朱書瑾

【摘 要】本文總結(jié)了某核電廠備用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)HMI在多年運(yùn)行期間的缺陷故障及異常情況，分析了HMI系統(tǒng)在硬件穩(wěn)定性、人機(jī)交互功能以及數(shù)據(jù)顯示實時性三方面等存在的局限性。并針對各項問題結(jié)合現(xiàn)場實際需求，逐一提出了升級改造方案，對HMI硬件系統(tǒng)、組態(tài)軟件進(jìn)行了整體升級改造。升級后的HMI系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了對柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)點的實時監(jiān)控，為故障成因查找和設(shè)備性能分析提供了切實有效的依據(jù)，提高了備用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性。

【關(guān)鍵詞】備用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng);HMI;Cimplicity;Proficy Historian

中圖分類號： TN948.53文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)電機(jī)系統(tǒng)用于在核電廠內(nèi)外電源全部失電情況下，向核電廠安全設(shè)施提供可靠的、獨立的、備用的應(yīng)急電源，確保在緊急工況下順利安全停堆，并滿足機(jī)組重要安全系統(tǒng)停堆后的用電需求。

備用柴油發(fā)電系統(tǒng)通過人機(jī)操作界面（Human Machine Interface，下文中簡稱HMI）進(jìn)行總體監(jiān)控，為操作人員正確掌握系統(tǒng)狀況提供了有效途徑。HMI系統(tǒng)從投運(yùn)以來已連續(xù)帶電運(yùn)行十余年，故障率逐年上升，可維護(hù)性差、維修成本高，并且部分人機(jī)交互功能已不能滿足現(xiàn)場使用需求，需要對現(xiàn)有問題的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并提出合理的改進(jìn)方案，對HMI系統(tǒng)進(jìn)行整體升級改造。

2 HMI系統(tǒng)概述

某核電廠備用柴油發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)主要由就地儀表設(shè)備、控制PLC和HMI組成，控制系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)簡圖

柴油發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號。HMI和PLC之間通過串口（SNP協(xié)議）保持通訊，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。通過HMI中的處理單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和判斷，最后經(jīng)由顯示單元實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)、報警、數(shù)據(jù)趨勢曲線的顯示。HMI還能夠?qū)⒖刂谱兞康臄?shù)據(jù)反饋到PLC，完成對現(xiàn)場設(shè)備的控制。

3 HMI系統(tǒng)局限性分析

3.1 HMI系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

HMI的硬件設(shè)備從投運(yùn)以來已連續(xù)帶電運(yùn)行十余年，其硬件結(jié)構(gòu)基于10年前的硬件水平設(shè)計和搭建，存在多項固有設(shè)計缺陷：

1）維修經(jīng)濟(jì)性差

HMI系統(tǒng)的硬件為一體機(jī)設(shè)計，在僅有觸摸板、顯示屏等單個部件出現(xiàn)故障的情況下，也需要對HMI進(jìn)行整機(jī)更換，維修經(jīng)濟(jì)性差。

2）硬盤可靠性差

HMI使用的操作系統(tǒng)為Windows NT 4.0，該系統(tǒng)不支持移動存儲設(shè)備的讀寫，無法對組態(tài)工程進(jìn)行備份。并且HMI僅有單硬盤結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)硬盤故障后恢復(fù)困難。

3）存儲容量小

備用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)、啟停指令等通過數(shù)據(jù)點的形式送入HMI進(jìn)行監(jiān)控，共計385個。這些數(shù)據(jù)點的類型、數(shù)量及存儲長度如表1所示。

表1 HMI存儲數(shù)據(jù)點

由此可以計算出HMI和PLC之間每次通訊的數(shù)據(jù)量為：

（63*2+4*4+318*1）bytes/1024=0.45B

為保證HMI數(shù)據(jù)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(tǒng)一天的數(shù)據(jù)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(tǒng)、軟件等占用的硬盤空間，能夠用于HMI數(shù)據(jù)存儲的空間不足1GB，只能實現(xiàn)數(shù)周的數(shù)據(jù)記錄，不能滿足長時間的數(shù)據(jù)存儲需求。

