基于ARM-Linux的火電機(jī)組在線性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

方彥軍，董政呈

（武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072）

相關(guān)研究表明[1-5]，機(jī)組的在線性能監(jiān)測(cè)對(duì)其安全、可靠、節(jié)能運(yùn)行具有重要的意義。國外對(duì)于機(jī)組的性能監(jiān)測(cè)研究起步較早，通用、ABB、McHale、西門子等多家公司都相繼推出了商業(yè)化產(chǎn)品，他們?yōu)樵O(shè)備的快速診斷提供了依據(jù)[5]。我國的機(jī)組性能監(jiān)測(cè)研究起步較晚，但起點(diǎn)較高，在國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)的研究取得了一定成果[6-7]。

此外，電廠操作人員的控制直接影響著機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，在線考核管理系統(tǒng)作為應(yīng)用較多的管理軟件對(duì)設(shè)備的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)具有重要的指導(dǎo)意義。鑒于國內(nèi)外電廠的運(yùn)行規(guī)程和調(diào)度模式不同，開發(fā)適合國內(nèi)電廠的機(jī)組性能監(jiān)測(cè)和考核管理系統(tǒng)具有重要的意義。

基于目前的設(shè)備和技術(shù)，性能監(jiān)測(cè)和分析系統(tǒng)主要可分為獨(dú)立式、基于DCS式、基于SIS式、基于MIS式4大類[3]。其中，獨(dú)立式系統(tǒng)需要外置計(jì)算機(jī)設(shè)備，投入較大；隨著MIS系統(tǒng)的普及，SIS系統(tǒng)逐漸被取代，而基于這2種系統(tǒng)的性能監(jiān)測(cè)軟件只能讀取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，無法參與計(jì)算和控制。

文獻(xiàn)[8]提出了一種基于單片機(jī)系統(tǒng)的機(jī)組在線性能監(jiān)測(cè)裝置，該裝置能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸和熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算，為運(yùn)行人員提供指導(dǎo)方案。但該裝置無法實(shí)現(xiàn)多線程操作和功能模塊化，為此，系統(tǒng)需要采用多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng)。在眾多嵌入式系統(tǒng)中，Linux系統(tǒng)在嵌入式領(lǐng)域以其自身的開放性、廉價(jià)性、實(shí)時(shí)性和安全性，已成為越來越多的嵌入式應(yīng)用開發(fā)的首要平臺(tái)[9-10]。

綜上，本文提出一種基于ARM-Linux架構(gòu)的在線性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組的在線性能監(jiān)測(cè)與操作人員的考核管理功能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于艾默生-西屋公司的Ovation系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)外掛于DCS外部，通過安裝在DCS I/O底板上的LC模塊與DCS進(jìn)行通信，通信遵循Modbus RTU協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure chart of system

系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用的ARM芯片為LPC3250，該處理器是由NXP半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)的一款高性能、低功耗的嵌入式芯片，主頻最高可達(dá)266 MHz，具有一個(gè)矢量浮點(diǎn)協(xié)處理器，片內(nèi)SRAM大小為256 K，具有多種Boot啟動(dòng)方式。

系統(tǒng)采用核心板和底板的雙層架構(gòu)。其中，核心板是系統(tǒng)硬件的核心，是處理器和操作系統(tǒng)賴以工作的基礎(chǔ)，包含了硬件部分的所有主芯片。為保證核心板的可靠運(yùn)行，處理器采用小尺寸BGA封裝，PCB采用4層板設(shè)計(jì)，且充分考慮了反射、串?dāng)_以及信號(hào)等長等電磁兼容設(shè)計(jì)規(guī)則。核心板主要由ARM最小系統(tǒng)、32 M的NAND FLASH存儲(chǔ)器、2 M的NOR FLASH存儲(chǔ)器和64 M的DDR SDRAM組成。其中，NAND FLASH存儲(chǔ)器主要用于存放內(nèi)核代碼、應(yīng)用程序、文件系統(tǒng)和資料數(shù)據(jù)，其大小可以根據(jù)需求而改變；NOR FLASH存儲(chǔ)器空間較小，一般用于放置不常更改的BIOS；SDRAM主要用于存放程序運(yùn)行過程中產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)。此外，ARM最小系統(tǒng)包含處理器正常工作所需的基本電路，如晶振電路、復(fù)位電路和穩(wěn)壓電路等。

