工況在線監(jiān)測及分析系統(tǒng)在大型火電廠的應(yīng)用

李志勇，蔡新波，韓亞鳳

(元寶山發(fā)電有限責任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024070)

加強對煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)和管理，對煙氣脫硫設(shè)施運行進行有效監(jiān)督，是“十二五”期間工業(yè)節(jié)能減排任務(wù)的要求，也是各地方政府及企業(yè)的工作重點。元寶山發(fā)電有限責任公司共有3臺600 MW火電機組，各機組均配備了濕法煙氣脫硫設(shè)施，公司于2011年實施了電廠工況在線監(jiān)測及分析系統(tǒng)的安裝與調(diào)試工作，從效果來看，公司環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)使環(huán)境監(jiān)管實現(xiàn)由“末端”向“全過程”的轉(zhuǎn)變，得到了環(huán)境監(jiān)管部門的認可。

1 系統(tǒng)原理

工況在線監(jiān)測及分析系統(tǒng)是對污染治理設(shè)施運行全過程進行實時監(jiān)控、分析、預(yù)警、核查和管理的一體化環(huán)保信息監(jiān)管平臺。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為4層：應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層和采集層。數(shù)據(jù)直接來源于生產(chǎn)系統(tǒng)(主機DCS、脫硫DCS和CEMS)。

工況在線監(jiān)測及分析系統(tǒng)以麥杰科技的openPlantTM實時數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用純B/S構(gòu)架，在業(yè)務(wù)范圍上，涵蓋了地方環(huán)保部門和下屬污染源監(jiān)控企業(yè)，在部署上，采用了監(jiān)控中心為核心的樹狀拓撲結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場采集設(shè)備從生產(chǎn)控制系統(tǒng)中采集工況過程數(shù)據(jù)，通過環(huán)保專網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的工況過程數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)經(jīng)過分析和處理后，供各環(huán)保部門使用。系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從地理位置上來劃分，系統(tǒng)整體分為電廠側(cè)和中心側(cè)兩部分。其中電廠側(cè)主要包括采集層及展示相關(guān)功能，負責從各污染源控制系統(tǒng)實時采集監(jiān)控數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)在本地存儲并轉(zhuǎn)發(fā)給環(huán)保監(jiān)控中心。監(jiān)控中心主要包括數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層的相關(guān)功能。負責所有工況數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、分析和展示。電廠側(cè)和監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸通過網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)，由光纖、交換機、路由器等網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成。主要負責工況前端的數(shù)據(jù)發(fā)送及監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)接收。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2 電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工況在線監(jiān)測及分析系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上分為2個區(qū)域：電廠數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)和自治區(qū)監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)。2個網(wǎng)絡(luò)通過環(huán)保專用網(wǎng)相連。公司的工況在線監(jiān)測及分析系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

電廠區(qū)域每個采集單元主要負責采集各類控制系統(tǒng)(單元機組DCS系統(tǒng)、脫硫DCS系統(tǒng)、脫硫PLC系統(tǒng)、煙氣測量系統(tǒng)等)中的環(huán)保相關(guān)參數(shù)，并通過工況安全網(wǎng)閘、工況通訊單元存儲到工況存儲單元中，另設(shè)有Web服務(wù)器，與廠內(nèi)MIS網(wǎng)的Web服務(wù)器，通過內(nèi)網(wǎng)向廠內(nèi)的客戶端進行平臺展示。

自治區(qū)監(jiān)控中心主要負責匯總各電廠的工況數(shù)據(jù)，并由分析統(tǒng)計平臺對工況數(shù)據(jù)做分析及統(tǒng)計，最終提供給應(yīng)用模塊使用及展示。監(jiān)控中心主要設(shè)備為2臺服務(wù)器：工況過程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及Web應(yīng)用服務(wù)器，接入目前監(jiān)控中心既有網(wǎng)絡(luò)中。

