核電企業(yè)EAM與SIS集成架構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)

姜喆

（國(guó)際商業(yè)機(jī)器中國(guó)有限公司 應(yīng)用創(chuàng)新服務(wù)部，北京100101）

1 引言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，信息技術(shù)在國(guó)內(nèi)電力企業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，同時(shí)其應(yīng)用深度和成熟度也在不斷加強(qiáng)。與大多數(shù)發(fā)電企業(yè)一樣，核電企業(yè)在工業(yè)過(guò)程控制和監(jiān)控領(lǐng)域配置了機(jī)組級(jí)的DCS集散控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電廠生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并進(jìn)一步配置了以實(shí)時(shí)生產(chǎn)管理和綜合優(yōu)化為目的的廠級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS。同時(shí)作為資產(chǎn)密集型企業(yè)，核電企業(yè)也都實(shí)施了管理領(lǐng)域的資產(chǎn)管理系統(tǒng)EAM，但由于SIS和EAM在功能和技術(shù)方面的差異，隔斷了EAM與SIS之間的連通并進(jìn)一步阻斷了EAM與DCS之間的聯(lián)系，導(dǎo)致了工業(yè)控制和管理支撐兩大領(lǐng)域系統(tǒng)間的相互孤立，造成了生產(chǎn)控制和管理支撐的脫節(jié)，限制了系統(tǒng)能力的發(fā)揮，影響了電力企業(yè)的管控一體化。因此，在利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)解決了DCS與SIS的貫通性之后，如何解決EAM與SIS之間的集成問(wèn)題，成為能否實(shí)現(xiàn)高水平管控一體化的關(guān)鍵。

1.1 集散控制系統(tǒng)

DCS是一個(gè)過(guò)程控制級(jí)和過(guò)程監(jiān)控級(jí)綜合分布式系統(tǒng)。DCS屬于生產(chǎn)過(guò)程控制域的自動(dòng)化系統(tǒng)，主要用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程的測(cè)量、監(jiān)視、控制、保護(hù)等。

1.2 廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)

SIS是以全廠效益優(yōu)化為目標(biāo)，集過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、優(yōu)化控制及生產(chǎn)管理為一體的廠級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控信息和決策支持系統(tǒng)。其以分散控制系統(tǒng)DCS為基礎(chǔ)，以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)源，通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)和歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)管理監(jiān)控、機(jī)組性能計(jì)算、廠級(jí)經(jīng)濟(jì)性分析和負(fù)荷分配。

1.3 企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)

EAM系統(tǒng)是以設(shè)備為中心，設(shè)備臺(tái)帳為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以工作單的提交、審批和執(zhí)行為主線，覆蓋設(shè)備維護(hù)、維修工作的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)設(shè)備臺(tái)帳管理、維修計(jì)劃管理、維修作業(yè)管理、檢修策略、配件管理、設(shè)備的故障分析和維修策略改進(jìn)的綜合管理信息系統(tǒng)。

1.4 DCS，SIS與EAM分層架構(gòu)

EAM，DCS，SIS在核發(fā)電廠自動(dòng)化、信息化架構(gòu)中所處位置如圖1所示，SIS采集下層機(jī)組級(jí)/車間級(jí)控制系統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而上層的EAM系統(tǒng)從SIS中采集管理所用的機(jī)組狀態(tài)信息和性能信息。SIS處于具有高精度、高速度、高實(shí)時(shí)性的DCS與實(shí)時(shí)性要求不高的EAM之間，起隔離和緩沖作用。相比而言，EAM使用流程管理數(shù)據(jù)，側(cè)重以設(shè)備維修維護(hù)的流程標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化為目的，屬于廠級(jí)管理支撐信息系統(tǒng)；DCS使用實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，側(cè)重以對(duì)設(shè)備的精確監(jiān)測(cè)和控制為目的，屬于車間級(jí)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)；SIS使用實(shí)時(shí)和歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，側(cè)重以全廠經(jīng)濟(jì)效益科學(xué)決策為目的，屬于廠級(jí)監(jiān)控和決策信息系統(tǒng)。