底板是系統(tǒng)的I/O板，主要負(fù)責(zé)與外界的通信和交互。由于電路中不存在高速和高頻傳輸電路，為節(jié)約成本和設(shè)計(jì)方便等目的，底板采用雙層板設(shè)計(jì)。底板主要由電源模塊、SD卡存取模塊、通信模塊、LCD顯示模塊、以太網(wǎng)模塊等組成。

①電源模塊。系統(tǒng)采用220 V交流市電供電，為獲得芯片工作的低等級(jí)直流電壓，電源模塊配有AC/DC以及DC/DC轉(zhuǎn)換電路，以滿足不同芯片工作時(shí)所需的5 V、3.3 V和1.2 V等級(jí)直流電壓。

②SD卡模塊。SD卡模塊主要用于考核數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，具有操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)展方便等特點(diǎn)。

③LCD模塊。采用12.7 cm（5.0寸）的320×240點(diǎn)陣顯示屏，主要用于顯示不同工作時(shí)段內(nèi)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

④以太網(wǎng)模塊。LPC3250處理器帶有特定DMA控制器的10/100以太網(wǎng)MAC，通過PHY芯片可方便地?cái)U(kuò)展以太網(wǎng)接口，本裝置采用的PHY芯片型號(hào)為SMSC公司的LAN8700。以太網(wǎng)模塊主要用于Linux系統(tǒng)的移植，也可擴(kuò)展用于數(shù)據(jù)通信，將所需數(shù)據(jù)打包發(fā)送至監(jiān)控中心。

⑤通信模塊。通信模塊采用RS485通信電路，通過SP485芯片將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換為485通信所需的差分信號(hào)。通信模塊負(fù)責(zé)與DCS系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，遵循Modbus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

2 熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算和考核管理

基于Linux嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)一般分為Linux系統(tǒng)的移植、底層驅(qū)動(dòng)的開發(fā)和應(yīng)用程序的開發(fā)3部分。其中，系統(tǒng)移植主要包括建立交叉編譯環(huán)境，編寫引導(dǎo)程序Bootloader，配置和裁剪嵌入式Linux內(nèi)核以及移植文件系統(tǒng)等工作；驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)是針對(duì)特定設(shè)備的正常工作而進(jìn)行的，一般情況下，驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)具有以下功能：設(shè)備的初始化、與硬件之間的數(shù)據(jù)讀取和傳輸、應(yīng)用程序與設(shè)備文件的數(shù)據(jù)傳遞、設(shè)備故障的檢測(cè)與處理。

本文所提出的基于Linux的在線性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算和考核管理兩大功能組成。此外，軟件還包括顯示和通信模塊，系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of software

2.1 熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算

熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算是整個(gè)軟件乃至整個(gè)系統(tǒng)的核心，是關(guān)注的重點(diǎn)，其主要分為數(shù)據(jù)的一致性檢驗(yàn)[6，11]和性能指標(biāo)計(jì)算兩個(gè)部分。系統(tǒng)的工作流程如下：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首先發(fā)送寄存器讀取命令，獲得DCS的一次測(cè)量參數(shù)，然后根據(jù)鍋爐、汽輪機(jī)和機(jī)組的性能計(jì)算模型[12-13]在線計(jì)算所需的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，最終將結(jié)果通過Modbus協(xié)議傳回至DCS，以供操作人員參考和監(jiān)視，流程圖如圖3所示。

（1）數(shù)據(jù)的一致性檢驗(yàn)

來自數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)難免存在錯(cuò)誤，而在線性能計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性又依賴于機(jī)組運(yùn)行參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。這時(shí)就需要對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，以剔除或者發(fā)現(xiàn)不良數(shù)據(jù)。一般來說，錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)主要分為兩類，一類是比較穩(wěn)定的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，如設(shè)備、傳感器等故障而引起的；另一類是隨機(jī)出現(xiàn)的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，如測(cè)量精度、線路等干擾引起的[14-17]。

圖3 熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算流程圖Fig.3 Flow chart of thermal economic indices calculation

