電站熱工優(yōu)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(yōu)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(yōu)化控制平臺）系統(tǒng)下位DCS實時控制技術、上位高性能優(yōu)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(shù)據(jù)通信的上、下位軟件體系，實現(xiàn)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(wěn)定性的基礎上實現(xiàn)系統(tǒng)運行維護、過程控制的基本功能，以及高級優(yōu)化組件的模塊化加載體系結構。

TOP；軟件體系；組態(tài)監(jiān)控；優(yōu)化算法；模塊化加載

0 引言

TOP（Thermal Optimized-control Platform，電站熱工優(yōu)化控制平臺）系統(tǒng)是針對火力發(fā)電廠日益提高的節(jié)能、環(huán)保、高效控制要求而研究開發(fā)的，整合了下位DCS（分散控制系統(tǒng)）實時控制技術、上位高性能優(yōu)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(tǒng)，一方面能滿足常規(guī)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(tǒng)從DCS中在線獲取生產數(shù)據(jù)，經過多種優(yōu)化算法的加載，完成控制功能，并將優(yōu)化結果實時送回DCS，基于開放結構的軟件系統(tǒng)具備一般通用DCS的組態(tài)與監(jiān)控軟件功能，同時還具備優(yōu)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(wěn)定性的基礎上實現(xiàn)系統(tǒng)運行維護、過程控制的基本功能，并實現(xiàn)高級優(yōu)化控制功能。

1 TOP系統(tǒng)軟件體系的總體要求

基于開放結構的TOP系統(tǒng)需要與發(fā)電廠現(xiàn)有的DCS相連接，從現(xiàn)有DCS中獲取生產數(shù)據(jù)，經過復雜及智能優(yōu)化運算后，送回原DCS，達到優(yōu)化DCS的效果。為實現(xiàn)該功能上位機軟件開發(fā)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(tǒng)開發(fā)完畢后，能夠根據(jù)多種DCS協(xié)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(xié)議）等。

（2）優(yōu)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(guī)約和協(xié)議，以實現(xiàn)開放性，便于將來系統(tǒng)的擴展。

（4）集成性：系統(tǒng)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(tài)、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、畫面和趨勢監(jiān)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(tǒng)上位軟件的構架

2.1 上位機應用軟件

根據(jù)需求分析，上位軟件需要完成組態(tài)、監(jiān)控、通信、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)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(jù)六大模塊的功能，按照數(shù)據(jù)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(tài)、畫面監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、趨勢組態(tài)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)記錄、報警和操作記錄、報表、OPC、虛擬DPU（分散處理單元）、系統(tǒng)管理等10個主要軟件。各功能軟件既相互獨立，又數(shù)據(jù)共享、相輔相成。

圖1 TOP系統(tǒng)上位機軟件體系結構

2.2 通用組態(tài)監(jiān)控功能的體系結構

上位軟件的核心是內存數(shù)據(jù)庫，總體框架結構以系統(tǒng)管理軟件中內存數(shù)據(jù)庫為中心，控制邏輯的模塊和數(shù)據(jù)點為基本點展開。控制邏輯組態(tài)軟件完成控制邏輯組態(tài)，數(shù)據(jù)庫組態(tài)軟件完成數(shù)據(jù)點的組態(tài)，然后由系統(tǒng)管理軟件根據(jù)以上的組態(tài)完成上位機內存數(shù)據(jù)庫的建立。

當系統(tǒng)下位正常運行時，應用程序從已經建立的共享內存數(shù)據(jù)庫中進行數(shù)據(jù)掃描，獲得實時的觀測和控制數(shù)據(jù)，完成各自軟件的功能。內存數(shù)據(jù)庫同時從下位機控制器和虛擬控制器實時獲得數(shù)據(jù)并更新內存數(shù)據(jù)庫中的舊數(shù)據(jù)。應用軟件通過在線命令將控制信息發(fā)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(shù)據(jù)庫展開，結構和框架簡單，數(shù)據(jù)交互效率高。

2.3 高度開放的通信模塊體系結構

TOP系統(tǒng)的高度開放性是其優(yōu)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(fā)平臺與第三方開發(fā)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(shù)據(jù)包協(xié)議）通信，TCP（傳輸控制協(xié)議）通信，基于TCP/IP協(xié)議的OPC通信以及通過調用動態(tài)庫函數(shù)完成的接口通信。UDP通信方式通信量大，適應大量快速的數(shù)據(jù)發(fā)送；TCP通信方式的發(fā)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(shù)據(jù)通信。

2.4 “點單式”模塊化加載體系的結構

TOP系統(tǒng)通過控制邏輯組態(tài)軟件完成主控邏輯，然而對于較多的優(yōu)化算法都是由組態(tài)人員編程實現(xiàn)，TOP系統(tǒng)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(xiàn)優(yōu)化算法的導入。