圖1 DCS，SIS，EAM分層架構(gòu)圖Fig.1 Layer′s architecture diagram of DCS，SIS and EAM

2 EAM與SIS集成需求分析

2.1 EAM與SIS集成的必要性

EAM與SIS的集成必要性是EAM在功能上需要與DCS集成，而技術(shù)上無(wú)法與DCS集成，兩方面影響下結(jié)果如下。

1）EAM中的功能需要從DCS系統(tǒng)獲取設(shè)備的實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)。①運(yùn)行管理日志：需要獲取并自動(dòng)導(dǎo)入DCS儀表和測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)到設(shè)備巡檢日志或值長(zhǎng)值班日志中，代替繁重的人工巡檢或手工抄表（功能1）。②設(shè)備實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)：通過(guò)從DCS中獲取的設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與預(yù)警值比對(duì)，當(dāng)超出預(yù)警閥值的異常情況出現(xiàn)時(shí)向EAM發(fā)送報(bào)警CR（condition report，狀態(tài)報(bào)告）觸發(fā)信號(hào)或 CA（corrective action，糾正行動(dòng)）（功能 2）；根據(jù)設(shè)備的使用頻率如開關(guān)次數(shù)觸發(fā)預(yù)防性維護(hù)維修工單（功能3）。③設(shè)備參數(shù)歷史變化曲線趨勢(shì)分析（功能4）。④設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)展示：以設(shè)備為對(duì)象對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示（功能5）。⑤LCO（限制性操作條件）跟蹤：通過(guò)獲取設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)創(chuàng)建LCO跟蹤記錄（功能6）。

如果EAM能夠從DCS獲取設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，即可將基于日歷計(jì)劃的設(shè)備檢修模式上升到基于運(yùn)行狀態(tài)的檢修模式，大大提升管理水平。

另外，對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的緊急性設(shè)備故障維修，往往需要第1時(shí)間進(jìn)行處理，此時(shí)對(duì)于設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)是通過(guò)DCS的操作站平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行趨勢(shì)判斷和預(yù)測(cè)，這種情況下EAM中的糾正行動(dòng)和維修工單屬于事后補(bǔ)錄。而基于EAM閥值越值的情況則多為非緊急的預(yù)防性維護(hù)或事后故障維修。

2）EAM無(wú)法直接獲取DCS數(shù)據(jù)的技術(shù)局限性。由于電廠生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)具有海量、無(wú)序、精度高、帶有時(shí)標(biāo)等特點(diǎn)，使DCS系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)、高速度的特點(diǎn)，造成對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高、適用于管理支撐的EAM無(wú)法直接從DCS獲取設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)。

2.2 EAM與SIS集成特點(diǎn)分析

2.2.1 需獲取DCS數(shù)據(jù)的EAM功能特點(diǎn)分析

針對(duì)依賴DCS數(shù)據(jù)的EAM功能，對(duì)其獲取數(shù)據(jù)的要求和特點(diǎn)進(jìn)行分析，見表1。

表1 EAM功能中數(shù)據(jù)獲取的要求和特點(diǎn)Tab.1 Data-fetching requirements and characters in EAM

對(duì)于特點(diǎn)的說(shuō)明如下。

1）數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)采樣是指從SIS采集數(shù)據(jù)后填入報(bào)告；事件觸發(fā)由數(shù)據(jù)產(chǎn)生報(bào)警或提示類事件；動(dòng)態(tài)變化是動(dòng)態(tài)顯示現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)變化的數(shù)據(jù)值。

2）實(shí)時(shí)性。指EAM對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取的要求。對(duì)于EAM，實(shí)時(shí)是指在條件允許的情況下，準(zhǔn)實(shí)時(shí)或盡量接近實(shí)時(shí)或盡量與SIS時(shí)間接近，但并不要求達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)控制級(jí)別的實(shí)時(shí)性。

3）數(shù)據(jù)量。指EAM單次獲取數(shù)據(jù)過(guò)程中數(shù)據(jù)量。

4）原始性。指EAM功能最終獲得的數(shù)據(jù)與DCS原始數(shù)據(jù)的差異性。真實(shí)數(shù)據(jù)即EAM得到數(shù)據(jù)就是DCS原始數(shù)據(jù)，分析后數(shù)據(jù)是指經(jīng)過(guò)原始數(shù)據(jù)與閥值數(shù)據(jù)比對(duì)之后選擇的數(shù)據(jù)如高于或低于最大或最小值；粗粒度化數(shù)據(jù)指對(duì)大量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行粗粒度化提取和抽象，如取某一時(shí)間段內(nèi)最大或最小或平均值作為這一階段數(shù)據(jù)的代表。

存儲(chǔ)指獲取的數(shù)據(jù)是否需存儲(chǔ)于EAM數(shù)據(jù)庫(kù)。另外，對(duì)于數(shù)據(jù)流向，一般都是DCS單向的流向SIS，SIS單向流向EAM。

