DCS設備在線運行狀態監測系統研究

李虎，吉雪松，張棟良，趙先浩，林洪瑩

（1.安徽華電宿州發電有限公司，安徽宿州234101；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，昆明650051；3.上海電力學院自動化工程學院，上海200090；4.山東和信智能科技有限公司，濟南250002）

·發電技術·

DCS設備在線運行狀態監測系統研究

李虎1，吉雪松2，張棟良3，趙先浩3，林洪瑩4

（1.安徽華電宿州發電有限公司，安徽宿州234101；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，昆明650051；3.上海電力學院自動化工程學院，上海200090；4.山東和信智能科技有限公司，濟南250002）

通過對表征電站DCS系統各設備可靠性影響因素的研究，得到DCS設備級可靠性狀態監測量，并通過信息化處理、計算機以及通信技術等一體化實施DCS設備在線運行狀態監測系統，系統在電站實施和運行。結果證明，所研發的系統為熱控檢修人員提供了精細化檢修指導信息，提高了基于DCS可靠運行的電站安全性。

分散控制系統；狀態監測系統；可靠性；故障

0 引言

目前電力行業正在往精細化檢修的目標方向發展，分散控制系統（Distributed Control System，DCS）已經成為火力發電機組的神經中樞。但是和其他工業計算機系統一樣，DCS也會失效，出現故障，故障具有突發性和多變性，很難預測。一旦發生故障，如不及時發現和維護，后果一般很嚴重，會造成巨大經濟損失、設備損壞或人身傷害。熱工人員對于DCS系統組態比較熟悉，對于DCS系統掌握停留在應用層，對于DCS系統深層次的應用不熟悉，而且熱工人員無法實時關注DCS系統報警信息。DCS系統的DPU主輔狀態切換時間，切換時的故障報警信息查詢不方便，DCS系統AI、AO、DI、DO、RTD、TC、SD、VP卡等報警信息、故障信息，以及故障、報警發生的時間、次數等重要信息無法記錄下來，DCS系統的兩路電源系統切換、報警、掉電等信息以及發生的時間等無法記錄，DCS網絡系統狀態變化及網絡掉線等信息及發生的時間無法記錄，網絡交換機端口信息、交換機CPU使用率、內存使用率及網絡掉線及發生的時間進行監視，交換機的交換或通信信息量等系統重要信息無法得知，DCS系統各個機柜內溫度信息等不能實時掌握。而目前并沒有及時發現DCS各組成設備發生故障的手段和相關的記錄措施，不能系統性地表征DCS設備運行狀態［1］。為實現DCS安全運行的透明化，對DCS設備在線運行狀態可靠性進行研究，基于信息處理技術［2］，開發研制DCS設備在線運行狀態監測系統，基于第三方通信協議，對DCS設備運行狀態進行在線監視。系統能及時監視DCS的運行異常和故障，使DCS健康運行，遠離系統過載，遠離危險狀態。

圖1 DCS設備在線運行狀態監測系統的結構

1 DCS設備在線運行狀態監測系統的設計

圖1為Ovation DCS設備在線運行狀態監測系統結構，系統將DCS的運行狀態信息通過采用第三方通信采集到DCS設備在線運行狀態監測系統，形成數據平臺。

針對基礎數據采集環節，數據源可分為DCS數據庫部分、DCS交換機部分和DCS的DPU部分，這3部分分別采用內部協議、SNMP協議和RPC協議獲取系統狀態數據；通過數據源及相應的協議采集的數據分別通過Ovation OPC和SUEPOPC進行數據服務；在監控平臺部分，通過Ovation的OPCServer和自行開發的SUEP OPC-Server收集基礎數據，并利用組態軟件的OPC-Client進行數據對接，并將實時數據對應到力控的實時數據庫；實時數據I／O模塊負責實時數據庫的數據讀寫，還完成基礎的數據解析，如打包點的按位解析；邏輯知識庫存儲報警條件等配置信息，通過邏輯配置模塊與人機接口相連，用戶可通過畫面修改配置；歷史數據訪問模塊為歷史數據的存儲和訪問查詢提供接口；邏輯判斷模塊主要完成檢測系統的整體推理和進程的監控。

