軟件體系遵循標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化、可維護(hù)、易擴(kuò)展等基本原則，在較強(qiáng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)、過程控制的基本功能，并實(shí)現(xiàn)高級(jí)優(yōu)化控制功能。

1 TOP系統(tǒng)軟件體系的總體要求

基于開放結(jié)構(gòu)的TOP系統(tǒng)需要與發(fā)電廠現(xiàn)有的DCS相連接，從現(xiàn)有DCS中獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過復(fù)雜及智能優(yōu)化運(yùn)算后，送回原DCS，達(dá)到優(yōu)化DCS的效果。為實(shí)現(xiàn)該功能上位機(jī)軟件開發(fā)的需要滿足以下基本要求：

（1）開放性：能與不同的DCS進(jìn)行通信對(duì)接；對(duì)于同種DCS不同通信方式可以進(jìn)行通信對(duì)接；系統(tǒng)開發(fā)完畢后，能夠根據(jù)多種DCS協(xié)議與不同廠家的DCS通信；信息傳遞方式可以有多種，可以是硬件方式也可以是軟件方式，如OPC（用于過程控制的對(duì)象連接與嵌入技術(shù)）接口、Mod-bus（總線協(xié)議）等。

（2）優(yōu)化能力：軟件需具備方便、靈活、多種方式的先進(jìn)控制算法模塊化加載，便于復(fù)雜回路的功能塊化封裝。

（3）通用性：軟件結(jié)構(gòu)上需采用模塊化設(shè)計(jì)，符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，程序上需使用通用的技術(shù)規(guī)約和協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)開放性，便于將來系統(tǒng)的擴(kuò)展。

（4）集成性：系統(tǒng)需要具備通用DCS軟件所應(yīng)當(dāng)具備的功能，具備主控邏輯組態(tài)、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、畫面和趨勢(shì)監(jiān)控、歷史記錄、OPC通信等基本功能，方便操作人員學(xué)習(xí)和使用。

2 TOP系統(tǒng)上位軟件的構(gòu)架

2.1 上位機(jī)應(yīng)用軟件

根據(jù)需求分析，上位軟件需要完成組態(tài)、監(jiān)控、通信、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)記錄等功能，從軟件的功能分，上位機(jī)軟件由六大模塊構(gòu)成（如圖1所示）。根據(jù)六大模塊的功能，按照數(shù)據(jù)的流向建立上位機(jī)應(yīng)用軟件的總體框架結(jié)構(gòu)，上位機(jī)應(yīng)用軟件包括：控制邏輯組態(tài)、畫面監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、趨勢(shì)組態(tài)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警和操作記錄、報(bào)表、OPC、虛擬DPU（分散處理單元）、系統(tǒng)管理等10個(gè)主要軟件。各功能軟件既相互獨(dú)立，又?jǐn)?shù)據(jù)共享、相輔相成。

圖1 TOP系統(tǒng)上位機(jī)軟件體系結(jié)構(gòu)

2.2 通用組態(tài)監(jiān)控功能的體系結(jié)構(gòu)

上位軟件的核心是內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，總體框架結(jié)構(gòu)以系統(tǒng)管理軟件中內(nèi)存數(shù)據(jù)庫為中心，控制邏輯的模塊和數(shù)據(jù)點(diǎn)為基本點(diǎn)展開?？刂七壿嫿M態(tài)軟件完成控制邏輯組態(tài)，數(shù)據(jù)庫組態(tài)軟件完成數(shù)據(jù)點(diǎn)的組態(tài)，然后由系統(tǒng)管理軟件根據(jù)以上的組態(tài)完成上位機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的建立。

當(dāng)系統(tǒng)下位正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用程序從已經(jīng)建立的共享內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，獲得實(shí)時(shí)的觀測(cè)和控制數(shù)據(jù)，完成各自軟件的功能。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫同時(shí)從下位機(jī)控制器和虛擬控制器實(shí)時(shí)獲得數(shù)據(jù)并更新內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中的舊數(shù)據(jù)。應(yīng)用軟件通過在線命令將控制信息發(fā)送至下位控制器和虛擬DPU。整個(gè)上位機(jī)軟件雖多，但是均圍繞共享內(nèi)存數(shù)據(jù)庫展開，結(jié)構(gòu)和框架簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)交互效率高。

2.3 高度開放的通信模塊體系結(jié)構(gòu)

TOP系統(tǒng)的高度開放性是其優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)之一，其通信模塊結(jié)構(gòu)龐大，其中包含了上位機(jī)通信模塊和下位機(jī)通信模塊。按照通信對(duì)象可以分為上下位軟件交互通信，上位軟件同其他DCS產(chǎn)品交互通信，上位機(jī)開發(fā)平臺(tái)與第三方開發(fā)平臺(tái)交互通信。