2.2.2 幾種主流集成技術(shù)的特點(diǎn)分析

就單次數(shù)據(jù)采集量和數(shù)據(jù)采集頻率的支撐能力，對(duì)目前主流的集成技術(shù)進(jìn)行分析，見表2。

表2 幾種主流集成技術(shù)特點(diǎn)比較Tab.2 Comparison of mainstream integration technology characters

3 EAM與SIS集成架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 集成架構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合集成技術(shù)特點(diǎn)和EAM業(yè)務(wù)功能特點(diǎn)設(shè)計(jì)出集成架構(gòu)，以確定實(shí)現(xiàn)DCS，SIS與EAM之間的集成技術(shù)組件和組件間的邏輯關(guān)系。見圖2。

圖2 EAM與SIS集成架構(gòu)圖Fig.2 Integration architecture diagram of EAM and SIS

圖2為系統(tǒng)之間的邏輯集成架構(gòu)圖，從左向右由虛線圈定的依次為DCS，SIS和EAM系統(tǒng)，設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的方向?yàn)閱蜗蜃宰笙蛴?。在DCS與SIS之間由防火墻系統(tǒng)進(jìn)行隔離，并通過(guò)接口機(jī)采集來(lái)自核電現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在EAM與SIS之間，通過(guò)圖2中所列的組件實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)獲取、處理、發(fā)送、在管理信息網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。

3.2 集成架構(gòu)說(shuō)明

3.2.1 對(duì)于關(guān)注數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化類功能

數(shù)據(jù)抓?。篍AM中的 “設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)展示”，需要實(shí)時(shí)（盡量與SIS時(shí)間接近，但不要求完全及時(shí)）獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)。在圖2中通道1，通過(guò)對(duì)SIS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的直接訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)，如以每隔5 s的周期頻率訪問(wèn)一次SIS數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取5 s時(shí)間范圍內(nèi)的所有數(shù)據(jù)（約200～500 k），作為一個(gè)快照幀。

數(shù)據(jù)傳輸：圖2中Web服務(wù)器上部署應(yīng)用程序從通道1中抓取和緩存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快照幀，并以Protocol Buffer（一種便于網(wǎng)絡(luò)中高速傳輸和解析的數(shù)據(jù)格式）方式向網(wǎng)絡(luò)中其他系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。EAM客戶端以5 s為間隔通過(guò)異步通訊技術(shù)和HTTP協(xié)議獲取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行展示。由于數(shù)據(jù)不需要存儲(chǔ)在EAM數(shù)據(jù)庫(kù)，因此可在展示后丟棄。

3.2.2 對(duì)于事件觸發(fā)類功能

數(shù)據(jù)抓?。篍AM中的 “設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)異常觸發(fā)CR和CA”、“根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)觸發(fā)預(yù)防性維護(hù)維修工單”功能，其實(shí)時(shí)性要求弱于“關(guān)注數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化類功能”。在圖2中通過(guò)通道2的API獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。

事件觸發(fā)：EAM采用訂閱模式向MQ訂閱事件，一旦事件發(fā)生，會(huì)觸發(fā)EAM如CR狀態(tài)報(bào)告（告警）、CA糾正行動(dòng)、維修工單等。

數(shù)據(jù)傳輸：告警值不是查詢的全部數(shù)值，因此數(shù)據(jù)量小，可通過(guò)MQ消息隊(duì)列方式向EAM系統(tǒng)傳輸，圖2中MQ服務(wù)器的阻塞等待排隊(duì)模式可以起到異步化通訊和緩存化數(shù)據(jù)的作用，進(jìn)一步為滿足EAM低速需求而降速。

3.2.3 對(duì)于數(shù)值采樣類功能

EAM中的“巡檢日志和值班日志”和“LCO（限制性操作條件）跟蹤”功能需要提取一段時(shí)間內(nèi)某幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)值，主要按條件對(duì)周期內(nèi)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選過(guò)濾，實(shí)時(shí)性要求不高。圖2中通過(guò)通道3對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行直接查詢，選出需要的數(shù)值。

通過(guò)MQ消息隊(duì)列向EAM傳送數(shù)據(jù)。之后，記錄填寫程序從隊(duì)列中獲取數(shù)據(jù)，填入值班日志或跟蹤記錄中，并最終存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2.4 對(duì)于統(tǒng)計(jì)圖表類功能

數(shù)據(jù)導(dǎo)出：數(shù)據(jù)導(dǎo)出程序通過(guò)圖2中的通道4以天為單位從SIS數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)出增量數(shù)據(jù)文件，格式為CVS。

