宋方儒，王中勝，張傳江，朱鏡靈

(北京國電智深控制技術(shù)有限公司，北京市，102200)

0 引言

根據(jù)國家發(fā)改委及華北地區(qū)環(huán)保局的要求，華北電網(wǎng)需要建立一套煙氣污染物排放信息管理系統(tǒng)［1］，該系統(tǒng)建成后，可以充分發(fā)揮燃煤火電廠煙氣脫硫設(shè)施的作用，提高我國火電廠脫硫設(shè)施的脫硫效率和運行水平，減少二氧化硫的排放［2-3］。該系統(tǒng)按照規(guī)劃，設(shè)計成一套基于網(wǎng)絡(luò)及實時通訊的在線監(jiān)測系統(tǒng)［4］。系統(tǒng)構(gòu)架分為電廠側(cè)數(shù)據(jù)子站、通訊網(wǎng)絡(luò)層及監(jiān)測中心站的數(shù)據(jù)服務(wù)層。

在電廠側(cè)數(shù)據(jù)子站層的建設(shè)中，由于電廠側(cè)分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)不盡相同，其功能及應(yīng)用范圍不斷擴大，數(shù)據(jù)接口多樣性，實際應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜［5］，設(shè)計了一種多功能通訊平臺。該多功能通訊平臺按照最新DCS通訊的特點設(shè)計［6-7］，不但根據(jù)此次項目的特點進行設(shè)計開發(fā)，而且還在設(shè)計時注重了通訊平臺未來應(yīng)用上的便捷性和可移植性。該平臺推廣后可以降低通信成本、增強客戶服務(wù)［8-9］，該平臺利用了統(tǒng)一集成開發(fā)符合組件接口規(guī)范的數(shù)據(jù)接口服務(wù)的關(guān)鍵點以及基于調(diào)度網(wǎng)或無線分組業(yè)務(wù)GPRS網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用［10］。本文主要研究通訊平臺的需求與設(shè)計，并對通訊平臺的應(yīng)用進行了舉例說明。

1 子站采集系統(tǒng)的要求和特點

依據(jù)煙氣污染物排放信息管理系統(tǒng)子站采集建設(shè)單位的要求，本系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)分別采自現(xiàn)場排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(continuous emission monitoring system，CEMS)、機組DCS、脫硫控制系統(tǒng)等。采集范圍為脫硫的主要參數(shù)。

根據(jù)要求需要在電廠端設(shè)置數(shù)據(jù)子站，該子站負責(zé)把本電廠脫硫系統(tǒng)以及其他信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)點值收集和存儲，并按照統(tǒng)一的傳輸規(guī)約發(fā)送數(shù)據(jù)至中心站的數(shù)據(jù)前置機中。其中對于統(tǒng)調(diào)電廠采用專業(yè)調(diào)度網(wǎng)通訊，對于非統(tǒng)調(diào)電廠則采用GPRS無線通訊。如果通訊網(wǎng)絡(luò)因故障中斷，采集到的數(shù)據(jù)則暫時存放在子站中，待網(wǎng)絡(luò)通訊恢復(fù)后，子站主動向中心站的數(shù)據(jù)庫補發(fā)該段數(shù)據(jù)，以此保證數(shù)據(jù)的完整性。子站系統(tǒng)還需通過GPS對時系統(tǒng)發(fā)送對時報文和帶時標(biāo)的數(shù)據(jù)。子站發(fā)送的數(shù)據(jù)在中心站統(tǒng)一收集并加以分析利用。

2 多功能通訊平臺系統(tǒng)設(shè)計

由于多功能通訊平臺概念為首次提出，目前并沒有同類產(chǎn)品的應(yīng)用。當(dāng)前各個DCS系統(tǒng)在與第三方建立通訊時，大都采用自己約定的通訊方式，在硬件產(chǎn)品的挑選上，常常是根據(jù)現(xiàn)場不同環(huán)境或通訊點數(shù)而選擇的，不盡相同。并且每出現(xiàn)一種業(yè)務(wù)通訊就需要建立一種專用的通訊方式，這樣建設(shè)起來的通訊站必然投資大、效率低、不便于統(tǒng)一管理。

根據(jù)煙氣污染物排放信息管理系統(tǒng)子站采集系統(tǒng)的建設(shè)要求，在對比了同類產(chǎn)品，并充分考慮到未來可能出現(xiàn)的繼承和移植后，設(shè)計了一種多功能通訊平臺。該通訊平臺可同時與多個第三方設(shè)備或廠家建立通訊，進行數(shù)據(jù)的采集傳輸交換。并且可以方便集成第三方的應(yīng)用程序，具有開放性的特點，支持第三方通訊軟件嵌入系統(tǒng)［11-12］。

本平臺主要采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計。平臺易于擴展，軟硬件都可靈活增減配置，實現(xiàn)了定制開發(fā)的簡單快速。并且方便遠程組態(tài)調(diào)試及維護更新，使得整個系統(tǒng)具有強大功能和高可靠性。

