某核电厂备用柴油发电机系统HMI升级改造

朱书瑾

【摘 要】本文总结了某核电厂备用柴油发电机系统HMI在多年运行期间的缺陷故障及异常情况，分析了HMI系统在硬件稳定性、人机交互功能以及数据显示实时性三方面等存在的局限性。并针对各项问题结合现场实际需求，逐一提出了升级改造方案，对HMI硬件系统、组态软件进行了整体升级改造。升级后的HMI系统现场应用稳定可靠，实现了对柴油发电机系统所有数据点的实时监控，为故障成因查找和设备性能分析提供了切实有效的依据，提高了备用柴油发电机系统的稳定性和可维护性。

【关键词】备用柴油发电机系统;HMI;Cimplicity;Proficy Historian

中图分类号： TN948.53文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）36-0135-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.061

1 背景概述

备用柴油发电机系统用于在核电厂内外电源全部失电情况下，向核电厂安全设施提供可靠的、独立的、备用的应急电源，确保在紧急工况下顺利安全停堆，并满足机组重要安全系统停堆后的用电需求。

备用柴油发电系统通过人机操作界面（Human Machine Interface，下文中简称HMI）进行总体监控，为操作人员正确掌握系统状况提供了有效途径。HMI系统从投运以来已连续带电运行十余年，故障率逐年上升，可维护性差、维修成本高，并且部分人机交互功能已不能满足现场使用需求，需要对现有问题的产生原因进行分析，并提出合理的改进方案，对HMI系统进行整体升级改造。

2 HMI系统概述

某核电厂备用柴油发电机的控制系统主要由就地仪表设备、控制PLC和HMI组成，控制系统流程如图1所示。

图1 柴油发电机控制系统简图

柴油发电机就地仪表采集和接收温度、压力等测量信号后，送入PLC输入卡件，将模拟量信号转换成数字信号。HMI和PLC之间通过串口（SNP协议）保持通讯，实现现场数据的采集。通过HMI中的处理单元对数据进行计算和判断，最后经由显示单元实现系统参数、报警、数据趋势曲线的显示。HMI还能够将控制变量的数据反馈到PLC，完成对现场设备的控制。

3 HMI系统局限性分析

3.1 HMI系统稳定性分析

HMI的硬件设备从投运以来已连续带电运行十余年，其硬件结构基于10年前的硬件水平设计和搭建，存在多项固有设计缺陷：

1）维修经济性差

HMI系统的硬件为一体机设计，在仅有触摸板、显示屏等单个部件出现故障的情况下，也需要对HMI进行整机更换，维修经济性差。

2）硬盘可靠性差

HMI使用的操作系统为Windows NT 4.0，该系统不支持移动存储设备的读写，无法对组态工程进行备份。并且HMI仅有单硬盘结构，当出现硬盘故障后恢复困难。

3）存储容量小

备用柴油发电机系统运行参数及设备状态、启停指令等通过数据点的形式送入HMI进行监控，共计385个。这些数据点的类型、数量及存储长度如表1所示。

表1 HMI存储数据点

由此可以计算出HMI和PLC之间每次通讯的数据量为：

（63*2+4*4+318*1）bytes/1024=0.45B

为保证HMI数据显示的实时性，至少需要保证每秒1次的通讯频率。由此可以计算出HMI系统一天的数据存储量为：

0.45B*1次*60秒*60分鐘*24小时/1024=38MB/天

HMI的硬盘空间只有3.5GB，除去系统、软件等占用的硬盘空间，能够用于HMI数据存储的空间不足1GB，只能实现数周的数据记录，不能满足长时间的数据存储需求。

从上述3点固有缺陷可以看出，当HMI出现故障后，仅仅通过备件更换，已不能保证系统的稳定运行，需要对HMI的硬件系统进行整体升级和更换。

3.2 HMI系统人机交互功能分析

3.2.1 人机交互现状

HMI系统的主要功能是实现备用柴油发电机系统的实时监控，并通过趋势曲线、报警信息为系统维护和缺陷处理提供依据，部分人机交互功能不够完善，主要表现如下：

1）报警信息不能保存

在HMI报警界面中可以查看系统的当前报警信息，但消报后的报警信息不能保存。如出现瞬时报警，需要对设备进行逐一排查才能发现报警信号来源。

2）趋势曲线记录时间短

趋势界面只能显示最近一个小时的曲线，无法查询变量的历史趋势。

3）趋势曲线数量少

趋势界面中只能显示发电机功率、电压和转速的变化趋势，其他数据点只能通过监测界面查看数值，没有图形化的趋势记录，不利于判断设备的工作性能。

3.2.2 软件系统局限性

HMI系统的人机交互通过组态软件实现，为了找到上述问题的产生原因，就需要对HMI的组态软件进行分析。

HMI系统的组态软件为GE公司的Proficy Cimplicity HMI，整个组态工程主要包括数据点、报警和显示画面，各部分关系如图2所示。HMI从PLC中采集点数据后，通过点的配置将这些数据分配给显示画面和报警。显示画面能够将数据点转化为图形界面进行显示和监控。而报警组态实现了当数据点超出设定值时产生报警信息，并传送给报警画面进行显示。