通過對DCS系統數據的計算和處理，形成DCS設備在線運行狀態監測畫面。作為人機互動接口，主要包括DCS可靠性監測系統主畫面、交換機流量信息畫面、卡件狀態畫面、重要點及電源信息監測畫面、報警狀態畫面以及離線狀態畫面。這些畫面的局部定位和綜合可以全方位指導維修人員監視DCS的運行狀態，以便根據畫面信息指示及時維護DCS設備。

2 系統實現及關鍵技術

DCS在線運行狀態監測系統組成如圖2所示，包括DPU運行狀態監測、DCS卡件運行狀態監測、工作站運行狀態監測、DCS電源系統運行狀態監測、交換機運行狀態監測、控制柜溫度運行狀態監測、重要參數運行狀態監視。

圖2 DCS設備在線運行狀態監測系統功能組成

2.1 可靠性監測系統的實現

DCS設備在線運行狀態監測系統實現方式如圖3所示，DCS設備在線運行狀態監測系統主要是基于對DCS系統的DPU信息采集、卡件信息采集、交換機信息采集以及環境信息采集［3］，基于這一系列信息進行數據分析，包括數據計算、閾值比較、狀態判斷及存儲，形成DPU負載報告、卡件異常記錄、電源切換記錄、交換機負載報告、機柜溫度記錄及重要信息點狀態的報告，依據這些報告形成故障報警，異常記錄和趨勢曲線，同時形成DCS的各畫面的狀態信息。

圖3 DCS設備在線運行狀態監測系統實現

2.2 數據獲取關鍵技術

DCS設備在線運行狀態監測系統網絡拓撲如圖4所示，狀態監測是采用OPC對DCS狀態信息采用網絡偵聽的方式，因此狀態監測系統的運行與DCS系統相互隔離，保證監測系統運行對DCS運行無影響，而通過OPC接口訪問DCS數據庫，通過標準協議訪問交換機守護進程，通過識別、截取對過程站原有進程網絡包進行解析。

圖4 DCS設備在線運行狀態監測系統網絡拓撲

2.2.1 OPC技術數據獲取

狀態監測系統所遵循的OPC標準［4-5］是以微軟公司的OLE技術為基礎的，如圖5所示，采用在DCS系統側配置OPC SERVER作為OPC服務器，在狀態可靠性監測系統側配置OPC CLIENT作為客戶端，采用OPC技術建立起可靠性監測系統對DCS系統實時數據庫的數據采集機制，并將設備可靠性狀態分析中所需的DCS中的信息作為可靠性監測系統的實時數據庫存儲和調用。這種數據傳輸和數據獲取方式具有高效、可靠的特點。

圖5 基于OPC的數據獲取技術

2.2.2 基于SNMP的數據獲取技術

簡單網絡管理協議（SNMP）是基于TCP／IP協議族的網絡管理標準［6］，能夠支持網絡管理系統，用以監測連接到網絡上的設備是否有任何引起管理上關注的情況。系統采用該協議將DCS系統設備中交換機、操作員站、工程師站以及過程站分別作為被管理的系統，如圖6所示，通過各自的代理者的軟件元件可以讀取OID參數，通過OID狀態信號可以獲取交換機、操作員站、工程師站以及過程站的CUP負載、內存占用率等信息，而這些信號成為分析DPU運行狀態、DCS卡件運行狀態、操作員站運行狀態、工程師站運行狀態和交換機運行狀態等的依據。如獲取內存當前使用情況可調用指令：

［snmpwalk-v 2c-c Public 192.168.4.11.3.6.1.4.1.9.9. 48.1.1.1.5］。

圖6 SNMP協議讀取DCS主設備的狀態信息

2.2.3 基于RPC技術的數據獲取

遠程過程調用協議（Remote Procedure Call Protocol，RPC）［7］，是一種通過網絡從遠程計算機程序上請求服務，而不需要了解底層網絡技術的協議。系統中采用可靠性檢測系統調用過程站、操作員站和工程師站的守護進程，如圖7所示，可靠性監測系統通過訪問DCS中狀態自檢進程，獲得設備內部狀態信息。