在平臺的硬件層設(shè)計上，選用了小型嵌入式計算機，該機器采用無風(fēng)扇式設(shè)計，機器體積小、速度快、功耗低，并且有防沖擊和抗振動的特點，可基于現(xiàn)場或客戶的不同需求而進行相應(yīng)的擴展［13-14］。并采用了雙交直流電源設(shè)計，交直流同時輸入在線智能切換，大大提高產(chǎn)品可靠性。該平臺具有2個RJ45接口，6路RS-232/RS-485通訊接口，并可根據(jù)實際現(xiàn)場需求，相應(yīng)增加擴展模塊進行接口的擴充。特別設(shè)計了基于RS-232/485接口改進的物理單向的串口單向數(shù)據(jù)傳輸通道，確保只能從DCS向外發(fā)送數(shù)據(jù)。然后基于該單向物理通道，采用單向發(fā)送實時數(shù)據(jù)技術(shù)，實現(xiàn)將相關(guān)數(shù)據(jù)單向發(fā)送到生產(chǎn)II區(qū)的功能。

在平臺的系統(tǒng)軟件層設(shè)計上，采用了衍生自嵌入式Linux操作系統(tǒng)的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有安全、穩(wěn)定、可靠性高的特點，開發(fā)軟件模塊間相互獨立并可擴展。支持的網(wǎng)絡(luò)功能強大，可通過Web瀏覽器接入方式在異地對該平臺進行遠程技術(shù)支持［13-14］。

在平臺的開發(fā)應(yīng)用軟件層設(shè)計上，該平臺提供了一套可行的標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)約，并對通訊數(shù)據(jù)的內(nèi)容、格式、傳輸方式做相應(yīng)的定義，方便第三方廠家統(tǒng)一開發(fā)。并可定制開發(fā)各種高級應(yīng)用軟件，平臺通過建立冗余的歷史數(shù)據(jù)倉庫來應(yīng)對由硬件故障所造成的數(shù)據(jù)丟失，歷史數(shù)據(jù)倉庫以前端查詢和分析作為基礎(chǔ)，可提供給電廠及主站決策分析之用。

在平臺的通訊網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計上，通過建立平臺支撐網(wǎng)絡(luò)，保證了傳輸網(wǎng)絡(luò)的有效及正常運行，提高了網(wǎng)絡(luò)的各種控制和管理能力，并配置了多種靈活的對外接口，同時支持多種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。此外為了保證在控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)安全性［15-16］。在設(shè)計上采用信息加密技術(shù)，選用一些可靠的加密算法，可選用國際數(shù)據(jù)加密算法(international data encryption algorithm，IDEA)，密鑰長度在56位。這樣使得系統(tǒng)對外來破壞具有健壯性，系統(tǒng)自身具有封閉性。

多功能通訊平臺設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)層次如圖1所示。

圖1 多功能通訊平臺結(jié)構(gòu)層次Fig.1 Structure hierarchical graph for multifunctional communication platform

圖1中，硬件層采用無風(fēng)扇嵌入式小型一體機，安全穩(wěn)定，雙交直流電源設(shè)計;系統(tǒng)軟件層采用多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，開發(fā)模塊獨立并可擴展;應(yīng)用軟件層支持常用規(guī)約，并可定制多種通訊軟件;通訊網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)安全性高，配置通訊接口靈活。

該平臺具體軟件開發(fā)模塊主要包括:脫硫?qū)崟r信息獲取模塊、中心站通訊模塊、實時數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、歷史數(shù)據(jù)存儲及和調(diào)用模塊、GPS時鐘同步模塊、網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測模塊、信息加密模塊、安全診斷模塊、遠程接入模塊、第三方設(shè)備擴展模塊等。

3 多功能通訊平臺系統(tǒng)特點

為了數(shù)據(jù)采集的安全可靠，多功能通訊平臺采用的是UNIX(LINUX)操作系統(tǒng)，并建立小型歷史站來存儲歷史數(shù)據(jù)。建立了對多種通訊的支持，并依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的特性，增加各種故障自愈和自動恢復(fù)功能。

為了適合系統(tǒng)長期穩(wěn)定通訊的特點，平臺硬件選用了無風(fēng)扇設(shè)計的嵌入式計算機。該機器的特點是體積小、速度快、功耗低，并且具有防沖擊和抗振動的特點，可以適應(yīng)各種惡劣的現(xiàn)場環(huán)境。采用了雙交直流電源設(shè)計，大大提高了平臺的可靠性。

為進一步提高系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性，減低系統(tǒng)成本，根據(jù)本系統(tǒng)測點和數(shù)據(jù)量少的特點，特別設(shè)計了基于RS-232/485接口改進的物理單向的串口單向數(shù)據(jù)傳輸通道，確保只能從DCS向外發(fā)送數(shù)據(jù)。其安全技術(shù)性已達到了網(wǎng)絡(luò)正向隔離技術(shù)，從而確保了內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)的封閉安全性，完全滿足系統(tǒng)安全防護技術(shù)相關(guān)規(guī)定要求。

平臺采用看門狗軟件實現(xiàn)了系統(tǒng)自動診斷及自動運行功能。通過在移動設(shè)備上安裝配置軟件，可遠程接入對通訊平臺進行平臺管理、參數(shù)同步、流量監(jiān)視。

