孟濤，岳恒，柴天佑（東北大學自動化研究中心，110004）

摘 要：介紹了采用FIX組態軟件平臺而研發的火力發電廠計算機監控系統。所研發的監控軟件，不僅實現了發電生產過程信息的采集、處理和監控，而且提供了故障診斷與報警，自動生成生產報表，實現了監控和數據采集（SCADA）系統與發電廠管理系統的集成。此外，研究開發的事件順序記錄（SOE）系統能快速準確地判斷跳合閘順序，分析出事故發生的原因。該監控系統在清河發電廠的成功應用表明系統結構設計合理，功能完善，可靠性高。

關鍵詞：火力發電廠監控系統；故障診斷專家系統；事件順序記錄（SOE）

一、引言

隨著基于Windows操作系統監控軟件的流行，計算機監控系統也真正為我們提供了一個“Windows on Plants”，使我們可能了解整個生產過程所發生的一切。火力發電廠監控系統提供了機組運行狀態的顯示畫面，各種報警處理，以及自動生成報表等多項功能，是發電廠安全、可靠運行的重要保證。研發具有快速、準確地處理發電過程的信息以及事件順序記錄（SOE）系統，能夠實現SCADA系統與發電廠管理信息系統集成的監控軟件，對實現發電廠綜合自動化具有重要的實際價值。

本文研發了基于FIX組態軟件平臺的火力發電廠計算機監控系統，并成功地應用于清河發電廠。

二、火力發電廠監控系統

本文研發的發電廠計算機監控軟件具有發電過程信息采集、處理，過程狀態顯示，故障診斷與報警，自動生成各種生產報表，提供SCADA系統與發電廠管理信息系統的集成，以及SOE系統。

該監控系統是以FIX監控組態軟件為平臺，結合發電過程開發了下列功能模塊，如圖1所示。

圖1 監控系統軟件功能模塊框圖

1、數據采集與實時數據庫

利用FIX監控平臺下高性能的驅動程序，可以實現上位機與下位機PLC、ADAM數據采集模塊的通信，完成了數據采集任務，并建立了實時數據庫。

FIX系統任務SAC（The Scan，Alarm，and Control Program）負責實時數據庫的刷新。SAC有兩種處理方式：

（1）基于時間的處理方式

基于時間的處理方式需要為實時數據庫中的數據項規定一個掃描時間。掃描時間決定SAC多長時間刷新讀一次 數據。對于ADAM模塊采集的模擬量和PLC中的開關位置信號我們采用了這種方式，并且增加了相位掃描功能，如圖2所示，從中可以看出相位掃描有效地使用了CPU時間。

圖2 多標簽的相位掃描

（2）基于事件的處理方式

基于事件的處理方式容許事件觸發SAC以更新數據。數據的變化和PLC主動提供的消息都可以作為觸發事件。下位機中的大量保護信號（一般都很多）只在故障情況下發生變化，而故障發生的幾率是很小的。采用基于事件的方法處理它們可以減少CPU的使用時間，明顯改善了系統的性能，因為SAC不必按規定的時間間隔掃描標簽。

相位掃描以及基于事件處理方式的使用保證了信息處理的快速、準確。

2、機組運行狀態顯示

清晰、美觀的畫面為操作人員監視生產設備的運轉狀態提供了生動簡潔的人機交互能力。本文介紹的上位機監控系統的畫面由靜態和動態畫面兩部分組成。靜態畫面一般反映系統中主要設備的配置情況。動態畫面則反映設備和系統的實時運行情況，例如文字圖形的可見與不可見，數值的變化以及符號、顏色的改變等。通過它們及其各種組合可以清楚直觀的反映發電機組，母線，變壓器，開關等設備的運行情況。

發電機的有功功率和無功功率是衡量發電機運行狀況的兩個關鍵的參數，對發電機組的有功、無功信號的實時檢測畫出其趨勢圖，對運行人員來說是非常重要的。監控系統中的模擬量除了以動態數字顯示以外，還設計了連續曲線的形式，即趨勢圖，來顯示各模擬量值的變化趨勢。操作者不僅可以看到過去的趨勢而且可以看到當前的趨勢。通過趨勢圖操作員可以看出有功功率和無功功率的變化情況，從而預測發電機組的運行效率。

