分布式计算机监测系统在火电厂中应用

1 概述

　　目前我国火电厂300MW以上的大型机组大多都采用国外的DCS系统，这些系统造价昂贵，对于100MW中型机组不适用，并且100MW中型机组以往都是采用常规仪表检测、显示。采用计算机对机组的模拟量和开关量信号进行数据采集，可取代以往的部分常规模拟仪表和数字仪表，缩小运行人员的监视范围，而且计算机提供的信息比常常规仪表更准确、更直观、更集中。为了提高系统的实时性、可靠性、减轻运行人员的劳动强度，创想联合为一火电厂3台100MW机组设计、安装了分布式计算机监测系统。

　　衡量实时监测系统的重要技术指标就是系统的可靠性和实时性。因而系统研制过程中，必须在系统结构、硬件结构、软件结构和抗干扰措施等方面充分将现有的先进技术与生产实际相结合，提高系统的整体性能。

2 系统的总体结构设计

　　被控对象是3台汽轮发电机组，在进行系统方案设计时，考虑到以后系统的扩展及有关部门需求的增加，没有采用集中式的主机系统结构，决定用网络结构，以便扩充和设备的更新；进行网络选型论证时，考虑到系统扩充及维护的简易性，决定选用总线形结构的网络：为了提高系统的稳定性、可靠性，没有采用单主机总线网络结构，采用多主机网络总线结构。

　　采用多主机分布式监测方式，它具有以下特点：

　　适应能力强，可以通过选用适当数量的上位机和数据采集站来构成相应规模的系统，便于扩展。

　　可靠性高，某个主机或采集站出现故障，不会对系统的其他主机或采集站造成影响。当一个采集站出现故障时，只影响本采集站的功能。当一个主机出现故障时，可由其他主机“代管”。

　　实时响应性好，各个数据采集站之间是真正“并行”工作，因此，系统的实时响应性好。

　　与单主机监测系统相比，不易造成“瓶颈”现象。

　　整个系统上位机选用工控机，下位机选用智能测控前端，每台上位机配有1台UPS，主控室和集控室分别配1台打印机。系统总体结构如图1所示。

3 软件设计

　　在本软件设计中，开发平台采用WindowsNT。为保证系统的实时性和可靠性，充分利用汇编语言实时功能强，而高级语言运算能力强的优点，采用MSVB5.0和8088汇编语言混合编程方式。汇编语言执行速度快，且能有效地控制硬件，因此，采用汇编语言子程序来完成数据采集、通信等工作。利用高级语言来完成上位机的数据处理、显示、打印等工作。

　　整个软件系统由四部分组成，即网络初始化程序，数据采集程序，数据通信程序，数据处理与管理程序，各子程序采用模块化设计。

　　3.1 网络初始化程序

　　网络初始化程序对网络进行初始化，设置网络、网卡（通信适配卡）和采集前端机的工作方式，确定网卡是否允许越限中断，是否允许事件中断，是否自动查询前端，选择网络工作方式：循环或主从方式。给各主机的工作方式：只听或听讲。对闪端采集机的工作模式、采样周期、通道个数等进行设定。

　　3.2 数据采集程序

　　数据采集程序用于现场采样，装配在采集站中。生产过程的信号有模拟量和数字量两类。数字量包括开关量和脉冲量二种。开关量有扫描型和中断型之分。对不同的实时检测点设计成相应的数据采集软件，分别完成从相关设备采集相关的数据，进行预处理以组织成供通信软件传送的格式。

　　3.3 数据通信参数

　　数据通信程序由数据发送模块和接收模块构成。它实际上是单片机之间的（通信适配卡与采集站都是以单片机为核心构成的）通信。通信适配卡发送上位机对采集站的命令；接收采集站的实时数据，供上位机调用。

3.4 数据处理与管理程序

　　数据处理与管理程序主要包括数据获取程序，和组态管理程序。数据获取程序通过调用网卡设备驱动程序，获取下位机采集的实时数据，同时用DDE（动态数据交换）方式传送给工控组态管理程序。组态管理程序主要有实时数据库组态，历史数据库组态，流程画面组态。它完成数据存贮，显示，报警，打印，提供用户画面，和分析计算。数据存贮部分包括实时数据，报表数据，调整报警限数据的存储；数据显示部分包括对动态实时数据和历史数据提供各种图形显示；用户界面采用流行的DCS图形界面显示，和简洁的功能键操作提示，所提示的主要操作有图号切换、站号切换等，以及一些辅助性操作，如：系统在线帮助，值班员登录等；数据处理主要包抱燃煤量计算、发电量计算等。

