基于嵌入式平臺的發(fā)電機組遠程狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析系統(tǒng)

1、基于嵌入式平臺的發(fā)電機組遠程狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析系統(tǒng)摘要：大型發(fā)電機組的遠程狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析技術(shù)是一門多學(xué)科交叉的綜合性研究課題。本文提出了基于嵌入式平臺的大型發(fā)電機組遠程狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析系統(tǒng)的總體方案，設(shè)計了具有多種通信協(xié)議的嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測平臺，并針對某電廠300MW發(fā)電機組，采用pSpace企業(yè)級實時歷史數(shù)據(jù)庫和C#語言進行系統(tǒng)高級應(yīng)用功能的二次開發(fā)，實現(xiàn)了B/S模式的大型發(fā)電機組遠程狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析系統(tǒng)，用戶和診斷專家可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)由IE瀏覽器進行實時遠程監(jiān)測和分析機組的運行狀況，為機組的運行和實施狀態(tài)檢修計劃提供指導(dǎo)性意見。關(guān)鍵詞：嵌入式平臺；遠程狀態(tài)監(jiān)測；故障

2、診斷；實時數(shù)據(jù)庫；發(fā)電機組中圖分類號：TP277Remote Condition Monitoring and Diagnosis Analysis system for Turbine-Generator Units Based on Embedded PlatformAbstract: The remote condition monitoring and diagnosis analysis technology for large-scale turbine-generator units is a multi-disciplinary overlapping and comprehe

3、nsive research subject. A total scheme of remote condition monitoring and diagnosis analysis system based on embedded platform for large-scale turbine-generator units has been proposed in this paper. Designed the embedded data acquisition and monitoring platform with many kinds of communication prot

4、ocols, and aimed at a 300MW turbine-generator unit, using the pSpace enterprise real-time database and the C# language carries on the system high-level application functions, realized the B/S mode remote condition monitoring and diagnosis analysis system for large-scale turbine-generator units. The

5、user and diagnosis expert are able to carry on the real-time remote monitor and analysis the working condition through the Internet network by the IE browser, which provide the guidance opinions for the working and condition maintenance plan for the turbine-generator units.Keywords: Embedded platfor

6、m; Remote condition monitoring; Fault diagnosis; Real-time database; Turbine-generator units0 引言當(dāng)前全國供電緊張，部分地區(qū)嚴重缺電，使得許多發(fā)電設(shè)備長期處于超負荷運行狀態(tài)，設(shè)備的安全性隨之下降，這就要求對發(fā)電機組及生產(chǎn)過程的各種參數(shù)進行實時監(jiān)測與診斷分析，以保證鍋爐、汽輪機、發(fā)電機等主機設(shè)備和其他主要輔機設(shè)備的正常運行以及電廠的正常發(fā)電。大型發(fā)電機組的遠程狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析技術(shù)是一門多學(xué)科交叉滲透的綜合性研究課題，但是，由于現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備不夠完善，現(xiàn)場領(lǐng)域?qū)＜也蛔?，信息不能共享等原因，嚴重制約了發(fā)

7、電機組故障的早期預(yù)見和及時、準(zhǔn)確的診斷分析。因此，開展大型發(fā)電機組遠程狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析系統(tǒng)的研究顯得十分必要。本文針對大型發(fā)電機組，設(shè)計了具有多種通信方式的嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測平臺，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計和實現(xiàn)了基于實時數(shù)據(jù)庫的大型發(fā)電機組遠程狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅為電力企業(yè)上層管理人員、現(xiàn)場運行人員、發(fā)電企業(yè)集團公司、設(shè)備制造商、領(lǐng)域?qū)＜业瘸浞终莆瞻l(fā)電機組的運行狀態(tài)，掌握發(fā)生故障的原因，并能及時進行正確處理，把發(fā)生故障后對發(fā)電機組的影響限制在最小范圍內(nèi)；也可進一步提高大型發(fā)電機組運行的經(jīng)濟性、可靠性和運行效率，提高電力企業(yè)現(xiàn)代化科學(xué)管理水平，降低發(fā)電機組維修費用，實現(xiàn)大型發(fā)電機組的預(yù)

8、測維修和操作，達到電力生產(chǎn)企業(yè)的節(jié)能降耗。1 系統(tǒng)總體設(shè)計基于嵌入式平臺的大型發(fā)電機組遠程狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析系統(tǒng)是構(gòu)筑在局域網(wǎng)和Internet廣域網(wǎng)之上的應(yīng)用系統(tǒng)，廣泛采用了計算機技術(shù)、自動化技術(shù)、嵌入式技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、Internet技術(shù)等。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包括兩個部分：本地監(jiān)測與診斷中心和遠程監(jiān)測與診斷中心。兩者通過Internet網(wǎng)絡(luò)連接各自的實時數(shù)據(jù)庫和Web服務(wù)器，遠程監(jiān)測用戶和診斷專家可通過Internet從監(jiān)測與診斷中心的實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲得機組的實時數(shù)據(jù)進行實時遠程狀態(tài)監(jiān)測，并與服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫連接獲得歷史數(shù)據(jù)進行狀態(tài)分析。為了保護遠程監(jiān)測與診斷系

