電站熱工優化控制平臺軟件體系的研究

孫耘，尹峰，李旭侃，丁寧，張鵬

（浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

電站熱工優化控制平臺軟件體系的研究

孫耘，尹峰，李旭侃，丁寧，張鵬

（浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

為了整合TOP（電站熱工優化控制平臺）系統下位DCS實時控制技術、上位高性能優化算法站技術以及多元接口與安全控制技術，設計了含多類型數據通信的上、下位軟件體系，實現了軟件體系的標準化、結構化、可維護、易擴展的基本要求，在較強穩定性的基礎上實現系統運行維護、過程控制的基本功能，以及高級優化組件的模塊化加載體系結構。

TOP；軟件體系；組態監控；優化算法；模塊化加載

0 引言

TOP（Thermal Optimized-control Platform，電站熱工優化控制平臺）系統是針對火力發電廠日益提高的節能、環保、高效控制要求而研究開發的，整合了下位DCS（分散控制系統）實時控制技術、上位高性能優化算法站技術以及多元接口與安全控制技術的通用軟硬件平臺系統，一方面能滿足常規DCS的實時控制功能，分散控制風險，另一方面則能進行大量復雜的計算、分析、建模等工作，提高運算能力。

TOP系統從DCS中在線獲取生產數據，經過多種優化算法的加載，完成控制功能，并將優化結果實時送回DCS，基于開放結構的軟件系統具備一般通用DCS的組態與監控軟件功能，同時還具備優化運算與模型調用的功能。軟件體系遵循標準化、結構化、可維護、易擴展等基本原則，在較強穩定性的基礎上實現系統運行維護、過程控制的基本功能，并實現高級優化控制功能。

1 TOP系統軟件體系的總體要求

基于開放結構的TOP系統需要與發電廠現有的DCS相連接，從現有DCS中獲取生產數據，經過復雜及智能優化運算后，送回原DCS，達到優化DCS的效果。為實現該功能上位機軟件開發的需要滿足以下基本要求：

（1）開放性：能與不同的DCS進行通信對接；對于同種DCS不同通信方式可以進行通信對接；系統開發完畢后，能夠根據多種DCS協議與不同廠家的DCS通信；信息傳遞方式可以有多種，可以是硬件方式也可以是軟件方式，如OPC（用于過程控制的對象連接與嵌入技術）接口、Mod-bus（總線協議）等。

（2）優化能力：軟件需具備方便、靈活、多種方式的先進控制算法模塊化加載，便于復雜回路的功能塊化封裝。

（3）通用性：軟件結構上需采用模塊化設計，符合相關國家標準要求，程序上需使用通用的技術規約和協議，以實現開放性，便于將來系統的擴展。

（4）集成性：系統需要具備通用DCS軟件所應當具備的功能，具備主控邏輯組態、數據庫組態、畫面和趨勢監控、歷史記錄、OPC通信等基本功能，方便操作人員學習和使用。

2 TOP系統上位軟件的構架

2.1 上位機應用軟件

根據需求分析，上位軟件需要完成組態、監控、通信、數據管理、數據優化、數據記錄等功能，從軟件的功能分，上位機軟件由六大模塊構成（如圖1所示）。根據六大模塊的功能，按照數據的流向建立上位機應用軟件的總體框架結構，上位機應用軟件包括：控制邏輯組態、畫面監控、數據庫組態、趨勢組態監控、歷史數據記錄、報警和操作記錄、報表、OPC、虛擬DPU（分散處理單元）、系統管理等10個主要軟件。各功能軟件既相互獨立，又數據共享、相輔相成。

圖1 TOP系統上位機軟件體系結構

2.2 通用組態監控功能的體系結構

上位軟件的核心是內存數據庫，總體框架結構以系統管理軟件中內存數據庫為中心，控制邏輯的模塊和數據點為基本點展開。控制邏輯組態軟件完成控制邏輯組態，數據庫組態軟件完成數據點的組態，然后由系統管理軟件根據以上的組態完成上位機內存數據庫的建立。

當系統下位正常運行時，應用程序從已經建立的共享內存數據庫中進行數據掃描，獲得實時的觀測和控制數據，完成各自軟件的功能。內存數據庫同時從下位機控制器和虛擬控制器實時獲得數據并更新內存數據庫中的舊數據。應用軟件通過在線命令將控制信息發送至下位控制器和虛擬DPU。整個上位機軟件雖多，但是均圍繞共享內存數據庫展開，結構和框架簡單，數據交互效率高。

2.3 高度開放的通信模塊體系結構

TOP系統的高度開放性是其優勢和特點之一，其通信模塊結構龐大，其中包含了上位機通信模塊和下位機通信模塊。按照通信對象可以分為上下位軟件交互通信，上位軟件同其他DCS產品交互通信，上位機開發平臺與第三方開發平臺交互通信。

通信經網絡交換機完成，按照方式可以分為UDP（用戶數據包協議）通信，TCP（傳輸控制協議）通信，基于TCP/IP協議的OPC通信以及通過調用動態庫函數完成的接口通信。UDP通信方式通信量大，適應大量快速的數據發送；TCP通信方式的發送方會接到接收方的信息反饋，確認收到后才能結束每次通信，通信過程有著較高的準確性和可靠性，適合少量精度要求較高的數據通信。

2.4 “點單式”模塊化加載體系的結構

TOP系統通過控制邏輯組態軟件完成主控邏輯，然而對于較多的優化算法都是由組態人員編程實現，TOP系統提供了“點單式”模塊化加載和調用第三方高級語言平臺2種方式實現優化算法的導入。