图2 HMI组态软件逻辑图

Cimplicity HMI在完成数据采集后将数据存储在缓存区，用于实时数据显示，而想要实现对数据点任意时间的历史趋势调用，需要建立一个历史数据采集平台完成对这些历史数据的存储，而Cimplicity HMI组态软件没有历史报警查看功能，导致了报警消失后再也无法查找。

Cimplicity组态软件的设计局限性导致了HMI人机交互功能的不完整，要改善这些问题需要对组态软件进行升级并建立新的历史数据采集平台。

4 HMI系统升级改造方案

4.1 HMI硬件系统升级

4.1.1 硬件设备选择

1）硬件系统结构调整

升级后的HMI硬件系统由PAC700G工业级PC电脑、ITAS17型工业级触摸式监控面板及外接键盘组成，均为市场主流产品，各部件包括主板、CPU、电源等均能独立采购、单独更换，具有较大的领先性和稳定性。

2）增加硬盘容量

升级后的HMI系统硬盘空间应该能够满足至少1年的数据存储容量，以每秒1次的通讯频率为例，1年的数据存储量约为：

38MB*365天/1024=13.5GB/年

升级后的HMI硬盘空间达到了1TB，除去系统占用空间，并充分考虑到数据点增加、通讯频率缩短对数据存储量的影响，升级后的HMI硬盘空间也完全能够满足数据存储需求，为历史数据库的建立提供了硬件保证。

4.1.2 硬盘管理优化

针对原HMI系统硬盘故障后无法修复的问题，升级后HMI系统应重点考虑硬盘的稳定性和可移植性。

为满足以上要求，新的HMI系统采用磁盘阵列（RAID5）管理。使用3块容量为500GB的硬盘组建RAID5磁盘阵列。当有数据写入硬盘时，会根据算法分成3个部分写入这3块硬盘中。当一个硬盘发生损坏后，能够通过另外2块硬盘上存储数据计算出第3块硬盘的数据内容，不会影响数据的完整性，当损坏的硬盘被替换后，RAID5还会自动重建该硬盘上的数据，确保了HMI硬件系统的高度可靠性。

4.2 HMI组态软件优化

4.2.1 组态软件选择

升级后的HMI系统依然采用GE公司的Proficy系列组态软件Cimplicity 8.2。该组态软件是Cimplicity HMI的升级产品，保留了原有组态工程的框架，与PLC通讯方式保持不变，显示画面风格与原系统保持一致。

此外，Cimplicity 8.2组态软件人机交互功能更加完善，同原HMI系统相比，有以下改进：

1）趋势界面中能够增加任意数据点的趋势曲线，操作人员能够添加需要观察的数据点，为设备性能分析和异常查找提供更为直观的图形数据;

2）增加了快速趋势显示功能，在任意显示画面中均可调用数据点的趋势曲线。同时该功能还支持分组保存，便于各变量间的横向对比。

4.2.2 增加历史报警查看功能

Cimplicity 8.2组态软件的历史报警查看器能够实现报警和事件记录功能，数据采集时间能够精确到1ms，实现对柴油发电机系统所有事件动作的实时监控。

在显示画面中创建新的事件顺序记录（Sequence of Event，以下簡称SOE）界面，该界面支持任意时间段的记录搜索，能够根据用户需求显示指定时间段的记录信息。

4.3 HMI系统历史数据库建立

为了方便的实现和组态软件的数据通讯传输，升级后的HMI系统选择GE公司的Proficy Historian 5.5历史数据采集平台。

Cimplicity和Historian之间的通讯逻辑如图3所示，Cimplicity中的数据点和报警变量通过不同的OPC服务器送给Historian，Historian通过OPC采集器将服务器送来的数据存至历史数据库。

图3 变更后HMI软件通讯逻辑图

历史数据库的建立极大地方便了现场检修工作，维修人员不再需要借助记录仪等辅助工具，能够方便的在SOE界面中查看报警和事件信息，快速定位可能出现故障的设备，然后通过趋势界面调取该设备的温度、压力或启停趋势曲线，分析故障成因和处理办法，实现了对整个柴油机控制系统的实时监控。

5 结论

备用柴油发电机系统的HMI系统长期不间断运行，导致硬件严重老化，故障率逐年升高;并在硬件稳定性、人机交互功能以及数据显示实时性三方面等存在的局限性。针对各项问题结合现场实际需求，提出了升级改造方案，对HMI进行了整体升级改造。

升级后HMI系统的在现场应用良好，为现场检修提供了便利，达到了升级改造的预期效果。HMI升级改造方案的设计思路能够为其他同类电厂提供技术参考。

【参考文献】

[1]马海涛，Cimplicity HMI组态软件在中小型水电站监控系统中的应用[J].浙江水利科技，2011，175：68-69.

[2]张云鹏.Proficy Historian在邯钢集团全厂实时生产信息系统中的应用[J].冶金自动化，2006，增刊：254-257.