9、統(tǒng)的安全，在本地網(wǎng)關(guān)上架設(shè)防火墻，以阻止有攻擊意圖的網(wǎng)絡(luò)包發(fā)往遠程監(jiān)測與診斷中心的服務(wù)器。本地監(jiān)測與診斷中心主要建設(shè)在發(fā)電企業(yè)，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和機組運行與檢修人員可通過企業(yè)內(nèi)部高速局域網(wǎng)直接訪問應(yīng)用服務(wù)器，這種連接方式最快捷，主要可用于機組狀態(tài)的實時監(jiān)測和診斷。本地監(jiān)測與診斷中心主要由嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測平臺、實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、監(jiān)測工作站、診斷工作站等部分組成。嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測平臺可通過串口、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線及無線傳輸?shù)韧ㄐ欧绞綇陌l(fā)電機組DCS、SIS、DEH、TSI等系統(tǒng)或者通過嵌入式數(shù)據(jù)采集器從傳感器中實時采集機組各種工藝參數(shù)的運行數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)經(jīng)過多種信號分析處理技術(shù)進行

10、預(yù)處理后通過局域網(wǎng)發(fā)送到本地監(jiān)測與診斷中心的實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，通過故障診斷專家系統(tǒng)平臺分析處理后形成各種監(jiān)測畫面，如棒圖、趨勢、報表、特征圖譜等，以供本地監(jiān)測和診斷工作站對機組進行實時狀態(tài)監(jiān)測和診斷分析。同時將監(jiān)測與診斷分析結(jié)果通過Web服務(wù)器向遠程監(jiān)測與診斷平臺發(fā)布，供出差在外的企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)、遠程監(jiān)測用戶和診斷專家等進行遠程監(jiān)測和分析使用。圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計遠程監(jiān)測與診斷中心主要建設(shè)在機組設(shè)備制造商、發(fā)電企業(yè)集團公司和研究院所等單位，主要由實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、故障診斷案例庫、專家知識庫、遠程管理中心等部分組成。設(shè)備制造商或發(fā)電集團公司根據(jù)自己對機組監(jiān)測和診斷工作的需要，通過實時數(shù)

11、據(jù)在線監(jiān)視與遠程傳輸系統(tǒng)軟件從本地監(jiān)測與診斷中心的實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取所要監(jiān)測和診斷分析的機組相關(guān)運行數(shù)據(jù)，然后存入遠程監(jiān)測與診斷中心的實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，用于設(shè)計和制造新型發(fā)電機組，或者研究機組各種故障機理等，通過故障診斷案例庫、專家知識庫等實現(xiàn)對機組的故障診斷和分析。同時，可以集中各個方面的專家，通過遠程監(jiān)測與診斷分析系統(tǒng)觀察機組的運行情況，綜合計算機故障診斷專家系統(tǒng)和人類專家的診斷結(jié)論，通過中心服務(wù)器發(fā)布的診斷分析結(jié)果，為機組的運行和實施狀態(tài)檢修計劃提供指導(dǎo)性意見。2 嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測平臺設(shè)計目前，用于工控領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)平臺，在現(xiàn)場控制級中多數(shù)仍然采用工控機或PC機來構(gòu)建，由

12、于工控機或PC機在體積、能耗上的不可避免的劣勢，使得它們實際上很難實現(xiàn)控制現(xiàn)場化的目的。而嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)能夠很好地適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積及功耗方面的嚴格要求，以高性能嵌入式微處理器為核心構(gòu)建新一代的嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)平臺是數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測技術(shù)一個重要的發(fā)展方向。嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測平臺的主要功能是從發(fā)電機組的DCS、SIS、DEH、TSI等系統(tǒng)或者各種傳感器中通過嵌入式I/O數(shù)據(jù)采集器實時在線采集機組各種工藝參數(shù)的運行數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過多種信號分析處理技術(shù)預(yù)處理后，通過局域網(wǎng)發(fā)送到本地監(jiān)測與診斷中心的實

13、時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Web服務(wù)器，以供遠程監(jiān)測用戶和診斷專家等進行實時監(jiān)測和狀態(tài)分析。嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)平臺總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測平臺中主要采用了目前流行的PowerPC和ARM等嵌入式系統(tǒng)硬件平臺，在嵌入式平臺支持Modbus/RTU、Modbus/TCP、CAN、InterBus、EPA、Zigbee等工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線及無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。該平臺主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，對外提供數(shù)據(jù)采集接口、網(wǎng)絡(luò)通信接口和人機交互接口。同時，該平臺也集成了嵌入式Web服務(wù)器和嵌入式實時數(shù)據(jù)庫。通過移植和修改成熟的嵌入式Web服務(wù)器到目標(biāo)平臺，支持CGI、J

