邵長軍，樊 怡，孫博揚，趙 涵，趙立慧

（1.國電宿遷熱電有限公司，江蘇 宿遷 223803；2.北京華電天仁電力控制技術(shù)有限公司，北京 100039；3.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

0 引言

隨著數(shù)字化技術(shù)的變革和移動通訊技術(shù)的完善，大規(guī)模、高并發(fā)的火電廠數(shù)字化建設(shè)逐漸成為可能。由于火電設(shè)備長期處于高溫、高壓的運行環(huán)境下，設(shè)備檢修難度大、危險系數(shù)高，故對火電廠高危設(shè)備建設(shè)完備、準確、可靠的數(shù)字化平臺，能夠及時地為檢修、運行提供重要的輔助信息，進一步提高火電運行的安全性。

目前，提高火電機組自動化、信息化水平主要依賴分散控制系統(tǒng)（DCS）[1]，DCS 系統(tǒng)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為電信號在顯示端轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。雖然，DCS 解決了設(shè)備運行的分散控制問題，但是電信號傳輸抗干擾能力較弱，不能夠很好實現(xiàn)對設(shè)備運行狀況的故障預(yù)警。20 世紀以來，智能儀器的發(fā)展使電廠設(shè)備運行信號，可以使用數(shù)字信號進行存儲，運行設(shè)備所需軟件體量較大，傳統(tǒng)的C/S 架構(gòu)容易造成運行遲緩等情況。如何利用信息平臺與現(xiàn)場總線技術(shù)（FCS）將數(shù)字信號進行匯總、展示，降低設(shè)備運行壓力，提供有效的預(yù)警信息，是信息公司在實施中面臨的重要問題。

為了解決上述問題，根據(jù)市場需求開發(fā)數(shù)字化預(yù)警平臺。本文簡述火電廠構(gòu)建數(shù)字化預(yù)警平臺進行知識式狀態(tài)檢修，利用工業(yè)萬兆以太網(wǎng)與服務(wù)器，將設(shè)備信息實時展現(xiàn)至操作員電腦，運用瀏覽器實現(xiàn)對火電廠現(xiàn)場智能設(shè)備遠程實時故障監(jiān)控與預(yù)警，達到運行穩(wěn)定、傳輸速率快，抗干擾能力強的目標。

1 B/S（Browser/Server）應(yīng)用

1.1 B/S結(jié)構(gòu)

目前為止，應(yīng)用最為廣泛的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為客戶機/服務(wù)器系統(tǒng)（C/S 系統(tǒng)）。其中，較為典型的是基于WEB 數(shù)據(jù)庫的B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，操作員使用瀏覽器界面發(fā)出操作指令，瀏覽器將指令以超文本的形式向WEB 服務(wù)器發(fā)出數(shù)據(jù)庫操作請求。WEB 服務(wù)器接收操作請求后，激活對應(yīng)的操作程序，在程序驗證請求的合法性后對數(shù)據(jù)庫進行對應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果返回給應(yīng)用程序[2]。應(yīng)用程序?qū)⒔Y(jié)果轉(zhuǎn)化為超文本格式，并由服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給請求方的服務(wù)器。

B/S 結(jié)構(gòu)利用WEB 環(huán)境，簡化了多用戶終端的使用，使多終端界面操作成為可能。同時運行工作主要集中在服務(wù)器上，對客戶機的運行壓力較小，使客戶端成為真正意義上的“瘦客戶端”。因此，適合使用B/S 架構(gòu)進行火電廠信息平臺架構(gòu)。

1.2 火電廠信息平臺整體架構(gòu)

對于B/S 結(jié)構(gòu)在火電廠應(yīng)用流程，需要結(jié)合具體的火電廠現(xiàn)場設(shè)備進行信息平臺架構(gòu)。首先，結(jié)合DCS 系統(tǒng)，匯總總線的設(shè)備數(shù)據(jù)，建立相關(guān)畫面及邏輯。使用FCS 總線技術(shù)將數(shù)據(jù)進行解析與傳輸，形成數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流傳輸至信息機房后，經(jīng)過隔離裝置（網(wǎng)閘，目的在于使得數(shù)據(jù)流單向流動）進入接口機。通過接口機將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SIS 交換機中，SIS 交換機將數(shù)據(jù)傳入內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫以及其他接口機中。為了保證數(shù)據(jù)的完整性，將SIS 交換機中的數(shù)據(jù)利用隔離裝置建立在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，同時建立在鏡像服務(wù)器中。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的數(shù)據(jù)導(dǎo)入應(yīng)用服務(wù)器進行數(shù)據(jù)分析與處理，運用機器學(xué)習(xí)算法，實現(xiàn)現(xiàn)場總線控制狀態(tài)監(jiān)測、故障監(jiān)測統(tǒng)計以及現(xiàn)場總線設(shè)備狀態(tài)分析，利用建立設(shè)備故障狀態(tài)的數(shù)據(jù)模型的方式，通過專家診斷系統(tǒng)給出預(yù)警信號以及處理指導(dǎo)意見，將相關(guān)信息傳入WEB 服務(wù)器利用發(fā)布平臺進行前端展示。相關(guān)的平臺服務(wù)器、網(wǎng)閘的架構(gòu)示意見圖1。