采用遠程監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、集中管理、集中分析。本平臺結(jié)構(gòu)采用B/S模式，實時參數(shù)列表部分采用java Applet嵌入到Web頁，由支持java的瀏覽器發(fā)布。

4 多功能通訊平臺實際應(yīng)用

楊柳青電廠需把4個機組的脫硫數(shù)據(jù)上傳給華北電網(wǎng)煙氣污染物排放信息管理系統(tǒng)。該電廠的特點是各機組的脫硫控制室緊鄰，多功能通訊平臺也計劃放在脫硫控制室柜內(nèi)，且未預(yù)留放置顯示器等外圍設(shè)備的空間。故該電廠在設(shè)計方案時，在生產(chǎn)控制系統(tǒng)和非生產(chǎn)系統(tǒng)間采用了特別設(shè)計的基于RS-232改進的物理單向的串口單向數(shù)據(jù)傳輸通道來實現(xiàn)物理單向隔離，省去了采用單向隔離裝置的費用，有效地節(jié)省了成本。通訊平臺通過串行模塊匯總數(shù)據(jù)后，通過GPRS模塊以及公網(wǎng)和中心站前置機進行通訊。同時在子站側(cè)采用遠程接入方式來監(jiān)視數(shù)據(jù)的正確性及通訊的可靠性。楊柳青電廠華北電網(wǎng)煙氣污染物排放信息管理系統(tǒng)子站網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖2所示。

圖2 楊柳青電廠華北電網(wǎng)煙氣污染物排放信息管理系統(tǒng)子站網(wǎng)絡(luò)拓撲Fig.2 Network topology for Yangliuqing power plant substations of information management system forflue gas emission in North China Grid

5 結(jié)語

多功能通訊平臺目前只是應(yīng)用在煙氣污染物排放信息管理系統(tǒng)子站建設(shè)上。本項目中應(yīng)用的多功能通訊平臺在設(shè)計上有許多突破及創(chuàng)新，例如:多功能平臺硬件系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)、改進的物理單向的串口通訊、易用及免維護的安全產(chǎn)品技術(shù)、高級應(yīng)用與系統(tǒng)集成、遠程安全技術(shù)支持等。另外在針對小型系統(tǒng)冗余歷史數(shù)據(jù)倉庫的建立，信息加密技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)自愈及流量控制等方面也有相應(yīng)的研究開發(fā)。

該多功能通訊平臺設(shè)計之初便考慮到未來跨平臺移植問題，設(shè)計時預(yù)留了多種擴展接口。該平臺可以根據(jù)其他行業(yè)的通訊特點，運用在冶金、化工、煤炭等領(lǐng)域，如此便可避免資源的重復(fù)浪費及重復(fù)開發(fā)工作，符合節(jié)能環(huán)保的要求。

［1］陳秋，李振海，張國強，等.火電廠環(huán)保設(shè)施及煙氣污染物排放實時監(jiān)控系統(tǒng)研究與建設(shè)［J］.電力建設(shè)，2010，31(11)80-83.

［2］李卓群，陳玉清.遠程實時脫硫在線監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.河南師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，38(4):43-47.

［3］王志軒.“十一五”電力環(huán)保與資源節(jié)約規(guī)劃討論［J］.中國電力2006，39(1):97-102.

［4］安玉祥.DCS在火電廠的應(yīng)用與發(fā)展［J］.電力建設(shè)，2003，24(11):37-39.

［5］唐躍中，阮前途，曹晉彰，等.電網(wǎng)企業(yè)綜合數(shù)據(jù)平臺的開發(fā)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(17):37-43.

［6］張文生.火電廠分散控制系統(tǒng)的發(fā)展概況與展望［J］.電力建設(shè)，2001，22(12):15-15.

［7］孫丕石，曹占峰，王亞玲，等.國家電網(wǎng)公司數(shù)據(jù)交換平臺研發(fā)與應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(22):62-67.

［8］熊琦.下一代企業(yè)級統(tǒng)一通信平臺的研究與實現(xiàn)［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2009:1-7.

［9］周林，孟婧，徐會亮，等.GPRS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望［J］.電力建設(shè)，2008，29(3):8-13.

［10］李洋洋.電力自動化通信管理機的研制［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2003:1-6.

［11］張煒，金自明.采用MODBUS協(xié)議對火電機組某些系統(tǒng)與DCS通訊的改造［J］.電力建設(shè)，2006，27(3):63-64，67.

［12］李紅，何青，陳月升.Java技術(shù)在機組振動遠程監(jiān)測診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用［C］//中國動力工程學(xué)會第三屆青年學(xué)術(shù)年會論文集.上海:中國動力工程學(xué)會，2005:1-6.

［13］胡競峰，李志農(nóng)，楊世錫，等.基于Web的多機組遠程監(jiān)診系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)［J］.汽輪機技術(shù)，2001.12，43(6):351-354.

［14］王艷平，張越.Windows網(wǎng)絡(luò)與通信程序設(shè)計［M］.北京:人民郵電出版社，2006:165-214.