某核電廠備用柴油發電機系統HMI升級改造

朱書瑾

【摘 要】本文總結了某核電廠備用柴油發電機系統HMI在多年運行期間的缺陷故障及異常情況，分析了HMI系統在硬件穩定性、人機交互功能以及數據顯示實時性三方面等存在的局限性。并針對各項問題結合現場實際需求，逐一提出了升級改造方案，對HMI硬件系統、組態軟件進行了整體升級改造。升級后的HMI系統現場應用穩定可靠，實現了對柴油發電機系統所有數據點的實時監控，為故障成因查找和設備性能分析提供了切實有效的依據，提高了備用柴油發電機系統的穩定性和可維護性。

【關鍵詞】備用柴油發電機系統;HMI;Cimplicity;Proficy Historian

中圖分類號： TN948.53文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）36-0135-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.061

1 背景概述

備用柴油發電機系統用于在核電廠內外電源全部失電情況下，向核電廠安全設施提供可靠的、獨立的、備用的應急電源，確保在緊急工況下順利安全停堆，并滿足機組重要安全系統停堆后的用電需求。

備用柴油發電系統通過人機操作界面（Human Machine Interface，下文中簡稱HMI）進行總體監控，為操作人員正確掌握系統狀況提供了有效途徑。HMI系統從投運以來已連續帶電運行十余年，故障率逐年上升，可維護性差、維修成本高，并且部分人機交互功能已不能滿足現場使用需求，需要對現有問題的產生原因進行分析，并提出合理的改進方案，對HMI系統進行整體升級改造。

2 HMI系統概述

某核電廠備用柴油發電機的控制系統主要由就地儀表設備、控制PLC和HMI組成，控制系統流程如圖1所示。

圖1 柴油發電機控制系統簡圖

柴油發電機就地儀表采集和接收溫度、壓力等測量信號后，送入PLC輸入卡件，將模擬量信號轉換成數字信號。HMI和PLC之間通過串口（SNP協議）保持通訊，實現現場數據的采集。通過HMI中的處理單元對數據進行計算和判斷，最后經由顯示單元實現系統參數、報警、數據趨勢曲線的顯示。HMI還能夠將控制變量的數據反饋到PLC，完成對現場設備的控制。

3 HMI系統局限性分析

3.1 HMI系統穩定性分析

HMI的硬件設備從投運以來已連續帶電運行十余年，其硬件結構基于10年前的硬件水平設計和搭建，存在多項固有設計缺陷：

1）維修經濟性差

HMI系統的硬件為一體機設計，在僅有觸摸板、顯示屏等單個部件出現故障的情況下，也需要對HMI進行整機更換，維修經濟性差。

2）硬盤可靠性差

HMI使用的操作系統為Windows NT 4.0，該系統不支持移動存儲設備的讀寫，無法對組態工程進行備份。并且HMI僅有單硬盤結構，當出現硬盤故障后恢復困難。

3）存儲容量小

備用柴油發電機系統運行參數及設備狀態、啟停指令等通過數據點的形式送入HMI進行監控，共計385個。這些數據點的類型、數量及存儲長度如表1所示。

表1 HMI存儲數據點

由此可以計算出HMI和PLC之間每次通訊的數據量為：

（63*2+4*4+318*1）bytes/1024=0.45B

為保證HMI數據顯示的實時性，至少需要保證每秒1次的通訊頻率。由此可以計算出HMI系統一天的數據存儲量為：

0.45B*1次*60秒*60分鐘*24小時/1024=38MB/天

HMI的硬盤空間只有3.5GB，除去系統、軟件等占用的硬盤空間，能夠用于HMI數據存儲的空間不足1GB，只能實現數周的數據記錄，不能滿足長時間的數據存儲需求。

從上述3點固有缺陷可以看出，當HMI出現故障后，僅僅通過備件更換，已不能保證系統的穩定運行，需要對HMI的硬件系統進行整體升級和更換。

3.2 HMI系統人機交互功能分析

3.2.1 人機交互現狀

HMI系統的主要功能是實現備用柴油發電機系統的實時監控，并通過趨勢曲線、報警信息為系統維護和缺陷處理提供依據，部分人機交互功能不夠完善，主要表現如下：

1）報警信息不能保存

在HMI報警界面中可以查看系統的當前報警信息，但消報后的報警信息不能保存。如出現瞬時報警，需要對設備進行逐一排查才能發現報警信號來源。

2）趨勢曲線記錄時間短

趨勢界面只能顯示最近一個小時的曲線，無法查詢變量的歷史趨勢。

3）趨勢曲線數量少

趨勢界面中只能顯示發電機功率、電壓和轉速的變化趨勢，其他數據點只能通過監測界面查看數值，沒有圖形化的趨勢記錄，不利于判斷設備的工作性能。

3.2.2 軟件系統局限性

HMI系統的人機交互通過組態軟件實現，為了找到上述問題的產生原因，就需要對HMI的組態軟件進行分析。

HMI系統的組態軟件為GE公司的Proficy Cimplicity HMI，整個組態工程主要包括數據點、報警和顯示畫面，各部分關系如圖2所示。HMI從PLC中采集點數據后，通過點的配置將這些數據分配給顯示畫面和報警。顯示畫面能夠將數據點轉化為圖形界面進行顯示和監控。而報警組態實現了當數據點超出設定值時產生報警信息，并傳送給報警畫面進行顯示。

