華北電網(wǎng)煙氣污染物排放信息管理系統(tǒng)子站多功能通訊平臺(tái)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

宋方儒，王中勝，張傳江，朱鏡靈

(北京國電智深控制技術(shù)有限公司，北京市，102200)

0 引言

根據(jù)國家發(fā)改委及華北地區(qū)環(huán)保局的要求，華北電網(wǎng)需要建立一套煙氣污染物排放信息管理系統(tǒng)［1］，該系統(tǒng)建成后，可以充分發(fā)揮燃煤火電廠煙氣脫硫設(shè)施的作用，提高我國火電廠脫硫設(shè)施的脫硫效率和運(yùn)行水平，減少二氧化硫的排放［2-3］。該系統(tǒng)按照規(guī)劃，設(shè)計(jì)成一套基于網(wǎng)絡(luò)及實(shí)時(shí)通訊的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［4］。系統(tǒng)構(gòu)架分為電廠側(cè)數(shù)據(jù)子站、通訊網(wǎng)絡(luò)層及監(jiān)測(cè)中心站的數(shù)據(jù)服務(wù)層。

在電廠側(cè)數(shù)據(jù)子站層的建設(shè)中，由于電廠側(cè)分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)不盡相同，其功能及應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，數(shù)據(jù)接口多樣性，實(shí)際應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜［5］，設(shè)計(jì)了一種多功能通訊平臺(tái)。該多功能通訊平臺(tái)按照最新DCS通訊的特點(diǎn)設(shè)計(jì)［6-7］，不但根據(jù)此次項(xiàng)目的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，而且還在設(shè)計(jì)時(shí)注重了通訊平臺(tái)未來應(yīng)用上的便捷性和可移植性。該平臺(tái)推廣后可以降低通信成本、增強(qiáng)客戶服務(wù)［8-9］，該平臺(tái)利用了統(tǒng)一集成開發(fā)符合組件接口規(guī)范的數(shù)據(jù)接口服務(wù)的關(guān)鍵點(diǎn)以及基于調(diào)度網(wǎng)或無線分組業(yè)務(wù)GPRS網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用［10］。本文主要研究通訊平臺(tái)的需求與設(shè)計(jì)，并對(duì)通訊平臺(tái)的應(yīng)用進(jìn)行了舉例說明。

1 子站采集系統(tǒng)的要求和特點(diǎn)

依據(jù)煙氣污染物排放信息管理系統(tǒng)子站采集建設(shè)單位的要求，本系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)分別采自現(xiàn)場(chǎng)排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(continuous emission monitoring system，CEMS)、機(jī)組DCS、脫硫控制系統(tǒng)等。采集范圍為脫硫的主要參數(shù)。

根據(jù)要求需要在電廠端設(shè)置數(shù)據(jù)子站，該子站負(fù)責(zé)把本電廠脫硫系統(tǒng)以及其他信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)值收集和存儲(chǔ)，并按照統(tǒng)一的傳輸規(guī)約發(fā)送數(shù)據(jù)至中心站的數(shù)據(jù)前置機(jī)中。其中對(duì)于統(tǒng)調(diào)電廠采用專業(yè)調(diào)度網(wǎng)通訊，對(duì)于非統(tǒng)調(diào)電廠則采用GPRS無線通訊。如果通訊網(wǎng)絡(luò)因故障中斷，采集到的數(shù)據(jù)則暫時(shí)存放在子站中，待網(wǎng)絡(luò)通訊恢復(fù)后，子站主動(dòng)向中心站的數(shù)據(jù)庫補(bǔ)發(fā)該段數(shù)據(jù)，以此保證數(shù)據(jù)的完整性。子站系統(tǒng)還需通過GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)發(fā)送對(duì)時(shí)報(bào)文和帶時(shí)標(biāo)的數(shù)據(jù)。子站發(fā)送的數(shù)據(jù)在中心站統(tǒng)一收集并加以分析利用。

2 多功能通訊平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于多功能通訊平臺(tái)概念為首次提出，目前并沒有同類產(chǎn)品的應(yīng)用。當(dāng)前各個(gè)DCS系統(tǒng)在與第三方建立通訊時(shí)，大都采用自己約定的通訊方式，在硬件產(chǎn)品的挑選上，常常是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同環(huán)境或通訊點(diǎn)數(shù)而選擇的，不盡相同。并且每出現(xiàn)一種業(yè)務(wù)通訊就需要建立一種專用的通訊方式，這樣建設(shè)起來的通訊站必然投資大、效率低、不便于統(tǒng)一管理。

