華北電網煙氣污染物排放信息管理系統子站多功能通訊平臺的設計和應用

宋方儒，王中勝，張傳江，朱鏡靈

(北京國電智深控制技術有限公司，北京市，102200)

0 引言

根據國家發改委及華北地區環保局的要求，華北電網需要建立一套煙氣污染物排放信息管理系統［1］，該系統建成后，可以充分發揮燃煤火電廠煙氣脫硫設施的作用，提高我國火電廠脫硫設施的脫硫效率和運行水平，減少二氧化硫的排放［2-3］。該系統按照規劃，設計成一套基于網絡及實時通訊的在線監測系統［4］。系統構架分為電廠側數據子站、通訊網絡層及監測中心站的數據服務層。

在電廠側數據子站層的建設中，由于電廠側分散控制系統(distributed control system，DCS)不盡相同，其功能及應用范圍不斷擴大，數據接口多樣性，實際應用環境復雜［5］，設計了一種多功能通訊平臺。該多功能通訊平臺按照最新DCS通訊的特點設計［6-7］，不但根據此次項目的特點進行設計開發，而且還在設計時注重了通訊平臺未來應用上的便捷性和可移植性。該平臺推廣后可以降低通信成本、增強客戶服務［8-9］，該平臺利用了統一集成開發符合組件接口規范的數據接口服務的關鍵點以及基于調度網或無線分組業務GPRS網絡的典型應用［10］。本文主要研究通訊平臺的需求與設計，并對通訊平臺的應用進行了舉例說明。

1 子站采集系統的要求和特點

依據煙氣污染物排放信息管理系統子站采集建設單位的要求，本系統所需數據分別采自現場排放連續監測系統(continuous emission monitoring system，CEMS)、機組DCS、脫硫控制系統等。采集范圍為脫硫的主要參數。

根據要求需要在電廠端設置數據子站，該子站負責把本電廠脫硫系統以及其他信息系統的數據點值收集和存儲，并按照統一的傳輸規約發送數據至中心站的數據前置機中。其中對于統調電廠采用專業調度網通訊，對于非統調電廠則采用GPRS無線通訊。如果通訊網絡因故障中斷，采集到的數據則暫時存放在子站中，待網絡通訊恢復后，子站主動向中心站的數據庫補發該段數據，以此保證數據的完整性。子站系統還需通過GPS對時系統發送對時報文和帶時標的數據。子站發送的數據在中心站統一收集并加以分析利用。

2 多功能通訊平臺系統設計

由于多功能通訊平臺概念為首次提出，目前并沒有同類產品的應用。當前各個DCS系統在與第三方建立通訊時，大都采用自己約定的通訊方式，在硬件產品的挑選上，常常是根據現場不同環境或通訊點數而選擇的，不盡相同。并且每出現一種業務通訊就需要建立一種專用的通訊方式，這樣建設起來的通訊站必然投資大、效率低、不便于統一管理。

根據煙氣污染物排放信息管理系統子站采集系統的建設要求，在對比了同類產品，并充分考慮到未來可能出現的繼承和移植后，設計了一種多功能通訊平臺。該通訊平臺可同時與多個第三方設備或廠家建立通訊，進行數據的采集傳輸交換。并且可以方便集成第三方的應用程序，具有開放性的特點，支持第三方通訊軟件嵌入系統［11-12］。

本平臺主要采用開放式系統結構，模塊化設計。平臺易于擴展，軟硬件都可靈活增減配置，實現了定制開發的簡單快速。并且方便遠程組態調試及維護更新，使得整個系統具有強大功能和高可靠性。

