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厂级监控信息系统(SIS)调研报告研究,报告,信息,信息系统,调研报告,SIS,研究报告
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厂级监控信息系统(SIS)调研报告
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1、相关定义
1.1、回传波射矩阵法程序中模块的定义及输入输出文件的说明
本程序使用输入数据文件(beam.dat、materaial.dat、El_Centro_NS.dat、 vector.dat)提供材料的尺寸、材料常数、时间步长、结构约束、节点性质以及输 第 22 页 上海交通大学硕士学位论文 框架结构的地震效应 入加速度序列等基本信息。同样的,文件 Para.inc 对程序中一些全局变量或常量 的数据初始化。 (1) 总体数据文件(beam.dat) 待输入量具体格式见表(3-1) 表 3-1 总体数据文件 待输入量名称 待输入量说明 nN 设定的波回传次数,正整数,供求解诺曼级数之用 dbDeltareal 离散 Fourier 变换时取点的时间间隔 iFlag iFlag=1, 求解应变 ;iFlag=2, 求解位移 ;iFlag=3,求解内 力 Ereal Young’s Modulus, 构件材料的杨氏模量 noutput 输出的时间点数 Rhoreal Density, 构件材料的质量密度 (2) 结构特性数据文件(materaial.dat) 待输入量具体格式见表 3-2 表 3-2 材料特性数据文件 待输入量名称 待输入量说明 Jt Start Joint,构件的开始节点 Ed End Point,构件的末尾节点 Lengthreal Length, 构件的长度 Theta Angle,该构件与总体坐标系水平轴的夹角 Ymax Max Depth,该构件截面上的点与中性轴的最大距离 (3) 载荷输入文件 (El_Centro_NS.dat) 该文件的数据为 El_Centro 地震波的加速度时程(。本文只考虑单向地震波 的情形,且方向为正 X 轴) (4) 节点性质文件 (vector.dat) 对每一个节点输入以下四个基本参数 N,M,r,Jci。 第 23 页 上海交通大学硕士学位论文 框架结构的地震效应 表 3-3 节点性质文件 变量名 待输入参数说明 N number of members connected to i-th joint according to joint order,共同拥有第 i 个节点的杆件的数量 Jci Joint constraint index,节点约束指数。具体数值如下: Jci=1,y 方向固定,M 为零,x 方向可动,动铰 Jci=2,x,y 位移固定,M 为零,定铰 Jci=3,x,y 位移和转角固定,固支 Jci=4,转角为零,x,y 方向可加力,M 及 x,y 方向位移未 知。 Jci=5,自由节点,与节点指数为 0 效果相同 Jci=6,y 方向可以加位移,x 方向外力为零,M 为零,U, fy,未知。 Jci=7,y 方向可加位移,x 方向位移为零,转角为零。 Jci=8,y 方向可以加位移,(例如,y 方向给出位移函数,x 方向给定零位移)M 为零,fx,fy,未知。 (5) 公用数据文件(Para.inc) 公用文件中的变量在整个工程文件中通用,并初始化了一些常量。现在列 出一些重要的公用数据。具体参见表 3-4。 表 3-4 公用文件变量含义和初始化 变量名 含义及初值(若有初值) nM 傅立叶逆变换序列的长度 nM2 nM 数值上的一半 dcC 虚数单位 i nJtNm joint number,总节点数 nMmNm member number,总单元数 (6)输出文件简要介绍 本程序共包含如下输出文件,分别是:res.dat,Aij..dat,B B ij..dat ,Cij..dat, Vel.dat,Disp.dat。 其中:res.dat输出材料常数信息,Aij..dat,B B ij..dat,Cij..dat输出地震响应的 第 24 页 上海交通大学硕士学位论文 框架结构的地震效应 内力或应力值; Vel.dat输出El Centro地震波速度时程;Disp.dat输出El Centro地 震波位移时程。 Vel.dat 和 Disp.dat 是通过频域中的速度和位移经 FFT 逆变换得出,为了与 强震运动数据库所得数据进行对比,这些内容会在下章中说明。
1.2、无损检测定义及发展
无损检测是以不损害被检对象的使用性能为前提,应用多种物理方法(光、声、 电磁等)和化学方法,对各种工程材料、零部件、结构件进行有效地检测和测试,借 以评价它们的连续性、完整性、安全可靠性及某些物理性能[1]。目前常用的检测方法 主要有射线、渗透、磁粉、涡流、声发射、超声波和渗漏检测等等。 无损检测的发展大致经历了三个阶段,即早期的NDI(Non-Destructive Inspection)、 NDT(Non-Destructive Testing)、NDE(Non-Destructive Evaluation),目前统称为无损检测 (NDT): NDI:无损探伤,主要用于产品的最终检验,是在不损害材料的前提下,发现肉 眼无法察觉的缺陷,用来满足工程设计对零部件强度设计的需要。 NDT:无损检测,不仅要进行产品的最终检验,而且要监测工艺过程并测量工艺 过程中的各种工艺参数,特别是测量在加工过程中所需要的各种工艺参数,诸如温度、 压力、粘度、密度、浓度、液位、流量、成分、压力水平、温度应力、残余应力、晶 体颗粒、组织结构等等。 NDE:无损评估,随着断裂力学等原理用于材料和工件的极限寿命设计思想的出 2 现,不仅要探出缺陷存在的位置,而且要测出缺陷的其他特征以便对被检件作出检修 周期和使用安全寿命的结论;不仅要进行产品的最终检验以及过程工艺参数的测定, 而且还要在当认定材料中不存在致命的裂纹或其他缺陷时,从整体上评价材料中缺陷 的分散度,在NDE的信息和材料的结构性能之间建立联系,并对决定材料的性质、动 态响应和服役性指标的实测值等因素进行分析和评估。 目前,国外工业发达国家的无损检测技术已逐步从NDI和NDT阶段往NDE阶段过 渡[2]。
1.3、基本概念
在连续介质力学中,若考虑作用于微元体表面的应力和偶应力作用,则动量 和动量矩守恒方程在直角坐标系下的微分形式分别为: t ji ,j bi u i (2.56) m ji ,j f i t jk eijk 0(2.57) 上式中,tji为应力张量,m ji为偶应力张量,bi 、f i分别为体力和体力矩。由于 偶应力的存在,应力张量tji不再对称,可将其分解为对称应力张量 ji(Cauchy 应 力)和反对称应力张量 ji两部分之和,即: t ji ( t ji t ij ) / 2 ( t ji t ij ) / 2 ji ji(2.58) 对(2.57)式两端同时乘以置换张量emji,并考虑到对称应力张量与置换张量的双点 积为零,则可建立反对称应力与偶应力的关系为: ji ( m n m ,n f m ) emji/ 2(2.59) 计算反对称应力的散度,并将偶应力分解为偏斜部分(mn m)和球量部分 (m k k ij/ 3)之和,并将计算结果带入到(2.56)式中,可得另一种形式的守恒方程: ji , j mn m , nj em ij / 2 bi f m ,j em ij / 2 u i (2.60) 若不考虑体力和体力矩,则上式可简化为: ji , j m nm ,nj em ij / 2 u i (2.61) 联系式(2.56)和式(2.58)可知,mn m ,n emij/ 2正是应力张量tji的反对称部分 ji,即: ji mn m ,n emij/ 2(2.62) 由此可以看出,反对称应力(应力反对称部分)直接关联于偶应力的梯度,如: 12 21 mn 3, ne3 21 / 2 ( m1 3,1 m2 3,2 m。为直观表达应力张量对称的程 33,3) / 2 度,特引入应力对称度指标 D(%),并将其定义D 3 为(%) ij 6( ij ij) 100% i ,, j 1 i j D 2 对于平面应力问题,其对称度为(%) ij 2( ij ij) 100% i , j 1 。 i j 25
1.4、效应及明星效应的相关定义
1 《辞海》中有"效应"这一词条,并作出了相关的解释: 物质或劳务本身所具有的 使用价值或有用性,是物质或劳务的客观属性,并阐述了效应在庸俗经济学中的定义: 指人们在消费物质或劳务时所感受的满足,认为它的大小决定于各人的主观评价。由中 国社会科学院语言研究所词典编辑室编写,商务印书馆出版的 2005 年增补本《现代汉 语词典》在对"效应"的解释中以"明星效应"一词作为例证。该词典认为"效应"是 指:l)物理的或化学的作用所产生的效果,如光电效应、热效应、化学效应等。2)泛指 某个人物的言行或某事物的发生、发展在社会上引起的反应和效果:明星效应。陈志坚、 刘国涛在《"姚明效应"对我国体育发展的影响》 一文中,认为效应是一件事物或一 个人对社会造成的一定后果或影响,对"姚明效应"的解释是:姚明作为一名篮球运动 员对社会各个层面的影响从深度和广度上说已经在一定程度上对社会造成了一定的影 响和后果。张家治在《说名人效应》中认为"名人效应"就是名人的作用所产生的效果。 陈甲标在《人才社会化中的名人效应》中认为"名人效应"是指借名人之名所产生的社 会效果,它的机制是马太效应与晕轮效应的综合作用。我们知道"名人效应"与"明星 效应"概念相近却不能等同,总之,有关书籍和文献尚没有对"明星效应"一词给出非 常明确的定义。
1.5、大学生思想政治教育环境效应及相关概念的内涵
对大学生思想政治教育环境效应的研究,首先需要探讨思想政治教育环境的 内涵、大学生思想政治教育环境效应及相关概念的内涵。 (一)大学生思想政治教育环境的内涵 大学生思想政治教育环境是指在大学生思想政治教育实践活动中形成并对大 学生思想政治教育活动产生影响的一切因素和条件的总和。以思想政治教育环境 的内涵为基础,对其内涵的把握应有以下三个特点。 1.大学生思想政治教育环境是对大学生思想政治教育活动产生影响和作用的 因素的总和,是与大学生思想政治教育活动密切相关的,主要包括大学生思想政 治教育活动过程中所处的社会大环境和为增强大学生思想政治教育有效性而创设 的具体小环境。 2.大学生思想政治教育环境是一个特殊的环境系统,它对大学生思想政治教 育活动的全过程有极为重要的影响。它是一个广泛复杂的动态性、开放性体系, 是一个多层次、多侧面、多要素的复合结构,是大学生思想政治教育活动中自然 环境与社会环境、隐性环境与显性环境双向作用的有机统一。 3.大学生思想政治教育环境是以大学生思想政治教育活动为中心,这是大学 生思想政治教育环境区别于其他环境系统的重要特征。大学生思想政治教育环境 作用的发挥是以大学生思想政治教育活动的实施为前提条件的,每一次大学生思 想政治教育活动的开展实施都有与之相伴的大学生思想政治教育环境。 (二)大学生思想政治教育环境效应及相关概念的内涵 目前,学界还未对大学生思想政治教育环境效应的内涵进行界定。本文依据环 境效应的内涵对大学生思想政治教育环境效应的内涵给予界定。 西南大学硕士学位论文 1.环境效应的内涵 关于环境效应的内涵,不同的学科对其有不同的界定。在环境科学中,环境效 应(environmental effect)指自然过程或人类活动造成的环境污染和破坏,引 起环境系统结构和功能的变化。①这一概念主要是指环境的不利影响。在心理学中, 环境效应是指"环境影响"。环境因素变化引起的反应。②这一概念比较笼统,缺 乏中心词。基于上述环境效应的内涵,本文认为环境效应是指环境对某一事物产 生的作用和效果。 2.大学生思想政治教育环境效应的内涵 大学生思想政治教育环境效应,是指大学生思想政治教育环境对大学生思想政 治教育活动产生的作用和效果。具体而言,大学生思想政治教育环境效应的内涵 有如下特点: 第一,以"大学生思想政治教育"为核心词。大学生思想政治教育环境在大学 生思想政治教育活动实践中形成,其效应也应是围绕大学生思想政治教育活动产 生的。 第二,大学生思想政治教育环境效应是一个多方面的作用效果。大学生思想政 治教育环境是由多方面要素构成的一个环境系统,其构成要素对大学生思想政治 教育活动也必然会产生多方面的效应,如积极效应、消极效应等等。