“點單式”模塊化算法的加載是指開發人員可以根據需求將優化程序以控制邏輯組態軟件中標準模塊型式，形成可視化的模塊導入控制邏輯，提高平臺優化算法加載的靈活性和簡易性。在控制邏輯軟件中，組態人員根據算法提供輸入、輸出和參數數量，自動生成算法殼模，同其他標準模塊一樣經過編譯，下裝至控制器。下位機軟件支持標準C語言算法，上位機軟件支持標準C++語言和MATLAB語言。

3 TOP系統下位軟件構架

3.1 下位機應用軟件

TOP系統下位軟件由3個部分構成，即系統任務、靜態和動態數據區（如圖2所示）。系統任務包含各種功能子系統；靜態數據區包括上位站下裝的組態文件、下位控制站的配置文件以及下位控制站系統運行過程中生成的日志文件等；動態數據區是系統中速度和實時性最高的數據區，由實時數據庫完成系統各部分的數據交換。

圖2 TOP系統下位機軟件體系結構

3.2 控制器管理子系統

控制器管理子系統完成過程控制器運行環境和數據、狀態的初始化以及共享內存、數據庫的建立等功能，包含以下內容：控制器實時操作系統的引導和初始化；在本地文件系統上讀取配置數據；根據串口“心跳線”的設置設定本站狀態；響應監控軟件的命令，完成配置信息的在線下裝、在線修改等功能；備份主站數據，用于主從控制站切換時的控制輸出無擾控制。

3.3 執行管理子系統

執行管理子系統是控制器的功能執行主體，主要完成控制運算和數據傳輸功能。按照運算周期從通信控制站獲得數據，按照監控軟件下發的控制策略進行運算，在邏輯算法模塊數據庫和I/O數據庫中檢索到對應的模塊和I/O數據點，通過函數指針調用相應模塊庫中的算法模塊，完成運算，最后把運算結果發回通信控制站。

3.4 通信子系統

通信子系統構建方式是冗余的，負責把過程控制站和監控軟件人機界面連成一體。采用總線型結構，根據通信軟件實現的功能不同可分為3個部分：

（1）與通信控制站進行包括接收實時采樣數據、發送實時控制量和I/O板卡、通信控制板卡配置參數在內的實時數據通信。

（2）各個過程控制站之間進行的實時數據通信，由邏輯組態中的站間通信模塊負責控制。

（3）第三部分是與上層監控層的數據交換，包括站狀態和過程控制站中實時數據的廣播，接收監控站的在線命令，并作出相應的響應，例如在線修改邏輯組態、在線修正運行參數等。

3.5 調度和監控子系統

調度子系統完成系統任務的調度工作。根據既定的時序，通過“看門狗”發出周期的信號，執行并完成相應的任務調度，從而確保控制器的執行時序。

監控子系統完成故障診斷，監視各個部分的工作狀態，保障了系統的各個子系統都能夠正確有效地運行，包括任務和狀態系統資源占用等。一旦發現異常，需要通知監控軟件，也要通知控制器管理子系統，嘗試完成系統的自診斷，若出現嚴重錯誤，則發生主備切換。

3.6 日志和對時子系統

TOP系統下位軟件的日志子系統依托于系統的監控子系統運行，記錄過程控制站各個任務的執行情況，記錄監控軟件下發的各種在線控制命令等系統。一旦發生故障，需要依靠它實現事故分析。

對時子系統負責各個控制器和監控軟件之間的時間同步任務，系統采用定時和對時服務器對時的方式有效和簡便實現站間對時。

4 結語

TOP系統的上、下位軟件體系是實現高級應用組件開發與應用的優秀載體，在穩定開放的軟件構架下，下位實時優化控制器和上位高級計算服務器并列運行，在保證系統高可靠性運行的同時滿足系統大運算負荷的需求。

在此基礎上，TOP系統的所有優化功能組件均采用標準化的形式開發，平臺的上下位軟件系統為此預留了大量組件接口，開發人員只需要進行優化算法的編程，即可完成優化組件的開發，無需更改應用底層，實現了優化控制組件方便的可續式開發，同時所有優化組件均打包發布為模塊加載于平臺中應用，用戶可根據需要使用不同的模塊算法庫，完成優化控制組件的點單式加載。

[1]韓璞，翟永杰，王立志，等．基于虛擬DCS的激勵式仿真系統分析與設計[J]．華北電力大學學報，2005，32（2）∶37－40．

[2]翟永杰，張鵬，張悅．火電廠仿真機中的DCS仿真方式與關鍵技術[J]．電力技術，2010，19（17）∶7－14．

（本文編輯：陸瑩）

Research on the Software System of Power Plant Thermal Optimized-control Platform

SUN Yun，YIN Feng，LI Xu-kan，DING Ning，ZHANG Peng
（Z（P）EPC Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

For systematically integrating low-position DCS real-time control technology，high-position superior high-performance optimal algorithm station technology，multiple interface and safety control technology in the power plant thermal optimized-control platform（TOP），the upper-lower position software system with multiclass data communication is designed and the essentialrequirements ofsoftware system，such as the standardization，structurization，maintainability and expansiveness are achieved．On the basis of greater stability，the operation and maintenance，process control of the system as well as modularized loading architecture of advanced optimized module are implemented．

TOP；software system；configuration monitoring；optimal algorithm；modularized loading

TK232∶TP273

：A

：1007－1881（2013）03－0043－03

2013-01-28

孫耘（1967-），男，浙江湖州人，碩士，高級工程師，從事發電廠熱工自動化應用和研究。