圖1 服務(wù)器與網(wǎng)閘架構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of the server and gate architect ure

2 數(shù)字化預(yù)警平臺設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)字化預(yù)警平臺基于已有的DCS 現(xiàn)場總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，由設(shè)備層、采集層、傳輸層、隔離層、后臺服務(wù)層、展示層等幾部分構(gòu)成，如圖2 所示。系統(tǒng)具有單向傳輸?shù)奶卣?，即現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)可以傳送出來，外部的數(shù)據(jù)不能回傳給總線，分別在軟件和硬件層面加以限制以保證現(xiàn)場控制系統(tǒng)的安全。設(shè)備層即現(xiàn)場的各類總線設(shè)備，包含DP 設(shè)備和PA 設(shè)備；采集層由和總線并聯(lián)的采集模塊構(gòu)成，負責(zé)總線數(shù)據(jù)的抓取和封裝；傳輸層負責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)向上層系統(tǒng)的傳輸工作，包括光纖傳輸和以太網(wǎng)傳輸兩種方式；隔離層采用單向隔離網(wǎng)閘實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊單向隔離；后臺服務(wù)層包含接口機和服務(wù)器兩個部分，接口機部署數(shù)據(jù)解析接口；服務(wù)器安裝有數(shù)據(jù)庫和WEB 應(yīng)用服務(wù)器；展示層以友好的界面提供展示、查詢和分析功能。

2.1 設(shè)備層

設(shè)備層是利用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接各類現(xiàn)場總線設(shè)備。本文以Profibus 為例，從站設(shè)備包含DP 和PA 兩類通信傳輸協(xié)議，用于同時處理自動化及過程控制。DP 用于連接分布式設(shè)備，使得控制系統(tǒng)和分布式I/O 設(shè)備之間實現(xiàn)快速周期性的數(shù)據(jù)交換。PA 用于過程控制，主要應(yīng)用于傳輸潛在易爆區(qū)的傳感器數(shù)據(jù)，將自動化系統(tǒng)與壓力、溫度、液位等現(xiàn)場設(shè)備進行連接。設(shè)備在總線網(wǎng)絡(luò)中以段的形式連接，一根DP 線連接若干個總線設(shè)備，設(shè)備段采用通訊冗余設(shè)計，在簡化現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸線路的同時，也保證了智能設(shè)備數(shù)字信號傳輸不受干擾。

圖2 數(shù)字化預(yù)警平臺體系結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Digital early warning platform architecture map

2.2 采集層

采集層包括分析模塊（S 模塊）、以太網(wǎng)模塊（E 模塊）及它們內(nèi)部的軟件系統(tǒng)。分析模塊采用與Profibus 總線并聯(lián)的形式，采集模塊通過RS485 總線和以太網(wǎng)通信模塊連接，以太網(wǎng)模塊負責(zé)通過TCP 協(xié)議向上傳輸采集信息。模塊布置如圖3 所示。

2.3 傳輸層

數(shù)據(jù)的傳輸起始于DCS 的總線數(shù)據(jù)，采用網(wǎng)線和光纖通訊實現(xiàn)，采用光纖網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的長距離傳輸，短距離傳輸采用超五類屏蔽網(wǎng)線。多個網(wǎng)段的信息交匯利用萬兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)，使信號傳輸快速、穩(wěn)定。

2.4 隔離層

隔離層是為防止外部程序與生產(chǎn)現(xiàn)場進行通訊造成生產(chǎn)故障或事故的預(yù)防措施，采用單向隔離網(wǎng)閘實現(xiàn)。在DCS 側(cè)和SIS 側(cè)之間、SIS 側(cè)和應(yīng)用側(cè)之間均有部署，示意見圖1。隔離層只允許生產(chǎn)現(xiàn)場的FCS 設(shè)備數(shù)據(jù)向外傳輸，不允許外部數(shù)據(jù)向生產(chǎn)現(xiàn)場傳輸，極大程度地保證了運行安全穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)的準確性。