通信經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)完成，按照方式可以分為UDP（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議）通信，TCP（傳輸控制協(xié)議）通信，基于TCP/IP協(xié)議的OPC通信以及通過調(diào)用動(dòng)態(tài)庫函數(shù)完成的接口通信。UDP通信方式通信量大，適應(yīng)大量快速的數(shù)據(jù)發(fā)送；TCP通信方式的發(fā)送方會(huì)接到接收方的信息反饋，確認(rèn)收到后才能結(jié)束每次通信，通信過程有著較高的準(zhǔn)確性和可靠性，適合少量精度要求較高的數(shù)據(jù)通信。

2.4 “點(diǎn)單式”模塊化加載體系的結(jié)構(gòu)

TOP系統(tǒng)通過控制邏輯組態(tài)軟件完成主控邏輯，然而對(duì)于較多的優(yōu)化算法都是由組態(tài)人員編程實(shí)現(xiàn)，TOP系統(tǒng)提供了“點(diǎn)單式”模塊化加載和調(diào)用第三方高級(jí)語言平臺(tái)2種方式實(shí)現(xiàn)優(yōu)化算法的導(dǎo)入。

“點(diǎn)單式”模塊化算法的加載是指開發(fā)人員可以根據(jù)需求將優(yōu)化程序以控制邏輯組態(tài)軟件中標(biāo)準(zhǔn)模塊型式，形成可視化的模塊導(dǎo)入控制邏輯，提高平臺(tái)優(yōu)化算法加載的靈活性和簡(jiǎn)易性。在控制邏輯軟件中，組態(tài)人員根據(jù)算法提供輸入、輸出和參數(shù)數(shù)量，自動(dòng)生成算法殼模，同其他標(biāo)準(zhǔn)模塊一樣經(jīng)過編譯，下裝至控制器。下位機(jī)軟件支持標(biāo)準(zhǔn)C語言算法，上位機(jī)軟件支持標(biāo)準(zhǔn)C++語言和MATLAB語言。

3 TOP系統(tǒng)下位軟件構(gòu)架

3.1 下位機(jī)應(yīng)用軟件

TOP系統(tǒng)下位軟件由3個(gè)部分構(gòu)成，即系統(tǒng)任務(wù)、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)（如圖2所示）。系統(tǒng)任務(wù)包含各種功能子系統(tǒng)；靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)包括上位站下裝的組態(tài)文件、下位控制站的配置文件以及下位控制站系統(tǒng)運(yùn)行過程中生成的日志文件等；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)是系統(tǒng)中速度和實(shí)時(shí)性最高的數(shù)據(jù)區(qū)，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫完成系統(tǒng)各部分的數(shù)據(jù)交換。

圖2 TOP系統(tǒng)下位機(jī)軟件體系結(jié)構(gòu)

3.2 控制器管理子系統(tǒng)

控制器管理子系統(tǒng)完成過程控制器運(yùn)行環(huán)境和數(shù)據(jù)、狀態(tài)的初始化以及共享內(nèi)存、數(shù)據(jù)庫的建立等功能，包含以下內(nèi)容：控制器實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的引導(dǎo)和初始化；在本地文件系統(tǒng)上讀取配置數(shù)據(jù)；根據(jù)串口“心跳線”的設(shè)置設(shè)定本站狀態(tài)；響應(yīng)監(jiān)控軟件的命令，完成配置信息的在線下裝、在線修改等功能；備份主站數(shù)據(jù)，用于主從控制站切換時(shí)的控制輸出無擾控制。

3.3 執(zhí)行管理子系統(tǒng)

執(zhí)行管理子系統(tǒng)是控制器的功能執(zhí)行主體，主要完成控制運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳輸功能。按照運(yùn)算周期從通信控制站獲得數(shù)據(jù)，按照監(jiān)控軟件下發(fā)的控制策略進(jìn)行運(yùn)算，在邏輯算法模塊數(shù)據(jù)庫和I/O數(shù)據(jù)庫中檢索到對(duì)應(yīng)的模塊和I/O數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過函數(shù)指針調(diào)用相應(yīng)模塊庫中的算法模塊，完成運(yùn)算，最后把運(yùn)算結(jié)果發(fā)回通信控制站。

3.4 通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)構(gòu)建方式是冗余的，負(fù)責(zé)把過程控制站和監(jiān)控軟件人機(jī)界面連成一體。采用總線型結(jié)構(gòu)，根據(jù)通信軟件實(shí)現(xiàn)的功能不同可分為3個(gè)部分：

（1）與通信控制站進(jìn)行包括接收實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)、發(fā)送實(shí)時(shí)控制量和I/O板卡、通信控制板卡配置參數(shù)在內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。