1.6、-2-2 效应信息作为概念对本体的填充
根据已有的本体库结构,可分析出需要从效应文本中抽取出的效应信息由以下部分组成:操作、输 入流、输出流和流属性(分为输入流属性和输出流属性),本课题将信息中的名词归为 4 类,为 A1,A2, P1,P2,分别代表输入流,输出流,输入流属性和输出流属性。在本课题中,是以谓词为中心进行信息 的提取的,这与效应本体库中的以操作为中心相对应,下表是所提取信息与效应本体库中概念的对应情 况: 表 4.5 提取信息与效应本体库对应概念 Table 4.5 information corresponding with EKB concept 类别 概念 EKB_name 效应 Operational 操作 A1 输入流 A2 输出流 P1 输入流属性 P2 输出流属性 向效应本体中添加概念的过程中涉及到了概念的定位,即对于待添加的概念从属于已有的本体结构 中的哪一类进行判断。在概念的定位中,我们使用了中文 WordNet 词典对概念进行扩充,将扩充之后的 词集在效应本体中进行检索,搜索与其匹配的父类或同类,之后在该类别下创建此概念的实例,整体流 程如下: 24 河北工业大学硕士学位论文 开始 读取中间结果数据库的 Analyse表 所有字段是否 提取完毕 N 逐一提取各个字段 对字段内容进行WordNet 扩展 检索本体库中的概念类 别 Y 是否存在匹配节点N在默认节点下创建概念 实例 Y 在该匹配节点下创建概 念实例 概念导入 完毕 图 4.6 概念填充流程 Fig 4.6 process of concepts filling (1)、读取分析后的效应的各个字段的信息; (2)、在本体库中检索与此名称相同的概念,若检索到已经存在此概念,转至(8),若未检索到此 概念,跳转至步骤(3); (3)、对字段信息进行中文 WordNet 的扩展,获得该概念的同类和父类集合; (4)、在本体库中对概念的同类和父类集合进行检索; (5)、判定是否已存在匹配的类型节点,如果已存在执行步骤(6),未能检索到匹配的类型节点执 行步骤(7); (6)、在检索到的匹配类型节点下创建此概念的实例; (7)、在默认类别下创建此概念的实例; (8)、概念导入完毕。
1.7、弹性的概念
弹性首先由阿尔弗雷德 马歇尔于 1890 年提出,后来经过不断补充和完善,在经济 学中得到广泛运用。虽然在不同的领域弹性有着截然不同的含义但是却有着相似的内涵, 都用来表示因变量对自变量变化的反应的敏感程度[41]。 当两个变量间存在函数关系时,自变量的变化必然引起因变量不同程度的变化。弹性 表示因变量的相对变化对自变量相对变化的反应程度或灵敏程度。弹性的大小一般用弹性 系数表示,弹性的一般公式表示如下[41] [42]: 自变量的变化量 弹性系数 =因变量的变化量 我们在此借用经济学中的弹性的概念,定义数据的弹性的概念,数据的弹性表示数据 质量的相对变化对数据周围空间距离的相对变化的反应程度或灵敏程度。我们用数据的弹 11 性系数来表示数据弹性的大小,数据的弹性的一般公式表示如下: 数据空间距离的变化量 数据的弹性系数 =数据质量的变化量 2-15 弹性分为弧弹性和点弹性,下面分别介绍弧弹性和点弹性的概念和定义[41] [42]。
1.8、弹性的定义
在 SPEC 的报告中,弹性包括以下方面[13]: (1) 补给间隔:增加或者减少一个资源所需要的时间 (2) 敏捷:系统提供的资源有多贴近 QoS 所需要的资源 (3) 按比例增长/减少:系统能否通过按比例增加资源,在解决更大问题的时候维持 一个相同的时间。 (4) 弹性加速:增加系统资源能否减少相应时间。 SPEC 的报告并未对可扩展性和弹性加以区分,但是从中可以看出,系统提供的资 源有多贴近实际所需资源是弹性的一个重要方面。 在 Armbrust 的论文中讨论了弹性相较于客户端-服务器模型对感知过度配置或者配 置不足的风险[2]。对于云服务,资源配置不足不能保证满足服务级别协议,严重影响用 户的体验,而过度配置虽然能确保满足用户的需求,但是造成了大量资源和能源的浪费。 理想的配置是以尽可能小的资源量满足用户的服务等级协议的需求,过度配置或者配置 不足,都是弹性不好的表现。 云服务进行弹性配置的标准是不停变化的工作负载。在理想环境中,重配置情况与 工作负载高度统一,即资源快速增加或减少,以至于重配置的时间可以忽略不计,资源 进行重配置的标准是当前负载。在实际环境中,由于资源重新配置有一定的延时,云服 务的资源配置需要有一定的预测,预测可以根据经验,或者工作负载的趋势等。 云服务的弹性可以有两种维度的扩展:垂直扩展和水平扩展。垂直扩展方式通过增 加更多资源给某一平台节点,比如增加处理器或者内存,增强某单一节点的服务能力; 10 上海交通大学工程硕士学位论文 云计算弹性评测模型与工具研究 水平扩展方式向平台加入新的节点,比如虚拟机实例或物理机,增加一个群集或者分布 式系统中节点的数量,使得整个系统可以处理更大的工作负载。 云服务的弹性表现由其弹性策略决定。弹性策略包括两个方面: (1) 触发资源变化指令的时间 (2) 资源变化规则,即分析当前情况,给出如何增加或减少资源的请求 当前,大多数 PaaS 和 IaaS 服务的提供商并未提供弹性的服务,使用的服务资源在 服务开始阶段确定,并且保持不变直到服务结束,或者按照用户根据经验自定义的配置 进行资源的变化。在此期间,服务可能由于资源配置不足未达到用户的要求,也可能提 供的资源远超过用户所需资源。EC2 提供 autoscaling 接口,但是需要用户自定义策略。 弹性策略决定系统改变资源的时间和数量,直接决定系统的弹性表现,影响服务等级协 议(SLA)和服务质量(Quality of Service)[14]。 一个具有弹性的云服务应该具有更好的能力,而不是简单地对资源请求做出反应, 它应当具有预测或分析的能力,来实现良好的弹性[15][16][17][18][19]。弹性策略的制定可以 参考历史或经验数据库, 也可以参考实时更新的动态数据库, 另外弹性策略还可以通过 数学建模或形式化论证、时间序列分析、聚类分析、线性回归等方法制定。弹性的衡量 从某种意义上讲,就是弹性策略的衡量。 综上,云服务的弹性表现在针对一个不停变化的工作负载,进行资源重配置以符合 SLA 的规定,提供良好的用户体验。
1.9、SIS 的定义与功能
什么是厂级监控信息系统(SIS)? 侯子良先生对其定义为:火电厂厂级监控信息系统 是主要为火电厂全厂实时生产过程综合优化服务的生产过程实时管理和监控的信息系统。 根据 SIS 的概念,SIS 可以包括很多功能,例如:生产过程信息监视、统计和分析功能; 全厂调度和机组负荷优化分配功能;厂级及机组级性能计算和分析功能;设备状态检测以 及故障诊断和维修指导功能;动态成本分析及实时报价功能;机组寿命管理功能;远程监 视及技术服务功能等。 1.2.2.1 SIS 与机组级监控系统(如 DCS)的区别: (1) 服务对象不同。SIS 主要为全厂综合优化服务,而 DCS 等是为机组(车间) 级自动化服务。 (2) 主要功能不同。SIS 功能大量用于对实时生产过程的管理目的,只有少量用于 监控目的(例如负荷实时调度),而 DCS 等则相反,主要是监控功能,但也同样包括少量 管理信息(例如历史数据存档等)。 1.2.2.2 SIS 与管理信息系统(MIS)的区别: (1) 服务范畴不同。SIS 属于实时生产过程管理和监控范畴,而 MIS 属于企业管理 现代化的范畴。 表 1.1 SIS 与 DCS、MIS 的技术对比 (2) 实时性要求不同。SIS 实时性强,且不说全厂生产过程的综合监控需要连续进 行(例如负荷实时调度),就是生产过程的管理,也属于实时性管理,许多问题也必须三班 对比内容 DCS SIS MIS 面向对象 操作员 总值长、总工等 总工、厂级管理人员、 投资方等 特性 实时性 准实时 非实时 物理位置 集控室、电子间、 就地 I/O 柜 值长室、管理楼 管理楼、厂外 数据流向 DCS * SIS MI S * SIS 到 DCS 的数据仅限负荷调度指令 东南大学硕士学位论文 3 不间断地处理(例如设备状态监测和分析);而 MIS 的实时性要求就低一些,属于离线分 析和管理,一般也无需三班制值班。 SIS 与 DCS、MIS 的技术对比见表 1.1[2]。 SIS 与 DCS、MIS 的层次关系见图 1.1。
1.10、SIS 系统定义
厂级信息监控系统 SIS(Supervisory Information System for Plant Level)。 厂级信息监控系统是主要为火力发电厂建立全厂生产过程实时/历史数据库 平台、为全厂实时生产过程综合优化服务的实时生产过程监控和管理的信息系统 [5]。 SIS 系统是一种广义的概念,相关的量化指标和涉及功能延展性很大,系 统仍处于发展阶段,SIS系统将相对独立的功能整合成一个集数据采集、指标 分析、优化运行、故障诊断等功能于一体的智能化生产管理系统。从概念上 讲,所有在 DCS、PLC 等高级控制系统,只要符合 SIS 系统的接口规约,均 可为 SIS 系统的底层支持平台,为 SIS 系统提供数据源,因此 SIS 系统具有丰 富的内涵。另外,由于 SIS 系统集中整合了全厂电力生产过程的工艺流程和 4 实时数据,因此利用生产实时数据进行二次开发的高级应用功能软件,如汽 机侧、锅炉侧的功能软件,只要是功能成熟的,并且在具体应用实践中能够 对电力生产过程进行动态分析、监测、计算、优化和管理的,确实为电厂带 来良好经济效益的功能模块,均可由SIS系统实现,因此SIS系统具有广阔的 外延。 国外发电企业的相关系统几乎全部是将 SIS 中的部分基本功能与 MIS 合 成,没有考虑系统安全问题,不符合我国电厂有关安全强制规定,因而在国 内没有得到大规模应用。因此在技术上国内 SIS 与国外系统在涉及理念和功 能上有较大不同,缺少可比性。SIS系统根据国家对电力自动化安全要求,定 位于电厂控制系统和 MIS 之间的桥梁,并具有自身鲜明的特点和功能,在安 全分区上属于Ⅱ区,信息由 SIS 向 MIS 单项传输。