4 系统功能的实现

　　数据图形显示：包括实时数据趋势显示、历史数据趋势显示（显示的时间区间可改变）、棒状图显示、流程图显示。

　　数据查询：可查询两个月前的历史数据记录、报警记录等。

报表打印：包括报警记录打印、月报表、轮值信息打印、燃煤量报表、发电量报表打印。

　　人工输入：为了满足一些数据的特殊要求，运行人员每隔一小时将一些数据从键盘上输入到人工输入一览表中。

　　在线分析：包括发电量分析、燃煤量分析、事故分析等。

　　权限设定：为了更好地维护系统，对不同的操作站设定不同的权限，一些高级的操作只有工程师站或管理员站独用，而操作员站只进行日常的运行、维护操作。并且不同的操作级别设定不同的密码，不同的操作站只能登录相应级别的权限。

　　系统对时与更改时间：由于本系统是网络结构，需要保持整个网络系统时间一致。权限为管理员站的操作站可进行系统对时和更改系统时间。系统对时以网络控制机的时间为准。

　　与厂级管理信息系统（MIS）相接：在上位机任一PC总线插槽插入-LAN网卡与厂级MIS相连接，将发电机组的实时信息传至厂级管理机构。

5 系统网络通信技术

　　5.1 网络控制机

　　本分布式计算机监测系统是一多主机网络结构，主机与前端，主机与主机之间的通信均通过网络总线完成，因此，必须对网络进行统一管理才能使网络协调运行。

　　各台主机中由编号最小的主机（1#）作为网络控制机对整个网络进行统一管理，当它从网络中退出（下电或故障）时，则下一个编号的听讲主机（2#）自动成为新的网络控制机以保证网络的正常运行，以此类推下去，从而达到主机冗余备用的功能。当原来的网控机重新入网时，则当前的网络控制机自动将网络控制权交出，前者将重新成为网络控制机。

　　5.2 主机的工作方式

　　主机的工作方式分为三种：只讲方式、听讲方式、只听方式。考虑到各主机间可进行数据共享，主机可以冗余备用，任一主机不仅可以获得本前端机的数据，而且也可以获得其他前端机的数据，主机的工作方式采用听讲方式，各主机均有权占用总线获取数据。

　　5.3 网络运行模式

　　网络运行模式有主从运行模式、循环运行模式。考虑到主机数量不是很多，在循环运行模式中各主机占用总线的机会均等，便于各前端机采集到的数据及时送到主机进行处理与显示，决定网络运行模式采用循环运行模式。

　　网络的通信方式为半双工异步通信方式，传输速率为187.5KBPS，遵从TCP/IP协议。该分布式监测系统不仅在拓扑结构上是分布式，而且在地理安装位置上也是分布式的，从而有效地运用了分布式系统“危险分散”的原则。

6 系统抗干扰设计

　　电厂的发电机组处于强电磁场的工作环境，电磁干扰很大，因此顺进行系统抗干扰设计以保证系统的可靠性，稳定性。

　　采取电气隔离技术：采集前端机、通讯识配卡与网络总线的连接经过电气隔离，彻底避免测控电路板之间的相互干扰和地线回流等问题。

　　网络的串行通信是以峰一峰值6V的的电平和平衡差动方式传送，从而使网络的通讯具有很强的抗干扰能力。

　　网络总线采用屏蔽双绞线，从而抑制电磁感应，使传输信号得到屏蔽。

　　采用终端匹配电阻，从而掏长线传输干扰。

　　对于因强电磁场干扰而产生的显示器屏幕抖动，可将显示器刷新频率调至最大，并在显示器上加屏蔽罩。

　　采取数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术。

7 结束语

　　该分布式计算机监测系统实现了系统网络化，用户界面图形化，数据实时化；硬件积木化，软件模块化。经一年多运行表明：系统运行稳定，抗干扰能力强，信息可靠性高，受到运行人员的好评。为科学管理发电生产，正确的辅助决策起到了重要作用。该分布式计算机监测系统不仅适用于电厂，而且适合于冶金、化工等工业生产。