2.5 數(shù)據(jù)服務(wù)層

數(shù)據(jù)服務(wù)層分為接口機部分和存儲服務(wù)器部分。接口機部分部署接口軟件，主要針對每種協(xié)議設(shè)備信息的不同定義不同的解析規(guī)則，將現(xiàn)場的二進制信息解析成需要的數(shù)據(jù)類型并與設(shè)備參數(shù)對應(yīng)起來以備存儲。存儲服務(wù)器部分負責(zé)數(shù)據(jù)存儲，采用實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)負責(zé)數(shù)據(jù)的存儲操作，保證數(shù)據(jù)的時效性[3]。

圖3 采集模塊布置示意圖Fig.3 Acquisition module layout schematic

2.6 展示層

展示層是直接面向火電廠內(nèi)部用戶的WEB 服務(wù)界面。通過友好的界面對數(shù)字化預(yù)警平臺功能進行展示，基礎(chǔ)的展示內(nèi)容包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、故障模型、知識庫、品牌管理、測點管理、系統(tǒng)管理幾個方面。

3 主要功能設(shè)計

3.1 狀態(tài)監(jiān)測功能

數(shù)據(jù)監(jiān)測功能，對單設(shè)備級參數(shù)的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，方便工作人員準確實時遠程觀察設(shè)備運行狀況，并能夠調(diào)取一定時間段的歷史數(shù)據(jù)。狀態(tài)監(jiān)測針對于總線網(wǎng)絡(luò)的通訊狀況，以網(wǎng)段拓撲圖的形式對控制器、IO 模塊、通訊主站卡、光口和光纜、從站設(shè)備的運行狀態(tài)、通訊狀態(tài)進行集中監(jiān)測。對從站設(shè)備的通訊地址、故障類型、品牌型號信息、各通訊柜物理安裝地址、PA 分線盒的物理安裝位置及PA 設(shè)備接線端子圖進行展示。

3.2 故障診斷功能

故障診斷功能，故障診斷分為直接故障診斷和綜合故障診斷兩類。直接故障診斷是單參數(shù)判斷，使用休哈特（Shewhart）檢驗法進行單變量故障預(yù)警。依托于故障類型，根據(jù)電廠處理故障的需要，一般分為電氣故障、通訊故障、電池故障等方面，也可以分為電動設(shè)備故障、氣動設(shè)備故障、馬保故障等類型。通過定義故障類型，在報警發(fā)生時根據(jù)各自的經(jīng)驗判定規(guī)則得出相應(yīng)的故障診斷。

綜合故障診斷使用模式識別的方法對設(shè)備狀態(tài)進行相似性建模[4]。通過大量積累的故障數(shù)據(jù)分析形成針對于某類故障的獨特判定模型，通過數(shù)據(jù)對比的方式發(fā)現(xiàn)故障的端倪從而及早處理。維護人員根據(jù)報警數(shù)據(jù)進行重點關(guān)注及預(yù)防性維護工作，提升設(shè)備的可用率。

3.3 知識庫功能

現(xiàn)場總線設(shè)備眾多，設(shè)計圖紙等重要資料查詢困難，故障問題多種多樣，需要統(tǒng)一整理和利用，防止重復(fù)性工作。由此建立完善的設(shè)備檔案管理系統(tǒng)和故障解決方案知識庫，為設(shè)備的技改、檢修措施、運行人員的應(yīng)急處理提供數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)設(shè)備日常檢修維護數(shù)據(jù)、歷史故障信息，建立故障預(yù)警、狀態(tài)檢修的邏輯關(guān)系，形成故障解決方案知識庫，自動生成設(shè)備維護列表及維護指導(dǎo)意見，及時地提醒檢修人員有針對性地進行設(shè)備檢修維護工作。但是該功能由于現(xiàn)場設(shè)備故障量過大，故障原因冗雜，通常各設(shè)備故障存在耦合性，故該功能目前僅作為參考，僅針對典型故障進行記錄，從而降低檢修人員工作強度。

4 結(jié)語

本文從架構(gòu)和功能方面簡述火電廠數(shù)據(jù)平臺應(yīng)用研究，重點在于構(gòu)建數(shù)字化預(yù)警平臺進行知識式狀態(tài)檢修。結(jié)合FCS 設(shè)備對現(xiàn)場運行設(shè)備進行狀態(tài)分析，加強現(xiàn)場和遠程檢修便利性。目前，數(shù)字化信息系統(tǒng)已經(jīng)可將現(xiàn)場數(shù)據(jù)實現(xiàn)遠程畫面顯示等基礎(chǔ)性工作，利用多種機器學(xué)習(xí)算法對故障信息進行數(shù)據(jù)挖掘仍有提升空間。同時，知識庫系統(tǒng)、現(xiàn)場與三維可視化結(jié)合進行實物展示有很大的發(fā)展?jié)摿?，是未來的發(fā)展趨勢。