從上述3點固有缺陷可以看出，當(dāng)HMI出現(xiàn)故障后，僅僅通過備件更換，已不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要對HMI的硬件系統(tǒng)進(jìn)行整體升級和更換。

3.2 HMI系統(tǒng)人機(jī)交互功能分析

3.2.1 人機(jī)交互現(xiàn)狀

HMI系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)備用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的實時監(jiān)控，并通過趨勢曲線、報警信息為系統(tǒng)維護(hù)和缺陷處理提供依據(jù)，部分人機(jī)交互功能不夠完善，主要表現(xiàn)如下：

1）報警信息不能保存

在HMI報警界面中可以查看系統(tǒng)的當(dāng)前報警信息，但消報后的報警信息不能保存。如出現(xiàn)瞬時報警，需要對設(shè)備進(jìn)行逐一排查才能發(fā)現(xiàn)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(shù)量少

趨勢界面中只能顯示發(fā)電機(jī)功率、電壓和轉(zhuǎn)速的變化趨勢，其他數(shù)據(jù)點只能通過監(jiān)測界面查看數(shù)值，沒有圖形化的趨勢記錄，不利于判斷設(shè)備的工作性能。

3.2.2 軟件系統(tǒng)局限性

HMI系統(tǒng)的人機(jī)交互通過組態(tài)軟件實現(xiàn)，為了找到上述問題的產(chǎn)生原因，就需要對HMI的組態(tài)軟件進(jìn)行分析。

HMI系統(tǒng)的組態(tài)軟件為GE公司的Proficy Cimplicity HMI，整個組態(tài)工程主要包括數(shù)據(jù)點、報警和顯示畫面，各部分關(guān)系如圖2所示。HMI從PLC中采集點數(shù)據(jù)后，通過點的配置將這些數(shù)據(jù)分配給顯示畫面和報警。顯示畫面能夠?qū)?shù)據(jù)點轉(zhuǎn)化為圖形界面進(jìn)行顯示和監(jiān)控。而報警組態(tài)實現(xiàn)了當(dāng)數(shù)據(jù)點超出設(shè)定值時產(chǎn)生報警信息，并傳送給報警畫面進(jìn)行顯示。

圖2 HMI組態(tài)軟件邏輯圖

Cimplicity HMI在完成數(shù)據(jù)采集后將數(shù)據(jù)存儲在緩存區(qū)，用于實時數(shù)據(jù)顯示，而想要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)點任意時間的歷史趨勢調(diào)用，需要建立一個歷史數(shù)據(jù)采集平臺完成對這些歷史數(shù)據(jù)的存儲，而Cimplicity HMI組態(tài)軟件沒有歷史報警查看功能，導(dǎo)致了報警消失后再也無法查找。

Cimplicity組態(tài)軟件的設(shè)計局限性導(dǎo)致了HMI人機(jī)交互功能的不完整，要改善這些問題需要對組態(tài)軟件進(jìn)行升級并建立新的歷史數(shù)據(jù)采集平臺。

4 HMI系統(tǒng)升級改造方案

4.1 HMI硬件系統(tǒng)升級

4.1.1 硬件設(shè)備選擇

1）硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)整

升級后的HMI硬件系統(tǒng)由PAC700G工業(yè)級PC電腦、ITAS17型工業(yè)級觸摸式監(jiān)控面板及外接鍵盤組成，均為市場主流產(chǎn)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(lǐng)先性和穩(wěn)定性。

2）增加硬盤容量

升級后的HMI系統(tǒng)硬盤空間應(yīng)該能夠滿足至少1年的數(shù)據(jù)存儲容量，以每秒1次的通訊頻率為例，1年的數(shù)據(jù)存儲量約為：