根據(jù)煙氣污染物排放信息管理系統(tǒng)子站采集系統(tǒng)的建設(shè)要求，在對(duì)比了同類產(chǎn)品，并充分考慮到未來可能出現(xiàn)的繼承和移植后，設(shè)計(jì)了一種多功能通訊平臺(tái)。該通訊平臺(tái)可同時(shí)與多個(gè)第三方設(shè)備或廠家建立通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集傳輸交換。并且可以方便集成第三方的應(yīng)用程序，具有開放性的特點(diǎn)，支持第三方通訊軟件嵌入系統(tǒng)［11-12］。

本平臺(tái)主要采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)。平臺(tái)易于擴(kuò)展，軟硬件都可靈活增減配置，實(shí)現(xiàn)了定制開發(fā)的簡(jiǎn)單快速。并且方便遠(yuǎn)程組態(tài)調(diào)試及維護(hù)更新，使得整個(gè)系統(tǒng)具有強(qiáng)大功能和高可靠性。

在平臺(tái)的硬件層設(shè)計(jì)上，選用了小型嵌入式計(jì)算機(jī)，該機(jī)器采用無風(fēng)扇式設(shè)計(jì)，機(jī)器體積小、速度快、功耗低，并且有防沖擊和抗振動(dòng)的特點(diǎn)，可基于現(xiàn)場(chǎng)或客戶的不同需求而進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展［13-14］。并采用了雙交直流電源設(shè)計(jì)，交直流同時(shí)輸入在線智能切換，大大提高產(chǎn)品可靠性。該平臺(tái)具有2個(gè)RJ45接口，6路RS-232/RS-485通訊接口，并可根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)需求，相應(yīng)增加擴(kuò)展模塊進(jìn)行接口的擴(kuò)充。特別設(shè)計(jì)了基于RS-232/485接口改進(jìn)的物理單向的串口單向數(shù)據(jù)傳輸通道，確保只能從DCS向外發(fā)送數(shù)據(jù)。然后基于該單向物理通道，采用單向發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將相關(guān)數(shù)據(jù)單向發(fā)送到生產(chǎn)II區(qū)的功能。

在平臺(tái)的系統(tǒng)軟件層設(shè)計(jì)上，采用了衍生自嵌入式Linux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有安全、穩(wěn)定、可靠性高的特點(diǎn)，開發(fā)軟件模塊間相互獨(dú)立并可擴(kuò)展。支持的網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大，可通過Web瀏覽器接入方式在異地對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程技術(shù)支持［13-14］。

在平臺(tái)的開發(fā)應(yīng)用軟件層設(shè)計(jì)上，該平臺(tái)提供了一套可行的標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)約，并對(duì)通訊數(shù)據(jù)的內(nèi)容、格式、傳輸方式做相應(yīng)的定義，方便第三方廠家統(tǒng)一開發(fā)。并可定制開發(fā)各種高級(jí)應(yīng)用軟件，平臺(tái)通過建立冗余的歷史數(shù)據(jù)倉庫來應(yīng)對(duì)由硬件故障所造成的數(shù)據(jù)丟失，歷史數(shù)據(jù)倉庫以前端查詢和分析作為基礎(chǔ)，可提供給電廠及主站決策分析之用。

在平臺(tái)的通訊網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)上，通過建立平臺(tái)支撐網(wǎng)絡(luò)，保證了傳輸網(wǎng)絡(luò)的有效及正常運(yùn)行，提高了網(wǎng)絡(luò)的各種控制和管理能力，并配置了多種靈活的對(duì)外接口，同時(shí)支持多種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。此外為了保證在控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)安全性［15-16］。在設(shè)計(jì)上采用信息加密技術(shù)，選用一些可靠的加密算法，可選用國際數(shù)據(jù)加密算法(international data encryption algorithm，IDEA)，密鑰長度在56位。這樣使得系統(tǒng)對(duì)外來破壞具有健壯性，系統(tǒng)自身具有封閉性。

多功能通訊平臺(tái)設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)層次如圖1所示。

圖1 多功能通訊平臺(tái)結(jié)構(gòu)層次Fig.1 Structure hierarchical graph for multifunctional communication platform

圖1中，硬件層采用無風(fēng)扇嵌入式小型一體機(jī)，安全穩(wěn)定，雙交直流電源設(shè)計(jì);系統(tǒng)軟件層采用多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，開發(fā)模塊獨(dú)立并可擴(kuò)展;應(yīng)用軟件層支持常用規(guī)約，并可定制多種通訊軟件;通訊網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)安全性高，配置通訊接口靈活。

該平臺(tái)具體軟件開發(fā)模塊主要包括:脫硫?qū)崟r(shí)信息獲取模塊、中心站通訊模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及和調(diào)用模塊、GPS時(shí)鐘同步模塊、網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測(cè)模塊、信息加密模塊、安全診斷模塊、遠(yuǎn)程接入模塊、第三方設(shè)備擴(kuò)展模塊等。

3 多功能通訊平臺(tái)系統(tǒng)特點(diǎn)