（2）各個(gè)過程控制站之間進(jìn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，由邏輯組態(tài)中的站間通信模塊負(fù)責(zé)控制。

（3）第三部分是與上層監(jiān)控層的數(shù)據(jù)交換，包括站狀態(tài)和過程控制站中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的廣播，接收監(jiān)控站的在線命令，并作出相應(yīng)的響應(yīng)，例如在線修改邏輯組態(tài)、在線修正運(yùn)行參數(shù)等。

3.5 調(diào)度和監(jiān)控子系統(tǒng)

調(diào)度子系統(tǒng)完成系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)度工作。根據(jù)既定的時(shí)序，通過“看門狗”發(fā)出周期的信號(hào)，執(zhí)行并完成相應(yīng)的任務(wù)調(diào)度，從而確?？刂破鞯膱?zhí)行時(shí)序。

監(jiān)控子系統(tǒng)完成故障診斷，監(jiān)視各個(gè)部分的工作狀態(tài)，保障了系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)都能夠正確有效地運(yùn)行，包括任務(wù)和狀態(tài)系統(tǒng)資源占用等。一旦發(fā)現(xiàn)異常，需要通知監(jiān)控軟件，也要通知控制器管理子系統(tǒng)，嘗試完成系統(tǒng)的自診斷，若出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，則發(fā)生主備切換。

3.6 日志和對(duì)時(shí)子系統(tǒng)

TOP系統(tǒng)下位軟件的日志子系統(tǒng)依托于系統(tǒng)的監(jiān)控子系統(tǒng)運(yùn)行，記錄過程控制站各個(gè)任務(wù)的執(zhí)行情況，記錄監(jiān)控軟件下發(fā)的各種在線控制命令等系統(tǒng)。一旦發(fā)生故障，需要依靠它實(shí)現(xiàn)事故分析。

對(duì)時(shí)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)各個(gè)控制器和監(jiān)控軟件之間的時(shí)間同步任務(wù)，系統(tǒng)采用定時(shí)和對(duì)時(shí)服務(wù)器對(duì)時(shí)的方式有效和簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)站間對(duì)時(shí)。

4 結(jié)語

TOP系統(tǒng)的上、下位軟件體系是實(shí)現(xiàn)高級(jí)應(yīng)用組件開發(fā)與應(yīng)用的優(yōu)秀載體，在穩(wěn)定開放的軟件構(gòu)架下，下位實(shí)時(shí)優(yōu)化控制器和上位高級(jí)計(jì)算服務(wù)器并列運(yùn)行，在保證系統(tǒng)高可靠性運(yùn)行的同時(shí)滿足系統(tǒng)大運(yùn)算負(fù)荷的需求。

在此基礎(chǔ)上，TOP系統(tǒng)的所有優(yōu)化功能組件均采用標(biāo)準(zhǔn)化的形式開發(fā)，平臺(tái)的上下位軟件系統(tǒng)為此預(yù)留了大量組件接口，開發(fā)人員只需要進(jìn)行優(yōu)化算法的編程，即可完成優(yōu)化組件的開發(fā)，無需更改應(yīng)用底層，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化控制組件方便的可續(xù)式開發(fā)，同時(shí)所有優(yōu)化組件均打包發(fā)布為模塊加載于平臺(tái)中應(yīng)用，用戶可根據(jù)需要使用不同的模塊算法庫，完成優(yōu)化控制組件的點(diǎn)單式加載。

[1]韓璞，翟永杰，王立志，等．基于虛擬DCS的激勵(lì)式仿真系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[J]．華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，32（2）∶37－40．

[2]翟永杰，張鵬，張悅．火電廠仿真機(jī)中的DCS仿真方式與關(guān)鍵技術(shù)[J]．電力技術(shù)，2010，19（17）∶7－14．

（本文編輯：陸瑩）

Research on the Software System of Power Plant Thermal Optimized-control Platform

SUN Yun，YIN Feng，LI Xu-kan，DING Ning，ZHANG Peng
（Z（P）EPC Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

For systematically integrating low-position DCS real-time control technology，high-position superior high-performance optimal algorithm station technology，multiple interface and safety control technology in the power plant thermal optimized-control platform（TOP），the upper-lower position software system with multiclass data communication is designed and the essentialrequirements ofsoftware system，such as the standardization，structurization，maintainability and expansiveness are achieved．On the basis of greater stability，the operation and maintenance，process control of the system as well as modularized loading architecture of advanced optimized module are implemented．

TOP；software system；configuration monitoring；optimal algorithm；modularized loading

TK232∶TP273

：A

：1007－1881（2013）03－0043－03

2013-01-28

孫耘（1967-），男，浙江湖州人，碩士，高級(jí)工程師，從事發(fā)電廠熱工自動(dòng)化應(yīng)用和研究。