14、SP、ASP等腳本語言，根據(jù)具體應(yīng)用自主實現(xiàn)所需的Web服務(wù)，也可通過Internet對現(xiàn)場設(shè)備進行參數(shù)設(shè)置、遠程監(jiān)控和管理。嵌入式實時數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)模型的確立，它決定了數(shù)據(jù)被訪問和操作的方式、應(yīng)用程序的性能和可行性。圖2 嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測平臺設(shè)計3 發(fā)電機組遠程狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)3.1 系統(tǒng)設(shè)計針對大型發(fā)電機組，通過現(xiàn)有DCS、SIS、DEH、TSI等系統(tǒng)中，在實時數(shù)據(jù)庫平臺上實現(xiàn)大型發(fā)電機組遠程狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析系統(tǒng)。主要功能包括機組生產(chǎn)過程實時監(jiān)測、過程信息統(tǒng)計分析、機組運行優(yōu)化與操作指導(dǎo)、機組性能計算與優(yōu)化、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、設(shè)備壽命評價與管理和遠程監(jiān)測

15、與診斷服務(wù)等內(nèi)容。圖3 發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，監(jiān)測與診斷分析的數(shù)據(jù)主要來源于機組DCS、SIS、DEH、TSI等系統(tǒng)。嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測平臺通過串口、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等通信方式獲取機組運行數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)預(yù)處理后轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)，再連接到上位服務(wù)器的實時數(shù)據(jù)庫，在實時數(shù)據(jù)庫平臺上實現(xiàn)各種具體分析和應(yīng)用功能。具體實施方法如下：（1）嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測平臺：硬件平臺采用ARM或PowerPC嵌入式微處理器，軟件平臺采用uC/OS-II實時操作系統(tǒng)內(nèi)核和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，軟件開發(fā)為C、C+等語言。嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測平臺與DCS、SIS、DEH、TSI等系

16、統(tǒng)通信采用Modbus/RTU、Modbus/TCP、CAN等通信協(xié)議，然后通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口與實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通信。如果有些數(shù)據(jù)不在上述系統(tǒng)中，則可新增加傳感器測點，然后通過嵌入式遠程I/O數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)采集。（2）實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：實時數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)發(fā)展的一個分支，它適用于處理不斷更新的快速變化的數(shù)據(jù)及具有時間限制的事務(wù)處理。目前市場上實時數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品國外主要有美國OSIsoft公司的PI、美國 InStep公司的eDNA、美國GE Intellution公司iHistorian、美國Wonderware公司的InSQL、美國Honeywell公司的PHD、美國AspenTech公司的

17、InfoPlus等，國內(nèi)主要有上海麥杰公司的openPlant、北京三維力控公司的pSpace、浙江中控軟件公司的ESP-iSYS、中科院軟件所的Agilor、紫金橋?qū)崟r數(shù)據(jù)庫等。（3）應(yīng)用功能模塊：系統(tǒng)采用C/S和B/S結(jié)構(gòu)，機組生產(chǎn)過程實時監(jiān)測、實時趨勢、數(shù)據(jù)報表、報警等基礎(chǔ)功能都可以由實時數(shù)據(jù)庫的功能模塊實現(xiàn)，高級應(yīng)用功能如機組運行優(yōu)化與操作指導(dǎo)、機組性能計算與優(yōu)化、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、設(shè)備壽命評價與管理、遠程監(jiān)測與診斷服務(wù)等需要由實時數(shù)據(jù)庫提供的二次開發(fā)接口進行設(shè)計開發(fā)，支持VS.Net，采用C#作為開發(fā)語言進行功能模塊的設(shè)計與開發(fā)。3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)以某電廠300MW機組為例來說明

18、本文基于實時數(shù)據(jù)庫的發(fā)電機組遠程狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析系統(tǒng)。系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫采用北京三維力控公司的pSpace企業(yè)級實時歷史數(shù)據(jù)庫，pSpace提供了一套訪問pSpace Server的編程接口開發(fā)包Server-SDK。Server-SDK基于Microsoft的COM技術(shù)開發(fā)，支持絕大多數(shù)的32位Windows平臺編程環(huán)境，提供面向?qū)ο蟮木幊谭绞胶虯ctiveX控件，通過Server-SDK可以訪問本地或遠程pSpace Server，對pSpace Server的實時數(shù)據(jù)進行讀寫，并對歷史數(shù)據(jù)進行查詢。當(dāng)pSpace Server數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，通過事件主動通知Server-SDK應(yīng)用程序。S

