DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

李虎，吉雪松，張棟良，趙先浩，林洪瑩

（1.安徽華電宿州發(fā)電有限公司，安徽宿州234101；2.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明650051；3.上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院，上海200090；4.山東和信智能科技有限公司，濟(jì)南250002）

·發(fā)電技術(shù)·

DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

李虎1，吉雪松2，張棟良3，趙先浩3，林洪瑩4

（1.安徽華電宿州發(fā)電有限公司，安徽宿州234101；2.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明650051；3.上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院，上海200090；4.山東和信智能科技有限公司，濟(jì)南250002）

通過對(duì)表征電站DCS系統(tǒng)各設(shè)備可靠性影響因素的研究，得到DCS設(shè)備級(jí)可靠性狀態(tài)監(jiān)測量，并通過信息化處理、計(jì)算機(jī)以及通信技術(shù)等一體化實(shí)施DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)在電站實(shí)施和運(yùn)行。結(jié)果證明，所研發(fā)的系統(tǒng)為熱控檢修人員提供了精細(xì)化檢修指導(dǎo)信息，提高了基于DCS可靠運(yùn)行的電站安全性。

分散控制系統(tǒng)；狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；可靠性；故障

0 引言

目前電力行業(yè)正在往精細(xì)化檢修的目標(biāo)方向發(fā)展，分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）已經(jīng)成為火力發(fā)電機(jī)組的神經(jīng)中樞。但是和其他工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣，DCS也會(huì)失效，出現(xiàn)故障，故障具有突發(fā)性和多變性，很難預(yù)測。一旦發(fā)生故障，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，后果一般很嚴(yán)重，會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失、設(shè)備損壞或人身傷害。熱工人員對(duì)于DCS系統(tǒng)組態(tài)比較熟悉，對(duì)于DCS系統(tǒng)掌握停留在應(yīng)用層，對(duì)于DCS系統(tǒng)深層次的應(yīng)用不熟悉，而且熱工人員無法實(shí)時(shí)關(guān)注DCS系統(tǒng)報(bào)警信息。DCS系統(tǒng)的DPU主輔狀態(tài)切換時(shí)間，切換時(shí)的故障報(bào)警信息查詢不方便，DCS系統(tǒng)AI、AO、DI、DO、RTD、TC、SD、VP卡等報(bào)警信息、故障信息，以及故障、報(bào)警發(fā)生的時(shí)間、次數(shù)等重要信息無法記錄下來，DCS系統(tǒng)的兩路電源系統(tǒng)切換、報(bào)警、掉電等信息以及發(fā)生的時(shí)間等無法記錄，DCS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀態(tài)變化及網(wǎng)絡(luò)掉線等信息及發(fā)生的時(shí)間無法記錄，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)端口信息、交換機(jī)CPU使用率、內(nèi)存使用率及網(wǎng)絡(luò)掉線及發(fā)生的時(shí)間進(jìn)行監(jiān)視，交換機(jī)的交換或通信信息量等系統(tǒng)重要信息無法得知，DCS系統(tǒng)各個(gè)機(jī)柜內(nèi)溫度信息等不能實(shí)時(shí)掌握。而目前并沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)DCS各組成設(shè)備發(fā)生故障的手段和相關(guān)的記錄措施，不能系統(tǒng)性地表征DCS設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)［1］。為實(shí)現(xiàn)DCS安全運(yùn)行的透明化，對(duì)DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)可靠性進(jìn)行研究，基于信息處理技術(shù)［2］，開發(fā)研制DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，基于第三方通信協(xié)議，對(duì)DCS設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)視。系統(tǒng)能及時(shí)監(jiān)視DCS的運(yùn)行異常和故障，使DCS健康運(yùn)行，遠(yuǎn)離系統(tǒng)過載，遠(yuǎn)離危險(xiǎn)狀態(tài)。

圖1 DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1 DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖1為Ovation DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)將DCS的運(yùn)行狀態(tài)信息通過采用第三方通信采集到DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，形成數(shù)據(jù)平臺(tái)。

針對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)源可分為DCS數(shù)據(jù)庫部分、DCS交換機(jī)部分和DCS的DPU部分，這3部分分別采用內(nèi)部協(xié)議、SNMP協(xié)議和RPC協(xié)議獲取系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)；通過數(shù)據(jù)源及相應(yīng)的協(xié)議采集的數(shù)據(jù)分別通過Ovation OPC和SUEPOPC進(jìn)行數(shù)據(jù)服務(wù)；在監(jiān)控平臺(tái)部分，通過Ovation的OPCServer和自行開發(fā)的SUEP OPC-Server收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并利用組態(tài)軟件的OPC-Client進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)到力控的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)I／O模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)讀寫，還完成基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)解析，如打包點(diǎn)的按位解析；邏輯知識(shí)庫存儲(chǔ)報(bào)警條件等配置信息，通過邏輯配置模塊與人機(jī)接口相連，用戶可通過畫面修改配置；歷史數(shù)據(jù)訪問模塊為歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問查詢提供接口；邏輯判斷模塊主要完成檢測系統(tǒng)的整體推理和進(jìn)程的監(jiān)控。