在平臺的硬件層設計上，選用了小型嵌入式計算機，該機器采用無風扇式設計，機器體積小、速度快、功耗低，并且有防沖擊和抗振動的特點，可基于現場或客戶的不同需求而進行相應的擴展［13-14］。并采用了雙交直流電源設計，交直流同時輸入在線智能切換，大大提高產品可靠性。該平臺具有2個RJ45接口，6路RS-232/RS-485通訊接口，并可根據實際現場需求，相應增加擴展模塊進行接口的擴充。特別設計了基于RS-232/485接口改進的物理單向的串口單向數據傳輸通道，確保只能從DCS向外發送數據。然后基于該單向物理通道，采用單向發送實時數據技術，實現將相關數據單向發送到生產II區的功能。

在平臺的系統軟件層設計上，采用了衍生自嵌入式Linux操作系統的實時多任務操作系統。該系統具有安全、穩定、可靠性高的特點，開發軟件模塊間相互獨立并可擴展。支持的網絡功能強大，可通過Web瀏覽器接入方式在異地對該平臺進行遠程技術支持［13-14］。

在平臺的開發應用軟件層設計上，該平臺提供了一套可行的標準接口規約，并對通訊數據的內容、格式、傳輸方式做相應的定義，方便第三方廠家統一開發。并可定制開發各種高級應用軟件，平臺通過建立冗余的歷史數據倉庫來應對由硬件故障所造成的數據丟失，歷史數據倉庫以前端查詢和分析作為基礎，可提供給電廠及主站決策分析之用。

在平臺的通訊網絡層設計上，通過建立平臺支撐網絡，保證了傳輸網絡的有效及正常運行，提高了網絡的各種控制和管理能力，并配置了多種靈活的對外接口，同時支持多種網絡標準協議。此外為了保證在控制系統與其他系統間的網絡安全性［15-16］。在設計上采用信息加密技術，選用一些可靠的加密算法，可選用國際數據加密算法(international data encryption algorithm，IDEA)，密鑰長度在56位。這樣使得系統對外來破壞具有健壯性，系統自身具有封閉性。

多功能通訊平臺設計方案的結構層次如圖1所示。

圖1 多功能通訊平臺結構層次Fig.1 Structure hierarchical graph for multifunctional communication platform

圖1中，硬件層采用無風扇嵌入式小型一體機，安全穩定，雙交直流電源設計;系統軟件層采用多任務實時操作系統，開發模塊獨立并可擴展;應用軟件層支持常用規約，并可定制多種通訊軟件;通訊網絡層的網絡安全性高，配置通訊接口靈活。

該平臺具體軟件開發模塊主要包括:脫硫實時信息獲取模塊、中心站通訊模塊、實時數據監控模塊、歷史數據存儲及和調用模塊、GPS時鐘同步模塊、網絡流量監測模塊、信息加密模塊、安全診斷模塊、遠程接入模塊、第三方設備擴展模塊等。

3 多功能通訊平臺系統特點

為了數據采集的安全可靠，多功能通訊平臺采用的是UNIX(LINUX)操作系統，并建立小型歷史站來存儲歷史數據。建立了對多種通訊的支持，并依據網絡的特性，增加各種故障自愈和自動恢復功能。

為了適合系統長期穩定通訊的特點，平臺硬件選用了無風扇設計的嵌入式計算機。該機器的特點是體積小、速度快、功耗低，并且具有防沖擊和抗振動的特點，可以適應各種惡劣的現場環境。采用了雙交直流電源設計，大大提高了平臺的可靠性。

為進一步提高系統技術經濟性，減低系統成本，根據本系統測點和數據量少的特點，特別設計了基于RS-232/485接口改進的物理單向的串口單向數據傳輸通道，確保只能從DCS向外發送數據。其安全技術性已達到了網絡正向隔離技術，從而確保了內網系統的封閉安全性，完全滿足系統安全防護技術相關規定要求。

平臺采用看門狗軟件實現了系統自動診斷及自動運行功能。通過在移動設備上安裝配置軟件，可遠程接入對通訊平臺進行平臺管理、參數同步、流量監視。

采用遠程監測技術，實現了對數據的實時監測、集中管理、集中分析。本平臺結構采用B/S模式，實時參數列表部分采用java Applet嵌入到Web頁，由支持java的瀏覽器發布。

