DCS设备在线运行状态监测系统研究

李虎，吉雪松，张栋良，赵先浩，林洪莹

（1.安徽华电宿州发电有限公司，安徽宿州234101；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明650051；3.上海电力学院自动化工程学院，上海200090；4.山东和信智能科技有限公司，济南250002）

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DCS设备在线运行状态监测系统研究

李虎1，吉雪松2，张栋良3，赵先浩3，林洪莹4

（1.安徽华电宿州发电有限公司，安徽宿州234101；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明650051；3.上海电力学院自动化工程学院，上海200090；4.山东和信智能科技有限公司，济南250002）

通过对表征电站DCS系统各设备可靠性影响因素的研究，得到DCS设备级可靠性状态监测量，并通过信息化处理、计算机以及通信技术等一体化实施DCS设备在线运行状态监测系统，系统在电站实施和运行。结果证明，所研发的系统为热控检修人员提供了精细化检修指导信息，提高了基于DCS可靠运行的电站安全性。

分散控制系统；状态监测系统；可靠性；故障

0 引言

目前电力行业正在往精细化检修的目标方向发展，分散控制系统（Distributed Control System，DCS）已经成为火力发电机组的神经中枢。但是和其他工业计算机系统一样，DCS也会失效，出现故障，故障具有突发性和多变性，很难预测。一旦发生故障，如不及时发现和维护，后果一般很严重，会造成巨大经济损失、设备损坏或人身伤害。热工人员对于DCS系统组态比较熟悉，对于DCS系统掌握停留在应用层，对于DCS系统深层次的应用不熟悉，而且热工人员无法实时关注DCS系统报警信息。DCS系统的DPU主辅状态切换时间，切换时的故障报警信息查询不方便，DCS系统AI、AO、DI、DO、RTD、TC、SD、VP卡等报警信息、故障信息，以及故障、报警发生的时间、次数等重要信息无法记录下来，DCS系统的两路电源系统切换、报警、掉电等信息以及发生的时间等无法记录，DCS网络系统状态变化及网络掉线等信息及发生的时间无法记录，网络交换机端口信息、交换机CPU使用率、内存使用率及网络掉线及发生的时间进行监视，交换机的交换或通信信息量等系统重要信息无法得知，DCS系统各个机柜内温度信息等不能实时掌握。而目前并没有及时发现DCS各组成设备发生故障的手段和相关的记录措施，不能系统性地表征DCS设备运行状态［1］。为实现DCS安全运行的透明化，对DCS设备在线运行状态可靠性进行研究，基于信息处理技术［2］，开发研制DCS设备在线运行状态监测系统，基于第三方通信协议，对DCS设备运行状态进行在线监视。系统能及时监视DCS的运行异常和故障，使DCS健康运行，远离系统过载，远离危险状态。

图1 DCS设备在线运行状态监测系统的结构

1 DCS设备在线运行状态监测系统的设计

图1为Ovation DCS设备在线运行状态监测系统结构，系统将DCS的运行状态信息通过采用第三方通信采集到DCS设备在线运行状态监测系统，形成数据平台。

针对基础数据采集环节，数据源可分为DCS数据库部分、DCS交换机部分和DCS的DPU部分，这3部分分别采用内部协议、SNMP协议和RPC协议获取系统状态数据；通过数据源及相应的协议采集的数据分别通过Ovation OPC和SUEPOPC进行数据服务；在监控平台部分，通过Ovation的OPCServer和自行开发的SUEP OPC-Server收集基础数据，并利用组态软件的OPC-Client进行数据对接，并将实时数据对应到力控的实时数据库；实时数据I／O模块负责实时数据库的数据读写，还完成基础的数据解析，如打包点的按位解析；逻辑知识库存储报警条件等配置信息，通过逻辑配置模块与人机接口相连，用户可通过画面修改配置；历史数据访问模块为历史数据的存储和访问查询提供接口；逻辑判断模块主要完成检测系统的整体推理和进程的监控。

通过对DCS系统数据的计算和处理，形成DCS设备在线运行状态监测画面。作为人机互动接口，主要包括DCS可靠性监测系统主画面、交换机流量信息画面、卡件状态画面、重要点及电源信息监测画面、报警状态画面以及离线状态画面。这些画面的局部定位和综合可以全方位指导维修人员监视DCS的运行状态，以便根据画面信息指示及时维护DCS设备。

2 系统实现及关键技术

DCS在线运行状态监测系统组成如图2所示，包括DPU运行状态监测、DCS卡件运行状态监测、工作站运行状态监测、DCS电源系统运行状态监测、交换机运行状态监测、控制柜温度运行状态监测、重要参数运行状态监视。

图2 DCS设备在线运行状态监测系统功能组成

2.1 可靠性监测系统的实现

DCS设备在线运行状态监测系统实现方式如图3所示，DCS设备在线运行状态监测系统主要是基于对DCS系统的DPU信息采集、卡件信息采集、交换机信息采集以及环境信息采集［3］，基于这一系列信息进行数据分析，包括数据计算、阈值比较、状态判断及存储，形成DPU负载报告、卡件异常记录、电源切换记录、交换机负载报告、机柜温度记录及重要信息点状态的报告，依据这些报告形成故障报警，异常记录和趋势曲线，同时形成DCS的各画面的状态信息。

图3 DCS设备在线运行状态监测系统实现

2.2 数据获取关键技术

DCS设备在线运行状态监测系统网络拓扑如图4所示，状态监测是采用OPC对DCS状态信息采用网络侦听的方式，因此状态监测系统的运行与DCS系统相互隔离，保证监测系统运行对DCS运行无影响，而通过OPC接口访问DCS数据库，通过标准协议访问交换机守护进程，通过识别、截取对过程站原有进程网络包进行解析。