通過對(duì)DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理，形成DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測畫面。作為人機(jī)互動(dòng)接口，主要包括DCS可靠性監(jiān)測系統(tǒng)主畫面、交換機(jī)流量信息畫面、卡件狀態(tài)畫面、重要點(diǎn)及電源信息監(jiān)測畫面、報(bào)警狀態(tài)畫面以及離線狀態(tài)畫面。這些畫面的局部定位和綜合可以全方位指導(dǎo)維修人員監(jiān)視DCS的運(yùn)行狀態(tài)，以便根據(jù)畫面信息指示及時(shí)維護(hù)DCS設(shè)備。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)

DCS在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖2所示，包括DPU運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、DCS卡件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、工作站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、DCS電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、交換機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、控制柜溫度運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、重要參數(shù)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視。

圖2 DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能組成

2.1 可靠性監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式如圖3所示，DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要是基于對(duì)DCS系統(tǒng)的DPU信息采集、卡件信息采集、交換機(jī)信息采集以及環(huán)境信息采集［3］，基于這一系列信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，包括數(shù)據(jù)計(jì)算、閾值比較、狀態(tài)判斷及存儲(chǔ)，形成DPU負(fù)載報(bào)告、卡件異常記錄、電源切換記錄、交換機(jī)負(fù)載報(bào)告、機(jī)柜溫度記錄及重要信息點(diǎn)狀態(tài)的報(bào)告，依據(jù)這些報(bào)告形成故障報(bào)警，異常記錄和趨勢曲線，同時(shí)形成DCS的各畫面的狀態(tài)信息。

圖3 DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.2 數(shù)據(jù)獲取關(guān)鍵技術(shù)

DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示，狀態(tài)監(jiān)測是采用OPC對(duì)DCS狀態(tài)信息采用網(wǎng)絡(luò)偵聽的方式，因此狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行與DCS系統(tǒng)相互隔離，保證監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)DCS運(yùn)行無影響，而通過OPC接口訪問DCS數(shù)據(jù)庫，通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議訪問交換機(jī)守護(hù)進(jìn)程，通過識(shí)別、截取對(duì)過程站原有進(jìn)程網(wǎng)絡(luò)包進(jìn)行解析。

圖4 DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2.2.1 OPC技術(shù)數(shù)據(jù)獲取

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所遵循的OPC標(biāo)準(zhǔn)［4-5］是以微軟公司的OLE技術(shù)為基礎(chǔ)的，如圖5所示，采用在DCS系統(tǒng)側(cè)配置OPC SERVER作為OPC服務(wù)器，在狀態(tài)可靠性監(jiān)測系統(tǒng)側(cè)配置OPC CLIENT作為客戶端，采用OPC技術(shù)建立起可靠性監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)采集機(jī)制，并將設(shè)備可靠性狀態(tài)分析中所需的DCS中的信息作為可靠性監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)和調(diào)用。這種數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)獲取方式具有高效、可靠的特點(diǎn)。

圖5 基于OPC的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

2.2.2 基于SNMP的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）是基于TCP／IP協(xié)議族的網(wǎng)絡(luò)管理標(biāo)準(zhǔn)［6］，能夠支持網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，用以監(jiān)測連接到網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備是否有任何引起管理上關(guān)注的情況。系統(tǒng)采用該協(xié)議將DCS系統(tǒng)設(shè)備中交換機(jī)、操作員站、工程師站以及過程站分別作為被管理的系統(tǒng)，如圖6所示，通過各自的代理者的軟件元件可以讀取OID參數(shù)，通過OID狀態(tài)信號(hào)可以獲取交換機(jī)、操作員站、工程師站以及過程站的CUP負(fù)載、內(nèi)存占用率等信息，而這些信號(hào)成為分析DPU運(yùn)行狀態(tài)、DCS卡件運(yùn)行狀態(tài)、操作員站運(yùn)行狀態(tài)、工程師站運(yùn)行狀態(tài)和交換機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等的依據(jù)。如獲取內(nèi)存當(dāng)前使用情況可調(diào)用指令：

