張志勇,孔令剛,范多進,姚小明
(1. 蘭州交通大學 光熱儲能綜合能源系統(tǒng)工程研究中心,蘭州 730070; 2. 蘭州交通大學 光電技術與智能控制教育部重點實驗室,蘭州 730070)
隨著化石能源的過度消耗及全球環(huán)境問題日益惡化,可再生能源和清潔能源的開發(fā)利用在70、80年代得到了極大的推進,之后,原油價格的下跌和全球經(jīng)濟危機的爆發(fā),人們在太陽能等可再生能源方面的研究有所放緩,近些年,全球經(jīng)濟的高速發(fā)展及化石燃料的過度使用,使得環(huán)境問題日益嚴重,太陽能等可再生能源方面的研究重新成為人們關注的熱點[1].太陽能是最豐富、可持續(xù)的能源,到達地球的能量中只要有一小部分能量被人們利用,即可滿足全世界的能量需求[2].太陽能光熱發(fā)電通過儲熱技術可作為調(diào)峰電源或?qū)崿F(xiàn)24 h連續(xù)發(fā)電,是一種理想的可再生能源[3-5].
太陽能光熱電站由分布在空地上的上百萬平方米的反射鏡實時捕捉陽光,通過實時調(diào)整的鏡面角度將陽光反射至吸收器,吸熱器吸收太陽能后通過傳熱、儲熱、換熱等過程產(chǎn)生蒸汽,推動汽輪機發(fā)電,完成太陽能到電能的轉(zhuǎn)化.數(shù)百萬平方米的反射鏡面通過驅(qū)動裝置、反饋傳感器等實現(xiàn)追日跟蹤,集熱場內(nèi)分布有成千上萬支傳感器完成現(xiàn)場分布式數(shù)據(jù)信息的實時采集.電站通常有幾萬條數(shù)據(jù)信息,數(shù)據(jù)信息量龐大,實時性要求高.
數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)是太陽能電站最關鍵的部分之一,國內(nèi)外應用于太陽能電站常用的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)有:西門子分布式控制系統(tǒng),ABB分布式控制系統(tǒng),施耐德分布式控制系統(tǒng)等[6-9].隨著國內(nèi)光熱市場的崛起和光熱技術的成熟,太陽能電站設備及系統(tǒng)的國產(chǎn)化是降低電站成本最有效的途徑[10].目前國內(nèi)已建成的光熱電站中大部分使用的是上述國外的控制系統(tǒng)軟件,中控50 MW塔式電站采用自主研發(fā)的國產(chǎn)軟件.從國家工業(yè)設施網(wǎng)絡安全的角度考慮,國產(chǎn)軟件系統(tǒng)的大規(guī)模應用同樣具有非常重要的意義.本文以敦煌50 MW熔鹽線性菲涅爾示范電站為對象,采用國產(chǎn)eForceCon軟件平臺+分布式PLC遠程控制單元+PS6歷史服務器完成太陽能電站鏡場分布式數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)設計,數(shù)據(jù)傳輸過程中采用多鏈路同步數(shù)據(jù)交互及多端口分時觸發(fā)協(xié)調(diào)通信的設計思想,擬通過多鏈路并行收發(fā)及多端口分時觸發(fā),提高大吞吐量分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時性、可靠性,通過在示范電站鏡場的實際應用,驗證該分布式控制系統(tǒng)的可靠性、實時性和準確性,為太陽能電站的成本控制探索新途徑.
太陽能電站一般由太陽島、儲換熱島和發(fā)電島三部分組成.儲換熱島、發(fā)電島和常規(guī)的火電站配置大致相同,太陽能電站最核心的部分是太陽島.太陽島一般由反射鏡子系統(tǒng)、吸收器子系統(tǒng)和跟蹤控制子系統(tǒng)等幾部分組成.線性菲涅爾式太陽能電站集熱島部分主要由一次反射鏡、復合拋物面(CPC)二次反射鏡及跟蹤控制系統(tǒng)組成.線性菲涅爾系統(tǒng)鏡面分布廣泛,每組鏡列通過驅(qū)動裝置完成鏡面旋轉(zhuǎn).敦煌項目占地3 200 m2,控制鏡面的電機約3 500臺,鏡場內(nèi)部溫度、壓力、流量、液位、角度、限位開關、泵、閥等傳感器及設備超過10 000個,監(jiān)控信號測點數(shù)量眾多、分布零散,控制精度要求嚴格,實時性要求高.