1.11、SIS系统基本概念
展,近年来火电厂发电装机容量与发电量快速 增长,为进一步提高我国火电厂机组运行安全性、稳定性、经济性及科学化管理 水平,建立合理的电厂管控一体化平台,国内于1997年提出了发电厂厂级监控 信息系统(SIS)的概念及其实现框架。SIS的基本功能是对火电厂全厂生产过 程进行实时监控和管理,并提供综合优化服务[8]。 SIS系统概念的提出适应了我国火电厂管控一体化发展的客观需求,因此 SIS系统建设成为近年来电厂自动化与信息化的热点问题之一。2000年国家经贸 委颁发的《火力发电厂设计技术规程》中"厂级监控和管理信息系统"明确规定, "当电厂规划容量为1200 MW及以上、单机容量为300 MW及以上时,可设置 厂级监控信息系统。"近几年随着电厂信息化建设的加快,新建电厂己将SIS系 统作为火电厂项目建设的标准配置,甚至一些已投产机组也将SIS纳入改造规划 之中。 SIS系统是建立在全厂控制系统(DCS、PLC等)之上,跨越运行与管理两 个层面的新型信息系统,SIS项目建设必将加快推进我国火电厂管控一体化的实 施进程,使电厂的安全、稳定、经济、环保、科学管理水平跨上新的台阶。 2.2超超临界机组SIS系统特点 超超临界机组是指过热器出口主蒸汽压力超过22.129Mpa的机组。目前运行 的超临界机组运行压力均为24Mpa~25Mpa,理论上认为,在水的状态参数达到 临界点时(压力22.129、温度374/C),水完全汽化会在一瞬间完成,即在临界点 时饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的二相区存在,二者的参数不再有区 别。由于在临界参数下汽水密度相等,因此在超临界压力下无法维持自然循环即 不能采用汽包锅炉,直流锅炉成为唯一型式。 2.2.1超超临界机组的特点 超超临界直流锅炉是一个多输入、多输出的被控对象,没有汽包环节,在不 同的运行工况下,其加热区、蒸发区和过热区之间的界限是变动的。因此,为了 维持锅炉汽水行程中各点的温度、湿度及汽水各区段的位置在规定的范围内,要 求控制系统严格地保持燃烧速率与给水之间(燃水比)的平衡关系、燃烧速率与风 量之间(燃风比)的平衡关系。这种平衡关系不仅是稳态下的平衡,而且应保持动态 4 华北电力大学硕士学位论文 下的平衡。 超超临界直流锅炉由于没有储能作用的汽包环节,汽水容积小,所用余属少, 锅炉蓄能小且呈分布特性。一方面,由于蓄能小,负荷调节的灵敏性好,可以实 现机组的快速启停和负荷调节:另一方面,由于蓄能小,在外界负荷变动时汽压 反映很敏感,因此,机组变负荷性能较差,保持汽压困难。 由于循环工质总质量下降,循环速度上升,工艺特性加快,这就要求控制系 统的实时性更强,控制周期更短,控制的快速性更好。从汽机一锅炉协调控制的 角度分析,要求协调控制更及时、准确。 在超超临界直流锅炉中,不同工况下各区段工质的比热、比容、热洽与其温 度、压力的关系是非线性的,工质传热特性、流量特性是非线性的[9]。 在直流炉工艺结构中,采用直吹式制粉系统,从给煤、制粉、送粉到燃烧环 节,具有大的纯迟延和大的滞后特性,因此燃烧系统成为机组的又一个控制难点。 在直流炉工艺结构中,从给水泵到汽轮机,汽水直接关联,因此锅炉各参数 之间以及汽轮机与锅炉之间具有较强的稱合特性,整个被控对象是一个多输入、 多输出的多变量系统。 2.2.2超超临界SIS系统特点 超超临界机组本身的特性对SIS系统设计提出了更高的要求,主要体现在如 下几个方面: (1)数据容量急剧增大 超超临界机组的主机系统以及辅机系统通常为一体化设计,加之机组为高参 数,大容量,因此需要监视、控制的标签参数急剧增多。数据容量急剧增多,同 时要求不降低检索速度以及数据精度要求的目标,使得对SIS系统实时/历史数 据库的容量提出了新的要求。 (2)高效的数据压缩算法 数据容量急剧增加,使得数据库系统变得更为复杂,不可控因素大大增加。 为实现更高数据精度的目标,需要数据库系统能实现更高效的数据压缩算法。这 需要进一步研究更为高效和稳定的数据压缩算法,为实现实时/历史数据库的压 缩效率和保持足够数据精度的双重目标提供基础。 (3)高精度的应用软件 超超临界机组和超临界机组从本质上不存在很大的差异,但是考虑到超超临 界机组需要精密监视机组经济性状态,所以对SIS系统中状态监视及运行优化应 用软件的精度提出更高的精度要求。 (4)高可靠性的数据釆集接口 5 平北liijj人学硕丨:学位论文 超超临界机组标签量的大量增加对SIS接口性能和长期运行稳定性提出了 更高的挑战,超超临界机组监视和控制的子系统众多,对控制系统的安全性要求 更高,SIS数据采集接口应在保证底层控制系统安全的条件下,以高效、稳定、 可靠的通讯方式和通丨fi协议完成数据的采集和转发功能。 2.3超超临界机组S1S系统总体要求 依掘超超临界机纽SIS系统的需求特点,有必要幵发出适用于超超临界火电 机组的采用体化架构的厂级监控信息系统(SIS)。其总体要求如下: (1)实吋/历史数据库规模达到10万点以上,采用高效压缩算法实现机组运 行数据的长期(:/1年以上)存储。 (2)提高超超临界机组SIS接口软件的安全性和可靠性,从数据来源层面保 证整个SIS系统运行稳定性和完整性。 (3)保证超超临界机组SIS应用经济性指标计算准确度,例如经济性能计算 与分析、状态检测与诊断等功能,并在此条件下实现优化运行与操作指导。 2.3.1系统功能配置 如阁2-1所示,超超临界SIS系统的应用功能以实时数据库平台为支撑,由 数据釆集与应丨I]、经济性分析与应用、优化控制与运行、设备(系统)状态检测 与故障珍断、机纽件能试验等仗大类组成。依据应用功能特点可以分为基础应用 不丨I It-?]级lyi丨I j两人类。 v 、/ ■ jHfQTJjJ 图2-1 SIS应丨H功能 SIS基本应用:主要实现对底层控制系统生产过程数据进行采集,在实时/ 历史数据库中I己录机组生命周期的运行过程信息,并全面、准确、及时地进行机 组性能计算与分析。基本应用由数据采集与应用和经济性分析与应用两部分组成, 其中数据采集与应用包括数据采集、过程监视,趋势分析、数据归类统计、数据 6 华北电力大学硕士学位论文 回放、自动报表、短消息中心、工程师辞典等模块;经济性分析与应用包括性能 计算、能损分析、工况分析、运行统计与考核等模块["&]。 SIS高级应用:根据基本应用精确解析发电厂生产活动,充分挖掘各项生产 数据所反映的运行内在本质,将简单而海量的过程数据,加工成为有效而准确的 -管理信息,为高级管理人员提供指导。同时具有可灵活部署的特点,包括优化控 制与运行、状态监测和故障诊断、机组性能试验等应用。 7 华北电力大学硕士学位论文 第3章超超临界SIS系统平台设计 SIS是一个建立在全厂生产控制系统(DCS、PLC等)之上,以实时/历史数 据库为基础形成的信息系统,它构成了全厂统一数据源,并同时跨越了运行与管 理两个系统。SIS系统与过程控制系统(DCS)及管理信息系统(MIS)在结构 上相互衔接在功能上形成互补,共同构成火电企业管控一体化综合信息服务平台。 SIS系统由硬件设备、通讯网络、实时数据和综合应用四大部分构成。对于超超 临界机组SIS系统平台设计,本章重点从通讯网络配置、数据库配置和选型以及 数据库规范设计几个方面来研究,在第五章将对应用进行重点研究。 3.1通讯网络配置 3.1.1网络需求分析 超超临界机组SIS通讯网络应满足以下几方面的重点要求: (1)采用高速通信网络:保证大量生产实时信息高速无瓶颈的传输和交换, 快速响应用户的各种应用要求; (2)主要设备和链路冗余设计:确保系统能够连续不间断为生产运行和优化 管理提供服务。 (3)确保现场控制系统的安全性和SIS本身的安全性:采取网络隔离装置、 防火墙、防病毒软件、网关机等安全防护措施,隔离S1S与控制系统网络,隔离 SIS与M1S及公众网络。 3.1.2网络设计原则 (1)实用性与先进性 当前网络技术发展迅速,新的设备不断涌现并趋于成熟,在满足实用性的基 础上,起点要高,应尽量选用先进的网络技术及通信设施,将计算机网络应用的 技术水平定位在一个较高的层次上,以适应今后发展的需要。充分考虑网络构架 及硬件的先进性,选用的硬件以业界技术领先的厂商产品为主。 (2)开放性与标准化 在总体设计中,应采用开放式的体系结构,使网络易于扩充,相对独立的分 系统易于进行组合调整。在业务扩展需要时,系统可以不作修改或仅作少量修改 就能满足新业务的需求,充分保证火电厂方的投资。 (3)可靠性与安全性 系统安全可靠运行是整个系统建设的基础。SIS要求网络系统有更高的可靠 性,各级网络应具有网络监督和管理能力,要适当考虑关键设备和线路的冗佘, 8 I 平北屯力人学硕-I:学位论文 能够进行在线修复,更换和扩充。要确保系统的if.确性,数据传输的正确性,以 及为防止异常情况所必须的保护性设施。 _ 确保安全第一的原则,由于SIS系统要通过接口设备与现场控制系统相连, 必须确保控制网络和系统安全可靠,保证DCS数掘向SIS系统数据单向传输的 前提下,实现SIS系统、MIS系统互联和信息共享。 根据具体情况采用网络隔离装置、防火墙、防病毒软件等安全控制措施,以 保证网络安全运行,拒绝未经授权的访问。 (4)经济性与可扩充性 网络的建设也要从经济性着眼,在完成系统目标的基础上,力争用最少的投 入取得最大成效;同样网络的建设应能够随着企业的发展而扩展。 3.1.3网络配置方案 国电谏壁电厂超超临界机组SIS系统网络设计方案如下图3— 1所示, —.一丨1隱 1娜倒 i _ ivj 議 !疆 I :: I 丨 : 1 : I 网 ; 全I 么 5 I ; . ; ; ■. ":、" ‘ 撒Jli ——1’ 、 丨I意 ‘ t一■ . —- . 一.— .? 一. 一~ 1 —. ■ . . . — — ... ". ‘ ■ I ‘ 職 議 ? ? 1? iW ? ^ I : rt- 4, .j rftZZyf」"F" -十h -1丨 ! 丨 W . la m ^ ^ m m 丨 I I,遷 Ji蹄 i_ I 絲丄讀 ij 藝覊覊____隱_謹__ 叫奶 多褒 騎 f J i鴻 :: f 减:;: ?&;:、 ?t:$ Do g W.&; 纽 SiCS 钱 }~~ —―七綱系线 I ;福~~議 I IiliMSl1 I一~函S職 1 閱3-1谏壁屯厂超超临界SIS网络配置图 配置2台热备的CISCO 4506作为全厂生产实时系统的核心交换机,用于连 接数据库服务器和应用服务器,网络采用高速千兆以太网[II]。每一期工程设置2 台热备的CISCO 2906作为每期工程的数据汇聚交换机,用于连接采集控制层数 据的接口机,到数据采集站的网络配置为100兆。以后若有扩展工程需建设,可 9 北电力人学硕丨:学位论文 按照分期接入的方式进行扩展。每期工程的汇聚层设备安装在各自的电子设备间 里,核心交换机安装在厂办公楼的信息中心。汇聚层交换机与核心交换机之间采 用光纤传输。电子设备间里采用双绞线传输。SIS网络与不同控制系统(DCS或 PLC)之间以及SIS同MIS系统之间分别配置一台物理隔离网阐,以保证超超临 界机组各控制子系统的数据安全。 