數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)的能力來自測(cè)量系統(tǒng)的冗余度，而本系統(tǒng)獲得的一次參數(shù)均來自于DCS，不具有多點(diǎn)的冗余測(cè)量。因此，本文采用一種較為簡(jiǎn)便的粗檢測(cè)法進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)，即通過比較數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)的變化率是否超過規(guī)定的極限值來尋找不良數(shù)據(jù)。

即：

或

式中：Ti為某測(cè)量值；Thigh、Tlow為預(yù)先設(shè)定的上限和下限值；Δt為通信時(shí)間間隔；?為設(shè)定的變化率閾值。

若發(fā)現(xiàn)不良數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)丟棄本次獲得的所有通信數(shù)據(jù)，并立即重新進(jìn)行參數(shù)的獲取，若連續(xù)多次發(fā)現(xiàn)同一參數(shù)均為不良數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，提示檢查相應(yīng)設(shè)備和監(jiān)測(cè)裝置。

（2）熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算

由DCS系統(tǒng)獲得的參數(shù)主要是由傳感器測(cè)得的一次參數(shù)，并不能直觀地表示機(jī)組的運(yùn)行狀況。因此，需要通過特定的鍋爐、汽輪機(jī)和機(jī)組的性能計(jì)算模型對(duì)一次數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以得到熱經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)（如表1所示）。計(jì)算得到的性能指標(biāo)主要分為廠級(jí)性能、鍋爐性能、汽輪機(jī)性能、凝汽器性能、給水加熱器性能、空氣預(yù)熱器性能6類[1]。

表1 熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)Tab.1 Thermal economic Indices

2.2 考核管理

在線考核管理與機(jī)組在線性能計(jì)算可以構(gòu)成一個(gè)全面的機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性在線監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)，考核管理可以作為機(jī)組性能監(jiān)測(cè)的輔助工具，用以提醒和監(jiān)督當(dāng)值人員及時(shí)調(diào)整機(jī)組相關(guān)參數(shù)。

為考核的準(zhǔn)確性和公平性，目前的考核管理一般只采用一次參數(shù)作為采集和考核的對(duì)象。通過計(jì)算與一次參數(shù)有關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息，即可在一定程度上獲得單位時(shí)間內(nèi)機(jī)組的運(yùn)行狀況，并以此作為操作人員的考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。其中，統(tǒng)計(jì)信息主要包括參數(shù)的超限次數(shù)（上下限可根據(jù)機(jī)組的實(shí)際情況設(shè)定）、最大值、最小值和平均值等。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可由裝置的LCD顯示屏直觀讀取，也可通過讀取SD卡內(nèi)的文本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文提出的火電機(jī)組在線性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在廣東沙角C電廠成功試用，在#3機(jī)組下進(jìn)行了實(shí)時(shí)計(jì)算。其計(jì)算結(jié)果顯示界面如圖4和圖5所示，試驗(yàn)表明，開發(fā)的機(jī)組在線性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確度高，可以用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)計(jì)算。

圖4 沙角C電廠鍋爐性能顯示Fig.4 Display of boiler performance in Shajiao C plant

圖5 沙角C電廠汽機(jī)性能顯示Fig.5 Display of turbine performance in Shajiao C plant

4 結(jié)語

本文提出的基于ARM-Linux系統(tǒng)的火電機(jī)組在線性能監(jiān)測(cè)與考核管理系統(tǒng)能有效地指導(dǎo)電廠工作人員及時(shí)調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，具有較高的實(shí)用性。系統(tǒng)采用ARM-Linux架構(gòu)的嵌入式設(shè)計(jì)，程序采用模塊化設(shè)計(jì)，具有多任務(wù)操作特點(diǎn)，能有效地克服裸系統(tǒng)裝置的不易擴(kuò)展、實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)。系統(tǒng)的在線性能計(jì)算模塊能有效地利用DCS采集到的一次參數(shù)，通過模型計(jì)算的方式得出能直觀反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，具有較高的參考價(jià)值；考核管理模塊以被動(dòng)的激勵(lì)方式指導(dǎo)當(dāng)值人員及時(shí)調(diào)整機(jī)組的相應(yīng)運(yùn)行參數(shù)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，具有一定的市場(chǎng)前景。

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