［snmpwalk-v 2c-c Public 192.168.4.11.3.6.1.4.1.9.9. 48.1.1.1.5］。

圖6 SNMP協(xié)議讀取DCS主設(shè)備的狀態(tài)信息

2.2.3 基于RPC技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取

遠(yuǎn)程過程調(diào)用協(xié)議（Remote Procedure Call Protocol，RPC）［7］，是一種通過網(wǎng)絡(luò)從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)程序上請(qǐng)求服務(wù)，而不需要了解底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的協(xié)議。系統(tǒng)中采用可靠性檢測系統(tǒng)調(diào)用過程站、操作員站和工程師站的守護(hù)進(jìn)程，如圖7所示，可靠性監(jiān)測系統(tǒng)通過訪問DCS中狀態(tài)自檢進(jìn)程，獲得設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)信息。

圖7 基于RPC協(xié)議的狀態(tài)信息讀取

3 系統(tǒng)應(yīng)用

DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)自2016年2月在安徽某發(fā)電廠（DCS為Ovation系統(tǒng)，控制器為OCR400）投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DPU（CPU負(fù)荷、內(nèi)存負(fù)荷、網(wǎng)卡流量、離線、主備切換）、I／O卡件（故障、離線）、交換機(jī)（CPU負(fù)荷、內(nèi)存負(fù)荷、端口吞吐量）、機(jī)柜溫度、機(jī)柜電源（主備切換、掉電）、工程師站、操作員站（離線、重啟）等DCS設(shè)備的2 000余個(gè)監(jiān)測信息點(diǎn)的一體化監(jiān)控、報(bào)警和記錄，如圖8所示。系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，通過本系統(tǒng)的實(shí)施，降低了機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)率、非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)、非計(jì)劃停運(yùn)小時(shí)，非計(jì)劃降出力時(shí)間，增加連續(xù)運(yùn)行天數(shù)，從而提升電廠可靠性指標(biāo)通過本系統(tǒng)的實(shí)施，每年可減少DCS引起的事故50%以上，且大大縮短了設(shè)備的維修時(shí)間。

圖8 DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行界面

4 結(jié)語

DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用OPC協(xié)議技術(shù)、SNMP協(xié)議和RPC協(xié)議獲取DCS設(shè)備的可靠性監(jiān)測狀態(tài)信息，旨在保證DCS運(yùn)行本身安全的前提下，對(duì)DCS設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)偵聽獲取和解析，通過對(duì)有效信息的計(jì)算和狀態(tài)判斷得到對(duì)DCS設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的判斷和指示，對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)起到了積極作用。通過該系統(tǒng)在某電站的運(yùn)行表明，其可有效診斷和記錄DCS設(shè)備級(jí)的DCS可靠性狀態(tài)信息，提供及時(shí)設(shè)備定位檢修，而基于DCS設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的歷史信息和在線信息，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)挖掘和智能處理，為電站DCS維護(hù)檢修人員提供更有效地指導(dǎo)信息，對(duì)DCS系統(tǒng)可靠性的影響因素進(jìn)行分析，并進(jìn)一步地對(duì)DCS的健康度狀態(tài)和可靠性指標(biāo)體系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

［1］肖大雛.超超臨界機(jī)組控制設(shè)備及系統(tǒng)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］潘笑，潘維加.熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京：中國電力出版社，2011.

［3］章德龍.600 MW火力發(fā)電機(jī)組培訓(xùn)教材—鍋爐設(shè)備及其系統(tǒng)［M］.北京：中國電力出版社，2001.

［4］高強(qiáng)，張亮，李月鳳.基于OPC技術(shù)的虛擬DCS監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀表，2009，24（12）：30-32.

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［7］康禮鴻，王建林，趙利強(qiáng)，等.基于XML-RPC的分布式儀器系統(tǒng)集成［J］.計(jì)算機(jī)工程，2012，38（4）：230-232.

On-line State Monitoring System of DCS Equipment

LI Hu1，JI Xuesong2，ZHANG Dongliang3，ZHAO Xianhao3，LIN Hongying4
（1.Anhui Huadian Suzhou Electric Co.，Ltd.，Suzhou 234101，China；2.Kunming Engineering Corporation Limited，Kunming 650051，China；3.Department of Automation Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China；4.Shandong Hexin Intelligent Technology Co.，Ltd.，Jinan 250002，China）

Influence factors on the reliability of equipment of the DCS system were studied，and monitoring parameters of the reliability state were obtained.Based on the information processing technology，computer technology and communication technology，the on-line state monitoring system of DCS equipment was realized.Through the running of this system in one power plant，it was showed that this system can provide enough guidance information for fine maintenance for thermal control maintenance personnel and can improve power plant safety based on the DCS reliability.

distributed control system；status monitoring system；reliability；fault

TM621.6

A

1007－9904（2016）11－0058－04

2016-07-19

李虎（1984），男，碩士，主要從事火電廠熱控設(shè)備檢修與維護(hù)技術(shù)以及管理工作。

上海市自然科學(xué)基金（15ZR1418300）