3 工況在線監(jiān)測前端

工況在線監(jiān)測前端是整個工況監(jiān)測的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)層，主要負責工況數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)，為保證公司底層數(shù)據(jù)采集的準確性及安全性，從系統(tǒng)硬件設(shè)計及接入方式進行了統(tǒng)籌考慮。

3.1 前端硬件設(shè)計

(1) 工況安全網(wǎng)閘。該裝置得到電監(jiān)會相關(guān)認證，最大允許返回字節(jié)數(shù)為1 bit，能有效地將采集單元內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與各采集數(shù)據(jù)源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行物理隔離，保證采集數(shù)據(jù)只能單向傳輸，即DCS/PLC系統(tǒng)向采集存儲端傳輸，杜絕因為數(shù)據(jù)逆向傳輸造成DCS系統(tǒng)安全風險。

(2) 工況專用采集單元。為工況前端系統(tǒng)專門定制的采集設(shè)備，可在相對惡劣的工作環(huán)境中連續(xù)穩(wěn)定工作。支持RJ45，RS232，RS485接口，可接收來自各采集數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，并由定制的采集程序轉(zhuǎn)發(fā)至前端工況存儲單元進行數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。

(3) 工況專用存儲單元。為工況前端系統(tǒng)專門定制的存儲設(shè)備，主要負責采集電廠側(cè)的所有工況數(shù)據(jù)并長期保存。工況專用存儲單元能建立一套與生產(chǎn)系統(tǒng)(如DCS等)工況數(shù)據(jù)一致的備份。由于它建立在現(xiàn)場，不但能保證工況數(shù)據(jù)最大程度的完整性(只要現(xiàn)場不發(fā)生斷電、斷網(wǎng)等意外情況)，同時還能在環(huán)保傳輸專網(wǎng)不暢通的時候起到數(shù)據(jù)緩存的作用，并在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后向中心工況過程數(shù)據(jù)庫回補中斷傳輸時缺失的數(shù)據(jù)。

(4) 工況專用交換單元，即設(shè)備間的通訊設(shè)備。

3.2 數(shù)據(jù)接入方式

考慮到公司MIS系統(tǒng)投入較早，且現(xiàn)有脫硫系統(tǒng)DCS品牌不一致，在線數(shù)據(jù)未接入MIS系統(tǒng)，本次數(shù)據(jù)平臺采用OPCDAS通用數(shù)據(jù)采集軟件。各系統(tǒng)接入方式如下：

(1) 2，3號機組脫硫系統(tǒng)為上海GE新華公司的新華XDPS系統(tǒng)，提供OPC接口。工況采集單元從OPC服務(wù)器中遠程采集到工況數(shù)據(jù)，再通過UDP的方式發(fā)送到前端工況存儲單元中；

(2) 4號機組為HIACS 5000M系統(tǒng)，提供UDP接口，工況采集單元可直接采集。

(3) 3臺機組主機的數(shù)據(jù)已接入電廠MIS系統(tǒng)，工況采集單元從OPC服務(wù)器中采集到工況數(shù)據(jù)，再通過UDP方式發(fā)送到前端工況存儲單元中。

4 工況數(shù)據(jù)庫的軟件

考慮到工況數(shù)據(jù)庫要求實時性高、穩(wěn)定性高、長時間、大容量的數(shù)據(jù)存儲，使用openPlant實時/歷史數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、監(jiān)控管理、生產(chǎn)過程回放等功能。

4.1 openPlant實時/歷史數(shù)據(jù)庫構(gòu)架

openPlant實時/歷史數(shù)據(jù)庫構(gòu)架如圖3所示。該數(shù)據(jù)庫是可用于大規(guī)模分布式生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的自動采集、存儲和監(jiān)視的企業(yè)級實時數(shù)據(jù)管理平臺，包括openPlant實時/歷史數(shù)據(jù)庫核心模塊、openPlant分布式Web應(yīng)用平臺、openPlant應(yīng)用開發(fā)接口及工具組件。