根據(jù)線性菲涅爾式集熱島的結(jié)構特點,綜合考慮控制系統(tǒng)成本等因素進行線性菲涅爾鏡場控制系統(tǒng)的硬件配置.控制系統(tǒng)主要包括人機交互數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺、雙機冗余主控單元、SCA集熱器從站單元及分布式IO遠程控制單元.數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是完成示范電站3 200 m2戈壁灘上127萬m2一次反射鏡實時追蹤太陽,完成現(xiàn)場閥門、泵及其他設備的運行控制,并將現(xiàn)場的溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)信息及電機、泵、閥的狀態(tài)信息實時采集后在人機交互界面上呈現(xiàn).SCA從站單元接收主站單元實時下發(fā)的控制及數(shù)據(jù)請求命令,自主獨立完成相應的實時控制命令,并將其控制范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)信息實時反饋給主控單元;雙機冗余主控單元負責接收上位人機交互系統(tǒng)下達的控制命令及下位SCA從站單元上傳的現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息,完成上位人機交互系統(tǒng)與下位SCA從站單元之間的高效信息交互;分布式IO遠程從站單元負責鏡場內(nèi)分布零散、實時性要求嚴格的終端設備及信號測點的監(jiān)控任務;人機交互數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺是整個控制系統(tǒng)對外實現(xiàn)信息交流的窗口,操作人員通過數(shù)據(jù)交互平臺下發(fā)控制命令并通過平臺監(jiān)視現(xiàn)場所有的數(shù)據(jù)信息.鏡場控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構布置如圖1所示.
根據(jù)示范電站鏡場數(shù)據(jù)信息的分布特點,控制系統(tǒng)包含9套雙機熱備主控單元,440套SCA從站單元和50余套分布式遠程IO單元.主從單元控制器均為PLC設備.440套SCA從站單元分為8個區(qū),每個區(qū)包含55個從站,同一個區(qū)內(nèi)的55個從站通過光纖與1套熱備的主控單元進行通信,集熱島共由8套雙機熱備主站和440套從站完成集熱場各種數(shù)據(jù)信息的采集及控制命令.主控室第9套冗余主站完成鏡場內(nèi)處于不同區(qū)域卻具有連鎖控制關系的關鍵設備間遠程調(diào)度控制.鏡場系統(tǒng)控制柜布置如圖2所示.
圖1 鏡場控制系統(tǒng)硬件結(jié)構布置圖Fig.1 Hardware structure layout of mirror field control system
圖2 鏡場控制系統(tǒng)控制柜布置圖Fig.2 Layout of control cabinet of mirror field control system
鏡場數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)是實現(xiàn)操作人員與現(xiàn)場設備間對話的媒介,操作人員通過鏡場SCADA平臺的人機界面向下位機下達控制命令,下位機收集的數(shù)據(jù)信息通過鏡場SCADA平臺進行呈現(xiàn).力控eForceCon SCADA平臺軟件支持以分布式實時數(shù)據(jù)庫為系統(tǒng)核心的一體化軟件平臺,具備開放、集成、面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境,支持客戶端/服務器(C/S)和瀏覽器/服務器(B/S)架構,各網(wǎng)絡節(jié)點以分布式數(shù)據(jù)源管理方式進行信息交互.軟件平臺可支持幾萬點的數(shù)據(jù)通訊,數(shù)萬點的通訊能力滿足太陽能鏡場大數(shù)據(jù)吞吐量、高實時性的要求.軟件具有豐富的報警管理能力,支持多級報警管理、聲光、色報警輸出等功能.可管理、編輯、監(jiān)控遠程節(jié)點工程及平臺狀態(tài),支持用戶自定義函數(shù)的開發(fā),可集成第三方插件及可執(zhí)行程序.提供基于面向?qū)ο蟮哪0寤目梢暬_發(fā)環(huán)境,方便用戶進行二次開發(fā).軟件平臺同時支持通過用戶權限、優(yōu)先級及安全區(qū)等多種方式為用戶提供安全驗證[11].