图4 DCS设备在线运行状态监测系统网络拓扑

2.2.1 OPC技术数据获取

状态监测系统所遵循的OPC标准［4-5］是以微软公司的OLE技术为基础的，如图5所示，采用在DCS系统侧配置OPC SERVER作为OPC服务器，在状态可靠性监测系统侧配置OPC CLIENT作为客户端，采用OPC技术建立起可靠性监测系统对DCS系统实时数据库的数据采集机制，并将设备可靠性状态分析中所需的DCS中的信息作为可靠性监测系统的实时数据库存储和调用。这种数据传输和数据获取方式具有高效、可靠的特点。

图5 基于OPC的数据获取技术

2.2.2 基于SNMP的数据获取技术

简单网络管理协议（SNMP）是基于TCP／IP协议族的网络管理标准［6］，能够支持网络管理系统，用以监测连接到网络上的设备是否有任何引起管理上关注的情况。系统采用该协议将DCS系统设备中交换机、操作员站、工程师站以及过程站分别作为被管理的系统，如图6所示，通过各自的代理者的软件元件可以读取OID参数，通过OID状态信号可以获取交换机、操作员站、工程师站以及过程站的CUP负载、内存占用率等信息，而这些信号成为分析DPU运行状态、DCS卡件运行状态、操作员站运行状态、工程师站运行状态和交换机运行状态等的依据。如获取内存当前使用情况可调用指令：

［snmpwalk-v 2c-c Public 192.168.4.11.3.6.1.4.1.9.9. 48.1.1.1.5］。

图6 SNMP协议读取DCS主设备的状态信息

2.2.3 基于RPC技术的数据获取

远程过程调用协议（Remote Procedure Call Protocol，RPC）［7］，是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务，而不需要了解底层网络技术的协议。系统中采用可靠性检测系统调用过程站、操作员站和工程师站的守护进程，如图7所示，可靠性监测系统通过访问DCS中状态自检进程，获得设备内部状态信息。

图7 基于RPC协议的状态信息读取

3 系统应用

DCS设备在线运行状态监测系统自2016年2月在安徽某发电厂（DCS为Ovation系统，控制器为OCR400）投入运行，实现了对DPU（CPU负荷、内存负荷、网卡流量、离线、主备切换）、I／O卡件（故障、离线）、交换机（CPU负荷、内存负荷、端口吞吐量）、机柜温度、机柜电源（主备切换、掉电）、工程师站、操作员站（离线、重启）等DCS设备的2 000余个监测信息点的一体化监控、报警和记录，如图8所示。系统运行状况良好，据不完全统计，通过本系统的实施，降低了机组强迫停运率、非计划停运次数、非计划停运小时，非计划降出力时间，增加连续运行天数，从而提升电厂可靠性指标通过本系统的实施，每年可减少DCS引起的事故50%以上，且大大缩短了设备的维修时间。

图8 DCS设备在线运行状态监测系统运行界面

4 结语

DCS设备在线运行状态监测系统采用OPC协议技术、SNMP协议和RPC协议获取DCS设备的可靠性监测状态信息，旨在保证DCS运行本身安全的前提下，对DCS设备的运行状态进行网络侦听获取和解析，通过对有效信息的计算和状态判断得到对DCS设备运行状态的判断和指示，对系统的维护起到了积极作用。通过该系统在某电站的运行表明，其可有效诊断和记录DCS设备级的DCS可靠性状态信息，提供及时设备定位检修，而基于DCS设备在线运行状态监测系统的历史信息和在线信息，通过对这些数据挖掘和智能处理，为电站DCS维护检修人员提供更有效地指导信息，对DCS系统可靠性的影响因素进行分析，并进一步地对DCS的健康度状态和可靠性指标体系进行综合评价。

［1］肖大雏.超超临界机组控制设备及系统［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［2］潘笑，潘维加.热工自动控制系统［M］.北京：中国电力出版社，2011.

［3］章德龙.600 MW火力发电机组培训教材—锅炉设备及其系统［M］.北京：中国电力出版社，2001.

［4］高强，张亮，李月凤.基于OPC技术的虚拟DCS监测系统设计［J］.自动化与仪表，2009，24（12）：30-32.

［5］吴鑫，宫亮，杨煜普.OPC跨平台通信的实现方法［J］.计算机工程，2009，35（13）：240-242.

［6］张彤，吴世荣.基于SNMP计算机网络流量监控系统研究［J］.计算机技术与发展，2011，21（1）：88-91.

［7］康礼鸿，王建林，赵利强，等.基于XML-RPC的分布式仪器系统集成［J］.计算机工程，2012，38（4）：230-232.

On-line State Monitoring System of DCS Equipment

LI Hu1，JI Xuesong2，ZHANG Dongliang3，ZHAO Xianhao3，LIN Hongying4
（1.Anhui Huadian Suzhou Electric Co.，Ltd.，Suzhou 234101，China；2.Kunming Engineering Corporation Limited，Kunming 650051，China；3.Department of Automation Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China；4.Shandong Hexin Intelligent Technology Co.，Ltd.，Jinan 250002，China）

Influence factors on the reliability of equipment of the DCS system were studied，and monitoring parameters of the reliability state were obtained.Based on the information processing technology，computer technology and communication technology，the on-line state monitoring system of DCS equipment was realized.Through the running of this system in one power plant，it was showed that this system can provide enough guidance information for fine maintenance for thermal control maintenance personnel and can improve power plant safety based on the DCS reliability.

distributed control system；status monitoring system；reliability；fault

TM621.6

A

1007－9904（2016）11－0058－04

2016-07-19

李虎（1984），男，硕士，主要从事火电厂热控设备检修与维护技术以及管理工作。

上海市自然科学基金（15ZR1418300）