OpenPlant實時數(shù)據(jù)庫核心采用標準C++語言編寫，對操作系統(tǒng)的依賴性很小，具有良好的可移植性和優(yōu)異的跨平臺性能。openPlant實時數(shù)據(jù)庫支持當前主流的硬件平臺，包括PC服務(wù)器和Unix小型機，如IBM，HP，DELL，SUN等服務(wù)器廠商的硬件平臺等；支持Windows，Unix，Linux等主流操作系統(tǒng)，在各平臺之上都經(jīng)過工程師的嚴格測試和現(xiàn)場的實際考驗，可以實現(xiàn)上萬小時的安全穩(wěn)定運行。同時，openPlant實時數(shù)據(jù)庫提供采用純JAVA語言編寫的數(shù)據(jù)庫管理維護工具，可以在支持TCP/IP協(xié)議的任何一種操作系統(tǒng)上對openPlant實時數(shù)據(jù)庫進行維護。

圖3 openPlant實時/歷史數(shù)據(jù)庫構(gòu)架

4.2 分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

openPlant實時數(shù)據(jù)庫采用統(tǒng)一的通信平臺，Web應(yīng)用包括J2EE/.NET都可以與openPlant高度集成。openPlant的分布式結(jié)構(gòu)不僅適用于電廠實時數(shù)據(jù)平臺，而且適用于構(gòu)建集團級的實時數(shù)據(jù)中心，從單一小型機組到多臺大型機組的數(shù)據(jù)中心，openPlant數(shù)據(jù)庫可以伸縮自如。

4.3 高可用性標準

openPlant實時數(shù)據(jù)庫支持流行的高可用性(High Availability)技術(shù)，包括Windows，Unix，Linux下的雙機集群配置。

5 系統(tǒng)平臺廠端功能介紹

5.1 實時數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)接口系統(tǒng)從底層工藝過程系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)，并按一定時間間隔采用單向數(shù)據(jù)傳輸方式寫入到數(shù)據(jù)庫中。它是生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)與接口，具有數(shù)據(jù)傳輸與隔離作用，還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮傳送、數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷及數(shù)據(jù)緩沖等功能。

5.2 歷史數(shù)據(jù)的儲存

(1) 實時/歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以企業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)為集成對象，采集全部生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，并包括手工輸入數(shù)據(jù)、手持設(shè)備數(shù)據(jù)或其它信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，形成信息完整的生產(chǎn)過程歷史/實時數(shù)據(jù)庫，以完成數(shù)據(jù)庫資源共享。

(2) 數(shù)據(jù)庫標簽采用統(tǒng)一編碼，是唯一的、有規(guī)律可循的編碼方式。

(3) 根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)置各數(shù)據(jù)標簽的采樣頻率、數(shù)據(jù)精度、安全等級等參數(shù)；壓縮數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)精度和壓縮比可按照應(yīng)用要求進行不同的設(shè)置。

(4) 壓縮數(shù)據(jù)的恢復(fù)，從接受壓縮數(shù)據(jù)提取指令開始，經(jīng)解壓縮，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，到數(shù)據(jù)輸出的一系列動作所需要的時間小于2 s。

(5) 提供數(shù)據(jù)庫在線維護功能，包括基于瀏覽器進行數(shù)據(jù)庫維護的管理方式；對不能自動采集的數(shù)據(jù)，提供手動輸入，設(shè)置管理權(quán)限，保證對自動采集的數(shù)據(jù)不能進行任何修改。

(6) 能夠使用SQL查詢工具查詢服務(wù)器信息、數(shù)據(jù)標簽屬性以及實時/歷史數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、二次計算數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。

