工况在线监测及分析系统在大型火电厂的应用

李志勇，蔡新波，韩亚凤

(元宝山发电有限责任公司，内蒙古 赤峰 024070)

加强对烟气连续监测系统的建设和管理，对烟气脱硫设施运行进行有效监督，是“十二五”期间工业节能减排任务的要求，也是各地方政府及企业的工作重点。元宝山发电有限责任公司共有3台600 MW火电机组，各机组均配备了湿法烟气脱硫设施，公司于2011年实施了电厂工况在线监测及分析系统的安装与调试工作，从效果来看，公司环境监测与预警系统使环境监管实现由“末端”向“全过程”的转变，得到了环境监管部门的认可。

1 系统原理

工况在线监测及分析系统是对污染治理设施运行全过程进行实时监控、分析、预警、核查和管理的一体化环保信息监管平台。系统结构分为4层：应用层、数据层、网络层和采集层。数据直接来源于生产系统(主机DCS、脱硫DCS和CEMS)。

工况在线监测及分析系统以麦杰科技的openPlantTM实时数据库为基础，采用纯B/S构架，在业务范围上，涵盖了地方环保部门和下属污染源监控企业，在部署上，采用了监控中心为核心的树状拓扑结构。现场采集设备从生产控制系统中采集工况过程数据，通过环保专网传输到监控中心的工况过程数据库中，数据经过分析和处理后，供各环保部门使用。系统数据结构如图1所示。

从地理位置上来划分，系统整体分为电厂侧和中心侧两部分。其中电厂侧主要包括采集层及展示相关功能，负责从各污染源控制系统实时采集监控数据，将这些数据在本地存储并转发给环保监控中心。监控中心主要包括数据层和应用层的相关功能。负责所有工况数据的统一存储、分析和展示。电厂侧和监控中心之间的数据传输通过网络层实现，由光纤、交换机、路由器等网络通信模块组成。主要负责工况前端的数据发送及监控中心的数据接收。

图1 系统数据结构

2 电路系统结构

工况在线监测及分析系统在网络结构上分为2个区域：电厂数据采集网络和自治区监控中心网络。2个网络通过环保专用网相连。公司的工况在线监测及分析系统的网络结构如图2所示。

图2 系统网络结构

电厂区域每个采集单元主要负责采集各类控制系统(单元机组DCS系统、脱硫DCS系统、脱硫PLC系统、烟气测量系统等)中的环保相关参数，并通过工况安全网闸、工况通讯单元存储到工况存储单元中，另设有Web服务器，与厂内MIS网的Web服务器，通过内网向厂内的客户端进行平台展示。

自治区监控中心主要负责汇总各电厂的工况数据，并由分析统计平台对工况数据做分析及统计，最终提供给应用模块使用及展示。监控中心主要设备为2台服务器：工况过程数据库服务器及Web应用服务器，接入目前监控中心既有网络中。

3 工况在线监测前端

工况在线监测前端是整个工况监测的数据基础层，主要负责工况数据的采集、传输、存储、转发，为保证公司底层数据采集的准确性及安全性，从系统硬件设计及接入方式进行了统筹考虑。

3.1 前端硬件设计

(1) 工况安全网闸。该装置得到电监会相关认证，最大允许返回字节数为1 bit，能有效地将采集单元内部网络与各采集数据源系统网络进行物理隔离，保证采集数据只能单向传输，即DCS/PLC系统向采集存储端传输，杜绝因为数据逆向传输造成DCS系统安全风险。

(2) 工况专用采集单元。为工况前端系统专门定制的采集设备，可在相对恶劣的工作环境中连续稳定工作。支持RJ45，RS232，RS485接口，可接收来自各采集数据源的数据，并由定制的采集程序转发至前端工况存储单元进行数据存储和转发。

(3) 工况专用存储单元。为工况前端系统专门定制的存储设备，主要负责采集电厂侧的所有工况数据并长期保存。工况专用存储单元能建立一套与生产系统(如DCS等)工况数据一致的备份。由于它建立在现场，不但能保证工况数据最大程度的完整性(只要现场不发生断电、断网等意外情况)，同时还能在环保传输专网不畅通的时候起到数据缓存的作用，并在网络恢复后向中心工况过程数据库回补中断传输时缺失的数据。

(4) 工况专用交换单元，即设备间的通讯设备。

3.2 数据接入方式

考虑到公司MIS系统投入较早，且现有脱硫系统DCS品牌不一致，在线数据未接入MIS系统，本次数据平台采用OPCDAS通用数据采集软件。各系统接入方式如下：

(1) 2，3号机组脱硫系统为上海GE新华公司的新华XDPS系统，提供OPC接口。工况采集单元从OPC服务器中远程采集到工况数据，再通过UDP的方式发送到前端工况存储单元中；

(2) 4号机组为HIACS 5000M系统，提供UDP接口，工况采集单元可直接采集。

(3) 3台机组主机的数据已接入电厂MIS系统，工况采集单元从OPC服务器中采集到工况数据，再通过UDP方式发送到前端工况存储单元中。

4 工况数据库的软件

考虑到工况数据库要求实时性高、稳定性高、长时间、大容量的数据存储，使用openPlant实时/历史数据库实现数据存储、监控管理、生产过程回放等功能。

4.1 openPlant实时/历史数据库构架

openPlant实时/历史数据库构架如图3所示。该数据库是可用于大规模分布式生产过程数据的自动采集、存储和监视的企业级实时数据管理平台，包括openPlant实时/历史数据库核心模块、openPlant分布式Web应用平台、openPlant应用开发接口及工具组件。