4 多功能通訊平臺實際應用

楊柳青電廠需把4個機組的脫硫數據上傳給華北電網煙氣污染物排放信息管理系統。該電廠的特點是各機組的脫硫控制室緊鄰，多功能通訊平臺也計劃放在脫硫控制室柜內，且未預留放置顯示器等外圍設備的空間。故該電廠在設計方案時，在生產控制系統和非生產系統間采用了特別設計的基于RS-232改進的物理單向的串口單向數據傳輸通道來實現物理單向隔離，省去了采用單向隔離裝置的費用，有效地節省了成本。通訊平臺通過串行模塊匯總數據后，通過GPRS模塊以及公網和中心站前置機進行通訊。同時在子站側采用遠程接入方式來監視數據的正確性及通訊的可靠性。楊柳青電廠華北電網煙氣污染物排放信息管理系統子站網絡拓撲如圖2所示。

圖2 楊柳青電廠華北電網煙氣污染物排放信息管理系統子站網絡拓撲Fig.2 Network topology for Yangliuqing power plant substations of information management system forflue gas emission in North China Grid

5 結語

多功能通訊平臺目前只是應用在煙氣污染物排放信息管理系統子站建設上。本項目中應用的多功能通訊平臺在設計上有許多突破及創新，例如:多功能平臺硬件系統相關技術、改進的物理單向的串口通訊、易用及免維護的安全產品技術、高級應用與系統集成、遠程安全技術支持等。另外在針對小型系統冗余歷史數據倉庫的建立，信息加密技術，網絡自愈及流量控制等方面也有相應的研究開發。

該多功能通訊平臺設計之初便考慮到未來跨平臺移植問題，設計時預留了多種擴展接口。該平臺可以根據其他行業的通訊特點，運用在冶金、化工、煤炭等領域，如此便可避免資源的重復浪費及重復開發工作，符合節能環保的要求。

［1］陳秋，李振海，張國強，等.火電廠環保設施及煙氣污染物排放實時監控系統研究與建設［J］.電力建設，2010，31(11)80-83.

［2］李卓群，陳玉清.遠程實時脫硫在線監測系統研究［J］.河南師范大學學報:自然科學版，2010，38(4):43-47.

［3］王志軒.“十一五”電力環保與資源節約規劃討論［J］.中國電力2006，39(1):97-102.

［4］安玉祥.DCS在火電廠的應用與發展［J］.電力建設，2003，24(11):37-39.

［5］唐躍中，阮前途，曹晉彰，等.電網企業綜合數據平臺的開發［J］.電網技術，2009，33(17):37-43.

［6］張文生.火電廠分散控制系統的發展概況與展望［J］.電力建設，2001，22(12):15-15.

［7］孫丕石，曹占峰，王亞玲，等.國家電網公司數據交換平臺研發與應用［J］.電網技術，2008，32(22):62-67.

［8］熊琦.下一代企業級統一通信平臺的研究與實現［D］.北京:北京郵電大學，2009:1-7.

［9］周林，孟婧，徐會亮，等.GPRS在電力系統中的應用現狀與展望［J］.電力建設，2008，29(3):8-13.

［10］李洋洋.電力自動化通信管理機的研制［D］.西安:西北工業大學，2003:1-6.

［11］張煒，金自明.采用MODBUS協議對火電機組某些系統與DCS通訊的改造［J］.電力建設，2006，27(3):63-64，67.

［12］李紅，何青，陳月升.Java技術在機組振動遠程監測診斷系統中的應用［C］//中國動力工程學會第三屆青年學術年會論文集.上海:中國動力工程學會，2005:1-6.

［13］胡競峰，李志農，楊世錫，等.基于Web的多機組遠程監診系統的設計與開發［J］.汽輪機技術，2001.12，43(6):351-354.

［14］王艷平，張越.Windows網絡與通信程序設計［M］.北京:人民郵電出版社，2006:165-214.