粒度放大：對(duì)于EAM數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，不需要關(guān)注DCS實(shí)時(shí)細(xì)粒度的數(shù)據(jù)。放大策略如，一個(gè)采樣周期內(nèi)（如每10 s）的最大值、最小值、平均值。實(shí)現(xiàn)將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成粗粒度數(shù)據(jù)，減小數(shù)據(jù)量。

數(shù)據(jù)發(fā)布：將粗粒度數(shù)據(jù)以文件形式上傳到FTP服務(wù)器。

數(shù)據(jù)提?。簭腇TP服務(wù)器下載數(shù)據(jù)文件。

數(shù)據(jù)導(dǎo)入：包括數(shù)據(jù)核查（對(duì)文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查）、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（根據(jù)原數(shù)據(jù)規(guī)范，將SIS數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成EAM數(shù)據(jù)庫(kù)要求的格式）、數(shù)據(jù)裝載（利用數(shù)據(jù)導(dǎo)入工具將文件中數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)）。

3.2.5 OPC方式

對(duì)于可提供OPC服務(wù)器的SIS，可以采用OPC方式直接將SIS提供的控件集成到EAM中。

3.3 核電企業(yè)的應(yīng)用實(shí)例

1）EAM值長(zhǎng)值班日志如表3所示。

表3 值班日志中值長(zhǎng)關(guān)注的設(shè)備問(wèn)題示例Tab.3 Equipment′s issues list in duty log by leader monitor

表3中，數(shù)值7 N·m3/h為RX反應(yīng)堆廠房中核島SAR（壓縮空氣系統(tǒng)）KSC015EN記錄儀采集并通過(guò)圖2中的通道3傳送給EAM系統(tǒng)；數(shù)值0.123 MPa至0.170 MPa由設(shè)備SEC004PO中的壓力測(cè)量?jī)x采集并通過(guò)通道3傳送給EAM系統(tǒng)并自動(dòng)記錄于值長(zhǎng)日志中。

2）設(shè)備故障清除率統(tǒng)計(jì)報(bào)表見圖3。

圖3 EAM設(shè)備故障清除率統(tǒng)計(jì)報(bào)表示例Fig.3 Statistical report of failure removing rate of EAM equipment

當(dāng)通過(guò)圖 2的通道 2從 SIS（DCS）中獲取的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)與預(yù)警閥值比對(duì)出現(xiàn)異常情況時(shí)，通過(guò)圖2中的消息通道向EAM發(fā)送故障報(bào)警并自動(dòng)產(chǎn)生糾正行動(dòng)或維修工單，圖3的設(shè)備故障清除率則是統(tǒng)計(jì)通過(guò)糾正行動(dòng)或維修工單清除掉的故障情況。

3）KPI關(guān)鍵性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)報(bào)表見表4。

表4 EAM關(guān)鍵性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)報(bào)表示例Tab.4 Statistical report of key performance index

表4中，放射性流出物由DCS中的放射物監(jiān)測(cè)儀采集數(shù)據(jù)，并將每周采集的數(shù)據(jù)通過(guò)圖2的通道4發(fā)送給EAM，EAM統(tǒng)計(jì)月超過(guò)月排放量次數(shù)，當(dāng)大于1時(shí)此指標(biāo)為紅燈；一回路水質(zhì)由DCS采集當(dāng)月一回路系統(tǒng)中氟、氯離子、溶解氫、溶解氧值，通過(guò)圖2的通道4發(fā)送給EAM，EAM將其與期望值相比，其值大于1且小于1.02時(shí)，指標(biāo)為黃燈。

4 結(jié)論

總體而言，EAM與SIS的集成架構(gòu)是從EAM對(duì)DCS的數(shù)據(jù)需求出發(fā)，通過(guò)分析EAM功能的特點(diǎn)和主流集成技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)性的實(shí)現(xiàn)2個(gè)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)粒度、數(shù)據(jù)規(guī)模、數(shù)據(jù)時(shí)效性、數(shù)據(jù)頻度的匹配。即將DCS及SIS的海量細(xì)粒度數(shù)據(jù)放大為EAM綜合統(tǒng)計(jì)所用的粗粒度數(shù)據(jù)，將高速采集的生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)降速為EAM所能使用管理類數(shù)據(jù)。在SIS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)連通了DCS與SIS之后，EAM與SIS集成架構(gòu)的提出，進(jìn)一步打通了EAM與SIS的通道，完成了管理支撐系統(tǒng)與生產(chǎn)控制系統(tǒng)之間的端到端連通，為實(shí)現(xiàn)最終的管控一體化奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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