19、erver-SDK采用快速數(shù)據(jù)訪問機制，適用于編寫高速、大數(shù)據(jù)量的應(yīng)用。本系統(tǒng)在Visual Studio 2005環(huán)境下用C#語言進行系統(tǒng)高級應(yīng)用功能的二次開發(fā)。系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，用戶和診斷專家可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)由IE瀏覽器進行實時遠程監(jiān)測和分析機組的運行狀況，為機組的運行和實施狀態(tài)檢修計劃提供指導(dǎo)性意見。圖4所示為大型發(fā)電機組遠程狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析系統(tǒng)首頁，點擊 “進入系統(tǒng)”按鈕，即可進入本系統(tǒng)進行機組運行狀態(tài)的監(jiān)測與診斷分析。圖4 系統(tǒng)首頁本系統(tǒng)主要功能包括狀態(tài)監(jiān)測、實時趨勢監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)報表、性能監(jiān)測與耗差分析、壽命評估與故障預(yù)測等五大部分模塊。以下通過幾個典型實例加以介紹

20、。圖5所示為發(fā)電機組生產(chǎn)過程實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)之汽水系統(tǒng)監(jiān)測畫面，實現(xiàn)汽水系統(tǒng)工藝過程及相關(guān)參數(shù)的在線監(jiān)測。圖5 機組汽水系統(tǒng)監(jiān)測畫面在發(fā)電機組在線性能監(jiān)測與耗差分析子系統(tǒng)中，主要實現(xiàn)機組的可控耗差及不可控耗差進行分析計算與顯示，對機爐單項指標(biāo)、輔機電耗、汽機小指標(biāo)、鍋爐小指標(biāo)、機組運行指標(biāo)等各性能參數(shù)進行分析與顯示，使運行人員及時了解機組運行情況，并對異常情況進行正確、及時的處理。圖6所示為機組性能參數(shù)一覽表監(jiān)測畫面，主要功能為計算并顯示汽輪機組運行的重要性能參數(shù)，包括：發(fā)電機功率、主汽壓力、主汽溫度、再熱汽壓力、再熱汽溫度、主蒸汽流量、給水流量、熱耗率。高壓缸效率、中壓缸效率、汽機效率、鍋爐

21、效率、廠用電率、發(fā)電機煤耗、供電煤耗、再熱蒸汽流量、再熱蒸汽壓損、機組補水率、煙氣含氧量、飛灰含碳量等，同時，可對每個參數(shù)采用曲線方式進行趨勢分析。圖6 機組性能參數(shù)一覽表監(jiān)測畫面圖7 機組可控耗差分析監(jiān)測畫面圖7所示為機組可控耗差分析監(jiān)測畫面，主要功能為對主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、再熱主蒸汽溫度、煙氣含氧量、排溫度等機組性能參數(shù)運行值及煤耗差量進行監(jiān)測和計算分析。4 結(jié)束語隨著計算機、嵌入式、網(wǎng)絡(luò)和通信等技術(shù)的飛速發(fā)展，使得基于網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電機組遠程狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能，從許多方面提高了監(jiān)測與診斷水平，節(jié)約了成本。本文圍繞研究和開發(fā)基于嵌入式平臺的大型發(fā)電機組遠程狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析

22、系統(tǒng)，對國內(nèi)外機組狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的應(yīng)用作了大量的調(diào)查和研究工作，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，著重研究了遠程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)中的嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測平臺、多種網(wǎng)絡(luò)通信方式、遠程數(shù)據(jù)傳輸、實時數(shù)據(jù)庫、機組性能監(jiān)測與診斷分析等關(guān)鍵技術(shù)，以及系統(tǒng)主要功能模塊的軟件設(shè)計與實現(xiàn)過程。參 考 文 獻1 LI D., ZHONG C.Q., YUAN X.F. etc. Study on Embedded Equipment Web Monitoring and Control Based on Industrial Ethernet. Proceedings of the 6th World Congres

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24、du, Sichuan, China, pp:275-280.3 彭道剛,張浩,李輝. 大型發(fā)電機組嵌入式遠程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究J.華東電力,2008,36(2):127-130.PENG Dao-gang,ZHANG Hao,LI Hui. Embedded remote condition monitoring and fault diagnosis systems for large generating unitsJ. East China Electric Power, 2008,36(2):127-130.4 鄧宏貴,羅安,劉雁群,等. 電力關(guān)鍵設(shè)備遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的研究J. 電網(wǎng)技術(shù),2003,27(5):51- 54.DENG Hong-gui, LUO An, LIU Lian-hao, et al. Research on remote monitoring and fault diagnosis system for key equipments in power systemJ. Power System Technology, 2003,27(5):51- 54.5 王建鋒,張浩,彭道剛. 基于ARM的嵌入式遠程監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計J.華東電力,2008,36(2):13