根據(jù)鏡場控制系統(tǒng)的硬件配置和控制需求,數(shù)據(jù)采集機監(jiān)控系統(tǒng)設置冗余的數(shù)據(jù)采集服務器、歷史服務器、WEB服務器及C/S客戶端.數(shù)據(jù)采集服務器采用冗余的IO Server方式對主控室9臺雙機冗余熱備的PLC主站控制器及現(xiàn)場22臺分布式遠程IO主站進行數(shù)據(jù)采集及存儲.數(shù)據(jù)采集服務器與主站之間采用TCP/IP協(xié)議進行通信,當主機服務器系統(tǒng)或服務器硬件出現(xiàn)問題時可自動切換至從服務器運行,并保持原有的數(shù)據(jù)狀態(tài);歷史服務器作為數(shù)據(jù)長效保存與應用分析的數(shù)據(jù)源,將eForcecon平臺數(shù)據(jù)同步至歷史數(shù)據(jù)庫服務器后,在eForcecon平臺的圖形化客戶端直接掛接在Space Server歷史數(shù)據(jù)庫進行報警查詢、報表查詢及趨勢分析;WEB服務器通過eForcecon平臺的圖形化客戶端+eForcecon Web服務程序組合實現(xiàn)圖形化WEB的發(fā)布功能,實現(xiàn)B/S訪問模式;C/S客戶端以eForcecon平臺的圖形化客戶端方式運行,以eForcecon Server+Space Server為雙數(shù)據(jù)源實現(xiàn)實時與歷史數(shù)據(jù)的監(jiān)控,當任意一臺客戶端系統(tǒng)或硬件出現(xiàn)問題,其他客戶端可擔任其監(jiān)視工作.
鏡場分布式數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)上位組態(tài)軟件采用雙模式方式進行采集設備集中管理與監(jiān)控,雙模式是指IO Server服務器和客戶端采取獨立運行又相互結(jié)合的分級管理模式,IO Server服務器負責從主機設備完成數(shù)據(jù)信息的實時采集,同時通過數(shù)據(jù)同步的方式將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸給歷史服務器,客戶端同時從IO Server服務器和歷史服務器兩個數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù).該模式有別于傳統(tǒng)的單一模式分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、安全性更?
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設置主從IO Server,主從IO Server之間實時進行數(shù)據(jù)同步,IO Server從機實時監(jiān)聽主機心跳信號,當IO Server主機系統(tǒng)故障時自動切換至從機運行,當IO Server主機恢復運行后,通過軟件設置自動切換至主機運行或手動進行主從機運行模式切換.
線性菲涅爾鏡場控制系統(tǒng)接收、發(fā)送數(shù)據(jù)量大,數(shù)據(jù)信息實時性要求高,SCADA平臺數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計時采用模塊化設計思想[12-15],根據(jù)數(shù)據(jù)信息的物理布局將數(shù)據(jù)信息劃分為多個數(shù)據(jù)區(qū),模塊化的設計既增加了數(shù)據(jù)信息采集的安全性,同時提高了數(shù)據(jù)信息的實時性.SCADA平臺與設備交互數(shù)據(jù)時采用多數(shù)據(jù)鏈路通信結(jié)構,將同一設備的數(shù)據(jù)信息根據(jù)數(shù)據(jù)特點及應用需求劃分為多條并行的傳輸鏈路;主控室采集主站設備與SCA從站設備同樣根據(jù)物理布置劃分為不同數(shù)據(jù)區(qū)域,不同主站負責不同區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)信息收發(fā),不同主站之間不進行直接信息交互;同一數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)的主站與從站設備通信時劃分多條數(shù)據(jù)鏈路,每個數(shù)據(jù)鏈路通過不同的通信端口訪問轄區(qū)內(nèi)的從站設備,該區(qū)域內(nèi)的主站設備負責協(xié)調(diào)控制同一區(qū)域內(nèi)不同鏈路下的從站設備.
在進行變量定義及管理時,批量化的變量導入、導出對工程的開發(fā)具有非常重要的意義[16-17],線性菲涅爾太陽能鏡場擁有數(shù)萬點的數(shù)據(jù)信息,利用批處理功能可以很輕松的完成數(shù)據(jù)變量的定義及管理.
太陽能電站通常由眾多系統(tǒng)組成,比如集熱子系統(tǒng)、儲換熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、防凝子系統(tǒng)、功率預測子系統(tǒng)及電伴熱子系統(tǒng)等.不同系統(tǒng)根據(jù)測點的布置、規(guī)?;蛐盘栴愋退x用的控制設備及控制系統(tǒng)有所差異.線性菲涅爾太陽能電站中,集熱島SCADA平臺數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)除負責集熱島數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控外,還需與電站其他設備進行一定的信息交互,不同的設備所選擇的通信方式及通訊協(xié)議有所不同.本項目中,與集熱島鏡場數(shù)據(jù)采集監(jiān)控平臺存在信息交互的PLC品牌有歐姆龍、西門子、三菱等,不同的設備需選擇不同的通訊方式及通訊協(xié)議,SCADA平臺與OMRON主站PLC之間采用FINS_Ethernet協(xié)議進行通信,設備更新周期設置50 ms,數(shù)據(jù)包更新周期設置200 ms,超時時間設置為3 000 ms,設備端口號選擇9 600;與SIEMENS PLC終端設備通訊時采用TCI/IP協(xié)議,設備端口號選擇102,PLC端的傳輸服務訪問點(TSAP)設置為02.01,PC端的傳輸服務訪問點(TSAP)設置為02.00;與三菱PLC終端設備采用MODBUS TCP協(xié)議進行通訊,更新周期設置1 000 ms,超時時間設置3 000 ms,設備端口號選擇502.