3.2实时/历史数据库配置 3.2.1数据库功能需求分析 SIS系统中的主数据库系统既是一个实时数据库系统,又是一个历史数据库 系统。一般把这个数据库系统称之为实时/历史数据库系统。 作为实时数据库系统,它需要支持实时事务、实时并发控制和实时任务调度 等功能。作为历史数据库系统,它需要支持海量数据并发检索,数据压缩存储等 功能[12]。 由于生产过程数据量大,并且带有时标,因此不适宜采用常规的关系型数据 库存储,而实时/历史数据库系统是解决这一类数据存储问题的理想方案。实时/ 历史数据的存储容量和存储效率直接关系到下层数据采集的容量范围和采集精 度[丨3]。 常见的SIS系统实时/历史数据库产品有:PI, eDna, iHistoran,Industiral SQL Server, eDNA 等。 一般SIS系统对实时/历史数据库系统的功能需求如下: (1)极高的安全可靠性和资料数据的恢复能力。 (2)为确保分布数据源的数据时间戳的一致性,釆用统一的GPS时钟。 (3)高效的数据存储效率,以有效的压缩方式保证电厂所有的生产过程实 时数据信息的完整性;计算分析结果,历史数据能够在线长期保存(5年以上), 压缩的资料恢复时间在秒级以内["]。 (4)具有和与其联网的数据源的通讯能力,包括各种DCS和国内电站常用 的PLC系统的接口能力。 (5)具备同MIS关系型数据库标准接口,实现SIS和MIS数据的高效连接。 (6)足够的系统开放性,可维护性和二次幵发能力。 (7)支持断网检测和数据缓冲能力。 3.2.2数据库压縮算法 实时/历史数据库的数据压缩算法是实时/历史数据库的核心技术。基于 Hufifnan算法的无损压縮算法以及基于数据例外报告技术的有损压缩算法是实 10 平北电力大学硕士学位论文 时/历史数据两种最为典型的数据压缩算法[|5]。 (1).无损压缩算法_ eDna实时/历史数据采用的是经典的Huiffnan数据无损压缩算法。 为了表示出一个由n个符号组成的集合至少需要m位",即"& 2 -1。例 如ASCII字符集包含有127个ASCII字符(其中96个可打印的,31个不可打印 的)。这时用七位就可以表示出这127个字符(27-1=]27)。为了进行奇偶校验, 还需要添加另外一位,这时就需要8位来表示这些字符了。 使用8位来保存这一个字符集在空间的使用上却不是最有效的。一种保存这 些字符的更有效的方法是使位的个数与字符在整个字符集中所出现的概率保持 一定关系。这种平衡将会更好利用这些位。 如果一个字符""e出现的总是比字符集中的其他字符多,那么就用最少的 位来表示它。如果"?"几乎不怎么出现,那么就用最多的位来描述它。 这种有效的存储方法首先是要靠对数据集合中进行统计分析来实现的,并且 还通过将数据添加到霍夫曼树中來实现。 例如,如下所示的包含有1000个字符的集合。这个集合仅仅包含三个不同 的字符。 字符(Value) 数量(Count) ‘a, 950 ‘b’ 21 ‘,c 29 为了建立起一个Hufofian解码丨^,找到最少的两个数量(Count),并用该数 量建立起一个节点,并将两个字符(Value)分别作为它的两个分支。 Count二 50 -、\ I IrA ‘b, ‘, C重复该过程直到树已经覆盖了整个数据集合。 11 华北电力大学硕士学位论文 Count: 1000 / ‘ I ■ , I ^ 1 I ^ 1 、, Count=50 ^ —Jk. V ‘, c当编码的时候,使用每一个位来分解树。用0来表示树的左半边;用1来 表示树的右半边。结果如下: VALUE COUNT CODE BITS 'a' 950 1 1 'b' 21 00 2 'c' 29 01 2 从表中我们可以看出,只需要使i一位’丨’就可表示字符"a"。而"b"和’’C"则 需要两位来表示,相应的为"00"和"01"。如果使用8位的ASCII码來保存这1000 个字符需要1000字节(byte)。而如果使用上述的方法来保存这1000个字符的 话仅需要156个字节: 950 * 1 + 21 * 2 + 29 * 2 = 1050 bits = 132 字节 外加表需要的24个字节。 更进一步的压缩可以通过对重复的部分添加新的枝叶来实现。如果’ ’a在一列 数据中出现了 250次的话,还可以将压缩进行得更彻底。Huffman树中仅有一个 条目编码为0位,一个单独的表格条目要用4个字节。 这是一种标准的压缩算法同压缩工具WinZip的原理相同。当对将要保存的 数据优化和了解之后,还会得到最佳的压缩效果。还可以通过对数据的认识和数 据的统计特性來进行优化 (2)有损压缩技术 PI、InSql、iH等数据库采集有损压缩技术进行过程数据的压缩和检索。有 损压缩技术中普遍采用例外报告算法。 数据接口并不是将所有采集來的数据送出去,只有当数据的变化超出了预先 设定范围的时候,它才将数据送出。我们把这个事件定义为数据显著变化事件。 数据显著变化事件通常可以由以下三个参数来定义: 12 华北电力大学硕士学位论文 例外报告死区 例外报告死区可以是绝对值,也可以是相对值。当它是绝对值的时候,它是? 指定测点具有工程单位的一个数值。例如以一个温度测点为例,当绝对值为0.5 度的时候,这意味着我们认为该数据变化0.5度以上才算有意义。从第一个值开 始,PI接口将会判断新产生的值与原先的值之间的差距是否超过设定的0.5度, 如果超过的话接口才会将这个数据传送到n系统中。 例外报告死区也可以是相对值。通常当定义一个相对值的时候,需要同步定 义三个参数。分别为该数据的零点,量程,以及百分比死区。这时,相对值和绝 对值可以通过量程和百分比死区的乘积互相转换。 最大例外报告时间 如果某一个数据长期没有发生显著变化,即长时间没有越过例外死区,但是 这个持续的时间超过了定义的最大例外报告时间,PI系统也将强行记录下该时 刻的数值。 最小例外报告时间 如果某一个数据频繁发生显著变化,且变化速度很快,可以定义最小例外报 告时间来限制太多的数据传送。也就是说,当某一个数据显著变化再频繁,只要 发生两次显著变化的时间间隔比最小例外报告时间还要小,PI系统也将不传送 该显著变化的数值[17_21]。 3.2.3数据库选型 本项目中采用了北京华电天仁电力控制技术有限公司自主研发的具有自主 知识产权的新一代VeStore分布式实时历史数据库系统,基于公司多年来在应用 各种国外、国内实时历史数据库的工程经验的基础上,汲取各家所长,融入公司 工程实施的实际经验,通过多年的研发、试用、改进和完善,它对于我国在信息 化基础数据平台的自主化、维护国家信息安全、降低工程造价具有重大意义。 3.2.3.1 VesStore数据库特点 ?完整的企业级的生产实时/历史数据平台 VeStore数据库系统在提供完整的实时历史数据服务的基础上,还提供了基 于Web的数据管理器、计算平台、信息发布平台等辅助平台,既可以进行数据 的写入、读取操作,还可以在此基础上进行图形组态、图形浏览、数据趋势查询、 数据回放、实时报警、报表生成、二次计算等操作,可以很好地满足用户的各种 使用需求。 ?支持分布式数据库架构 VeStore数据库系统支持在多台服务器上分别建立数据库服务器,在同一个 13 华北屯力人学硕I:学位论文 系统平台下分别访问不同的数据库,达到分布式存储数据的效果。这样既减轻了 单台数据库服务器的压力,又便于存储、备份数据。 . ?高效的数据压缩和长期历史存储 VeStore数据库系统高速采集压缩并在线存储归档海量过程实时数据,压缩 精度可配置,保证关键数据100%的准确再现。采用优秀的压缩算法,以毫秒的 分辨率存储工业过程数据,在允许的精度损失范围内保持最大的数据效率,同时 提供快速的数据检索能力。 ?采用分布式的压缩体系 VeStore数据库系统提出了一个优异的分布式数据处理架构,把服务器的数 据处理负载分布在各个基于API的接口机上,既减轻了服务器的载荷,又减少了 网络流量,充分利用了分布计算节点和网络资源。其性能远远优于传统的层次结 构数据库服务软件,提供灵活的扩充能力和冗余性能,极大发挥网络的软硬件效 率,为用户的软硬件的布置增加了灵活性。 ?高效的数据索引机制及缓存机制,保证数据处理效率 为了快速定位数据所在的数据文件及位置,VeStore数据库系统提出并采用 了 "三级索引"机制实现高效的数据索引。在进行数据查询和写入时,按照索引 指引的位置直接进行访问,降低了读取磁盘的频率,提高了系统的整体运行效率。 ?具有高级的计算引擎,支持各种类型在线计算和统计 VeStore计算平台是高级计算引擎,为用户提供了转换原始数据成为综合计 算信息的工具。用户可用组态的方式完成各种复杂的二次运算,也可调用外部计 算库的DLL,使用灵活方便,功能强大。 ?基于Web功能完善的集成信息发布平台和客户端工具 VeStore信息发布平台是一个集成度很高、功能强大的生产实时/历史发布和 应用平台,提供了画面报表组态与发布、数据查询、趋势分析、数据回放、数据 报警、用户角色管理等功能。用户可根据自己的权限使用上述功能,每个用户都 可自定义相关的使用信息。 ?提供丰富的二次开发接口,具有良好的开放性 具有完善的二次开发手段,包括应用开发接口(API)和数据库访问接口等, 数据库提供的大部分功能,都可以通过相应的API来完成,为高端软件的应用幵 发提供了理想的平台。该API可在VC++、VB、Delphi& Visual studio.Net等开 发环境下使用。同时,支持OPC/DDE/ODBC/JDBC/ACnVEX等标准接口,便 于和其他系统集成。 ?基于Web方便灵活的数据库管理和维护功能 VeStore数据库系统提供基于B/S方式的数据库管理方式,使系统的配置和 维护可以远程通过浏览器来完成,不需要安装任何附加软件和工具。 14 I 华北电力大学硕士学位论文 ?提供丰富的过程控制系统数据采集接口 VeStore数据库系统提供与各类氣DCS、PLC及控制设备连接并采集数据的 接口软件包。 3.2.3.2 VeStore系统逻辑结构 (1)核心服务模块 Data-Server是VeStore数据库系统数据库后台服务程序以及它所依赖的程序 元件集合,在VeStore数据库系统后台服务安装之后自动部署到目标计算机。其 主要负责:事务管理、通信管理、任务调度管理、数据压缩、访问请求管理、实 时数据管理、历史数据管理、日志子系统和权限管理。 该模块是VeStore数据库系统的主干模块,主要通过对各种自定义协议的识 别来完成对各种任务的调度。 (2)应用编程接口工具 Vestore-API是VeStore数据库系统对外提供的应用开发接口,是一个动态链 接库的集合,在VeStore数据库系统后台服务安装之后自动部署到目标计算机上。 数据写入功能实现时该节点可用作数据源节点,具有数据缓存功能,当接口 软件节点因软、硬件等原因引起离线时,节点可暂存采集的数据,等系统恢复正 常后,再把缓存中数据传送至数据库服务里,从而保证数据的完整性。 用户可以通过开放性的应用编程来实现诸如数据库管理、数据的写入、实时 数据历史数据查询、二次计算等客户端所需要的一系列基本功能。 (3) Web配置管理工具 Web管理器是基于浏览器访问方式的数据库配置管理工具。