OpenPlant实时数据库核心采用标准C++语言编写，对操作系统的依赖性很小，具有良好的可移植性和优异的跨平台性能。openPlant实时数据库支持当前主流的硬件平台，包括PC服务器和Unix小型机，如IBM，HP，DELL，SUN等服务器厂商的硬件平台等；支持Windows，Unix，Linux等主流操作系统，在各平台之上都经过工程师的严格测试和现场的实际考验，可以实现上万小时的安全稳定运行。同时，openPlant实时数据库提供采用纯JAVA语言编写的数据库管理维护工具，可以在支持TCP/IP协议的任何一种操作系统上对openPlant实时数据库进行维护。

图3 openPlant实时/历史数据库构架

4.2 分布式数据库结构

openPlant实时数据库采用统一的通信平台，Web应用包括J2EE/.NET都可以与openPlant高度集成。openPlant的分布式结构不仅适用于电厂实时数据平台，而且适用于构建集团级的实时数据中心，从单一小型机组到多台大型机组的数据中心，openPlant数据库可以伸缩自如。

4.3 高可用性标准

openPlant实时数据库支持流行的高可用性(High Availability)技术，包括Windows，Unix，Linux下的双机集群配置。

5 系统平台厂端功能介绍

5.1 实时数据采集

数据接口系统从底层工艺过程系统中采集数据，并按一定时间间隔采用单向数据传输方式写入到数据库中。它是生产控制网络与监控网络的网关与接口，具有数据传输与隔离作用，还可以实现数据压缩传送、数据质量判断及数据缓冲等功能。

5.2 历史数据的储存

(1) 实时/历史数据库系统以企业生产过程数据为集成对象，采集全部生产过程控制系统的实时数据，并包括手工输入数据、手持设备数据或其它信息系统的数据，形成信息完整的生产过程历史/实时数据库，以完成数据库资源共享。

(2) 数据库标签采用统一编码，是唯一的、有规律可循的编码方式。

(3) 根据应用需求设置各数据标签的采样频率、数据精度、安全等级等参数；压缩数据的数据精度和压缩比可按照应用要求进行不同的设置。

(4) 压缩数据的恢复，从接受压缩数据提取指令开始，经解压缩，网络数据传输，到数据输出的一系列动作所需要的时间小于2 s。

(5) 提供数据库在线维护功能，包括基于浏览器进行数据库维护的管理方式；对不能自动采集的数据，提供手动输入，设置管理权限，保证对自动采集的数据不能进行任何修改。

(6) 能够使用SQL查询工具查询服务器信息、数据标签属性以及实时/历史数据库数据、二次计算数据和统计数据等。

(7) 具备实时信息统计分析和查询功能，能够进行实时画面的组态和编辑。

(8) 历史数据存储容量可根据用户需求确定，缺省时限至少在3个大修周期以上。

5.3 生产过程实时图形

通过采集各生产过程控制系统的实时生产数据，对各生产流程进行统一的监视和查询。公司领导、生产技术管理人员、值长和其它用户可以通过网络随时调用实时信息监控与管理软件，对生产运行趋势进行分析。

(1) 提供显示工艺画面和流程画面的显示功能。监视画面能突出反映各功能特点，正确显示生产过程数据、设备状态、报警状态、经济指标、运行指导等信息；能够以趋势图、棒状图、相关参数组等多种形式进行画面显示；相关参数显示画面能够显示实时值、在定义时段内的最大值、最小值以及平均值；画面布局合理美观。单个画面内支持同时显示的实时数据点不小于100点。

(2) 提供工艺画面和流程画面的设计、修改功能。系统可存储的画面数不受限制。

(3) 提供实时数据和历史数据的趋势图显示。同一画面可同时显示多个参数趋势，不同参数曲线采用不同的颜色以示区别。

(4) 监测实时数据，提供报表打印输出功能。具有形成整个企业所需要的各类报表的能力，报表格式可以修改，能自动打印报表。能进行运行指标统计在线考核，完成各项指标的运行管理考核，自动产生考核结果。

(5) 性能综合监视。能将重要设备的性能计算参数在简化流程图中集中实时显示，使高层技术人员对各设备的状态和各性能指标一目了然。

5.4 生产过程回放系统

生产过程回放系统是利用图形仿真技术和实时数据库技术对生产过程进行深入的分析，用于事故分析、操作示范、案例分析、起停机过程分析等，对优化起机过程有直观的参考作用，对事故发生后分析事故原因起到辅助作用。至少可提供2 000幅画面的现场过程回放及没有时间限制的历史分析。

结合历史数据和与控制系统完全一致的监视画面，重现历史工况，用户可方便地切换画面同时保持参数的一致性，在实时数据库保存的历史数据周期内，可以随意调用任何时间段内的画面回放。

6 结束语

2011年系统上线运行以来，运行稳定，不但将公司运行生产的实时情况上传至环保部门，更是通过公司内部展示平台很好地再现了设备的运行情况，为公司的安全生产及减排起到了非常好的数据支撑，为公司管理决策提供了有力的依据。基于实时数据库开发的环境监测与预警系统，不仅有效解决了环境监测数据的实时性、真实性、可靠性问题，还为实时数据库在非流程工业信息化管理领域的市场应用提供了有益的尝试和拓展。

1 潘新康．基于openplant数据库的SIS系统研究及其在沙角A电厂的应用[J]．沿海企业与科技，2010(5).

2 李明亮，金伟韧．珠海发电厂生产数字化管理系统[J]．中国电力，2006(2).