(7) 具備實時信息統(tǒng)計分析和查詢功能，能夠進行實時畫面的組態(tài)和編輯。

(8) 歷史數(shù)據(jù)存儲容量可根據(jù)用戶需求確定，缺省時限至少在3個大修周期以上。

5.3 生產(chǎn)過程實時圖形

通過采集各生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對各生產(chǎn)流程進行統(tǒng)一的監(jiān)視和查詢。公司領(lǐng)導(dǎo)、生產(chǎn)技術(shù)管理人員、值長和其它用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時調(diào)用實時信息監(jiān)控與管理軟件，對生產(chǎn)運行趨勢進行分析。

(1) 提供顯示工藝畫面和流程畫面的顯示功能。監(jiān)視畫面能突出反映各功能特點，正確顯示生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、報警狀態(tài)、經(jīng)濟指標、運行指導(dǎo)等信息；能夠以趨勢圖、棒狀圖、相關(guān)參數(shù)組等多種形式進行畫面顯示；相關(guān)參數(shù)顯示畫面能夠顯示實時值、在定義時段內(nèi)的最大值、最小值以及平均值；畫面布局合理美觀。單個畫面內(nèi)支持同時顯示的實時數(shù)據(jù)點不小于100點。

(2) 提供工藝畫面和流程畫面的設(shè)計、修改功能。系統(tǒng)可存儲的畫面數(shù)不受限制。

(3) 提供實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的趨勢圖顯示。同一畫面可同時顯示多個參數(shù)趨勢，不同參數(shù)曲線采用不同的顏色以示區(qū)別。

(4) 監(jiān)測實時數(shù)據(jù)，提供報表打印輸出功能。具有形成整個企業(yè)所需要的各類報表的能力，報表格式可以修改，能自動打印報表。能進行運行指標統(tǒng)計在線考核，完成各項指標的運行管理考核，自動產(chǎn)生考核結(jié)果。

(5) 性能綜合監(jiān)視。能將重要設(shè)備的性能計算參數(shù)在簡化流程圖中集中實時顯示，使高層技術(shù)人員對各設(shè)備的狀態(tài)和各性能指標一目了然。

5.4 生產(chǎn)過程回放系統(tǒng)

生產(chǎn)過程回放系統(tǒng)是利用圖形仿真技術(shù)和實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)對生產(chǎn)過程進行深入的分析，用于事故分析、操作示范、案例分析、起停機過程分析等，對優(yōu)化起機過程有直觀的參考作用，對事故發(fā)生后分析事故原因起到輔助作用。至少可提供2 000幅畫面的現(xiàn)場過程回放及沒有時間限制的歷史分析。

結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和與控制系統(tǒng)完全一致的監(jiān)視畫面，重現(xiàn)歷史工況，用戶可方便地切換畫面同時保持參數(shù)的一致性，在實時數(shù)據(jù)庫保存的歷史數(shù)據(jù)周期內(nèi)，可以隨意調(diào)用任何時間段內(nèi)的畫面回放。

6 結(jié)束語

2011年系統(tǒng)上線運行以來，運行穩(wěn)定，不但將公司運行生產(chǎn)的實時情況上傳至環(huán)保部門，更是通過公司內(nèi)部展示平臺很好地再現(xiàn)了設(shè)備的運行情況，為公司的安全生產(chǎn)及減排起到了非常好的數(shù)據(jù)支撐，為公司管理決策提供了有力的依據(jù)?；趯崟r數(shù)據(jù)庫開發(fā)的環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，不僅有效解決了環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性、真實性、可靠性問題，還為實時數(shù)據(jù)庫在非流程工業(yè)信息化管理領(lǐng)域的市場應(yīng)用提供了有益的嘗試和拓展。

1 潘新康．基于openplant數(shù)據(jù)庫的SIS系統(tǒng)研究及其在沙角A電廠的應(yīng)用[J]．沿海企業(yè)與科技，2010(5).

2 李明亮，金偉韌．珠海發(fā)電廠生產(chǎn)數(shù)字化管理系統(tǒng)[J]．中國電力，2006(2).