提供数据库、站 点、标签点的管理,以及实时历史数据查询功能,是VeStore数据库系统提供给 数据库管理员的系统配置管理环境。Web管理器使系统的配置和管理可以在远程 进行,使得系统组态与管理非常容易,不论是在网络的任何位置,具有相应的权 限许可就可经由Internet对实时历史数据库系统进行配置管理。经由基于瘦客户 端的管理选项,您可建立并管理数据库,激活/停止数据库节点、组态数据库, 监视运行数据及日志。 (4)控制台管理工具 VeStore-Console是一个控制台程序,它在VeStore数据库系统后台服务安装 之后自动部署到目标计算机上。它用来控制服务程序的启停、运行状态监视等。 (5)扩展模块 数据釆集软件包提供高效的接口软件及接口方式,釆集下层自动化、控制系 统及设备数据,提供对通讯接口和协议的支持,如对RS232/485、现场总线、以 太网以及OPC、ODBC、DDE等多种现场控制协议与PLC、DCS的支持,以及 对手工输入数据的支持,并具有灵活方便的可扩展性 计算引擎可以利用VeStore数据库系统中的数据进行实时计算,支持灵活的 15 华北电力大学硕士学位论文 算法组态。除了支持通常的各种数学,逻辑,关系,统计等常用运算外,还内嵌 通用函数库,同时支持第三方算法扩展,计算结果可存入VeStoer数据库系统或 者其他关系数据库。通过计算引擎可直接取回当前值,原始值及计算值,包含平 均、最大、最小、累计值,可查询当前、原始、抽样、过滤或是计算过的数据。 计算服务内含通用函数库和算法模块,支持第三方函数库,可釆用关系数据库作 为数据源,计算结果可存入实时历史数据库系统或关系数据库。 信息集成平台以流程图和趋势图的方式组织和显示来自实时数据库和关系 数据库的数据。可以用流程图、棒状图、趋势图、表格等动态显示系统参数及状 态,进行数据整合统计。提供直观、可视化的组态开发环境,可以通过客户应用 程序或浏览器在Internet/Intranet环境下方便直观的查看生产过程数据变化过程。 3.3数据库规范设计 实时数据库是实现厂级监控信息系统的基础,可满足生产过程海量数据的收 集、存储、加工、发布需求,为企业提供统一的实时历史数据服务平台。在SIS 实时数据库系统构建过程中应对数据库功能、标签命名、存储参数等进行规范设 计,增强SIS系统工程实现的统一性和项目可维护性。 3.3.1数据库功能设计 实时数据库提供的主要功能应包括:管理电厂生产过程数据中的所有标签点 和提供海量过程数据的iff缩和长期存储手段;提供对实时历史数据的各种写入和 查询等功能服务;支持数据库的在线配置和维护,提供对操作信息、警告信息、 错误信息等登记和审计;支持基于角色的用户权限管理,对数据访问权限设限; 提供跨越网络安全隔离装置通信的能力;提供底层控制系统及设备数据采集接口, 支持二次开发,系统具备足够的开放性;支持数据二次计算,提供可组态的计算 引擎,支持各种复杂二次计算和统计[22]。 3.3.2标签点命名设计 超超临界机组主机、辅机控制系统标签点在3万点以上,考虑SIS系统实际 功能需求,引入SIS系统的标签点一般只包含了控制系统中模拟量输入、开关量 输入、报警状态和一些过程中间过程计算点,这些检测量和状态量在2万点以上。 为便于数据的存储、检索和应用软件分析使用,标签点的命名应采用统一规则, 通常情况下采用与DCS系统一致的KKS编码作为标签点名称,或在KKS编码 基础上增加统一的前缀或后缀以示与DCS控制系统的区别。KKS编码遵循一套 编码规范,它用数字或字符,按照一定的规则,通过科学合理的排列、组合来全 面描述电厂各类系统、设备、元件的特征,从而构成了描述电厂设备状况的基础 数据集,方便了对电厂设备的管理。KKS编码是目前国际上应用成功的一种电 16 &^^北屯力人学硕.丨:学位论文 厂标识方案,是数字化电厂的基础。 SIS系统基础应用和高级应用软件需要在数据库屮创建大量的计算结果标签 点,以便将性能指标数据、统计数据、过程优化结果存储在实时数据库中,这些 标签点命名应遵循一定的规范,本项目中所设计的命名规范(部分)见表3—1。 表3-1标签点命名 序号 缩写 中文 英文全称 1 pw 功率 Power 2 P 压力 Pressure 3 pd 压损/阻力 Pressure Deviation 4 t 温度 Temperature 5 tr 温升 Temperature Rising 6 ts 饱和温度 Saturated Temperature 7 tci 端差 Terminal Temperature Difference 3 tdca 疏水接近温度 Cooler Approach 9 tsub 过冷度 degree of subcool ing 10 h 拾 Enthalpy 11 hr 給升 Enthalpy Rising 12 hi 等熇擒 Tsentropic Enthalpy 13 s '熵 EnthoJpy 14 w 流量 Flow 15 wv 体积流M Volumetric Flow 16 V 体积 Volume 17 sv 比容 Specific Volume 18 sh 比热 Specific Heat 19 sg 比重 Specific Gravity 20 dnst 密度 Density 21 garvity 重力加速度 the Acceleration due to Garvity 22 eff 效率 efficiency 23 spd 速度 Speed/Velocity 17 华北屯力大学硕上学位论文 24 eva 蒸发量 Evaporation / 25 ccr 煤耗 Coal Consumption Rate 26 cc 煤耗量 Coal Consumption 27 q 热 M Heat 28 he 热耗量 Heat Consumption 29 her 热耗 Heat Consumption Rate 30 stmr 汽耗 Steam Rate 3.3.3压縮死区设计 实时数据库中广泛采用数据压缩技术对过程数据进行处理,例如PI的螺旋 门压缩算法、eDNA的无损压缩算法等,除此之外普遍采用例外报告技术进行数 据压缩。实际应用过程中例外报告中的死区设置比较困难,一般凭借经验来手动 设定压缩死区,这种方式不具有科学依据。所谓死区是指认定某一过程测点的数 值不变的范围,死区压缩就是记录测点值死区之外的数据值,忽略死区之内的数 据变化。数据死区通常有两种定义方式,一种是相对值死区,例如有一测点A, 定义其死区1%,假定前次记录的测点值为XI,此次采集的测点值为X2,若两者 计算值:|(X2 — X1)/X1|&1%,则认为此次测点值在该点的死区范围内,测点值不 变化,即不记隶值X2。若下一个测点值为X3,两者计算值|(X3 — X1)/X1|&1%, 则认为此次测点值在该点的死区范围外,数据变化,记隶该值。另一种方式是绝 对值死区,定义成测点量程的百分比,例如有一测点B,量程为0-100,定义其 死区1%,则数据变化死区绝对值为(]00—0)*1%=1,当测点数值变化绝对值超过 1时记录该值,否则不记录该值。 死区压缩算法中针对过程测点如何选定合适的死区值是一个值得研究的问 题,设置过大则会损失过程参数变化特征,过小则会保留大量无用的数据信息, 失去了压缩的意义。实际生产过程对于不同的设备和控制系统参数,其精度要求 差异很大,如果将死区值设定为某一固定常数或者选择确定的百分比,那么算法 的通用性显然较差,不能表征不同参数的变化特征和重要程度。文献[23]研究了 结合过程数据本身的特点,通过设置合适的压缩死区,解决大量过程数据的压缩 精度和存储数据量两方面平衡问题,提出了对火电厂信号进行分类处理分析研究, 分析出不同信号的数据变化特性,为压缩死区的设置提供科学合理依据。本项目 对温度、压力、流量、阀门开度、振动等信号进行了分类,分别设置了压缩死区, 取得了较好的效果。 18 平北屯力人学硕士学位论文 3.4数据采集系统设计 数据采集系统对底层控制系统生产过程数据进行采集,统一时标、描述、量 - 纲,在实吋/历史数据库中记录生命周期的运行过程信息。该模块集成了丰富的 数据采集与处理接口,从DCS、PLC等各类数据源中实时采集数据,并将数据 送入实时/历史数据库加以归档存储。 主要功能包括: (1)提供 API、OPC、ODBC、COM、TCP/UDP、RS232/485 等丰富技术 的通讯接口功能,采集各类型生产控制系统实时数据; (2)数据库标签编码方式、描述、测点量纲等均采用与电厂一致的方式; (3)数据采样间隔时间为秒级,以满足过程监视和分析计算的要求为准; (4)数据采集的测点范围满足过程监视和分析计算的要求,并可实现灵活 组态; (5)提供数据接口的采集状态监视、测点配置等维护功能,便于系统管理 和维护。 (6)数据采集接口提供完善的数据缓存功能,以保证数据的完整性和连续 性。 A时历史数据j .夺 实时 时间 数据 压缩 数据 戳管 正缩 数据 采集 理 存储 恢复 C 同 j^cj 图3-2数据采集流程图 结合国屯谏壁电厂SIS项目实际需求,设计实施了如下系统接口,见表3-2. 19 华北电力大学硕士学位论文 表3-2接口表 序巧 接口名称 -通讯协议 通讯介质 备注 1 ttl3DCS接口 UDP协议 双绞线 2 #14DCS接口 UDP协议 双绞线 3 烟气脱硫控制系统 UDP协议 双绞线 4 电气网络控制系统 102规约 串行口 5 化学水处理系统 OPC协议 双绞线 6 屯除尘系统 OPC协议 双绞线 7 炉管泄漏监测系统 Modbus TCP 双绞线 8 汽机振动监测及分析系 UDP协议 双■绞线 统(TDM) 9 输煤控制系统 OPC协议 双绞线 20 中北屯力大学硕丨:学位论文 第4章S1S接口可靠性设计 海量数据作为超超临界SIS系统的一个基础特征和主要特点,保证数据采集 和传输过程中的完整性和数据精度至关重要,而接口承担了这一重要角色。SIS 系统作为厂级信息系统,形成全厂统一过程数据中心,其数据不仅包括火电厂机、 电、炉等核心设备过程数据,还涵盖了脱硫系统、化学水处理系统、输煤系统、 除灰除渣系统、四管泄漏检测系统、关口电量系统等辅助系统过程数据。对于高 参数、大容量的超超临界机组而言,控制系统数量及各子系统标签点数量都有较 大增长,对数据接口的性能和可靠性提出了更高要求。 4.1影响接口可靠性因素分析 SIS系统是建立在全厂控制系统(DCS、PLC等)之上,跨越运行与管理的 信息系统,SIS系统接口主要完成两部分功能,第一从底层控制系统中以快速、 高效、稳定的通讯方式采集现场实时数据,第二将采集到的现场数据通过通讯网 络完整的写入SIS系统数据库服务器,接口网络配置图如下图4一 1所示。 数据库服务語 数据库服务器 磁盘阵列I I ,- ly! 交换机 I交换机 a pi 接口机 接口机、 接口机 *# i^m ?3 "[| 隔离设备:V ::0 0!1ZM5^EURZ1 jj -I'l I直 YI [I [| 11 DCS系统脱硫系统辅控系统 图4-1 SIS接口网络配置图 从图中可看出接口机经过隔离设备同控制系统相连,通过交换机同SIS数据 库服务器构成通讯网络,交换机及网络连接均为为冗余配置。在接口机上通过安 21 平北屯力大学硕:b学位论义 装接口软件完成底层过程数据的采集并实时向上层数据库服务器完成数据转发。 