圖2 HMI組態軟件邏輯圖

Cimplicity HMI在完成數據采集后將數據存儲在緩存區，用于實時數據顯示，而想要實現對數據點任意時間的歷史趨勢調用，需要建立一個歷史數據采集平臺完成對這些歷史數據的存儲，而Cimplicity HMI組態軟件沒有歷史報警查看功能，導致了報警消失后再也無法查找。

Cimplicity組態軟件的設計局限性導致了HMI人機交互功能的不完整，要改善這些問題需要對組態軟件進行升級并建立新的歷史數據采集平臺。

4 HMI系統升級改造方案

4.1 HMI硬件系統升級

4.1.1 硬件設備選擇

1）硬件系統結構調整

升級后的HMI硬件系統由PAC700G工業級PC電腦、ITAS17型工業級觸摸式監控面板及外接鍵盤組成，均為市場主流產品，各部件包括主板、CPU、電源等均能獨立采購、單獨更換，具有較大的領先性和穩定性。

2）增加硬盤容量

升級后的HMI系統硬盤空間應該能夠滿足至少1年的數據存儲容量，以每秒1次的通訊頻率為例，1年的數據存儲量約為：

38MB*365天/1024=13.5GB/年

升級后的HMI硬盤空間達到了1TB，除去系統占用空間，并充分考慮到數據點增加、通訊頻率縮短對數據存儲量的影響，升級后的HMI硬盤空間也完全能夠滿足數據存儲需求，為歷史數據庫的建立提供了硬件保證。

4.1.2 硬盤管理優化

針對原HMI系統硬盤故障后無法修復的問題，升級后HMI系統應重點考慮硬盤的穩定性和可移植性。

為滿足以上要求，新的HMI系統采用磁盤陣列（RAID5）管理。使用3塊容量為500GB的硬盤組建RAID5磁盤陣列。當有數據寫入硬盤時，會根據算法分成3個部分寫入這3塊硬盤中。當一個硬盤發生損壞后，能夠通過另外2塊硬盤上存儲數據計算出第3塊硬盤的數據內容，不會影響數據的完整性，當損壞的硬盤被替換后，RAID5還會自動重建該硬盤上的數據，確保了HMI硬件系統的高度可靠性。

4.2 HMI組態軟件優化

4.2.1 組態軟件選擇

升級后的HMI系統依然采用GE公司的Proficy系列組態軟件Cimplicity 8.2。該組態軟件是Cimplicity HMI的升級產品，保留了原有組態工程的框架，與PLC通訊方式保持不變，顯示畫面風格與原系統保持一致。

此外，Cimplicity 8.2組態軟件人機交互功能更加完善，同原HMI系統相比，有以下改進：

1）趨勢界面中能夠增加任意數據點的趨勢曲線，操作人員能夠添加需要觀察的數據點，為設備性能分析和異常查找提供更為直觀的圖形數據;

2）增加了快速趨勢顯示功能，在任意顯示畫面中均可調用數據點的趨勢曲線。同時該功能還支持分組保存，便于各變量間的橫向對比。

4.2.2 增加歷史報警查看功能

Cimplicity 8.2組態軟件的歷史報警查看器能夠實現報警和事件記錄功能，數據采集時間能夠精確到1ms，實現對柴油發電機系統所有事件動作的實時監控。

在顯示畫面中創建新的事件順序記錄（Sequence of Event，以下簡稱SOE）界面，該界面支持任意時間段的記錄搜索，能夠根據用戶需求顯示指定時間段的記錄信息。

4.3 HMI系統歷史數據庫建立

為了方便的實現和組態軟件的數據通訊傳輸，升級后的HMI系統選擇GE公司的Proficy Historian 5.5歷史數據采集平臺。

Cimplicity和Historian之間的通訊邏輯如圖3所示，Cimplicity中的數據點和報警變量通過不同的OPC服務器送給Historian，Historian通過OPC采集器將服務器送來的數據存至歷史數據庫。

圖3 變更后HMI軟件通訊邏輯圖

歷史數據庫的建立極大地方便了現場檢修工作，維修人員不再需要借助記錄儀等輔助工具，能夠方便的在SOE界面中查看報警和事件信息，快速定位可能出現故障的設備，然后通過趨勢界面調取該設備的溫度、壓力或啟停趨勢曲線，分析故障成因和處理辦法，實現了對整個柴油機控制系統的實時監控。

5 結論

備用柴油發電機系統的HMI系統長期不間斷運行，導致硬件嚴重老化，故障率逐年升高;并在硬件穩定性、人機交互功能以及數據顯示實時性三方面等存在的局限性。針對各項問題結合現場實際需求，提出了升級改造方案，對HMI進行了整體升級改造。

升級后HMI系統的在現場應用良好，為現場檢修提供了便利，達到了升級改造的預期效果。HMI升級改造方案的設計思路能夠為其他同類電廠提供技術參考。

【參考文獻】

[1]馬海濤，Cimplicity HMI組態軟件在中小型水電站監控系統中的應用[J].浙江水利科技，2011，175：68-69.

[2]張云鵬.Proficy Historian在邯鋼集團全廠實時生產信息系統中的應用[J].冶金自動化，2006，增刊：254-257.