38MB*365天/1024=13.5GB/年

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

4.1.2 硬盤管理優(yōu)化

針對原HMI系統(tǒng)硬盤故障后無法修復(fù)的問題，升級后HMI系統(tǒng)應(yīng)重點考慮硬盤的穩(wěn)定性和可移植性。

為滿足以上要求，新的HMI系統(tǒng)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(dāng)有數(shù)據(jù)寫入硬盤時，會根據(jù)算法分成3個部分寫入這3塊硬盤中。當(dāng)一個硬盤發(fā)生損壞后，能夠通過另外2塊硬盤上存儲數(shù)據(jù)計算出第3塊硬盤的數(shù)據(jù)內(nèi)容，不會影響數(shù)據(jù)的完整性，當(dāng)損壞的硬盤被替換后，RAID5還會自動重建該硬盤上的數(shù)據(jù)，確保了HMI硬件系統(tǒng)的高度可靠性。

4.2 HMI組態(tài)軟件優(yōu)化

4.2.1 組態(tài)軟件選擇

升級后的HMI系統(tǒng)依然采用GE公司的Proficy系列組態(tài)軟件Cimplicity 8.2。該組態(tài)軟件是Cimplicity HMI的升級產(chǎn)品，保留了原有組態(tài)工程的框架，與PLC通訊方式保持不變，顯示畫面風(fēng)格與原系統(tǒng)保持一致。

此外，Cimplicity 8.2組態(tài)軟件人機(jī)交互功能更加完善，同原HMI系統(tǒng)相比，有以下改進(jìn)：

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

2）增加了快速趨勢顯示功能，在任意顯示畫面中均可調(diào)用數(shù)據(jù)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?qū)Ρ取?/p>

4.2.2 增加歷史報警查看功能

Cimplicity 8.2組態(tài)軟件的歷史報警查看器能夠?qū)崿F(xiàn)報警和事件記錄功能，數(shù)據(jù)采集時間能夠精確到1ms，實現(xiàn)對柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)所有事件動作的實時監(jiān)控。

在顯示畫面中創(chuàng)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(jù)用戶需求顯示指定時間段的記錄信息。

4.3 HMI系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫建立

為了方便的實現(xiàn)和組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)通訊傳輸，升級后的HMI系統(tǒng)選擇GE公司的Proficy Historian 5.5歷史數(shù)據(jù)采集平臺。

Cimplicity和Historian之間的通訊邏輯如圖3所示，Cimplicity中的數(shù)據(jù)點和報警變量通過不同的OPC服務(wù)器送給Historian，Historian通過OPC采集器將服務(wù)器送來的數(shù)據(jù)存至歷史數(shù)據(jù)庫。

圖3 變更后HMI軟件通訊邏輯圖

歷史數(shù)據(jù)庫的建立極大地方便了現(xiàn)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(xiàn)故障的設(shè)備，然后通過趨勢界面調(diào)取該設(shè)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(xiàn)了對整個柴油機(jī)控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

5 結(jié)論

備用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的HMI系統(tǒng)長期不間斷運(yùn)行，導(dǎo)致硬件嚴(yán)重老化，故障率逐年升高;并在硬件穩(wěn)定性、人機(jī)交互功能以及數(shù)據(jù)顯示實時性三方面等存在的局限性。針對各項問題結(jié)合現(xiàn)場實際需求，提出了升級改造方案，對HMI進(jìn)行了整體升級改造。

升級后HMI系統(tǒng)的在現(xiàn)場應(yīng)用良好，為現(xiàn)場檢修提供了便利，達(dá)到了升級改造的預(yù)期效果。HMI升級改造方案的設(shè)計思路能夠為其他同類電廠提供技術(shù)參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馬海濤，Cimplicity HMI組態(tài)軟件在中小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].浙江水利科技，2011，175：68-69.

[2]張云鵬.Proficy Historian在邯鋼集團(tuán)全廠實時生產(chǎn)信息系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].冶金自動化，2006，增刊：254-257.