从SIS数据采集接口功能实现过程分析,影响接口可靠的因素包括以下几方面: (1)接口采集设备的性能和可靠性,SIS系统接口众多,除条件较好的机房 外,一定数量的数据采集设备安装在现场设备由于设备间灰尘、振动及电磁 干扰等因素影响,要保证SIS系统数据接口的可靠性,首先应对接口采集设备规 格进行统一规划和要求。 (2)接口软件功能设计是否合理和完善,接口软件应功能完备,方便维护人 员对接口的管理和问题处理。 (3)接口设备与控制系统物理连接方式及软件协议的选择,采用合理高效的 物理连接方式及通讯协议,一方面能有效降低数据传输过程出现错误的概率,提 高数据的完整性和可靠性,同时通过合理组织报文能充分利用有效带宽,在大量 数据高速传输时更体现其优势。 (4)是否具备对多接口集中高效管理的能力,SIS系统中涉及机、炉、电主 设备控制系统和水、煤、灰辅助控制系统以及其它监控系统的众多接口,这些接 口可能分布在不同的设备间,同时为了提高接口安全可靠性,降低单一接口故障 对其它接口系统间的相互影响,不同接口安装在不同接口机上。这种接口配置方 式在一定程序对增加了对接口维护检测和问题处理的复杂程度,因此在接口中有 必要增加接受集中管理的功能设计,并幵发对整个系统接口进行集中管理的软件 模块。 (5)加强对接口的F1常监测和安全管理,根据原国家经贸委"30号令"的要 求,为保证电力生产自动化系统的安全,必须在物理层面上实现生产自动化系统 与企业管理系统的隔离,为保证接口安全和稳定,应加强对接口日常的监测和维 护。 4.2提高接口可靠性方法 4.2.1采集设备选择 为保证数据采集设备适应现场复杂的环境和长时间稳定运行,应采用可靠性 高的专用工业控制计算机作为接口计算机实现实时数据的采集。采集设备采用双 路电源供电,数据采集通道可采用冗余双通道通讯,一个通道正常就能保证系统 正常工作,一般采集设备配置三块以太网卡,分别连接两个冗余交换网络和底层 控制系统,如图4_2所示。 22 北屯力人学硕:1:学位论文 网口 1网口 2 网口 3 」ff-y4 连接交换网络A & —— ? 连jgJI:余交换网络B 连接控制系统网络 1? 4-2接口设备网卡配置图 接口系统开发时充分利用工控机具备的硬件看门狗功能,当系统软件出现死 锁或长时间无响应时,看门狗会自动将系统复位重启,从而实现整个系统的故障 自动恢复。 4.2.2接口软件功能设计 (1)数据缓冲和数据恢复功能。数据采集接口软件应具备数据缓冲和数据恢 复的功能。其实现的基本方法是,接口软件在往数据库服务器发送数据的时候, 总是检测网络的连通性,一M网络或服务器故障时,接口机软件在开辟的内存空 间和硬盘空间屮缓存实时数据,同时接口机定时检测网络是否连通,一—y?连通后, 接口机软件会将缓存的数据按照时间顺序把数据重新发送从而实现数据的还原。 数据缓冲的时1?长短可依据硬盘空间进行灵活配置。 (2)事件和维护管理功能。事件釆集和维护管理模块对数据采集和转发的运 行过程进行监测,实时记录数据处理过程相关事件,提供"数据釆集过程报警"、 "数掘转发过程报警"、"事件记录"、"系统报警"和"操作事件记求"的实时显 示、记录、打印等数据的管理及输出。当维护工程师需要的时候,可通过在线的 查询,分析采集系统的运行状况及故障情况。 (3)参数可配置功能。不同控制系统标签点数、数据采集频率、数据精度等 各方面要求存在较大差异,客户通过调整接口软件的配置参数即可适应不同控制 系统接口多方面功能需求,而无需对软件进行重新编译和部署。 (4)丰富的人机界面。为方便系统维护以及数据点的数据对比核实,软件应 留有显示标签点值的界面窗口供维护人员检索查询,软件界面显示数据项应包括 数据点编号、类型、点当前值、时间标签、状态值等。 4.2.3通讯方式和协议设计 4.2.3.1通讯方式选择 常见不同系统间数据通讯在物理介质及链路层有串行口和以太网两种方式。 以太网与串行口通讯方式相比有几方面优势:支持远距离数据传输和高速率数据 23 华北电力大学硕士学位论文 通信、软件调试方便、支持多节点连网、可带电插拔接口设备(串行口设备一般 .不允许带口插拔,容易损坏接口),在具备条件下应优先选择以太网通讯方式进 行数据采集[24]。 " 串行口通讯方式一般用于智能仪表、工控测量设备等不具备以太网接口的设 备上,串行口依其功能特点分为RS232、RS485、RS422三种形式。 表4-1串行口分类及特点 RS232 RS422 RS484 支持节点数 2节点,点对点方式,最多10节点,一主多最多32节点,主从方 不联网从方式组风式组网 ^能多台 传額巨胃 通讯距离短 最大1219米 最大1219米 (lOOKb/s 以下) (lOOKb/ 以下) s通讯布线 三线制(收、发、地)两对双绞线,布线成一对双绞线,布线方 ‘本较高m 通職率 常lff 9600Kb/s 最大lOMb/s 最大lOMb/s |-肺式 全双:丨: 全双工,收发互不影半双工,收发不能同 时进行 15? 一般情况下工控机带有两1?? RS232通讯口,在数据长距离通讯时(30 米以上)或需要对多台现场智能仪表进行数据采集时,只需配置一台RS233转 RS485转换器即可将工控机所带的232接口转换为485接口,用一对双绞线就能 保证串行口在较高的速率下进行数据通讯。 4.2.3.2通讯协议选择 SIS 系统接口常见通讯协议有 OPC、Modbus、TCP、UDP、lEClOl, IEC102, IEC103, IEC104, CDT, DNP, DLT645等,数据通讯过程一般包括通讯双方 建立通讯链路、采集端发送釆集请求和釆集端接收报文进行数据解析三个环节。 请求应答机制的协议采集通常以同步方式进行,在采集接口软件中采用定时器以 一定的时间间隔发送采集请求报文,此后软件一直处于等待状态,待服务端的数 据报文返回后进行处理,这种同步数据采集方式适用于数据点数较少的系统,比 如 modbus、IEC101、IEC102、CDT、DL645 等协议。 对于超超临界百万千瓦机组SIS系统而言,单台机组DCS系统标签点数在 两万点以上,若采用定时请求应答轮询机制釆集数据,假定单次通讯报文为1K 字节,一个标签点信息占用10字节(标签编号2字节,标签点值4字节,时间 4字节),则一次通讯报文可传送100个标签点信息,两万点标签数据完整采集 一次需传送200次,为便于客户端对接收报文的正确接收和解析,一般都在两次 报文传送之间增加发送延时,延时设置太大则降低了单位时间内数据通讯量达不 到系统采集速率要求,太小有可能客户端来不及处理产生丢包现象,也可能产生 24 华北电力大学硕士学位论文 报文连包增加解析的难度,通常延时参数可设置20—50毫秒,因此在1秒内可 传送0—20次_数据5,2万点数据完整传送一次的时间在4_10秒之间。SIS系统 要求数据采集频率为秒级,通常为1_2秒,所以这种轮询釆集方式不能满足上 万标签点的DCS系统数据采集需求。 通过对DCS系统运行数据的在线分析,可以发现不同过程数据变化特点存 在较大差异,对于温度、流量、压力、电流等模拟量可依据其变化特点和重要程 度釆用不同的釆集频率,这样在减少单位时间内数据流量的前提下也保证了不损 失所采集到的过程数据质量。另一方面在DCS系统中有三分之二的标签点为开 关量数据,在机组正常运行条件下,大部分开关量状态保持长时间不变,只有在 工况调整过程中设备有启停操作时才发生状态值变化,比如送风机和弓I机运行状 态、各段抽汽电动阀全开状态、运行报警信号状态等,对于这些在某种运行工况 下长期不变化的开关量数据定时进行数据采集是没有意义的,若降低采集频率则 有可能在没有捕捉到数据变化的时刻点,因此对于这类数据的最佳处理方式应该 是在数据服务方进行数据处理,当检测到数据变化时及时将数据回传到客户端, 而不论此时客户端是否发送了数据采集请求报文。 在SIS系统所涉及到的接口协议中,OPC协议很好的满足了对于大量数据 的高频率采集需求,当前大部分DCS、PLC和控制系统软件都支持标准OPC接 口 协议,比如 Ovation、IFix、InTouch 等。 OPC的数据访问方法分别有同步访问、异步访问和订阅式数据采集方式三 种。 (1)同步数据访问方式 OPC服务器按照OPC客户端的数据请求组织测点数据信息,并将得到的数 据结果作为方法的参数返回给OPC客户端,OPC客户端在得到数据结果之前必 须处于等待状态。 同步访问特点:客户端读取指定OPC标签点对应的过程数据时,客户端程 序一直要等到读取完成为止;写入指定OPC标签点对应的过程数据时,客户端 程序一直要等待写入完成为止。当客户数据标签点较少而且同服务器交互的数据 量比较小的时候可以釆用这种方式,然而当采集大量标签点或大量客户访问时会 造成网络堵塞,造成系统的性能效率下降。 (2)异步数据访问方式 OPC服务器接到OPC客户端的数据请求后,无需立即处理。OPC客户端软 件随后可以进行其他工作,当OPC服务器完成数据访问时,OPC服务器此时转 换角色为成客户程序,而原来的客户软件此时转换成服务器角色。OPC服务器 主动触发OPC客户端软件的异步访问完成事件,将数据访问结果传送给OPC应 用软件。OPC客户端应用软件在其事件处理程序中接收从OPC服务器传来的数 25 华北电力大学硕1:学位论文 据。 异步访问特点:客户端读取指定OPC标签点对应的过程数据时,客户端发 出读取请求后立即返回,读取事件完成时触发读取完成事件,此时OPC客户端 软件被调用;客户端写入指定OPC标签点对应的过程数据时,客户端软件发出 写入要求后立即返回,写入完成时服务器发出写入完成事件,此时OPC客户端 程序被调用。从异步数据访问过程可以看出异步方式的效率更高,能够有效避免 多客户大数据请求造成的网络阻塞,并可以最大限度地降低机器CPU负荷和节 省网络资源。 (3)订阅式数据访问方式 订阅方式不需要OPC客户应用软件向OPC服务器提出数据采集请求,而是 服务器周期性地扫描缓冲区的数据,如果发现数据变化超过一定的幅度时,则更 新数据缓冲器,并自动通知OPC应用软件。这样OPC客户应用软件就可以自动 接到OPC服务器送来的变化通知消息,以订阅方式(Subscirption)完成数据采集。 订阅式数据釆集方式实际上也属于异步读取方式的一种。采用订阅式数据采集方 式的服务器按一定的数据更新周期(UpdateRate)更新数据缓冲器的数值时,如果 发现数据有变化时,就会以数据变化事件(DataChange)通知OPC客户端应用软件。 OPC服务器支持数据变化死区(DeadBand),而且OPC标签点的数据类型是模拟 量的情况下,只有当前值与前次值的变化绝对值超过一定的限度时,;?&1更新缓冲 器数据并通知OPC客户端。由此可以忽略模拟值的微小变化,从而能减轻OPC 服务器和OPC客户端软件的负荷。 订阅方式特点:OPC服务器用一定的周期检査过程实时数据,如果发现数 字量变化或者模拟数值的变化范围超过数据变化死区后,立刻通知客户程序,传 递相应数据信息。数据订阅式技术基于"客户-服务器-硬件设备"模型,在服务 器内存中建立预定数据的动态缓存,并且当数据变化时对动态缓存给予刷新,并 向订阅了这些数据的客户端发送。这种设计使得网络上的数据请求包数大大减少, 并有效降低了对服务器的重复访问次数。