為了數(shù)據(jù)采集的安全可靠，多功能通訊平臺(tái)采用的是UNIX(LINUX)操作系統(tǒng)，并建立小型歷史站來存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。建立了對(duì)多種通訊的支持，并依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的特性，增加各種故障自愈和自動(dòng)恢復(fù)功能。

為了適合系統(tǒng)長期穩(wěn)定通訊的特點(diǎn)，平臺(tái)硬件選用了無風(fēng)扇設(shè)計(jì)的嵌入式計(jì)算機(jī)。該機(jī)器的特點(diǎn)是體積小、速度快、功耗低，并且具有防沖擊和抗振動(dòng)的特點(diǎn)，可以適應(yīng)各種惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。采用了雙交直流電源設(shè)計(jì)，大大提高了平臺(tái)的可靠性。

為進(jìn)一步提高系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，減低系統(tǒng)成本，根據(jù)本系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)和數(shù)據(jù)量少的特點(diǎn)，特別設(shè)計(jì)了基于RS-232/485接口改進(jìn)的物理單向的串口單向數(shù)據(jù)傳輸通道，確保只能從DCS向外發(fā)送數(shù)據(jù)。其安全技術(shù)性已達(dá)到了網(wǎng)絡(luò)正向隔離技術(shù)，從而確保了內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)的封閉安全性，完全滿足系統(tǒng)安全防護(hù)技術(shù)相關(guān)規(guī)定要求。

平臺(tái)采用看門狗軟件實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)自動(dòng)診斷及自動(dòng)運(yùn)行功能。通過在移動(dòng)設(shè)備上安裝配置軟件，可遠(yuǎn)程接入對(duì)通訊平臺(tái)進(jìn)行平臺(tái)管理、參數(shù)同步、流量監(jiān)視。

采用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、集中管理、集中分析。本平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用B/S模式，實(shí)時(shí)參數(shù)列表部分采用java Applet嵌入到Web頁，由支持java的瀏覽器發(fā)布。

4 多功能通訊平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用

楊柳青電廠需把4個(gè)機(jī)組的脫硫數(shù)據(jù)上傳給華北電網(wǎng)煙氣污染物排放信息管理系統(tǒng)。該電廠的特點(diǎn)是各機(jī)組的脫硫控制室緊鄰，多功能通訊平臺(tái)也計(jì)劃放在脫硫控制室柜內(nèi)，且未預(yù)留放置顯示器等外圍設(shè)備的空間。故該電廠在設(shè)計(jì)方案時(shí)，在生產(chǎn)控制系統(tǒng)和非生產(chǎn)系統(tǒng)間采用了特別設(shè)計(jì)的基于RS-232改進(jìn)的物理單向的串口單向數(shù)據(jù)傳輸通道來實(shí)現(xiàn)物理單向隔離，省去了采用單向隔離裝置的費(fèi)用，有效地節(jié)省了成本。通訊平臺(tái)通過串行模塊匯總數(shù)據(jù)后，通過GPRS模塊以及公網(wǎng)和中心站前置機(jī)進(jìn)行通訊。同時(shí)在子站側(cè)采用遠(yuǎn)程接入方式來監(jiān)視數(shù)據(jù)的正確性及通訊的可靠性。楊柳青電廠華北電網(wǎng)煙氣污染物排放信息管理系統(tǒng)子站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 楊柳青電廠華北電網(wǎng)煙氣污染物排放信息管理系統(tǒng)子站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.2 Network topology for Yangliuqing power plant substations of information management system forflue gas emission in North China Grid

5 結(jié)語

多功能通訊平臺(tái)目前只是應(yīng)用在煙氣污染物排放信息管理系統(tǒng)子站建設(shè)上。本項(xiàng)目中應(yīng)用的多功能通訊平臺(tái)在設(shè)計(jì)上有許多突破及創(chuàng)新，例如:多功能平臺(tái)硬件系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)、改進(jìn)的物理單向的串口通訊、易用及免維護(hù)的安全產(chǎn)品技術(shù)、高級(jí)應(yīng)用與系統(tǒng)集成、遠(yuǎn)程安全技術(shù)支持等。另外在針對(duì)小型系統(tǒng)冗余歷史數(shù)據(jù)倉庫的建立，信息加密技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)自愈及流量控制等方面也有相應(yīng)的研究開發(fā)。

該多功能通訊平臺(tái)設(shè)計(jì)之初便考慮到未來跨平臺(tái)移植問題，設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了多種擴(kuò)展接口。該平臺(tái)可以根據(jù)其他行業(yè)的通訊特點(diǎn)，運(yùn)用在冶金、化工、煤炭等領(lǐng)域，如此便可避免資源的重復(fù)浪費(fèi)及重復(fù)開發(fā)工作，符合節(jié)能環(huán)保的要求。

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