3、故障診斷與報警

根據火力發電廠以往現場運行經驗，建立了故障診斷專家系統的知識庫和推理規則，其表示方法如下：

rule：if 故障現象1 and 故障現象2 and ....then 故障原因1

當保護信號發生變化時，根據上面規則由上位機顯示故障原因。盡管規則較為簡單，但在實際運行中故障診斷結果基本正確，使監控系統具備了初級的智能化水平。

上位機監控軟件從報警的類型、產生、狀態記錄各方面作了十分細致的設計，能及時反映生產過程運轉狀態，快速處理各種故障、事故和排除隱患，保護設備和保證生產正常運作。

4、自動生成生產報表

上位機監控系統中的報表記錄為系統運行狀況的分析提供了重要依據。FIX軟件支持DDE客戶和服務器的兩種模 式，結合報表生成器選項使用預先定義的宏，可以方便地創建定制報表的自動生成。

報表記錄可提供發電機組電氣系統全部模擬量的歷史數據，即可以文件形式保存在上位機中，也可以輸出至打印機。自動生成報表的功能省卻了人工讀表記錄帶來的不便。

5、監控系統與管理系統的集成

發電生產過程的實時數據作為發電廠管理信息系統的重要組成部分，它的接入及保存方式直接影響著管理信息系統完備性及可靠性。FIX為了保護自身的實時數據庫并沒有給其他用戶應用程序提供直接讀寫數據庫SQL語言，但是FIX組態軟件為我們提供了應用ODBC的解決方案。

FIX組態軟件提供的Real-Time ODBC SQL接口允許向Access、MS SQL Server、Oracle等多種DBMS寫入實時過程數據。在實際應用中，考慮到我們的數據庫規模不大，所以選擇了Microsoft的Access數據庫，通過網絡可以方便地 在整個發電廠共享現場的實時數據。采用FIX軟件平臺的上位機作為SCADA節點與發電廠MIS系統的聯接過程如圖3所示。

圖3 FIX ODBC接口與Access數據庫的聯接

三、火力發電廠SOE系統

事件順序記錄SOE（Sequence of Events）功能是發電廠電網事故的重要診斷手段，它是指發電廠在廠用電系統發生事故而導致保護裝置動作、開關連跳的情況下，上位機應能判別出開關的跳合閘先后動作順序并記錄相應的結果。根據此結果便可以及時判定事故原因，查出故障點。

雖然SOE功能是發電廠計算機監控系統的一項重要功能，它是發電廠的一種特殊需求，目前應用于發電過程的大型DCS系統具有專門的SOE模塊，但還沒有一種適用于一般控制系統的具有SOE單一功能、價格低廉的產品。因此，我 們自行研發了火力發電廠SOE系統。

1、SOE系統的硬件結構

上位機監控系統運行在FIX軟件平臺下，FIX本身就是一個龐大的軟件，各種監控功能的實現已經占用了上位機 相當多的資源，如果還用上位機實現SOE的全部功能，勢必增加了上位機的負擔，而且SOE記錄時間的分辨率是否能達到1ms也值得懷疑。

集散控制的主要思想就是分散控制，集中管理。為了實現SOE功能，本文提出了上位機、單片機雙機解決方案，把SOE功能從上位機中分離出來，用自行研制開發的SOE功能單片機電路板實現開關狀態查詢、記錄故障時間、分辨開關跳合閘先后順序等主體功能，然后利用中斷方式的串口通信將結果發送給上位機，由上位機負責完成顯示、存檔以及日后的查詢、打印等管理工作。其信號流圖如圖4所示。

圖4 SOE功能信號流圖

由于單片機的運行與上位機相對獨立，上位機能否準確、及時地顯示事故情況下開關跳合閘順序很大程度上依賴于單片機傳送上來的數據，因此通信的可靠性是SOE軟件設計中的關鍵問題。

本系統中上位機與單片機之間利用RS232接口進行串行數據通信。在通信方式的選擇上做了如下考慮：

查詢方式需要上位機CPU不斷的檢測SOE功能電路板的狀態，雖然效率較高，但是占用了上位機大量CPU時間，與我們當初將SOE功能從上位機中分離出來的想法向背；而中斷方式由于單片機的輸出緩沖有限，每次SOE的結果需要多次中斷上位機才能將全部數據傳送給它，降低了通信效率。