圖7 基于RPC協議的狀態信息讀取

3 系統應用

DCS設備在線運行狀態監測系統自2016年2月在安徽某發電廠（DCS為Ovation系統，控制器為OCR400）投入運行，實現了對DPU（CPU負荷、內存負荷、網卡流量、離線、主備切換）、I／O卡件（故障、離線）、交換機（CPU負荷、內存負荷、端口吞吐量）、機柜溫度、機柜電源（主備切換、掉電）、工程師站、操作員站（離線、重啟）等DCS設備的2 000余個監測信息點的一體化監控、報警和記錄，如圖8所示。系統運行狀況良好，據不完全統計，通過本系統的實施，降低了機組強迫停運率、非計劃停運次數、非計劃停運小時，非計劃降出力時間，增加連續運行天數，從而提升電廠可靠性指標通過本系統的實施，每年可減少DCS引起的事故50%以上，且大大縮短了設備的維修時間。

圖8 DCS設備在線運行狀態監測系統運行界面

4 結語

DCS設備在線運行狀態監測系統采用OPC協議技術、SNMP協議和RPC協議獲取DCS設備的可靠性監測狀態信息，旨在保證DCS運行本身安全的前提下，對DCS設備的運行狀態進行網絡偵聽獲取和解析，通過對有效信息的計算和狀態判斷得到對DCS設備運行狀態的判斷和指示，對系統的維護起到了積極作用。通過該系統在某電站的運行表明，其可有效診斷和記錄DCS設備級的DCS可靠性狀態信息，提供及時設備定位檢修，而基于DCS設備在線運行狀態監測系統的歷史信息和在線信息，通過對這些數據挖掘和智能處理，為電站DCS維護檢修人員提供更有效地指導信息，對DCS系統可靠性的影響因素進行分析，并進一步地對DCS的健康度狀態和可靠性指標體系進行綜合評價。

［1］肖大雛.超超臨界機組控制設備及系統［M］.北京：化學工業出版社，2008.

［2］潘笑，潘維加.熱工自動控制系統［M］.北京：中國電力出版社，2011.

［3］章德龍.600 MW火力發電機組培訓教材—鍋爐設備及其系統［M］.北京：中國電力出版社，2001.

［4］高強，張亮，李月鳳.基于OPC技術的虛擬DCS監測系統設計［J］.自動化與儀表，2009，24（12）：30-32.

［5］吳鑫，宮亮，楊煜普.OPC跨平臺通信的實現方法［J］.計算機工程，2009，35（13）：240-242.

［6］張彤，吳世榮.基于SNMP計算機網絡流量監控系統研究［J］.計算機技術與發展，2011，21（1）：88-91.

［7］康禮鴻，王建林，趙利強，等.基于XML-RPC的分布式儀器系統集成［J］.計算機工程，2012，38（4）：230-232.

On-line State Monitoring System of DCS Equipment

LI Hu1，JI Xuesong2，ZHANG Dongliang3，ZHAO Xianhao3，LIN Hongying4
（1.Anhui Huadian Suzhou Electric Co.，Ltd.，Suzhou 234101，China；2.Kunming Engineering Corporation Limited，Kunming 650051，China；3.Department of Automation Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China；4.Shandong Hexin Intelligent Technology Co.，Ltd.，Jinan 250002，China）

Influence factors on the reliability of equipment of the DCS system were studied，and monitoring parameters of the reliability state were obtained.Based on the information processing technology，computer technology and communication technology，the on-line state monitoring system of DCS equipment was realized.Through the running of this system in one power plant，it was showed that this system can provide enough guidance information for fine maintenance for thermal control maintenance personnel and can improve power plant safety based on the DCS reliability.

distributed control system；status monitoring system；reliability；fault

TM621.6

A

1007－9904（2016）11－0058－04

2016-07-19

李虎（1984），男，碩士，主要從事火電廠熱控設備檢修與維護技術以及管理工作。

上海市自然科學基金（15ZR1418300）