在数据点很多的情况下,这种通信方式 的优势更能凸现出来[25]。 OPC协议是由微软公司联合几个公司制定的,是以DCOM方式为基础开发 的,它只能用于Windows系统,对于大量的以UNIX为主的电力控制系统比如 ECS电气控制系统、NCS网络控制系统等无法使用,在IEC提供的协议类型中, 104规约较适合于大量数据的快速传输。104规约是问答式协议,调度问什么回 什么,同时也支持变化量的主动上传。大致流程为:主站测试链路报文-子站回 确认倾,调度总召,子站上送全遥测遥信,调度下发二级数据召唤报文,子站回 变化遥测,其中遥信变位和SOE都是主动上送。 26 华北111力大学硕士学位论文 4.2.4对接口集中管理 SIS系统中涉及机、炉、电主设备控制系统和水、煤、灰辅助控制系统以及 其它检测系统的众多接口,这些接口分布在不同的设备间,这种接口配置方式在 一定程序对增加了对接口维护检测和问题处理的复杂程度,因此在接口中有必要 增加接受集中管理的功能设计。 国外一些数据库厂商已经提供了相应的软件产品来实现对多种数据接口的 集中管理配置功能。例如美国OSI Sotfware公司JT?发PKPlant Information System) 实时数据库系统提供了接口设置工具ICU (Interface Conifguration Utility)软件, ICU是一个非常优秀的系统管理工具,可以替代许多手工设置来完成对多种接口 软件的配置工作,如:编辑接口配置文件,将接口软件安装成服务,设置接口标 签点的输入/输出速率和查找运行日志文件,启动和调试接口。使用ICU可以很 容易的建立I/O速率点来测量接口软件每分中产生的快照事件,建立性能点来 测量以某个级别扫描频率所采集到所有标签点的时间消耗[27]。GEFANUC(通用) 公司开发的IHistoiran数据库提供了历史数据采集器(Histoiran Data Collectors) 管理组件来进行数据采集器的集中处理,通过管理组件可以配置管理各类专业接 口如iFix EDA、OPC来采集数据、需要时提供自动负荷平衡、执行第一级数据 压缩、当与服务器连接中断时进行数据缓存[28,29]。美国Instep公司幵发的eDNA 实时数据库系统将数据采集接口开发成系统标准PUSH实时服务,例如OPC接 口 OPCRTS,通过系统BOSS服务可以实现对数据采集接口服务的远程网络管理 和操作,创建和删除服务、幵始和停止服务、浏览和控制服务、提供服务列表和 事件等功能[3_。 4.2.5加强安全管理 接口是实现过程数据从控制系统转移到SIS的桥梁,为满足自动化控制系统 安全要求,必须保证SIS接口软件对于下层控制网络数据的读取采用单向传输, 杜绝对下层控制网络进行修改、组态或对工艺过程进行直接控制,任何情况下均 不会影响DCS/PLC等下层控制网络的安全性。为保证接口本身及相关联的底层 控制系统安全,必须在接口机与控制系统网络间增加物理隔离装置,从物理上隔 离两侧数据直接通讯加强对接口机设备的日常管理工作,接口机的开启和操 作、电缆连接等工作必须专人负责;安装防病毒软件并及时升级病毒库以防止由 于病毒感染造成的接口机故障;日常定期对接口机工作状态进行巡视和记录。 4.3接口软件设计 超超临界机组SIS接口软件设计应充分考虑大量标签点采集时的设备负载 和效率需求,同时满足超超临界机组安全性要求。在开发语言上优先选择高效的 27 平北电力人学硕上学位论文 C++作为接口开发语言,在开发过程中充分利用多线程等技术提高接口处理标签 点的数量和响应速度。 . 4.3.1看门狗功能设计 工控机在硬件设计中普遍配置了看门狗功能,使工控机具备无需人工干预的 死机恢复能力,在接口软件运行通过功能调用可启动了看门狗的计数器,看门狗 就幵始自动计数,如果到了一定的时间还不去清看门狗,那么看门狗计数器就会 溢出从而引起看门狗中断,造成系统复位。 //定义看门狗计数单位常数 甘define WDTCOllNTERUNITSECOND 1 //秒 ___ttdefine WDTCOUNTERUNITMINUTE 2 //___分钟 #define WDTCOUNTERUNITMS 3 //___毫秒 //设置看门^^工作模是 WDTCreate (WDTMODERESET__, 0) //设置看门狗if数溢出处理方式为设备重启方式 WDTInstallEvent(WDTOVERFLOWEVENTREBOOTLL___, NULL, NU, NULL) //设置看门狗计数单it if (mradiit == 0) _iRo_un{ mTERUNITMINUTE; // 以分钟_unit = WDTCOUN_——计数 ) else if(mi—nRado == 1) —unit{ mut = WDTCOUNTERUNITSECOND : // 以_ni____秒计数 } //设置看门狗计数数值. i f((md i tt i _nE_me〈1) i i (mEti"_ ndit_me & 255)) {Me""ssageBox(计数值需在1到255之间",数值设置",MBOK); _return: } else { mti_me = mti-_nEdit_ } - int ret = WDTEnable(mu_nit,//启动_nie)看门狗功能 4.3.2多线程设计 在接口软件中,将数据采集、标签数据压縮处理和数据转发写入数据库分别 在不同线程实现,有利于充分利用设备资源,提高接口软件的性能和处理速度。 //启动接口多个线程函数 28 华北电力大学硕士学位论文 bool BeginSysThread() { . //启动管理线程 ghThreadMana_ger=benthreadM_gi(threadanager, 0,NULL); ? //?动实时数据检查^发线程 ghThreadCheckMea =_arDat ber_gi nt bead (threadCheckMemDat a, 0, NULL): //启动实时数据发送时间计数线程 ghThreadT i_mi ngMemData = beadTimi_ginthread(threngMemData, 0, NULL); if ( (ghThrM_eadanager〈=0) || (ghThreadCheckMeinData &= 0)_ | | (ghThta 〈= 0)) -readTimingMemDa{ EndSystemThread(); } } //实时数据检查转发线程函数 void threadCheckMeniData(void*) { HANDLE hWaitObjects [2] : {fhE_ventE;dt, fhE_vent5S}: while(TRUE) { //线程信号同步处理 DWORD dwReturn = ::WaitForMultipleObjects(2, hWaitObjects, FALSE, INFINITE): //跳出循环,结束线程 if(dwReturn == WAIT0B0—JECT_) break: //线程实际工作 else if(dwReturn == WAITOBCT0_JE _+1){ //检测有多少标签点数据变化超过例外设置 checkMemData (); //将满足条件的数据转发写入数据库 if(gTPa_pransge-& i t emCount&0) { BOOL result = SendMemDataToRdb(): } } } 29 华北电力大学硕士学位论文 4.3.3集中管理功能设计 " 接口软件应具备通过网络进行远程管理的功能,能准确及时响应上级接口集 中管理工具软件的各种监视和管理请求,包括远程获取接口运行状态、远程增加 标签点和删除标签点、查看标签点当前值等。 //响应管理软件请求 RequestAns(UINT iType,char* cData) { switch(iType) { //响应运行状态信息请求 case INTSTATUSINFO__: SendRunlnfo (); break: //响应增加标签点请求 case INTLABELADD: __IntLabelAdd(cData); //响应删除标签点请求 case INTLABELDEL__: IntLabelDel(cData); break: //响应编辑标签点请求 case INTLABELEDIT__: IntLabelEdit(cData): break: //响应标签点数值请求 case INTLABELVALUE: __IntLabelVal(cData): break: //响应接口运行时间请求 case INTTIMEINFO: __IntTimelnfoO : break: //响应标签点查询请求 case INTLABELQUERY: __IntLabelQuery(cData): break: //响应标签点运行状态请求 case INTLABELSTATUS: __IntLabelStatus(cData): break: default: 30
<户北屯力人学硕.i:学位论文 } 4.3.4软件界面设计 为方便接口软件维护以及数据点的数据对比核实,接口软件应显示当前运行 状态以及留有显示标签点值的界面窗口供维护人员检索査询,软件界面显示数据 项应包括数据点编号、类型、点当前值、时间标签、状态值等。 '御_及杈爾:户:國 1?谏壁i : 接口枚伴 关子二j rsiifs ‘ 一 — *" ,‘ 教据库服务器. 0pcj￡8rver_sao?; knighi. opc. server, defso i | ofcif: 12_^tfrv?r?7.0.0.s mm: str enabis j || 校s2013jilmii! -06-16 12:<12:08.计其引擎初檢化成功丨 ! -06-:08丨连接教播照务器成功丨 丨 -06-:42:08,连接opc膝秀器成功! i ‘( ; mmm: 2013年os月12:? 运行时ii: 00氏00」剑co分钟 图4-3接口运行状态显示图 31 平北111力人学硕i:学位论义 w ppc接uci:式户:隱4谏璧二 ;1-...■—-.:义■."〈g二「二 :i接口软样信患i单点激谋蜜海点信懲劍资| . mmm: mm^oa,并关望o点 0实8找攝 -;rns"ef!"""iilf— 广―jsf^t為译点-:i:sii * 4 b <sdna p?skserv h 1 593t. oooxto (j(sdd ? a c 2 ?;dna pusks?rv 59j 3 [^30000 gcdd ?edri% puskstrv k 593 淡30000 g( 5 dh ooox5d 令 ori% pashstrv ckdo %fsdri*. p?sks4ry k. 5. '330041 <kk)b g 6 -jdni. pushs^rv 1. 8s00!x) gcw 7 i0 b tf a?<na pushserv h<, 533 (k)00090q 8 d s c^■dn^ h. {km)oco ?3000 3i d 9 f-ush^erv 59k3 o^^ooo <500d