本文采用了折中的辦法，單片機與上位機的通信方式采用中斷和查詢交替進行的方式。當單片機判斷SOE已經結束后向上位機發送通信握手信號，上位機接收通信握手中斷信號后激活運行在上位機的SOE功能應用程序，該程序再通過查詢方式讀取全部數據。這種通信方式集中斷方式和查詢方式二者之長，使得數據交換既簡單、高效又最大限度地節約了上位機系統的CPU時間。

SOE功能電路板主體為89C51單片機，同時包括單片機系統監控電路、串行通信接口以及二級輸入光電隔離保護，保證了SOE系統能夠在發電廠這樣的工業環境中長期穩定運行。

2、SOE系統的軟件結構與功能

SOE功能電路板的軟件功能主要完成對各通道的掃描，判斷事故的起止時間，處理數據結果以及發送數據給上位機等。單片機程序包括下面三個模塊。

（1）主程序模塊

主程序模塊負責單片機的初始化，在記錄跳合閘事故數據后調用數據處理和通信子模塊。

（2）數據處理子模塊

數據處理子模塊確定開關跳變時間，并按時間對發生跳變的開關進行排序。

（3）通信子模塊

通信子模塊按照預先制定的通信規則將SOE的結果發送給上位機。

上位機的SOE功能應用程序采用了標準Windows32程序的運行模式。其消息模型如圖5所示。由于事故發生的幾率相對很小，SOE功能應用程序大多數時間處于空閑狀態，這樣大大節省了上位機的系統資源。

圖5 上位機SOE應用程序的消息模型

上位機SOE功能應用程序利用VC⁺⁺6.0提供的基于COM技術的ActiveX控件Microsoft Communication Control實現了上位機與單片機的串口通信；利用VC⁺⁺6.0的Document/View（文檔/視圖）框架結構實現了SOE結果的顯示、存檔 及打印。

將SOE系統分成兩部分，由單片機和上位機分工合作共同實現不僅改善了其性能，而且節省了上位機的系統資源，使整個監控系統的運行得到了優化。SOE系統的設計方案已通過實驗測試，成功地應用在清河發電廠。

四、監控系統在清河發電廠的應用

本文研發的監控系統現已應用在清河發電廠4臺100000kw機組中。整個系統采用了集散控制思想，由上位機完成數據管理、機組狀態顯示、故障診斷報警以及記錄報表等功能。對于開關邏輯控制，數據采集和事件順序記錄SOE這些任務分別由OMRON C2000H PLC，ADAM4017數據采集器和SOE功能電路板完成。其中，ADAM40174模擬量采集器將采集的數據經RS485總線傳遞至ADAM4520，由它轉換為RS232通過COM1串口進入上位機。4臺PLC除了進行4臺機組的邏輯控制外，通過LINK適配器連接形成了網絡，并將保護信號和開關位置信號經COM2串口送入上位機，由上位機負責監 控。SOE功能電路板同樣通過RS232與上位機通信，由于工控機的兩個串口都被占用，所以實際應用中使用了多串口卡。清河發電廠計算機監控系統的硬件結構框圖如圖6所示。

圖6 清河發電廠計算機監控系統的硬件結構圖

上位機通過串口通信只接受來自這些設備的數據信號，而不對它們發送控制命令，這樣不但減輕了上位機的負擔，而且從根本上杜絕了由于上位機通信時信號受干擾所帶來的誤動作現象。即使當上位機因故障而停機時，也不影響PLC的正常工作，這樣可大大提高系統運行的可靠性。

監控系統在清河發電廠投入運行以來，一直安全可靠的運行，完全滿足了日常生產的要求。現在已經離不開這套計算機監控系統，監控系統產生的報警信息、記錄報表，已成為生產管理、機組維護、故障分析的重要依據。

監控系統以其良好的安全措施、豐富完善的監控功能和友好的圖形界面，大大方便了運行維護人員的工作；不但提高了機組運行的自動化水平和電廠的現代化管理水平，而且降低了生產成本，使清河發電廠在競價上網中提高了競爭力。

五、結束語

我們結合發電生產過程而研發的監控系統，對于充分利用發電過程的實時數據進行發電過程的在線管理、提高發電過程中的運行效率具有穩定的推動作用。本文提出的監控系統在清河發電廠的實際運行表明：該系統具有完善的監控功能，友好的人機界面，不僅運行安全可靠，而且為運行人員提供操作指導，使發電機組高效運行。