“點單式”模塊化算法的加載是指開發(fā)人員可以根據(jù)需求將優(yōu)化程序以控制邏輯組態(tài)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(yōu)化算法加載的靈活性和簡易性。在控制邏輯軟件中，組態(tài)人員根據(jù)算法提供輸入、輸出和參數(shù)數(shù)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(tǒng)下位軟件構架

3.1 下位機應用軟件

TOP系統(tǒng)下位軟件由3個部分構成，即系統(tǒng)任務、靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)（如圖2所示）。系統(tǒng)任務包含各種功能子系統(tǒng)；靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)包括上位站下裝的組態(tài)文件、下位控制站的配置文件以及下位控制站系統(tǒng)運行過程中生成的日志文件等；動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)是系統(tǒng)中速度和實時性最高的數(shù)據(jù)區(qū)，由實時數(shù)據(jù)庫完成系統(tǒng)各部分的數(shù)據(jù)交換。

圖2 TOP系統(tǒng)下位機軟件體系結構

3.2 控制器管理子系統(tǒng)

控制器管理子系統(tǒng)完成過程控制器運行環(huán)境和數(shù)據(jù)、狀態(tài)的初始化以及共享內存、數(shù)據(jù)庫的建立等功能，包含以下內容：控制器實時操作系統(tǒng)的引導和初始化；在本地文件系統(tǒng)上讀取配置數(shù)據(jù)；根據(jù)串口“心跳線”的設置設定本站狀態(tài)；響應監(jiān)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(shù)據(jù)，用于主從控制站切換時的控制輸出無擾控制。

3.3 執(zhí)行管理子系統(tǒng)

執(zhí)行管理子系統(tǒng)是控制器的功能執(zhí)行主體，主要完成控制運算和數(shù)據(jù)傳輸功能。按照運算周期從通信控制站獲得數(shù)據(jù)，按照監(jiān)控軟件下發(fā)的控制策略進行運算，在邏輯算法模塊數(shù)據(jù)庫和I/O數(shù)據(jù)庫中檢索到對應的模塊和I/O數(shù)據(jù)點，通過函數(shù)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(fā)回通信控制站。

3.4 通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)構建方式是冗余的，負責把過程控制站和監(jiān)控軟件人機界面連成一體。采用總線型結構，根據(jù)通信軟件實現(xiàn)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(shù)據(jù)、發(fā)送實時控制量和I/O板卡、通信控制板卡配置參數(shù)在內的實時數(shù)據(jù)通信。

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

（3）第三部分是與上層監(jiān)控層的數(shù)據(jù)交換，包括站狀態(tài)和過程控制站中實時數(shù)據(jù)的廣播，接收監(jiān)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(tài)、在線修正運行參數(shù)等。

3.5 調度和監(jiān)控子系統(tǒng)

調度子系統(tǒng)完成系統(tǒng)任務的調度工作。根據(jù)既定的時序，通過“看門狗”發(fā)出周期的信號，執(zhí)行并完成相應的任務調度，從而確保控制器的執(zhí)行時序。

監(jiān)控子系統(tǒng)完成故障診斷，監(jiān)視各個部分的工作狀態(tài)，保障了系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)都能夠正確有效地運行，包括任務和狀態(tài)系統(tǒng)資源占用等。一旦發(fā)現(xiàn)異常，需要通知監(jiān)控軟件，也要通知控制器管理子系統(tǒng)，嘗試完成系統(tǒng)的自診斷，若出現(xiàn)嚴重錯誤，則發(fā)生主備切換。

3.6 日志和對時子系統(tǒng)

TOP系統(tǒng)下位軟件的日志子系統(tǒng)依托于系統(tǒng)的監(jiān)控子系統(tǒng)運行，記錄過程控制站各個任務的執(zhí)行情況，記錄監(jiān)控軟件下發(fā)的各種在線控制命令等系統(tǒng)。一旦發(fā)生故障，需要依靠它實現(xiàn)事故分析。

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

4 結語

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

在此基礎上，TOP系統(tǒng)的所有優(yōu)化功能組件均采用標準化的形式開發(fā)，平臺的上下位軟件系統(tǒng)為此預留了大量組件接口，開發(fā)人員只需要進行優(yōu)化算法的編程，即可完成優(yōu)化組件的開發(fā)，無需更改應用底層，實現(xiàn)了優(yōu)化控制組件方便的可續(xù)式開發(fā)，同時所有優(yōu)化組件均打包發(fā)布為模塊加載于平臺中應用，用戶可根據(jù)需要使用不同的模塊算法庫，完成優(yōu)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(tǒng)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(fā)電廠熱工自動化應用和研究。