-广 、广 \r \ 、 生产报表 班值管理 实时报》 平台服务 应用平台、 r?55i3^ (WSSM\ N-.界..夕 V - .'.iij■;^w. & N-^-.. ^-...-. .‘j/ \&:.-..- . y . 秀.-.乂 VI (iSpST^ (.腕 H") (m )! mini I-, _||| II^I j-— S.&L_ ^ ?. .rw i.v 、''ii i.V 八y Vmnn "T r'^ h Ini"'^ *Sl_-.《?一.-...、^. - .. li irni ITI I II r J\ 八 _J ^ — =F^ 访问I计算逆辑数据保函数定到‘(汁算点 j ‘ __ 1*59 问! @3 " 实时脑雜1—1 /I ■ V 、 、.:￠.?■.^,.. A. ) (^p ^ ||^.&^ 5I,- ii . 5 1 \~~ -~~:— —v 1^5-1系统平台结构 )i:屮实时数据库接口层封装了对实时历史数掘库的操作,向上;]3应用提供统 一的API,支持市场上主流的实时历史数据库,包括PI、eDNA、IH. VeStore、 Agilor,提供标准C\C++和JAVA两种版本;对经常查询的实时、历史数据提供 了缓存功能,以提高系统的整体性能;提供接口状态的实时监视功能,以实时查 看接口运行状态;提供基于HTTP协议的远程服务,方便第三方系统进行数据访 问与集成[32]。 一体化计算平台提供统一的高级应用的算法组态、条件设置、数据预处理、 实时计算与保存、计算逻辑运行管理等功能:支持对测点实时、历史数据的查询; 支持测点数据的预处理、数据校验、数据过滤等功能;支持灵活的计算方式:定 吋汁算、触发计爲、即时计算;支持多种数据来源实时历史数据库、关系数据库 等;支持数据补算功能;提供介质物理特性计算的标准算法库,如水和水蒸汽性 质计算;支持外部计算组件扩展。 一体化发布平台采用B/S架构,实现统一的界面展示方式,对所有工况监视 画面、生产报表、各个高级应用模块进行发布;提供完善的权限管理、配置管理 功能;统一的界面风格,美观大方。各个模块按导航树进行组织与管理,方便浏 览与查询;强大的画面发布功能实现了画面发布及画面上测点信息浏览、历史趋 34 平北屯力人学硕-I :学位论义 势查询、趋势对比分析、饼图分析、棒图对比分析、实时仪表盘、数据回放、实 时动画等功能。生产报表组态、定时生成与查询,支持报表数据的修改维护功能; 统一的权限管理与单点登录功能,可以与其它系统进行整合;完善的系统管理功 能,方便进行系统的维护和管理。 . 5.2应用软件 VeStore-SIS应用模块采用模块化的设计思想,猫于系统平台提供的指标算 法组态、画面组态与发布等功能,实现各个应用模块的业务逻辑,并统一通过系 统平台进行发布和管理。应用模块以系统平台为支撑,由数据采集与应用、经济 性分析与应用、优化控制与运行、设备状态检测与故障珍断、机组性能试验等五 大类组成。应用软件结构如图5-2所示: f — \ 工程师辞典 ; ? ’ 数据枉’类-统计 J -‘ n 空预器性能生产报表 试验 S 》 1 I真空严密性 实时报警 性验 VJV j f—~;_'运行统好与々 f运行优化曲) (‘ 制粉系统挺数据回放j考核:线 J [能试验J f ■秘1 丨趋势分析分析制系统优1控制系统故 f凝汽器系统1 、 ) :,:工丁况《办射?) f控1 化 障诊断 性能试验H 11 Iitfin 11 1 n ■ V ■■ II. I I 丨—^ 」 ..-V - 、- ‘ ■ ■ f 过程监视 能损分析吹灰指V f,汽轮机性能—1 一;:断I:试验;; &?- j ... -J .T iiii- 11 数据采集接1 彳窗I im^m] CmMm] fwliW 口 r性能—1配指导I析i [验 flHSil fMiiEl (???卜 % ] -. %j@P : I _!& J I : i 阁5-2应HJ软件结构 应用模块按功能可以分为基本应用和高级应用,基本应用包括数据采集与应 用、经济性分析与应用,高级应用包括优化控制与运行、设备状态检测与故障诊 断、机组性能试验。 基本应用主要实现对底层控制系统生产过程数据进行采集,在实时/历史数 据库中记录机组生命周期的运行过程信息,并全面、准确、及时地进行机组性能 计算与分析。由数据采集与应用和经济性分析与应用两部分组成。其中数据采集 35 华北电力大学硕上学位论文 与应用包括数据采集、过程监视,趋势分析、数据归类统计、数据回放、自动报 表、短消息中心、工程师辞典等模块;经济性分析与应用包括性能计算、能损分 _ 析、工况分析、运行统计与考核等模块。 高级应用主要实现精确解析发电厂生产活动,充分挖掘各项生产数据所反映 的运行内在本质,将简单而海量的过程数据,加工成为有效而准确的管理信息, 为高级管理人员提供指导。同时具有可灵活部署的特点,包括优化控制与运行、 状态监测和故障诊断、机组性能试验等。 5.3应用功能设计 SIS是面向生产管理层的自动化管理系统平台,它是实现机组和全厂生产过 程最优控制及管理的系统,也是联系发电厂各生产过程控制系统及管理信息系统 MIS的桥梁。SIS综合了全厂各单元机组、辅控车间有关过程数据的实时信息, 通过采集、计算、优化和分析,对各单元机组的运行和设备维护提供在线监视和 运行优化指导,通过其计算站、功能站和通信网络,可实现全厂级各生产部门实 时信息集中共享[33]。 SIS应用功能设计应结合发电厂的生产管理流程,从运行管理、检修维护以 及生产营销管理的角度出发,紧紧抓住为运行管理和检修维护服务两条主线,辅 以为电量竞价上网提供生产实时成本和效益分析相关报表,开发出实用的、真正 能为电厂生产管理提供有力支持的应用功能。以此为目标设计的主要功能有:数 据采集与应用、经济性分析与应用、优化控制与运行、设备(系统)状态监测和 故障诊断以及机组性能试验。 5.3.1工况监视与查询 过程监视模块对全厂生产状况进行实时监视,通过生产流程监视图、趋势图、 棒状图和参数分类表等多种监视方式实时显示各单元机组及辅助车间的主要运 行参数和设备状态。用户可以在各终端上对各生产流程进行统一的监视和查询, 实现生产数据信息的共享。 针对运行操作、生产管理及设备管理人员的不同要求,提供了多种完善、灵 活的显示方式,对生产过程进行有效的监控,指导相关人员完成生产过程、系统 或设备分析,更好地进行操作调整与管理决策。 该模块的主要功能包括: ?提供B/S模式的Web画面展示功能,且画面的切换和刷新速度满足需求。 ?提供DCS画面到SIS画面的自动转换功能,可快速地制作和维护画面。 ?丰富的过程画面显示功能:包括流程图、趋势图、棒状图、饼图等功能 强大美观的显示方式,以形象、直观地显示生产运行工况。 36 华北电力大学硕士学位论文 ?提供过程画面灵活高效的导航组织功能,包括:导航栏导航、画面转 导航。 _ ?画面支持无级缩放、弹出、全屏显示等功能。 ?支持画面的数据回放功能:该功能实现过程画面的历史回放,从而协助 进行事故过程的分析。 ?支持画面的"动态巡检"功能:通过该功能可定义用户关心的主要画面 进行巡视。 5.3.2趋势分析 趋势分析模块从实时数据库系统获取实时及历史数据,可以根据标签号、标 签描述等进行精确查询(模糊查询)实现方便快捷的参数趋势调用,同时具有参 数的历史回放、参数曲线生成比较、多种趋势显示方式等功能。 ?趋势点定义组态功能:在一个趋势图形可以定义任意多条曲线显示,标 准的以16条以内为准显示效果最佳。 ?支持标签点以组合方式的二次计算。可以编辑复杂的函数表达式。 ?多窗口的显示方式,方便关联画面信息对比。 ?自定义趋势组管理功能。用树型结构方便用户管理所关心的趋势组合。 ?历史趋势和实时趋势自由切换。使得实时监视和历史监视可以同时进行。 ?曲线的放大等功能。支持整体放大或框选放大。 ?数据的导航功能。支持数据的翻页浏览和时间动态调整。 ? X-Y图显示功能。便于对关联参数的数据特性进行分析。 ?曲线的标识显示功能,曲线的打印和打印预览 ?原始值、平均值、最大值、最小值等数据导出到EXCEL。 ?图形保存和数据统计功能。 5.3.3运行统计与考核 模块使运行人员在监盘对运行设备进行调整的同时能清晰地看到自己所管 辖机组和所在单元各项指标的完成情况,以及各岗位人员在此指标下的个人收入 状况。同时各级管理人员随时可看到运行机组的参数及奖罚情况,以其指标得分 情况分析判断各运行值别的工作质量。把运行人员一机组主要参数一个人收入之 间通过运行考核系统紧密地结合在一起,其实现方法如图5—3: 37 平北电力大学硕上学位论文 f"""" ^ 法 -\ 卜柳自純 火^挪雄織 蹄、目标值h ~~—— [生产本&&系》] VJ 乂 J , s / \ cif^、析 mmm 1 1(每月 一次) \^'mM!m\ tI II__ 1 展示雜、统计分析、1 丨^^^^丨 [4^???}??][系统] J 推按 ^ 图5-3运行统计-W考核实现方法 ?安全性考核 :!?于安全性的考核,如为防止设备受损的参数(主汽温、汽压、炉腊负压等) 越限惜况(次数、强度、极值等)考核;可以按值、天、月、季、年等方式分别 i^i句,形成各种报表,方便对运行的监督管理;也可以根据用户需要,将其转换 为量化考核指标。 ?经济性考核 站于经济性的考核,如运行小指标考核、经济指标考核等;将标准煤耗、厂 Hi电率等大的i卜划指标,按工种、设备、岗位层层分解成具体的技术经济小指标, 并将其落实到车叫、班组及个人,定期检查与评比。 5.3.4厂级性能计算 性能计算模块建立机组热力设备及系统的性能数学模型,以在线方式实时、 准确地计算、分析、评价发电厂技术经济指标和设备的性能指标,计算的结果输 出到实时/历史数据库中保存。该模块可实现对机组全方位的性能在线监测,同 时,性能计算的结果也是进行优化运行和控制、经济性分析以及操作指导等高级 应用的基础。性能计算模块主要依据ASME、国标和电力行标等计算标准,包括 了全厂、机组和设备三级性能指标在线计算功能[34]。 ?全厂级性能指标的计算 包括全厂负荷、全厂负荷率、厂用电量、综合厂用电率、全厂补水量、全厂 补水率、锅炉效率、汽耗率、热耗率、全厂发电煤耗、全厂供电煤耗; ?机组级性能指标计算 38 华北电力大学硕士学位论文 包括机组负荷率、厂用电率、发电补水率、机组发电煤耗、机组供电煤耗、 热耗量、热耗率、热耗率(修正)、汽耗率、机组热效率(绝对电热效率); ?锅炉系统性能指标计算 -包括反平衡锅炉热效率、各项损失(排烟热损失、化学未完全燃烧热损失、 机械未完全燃烧热损失、散热损失、灰渣物理热损失)、锅炉热负荷、锅炉主蒸 汽流量; ?汽机系统 包括高压虹相对内效率、中压紅相对内效率、低压紅相对内效率,循环热效 率、汽轮机主蒸汽流量、汽轮机主蒸汽压力、汽轮机主蒸汽温度、汽轮机再热蒸 汽流量、汽轮机各段抽汽流量、汽轮机各级柚汽效率; ?给水系统性能指标计算(高压加热器及除氧器) 包括加热器上端差、加热器下端差、加热器进汽流量、除氧器进汽流量、除 氧器进水流量、加热器温升; ?凝结水系统性能指标计算(低压加热器) 包括加热器上端差、加热器下端差、加热器进汽流量、加热器温升; ?真空系统 包括凝汽器热负荷、凝汽器端差、凝汽器水侧阻力、凝汽器汽侧阻力、凝汽 器真空、凝结水过冷却度、总体传热系数、冷却水温升、冷却水流量; ?风烟系统 包括空气预热器漏风率(GB)、烟气侧效率、空气侧流动阻力、烟气}