太陽能電站各子系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)控測點的分布及特點不同,監(jiān)控系統(tǒng)平臺選擇同樣存在差異,對于電站常規(guī)島部分,數(shù)據(jù)測點分布集中,同時測點的可靠性要求高,關鍵測點必須采用硬接線的方式,因此對于電站常規(guī)島部分的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控,集中控制的DCS系統(tǒng)更適合于現(xiàn)場應用.本項目中,常規(guī)島的DCS系統(tǒng)為國產(chǎn)和利時MACS系統(tǒng).在與DCS系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息交互時,本項目采用OPC通訊方式完成數(shù)據(jù)交互.OPC技術是一種與硬件廠商無關的軟件數(shù)據(jù)交換標準接口及規(guī)程,用于解決不同過程控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換問題,在各個應用之間提供透明的數(shù)據(jù)訪問[18].在與第三方應用程序進行OPC通訊時,需要在雙方設備上進行相應的DCOM配置,約定相同的訪問權限及用戶后,OPC服務端做相應服務端的DCOM配置,OPC客戶端做相應的客戶端DCOM配置.
FINS指令可以實現(xiàn)各種網(wǎng)絡間的無縫通信,包括用于信息網(wǎng)絡的Ethernet,用于控制網(wǎng)絡的Controller Link和SYSMAC LINK[19].通過在PLC主站編寫FINS通信指令,就可以將上位主站數(shù)據(jù)區(qū)的信息下發(fā)到下位PLC從站,或者從下位PLC從站數(shù)據(jù)區(qū)獲取數(shù)據(jù).FINS協(xié)議支持工業(yè)以太網(wǎng),其傳輸速度可達100 Mb/s以上;當采用六類或者超六類網(wǎng)線時,節(jié)點間穩(wěn)定傳輸?shù)木嚯x可超過130 m,整個網(wǎng)絡的傳輸距離沒有限制,網(wǎng)絡內(nèi)最大節(jié)點數(shù)可達254個,可以實現(xiàn)1∶N、N∶N、N∶1等多種網(wǎng)絡形式.
在以太網(wǎng)FINS通信中,各種數(shù)據(jù)信息以UDP/IP包或者TCP/IP包的方式在以太網(wǎng)上發(fā)送和接收.通常以太網(wǎng)通信使用的是IP地址,而在FINS通信中則使用網(wǎng)絡號、節(jié)點號以及單元號來對不同設備進行地址定義,使得不同網(wǎng)絡之間各種設備的通信建立了統(tǒng)一的尋址方式[20].以太網(wǎng)FINS通信是一種使用UDP/IP協(xié)議的FINS通信方式,UDP/IP是一種無連接的通信協(xié)議,當一條信息從一個節(jié)點到另一個節(jié)點時,這兩個節(jié)點間無明確連接對等關系,UDP協(xié)議具有較快的傳輸速度,但數(shù)據(jù)通信的可靠性沒有TCP協(xié)議高[21].FINS以太網(wǎng)通信協(xié)議模型如圖3所示.
圖3 FINS以太網(wǎng)通信協(xié)議模型Fig.3 FINS Ethernet communication protocol model
在太陽能電站的實際應用中,某些設備的啟停允許條件來源于現(xiàn)場傳感器,但設備的控制動作開關、聯(lián)鎖啟停泵閥等又布置在距離幾公里外的地方,對于這種關聯(lián)信號布置分散、實時性、可靠性要求較高的設備,可以采用DATALINK通訊的方式實現(xiàn)物理距離較遠的多臺PLC設備之間數(shù)據(jù)交互,通過網(wǎng)絡配置軟件手動建立TAG標簽,在兩臺設備或者多臺設備間進行內(nèi)存地址映射,將A設備的輸出地址映射為B設備的輸入地址,B設備的輸出地址映射為A設備的輸入地址,實現(xiàn)遠程設備地址間的數(shù)據(jù)高速交換.
鏡場控制系統(tǒng)中,IO Server與每個PLC主站間的通訊數(shù)據(jù)量可達5 000點,考慮到數(shù)據(jù)信息的實時性及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫?,IO Server與同一IP地址的PLC設備建立5條并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)鏈路.經(jīng)過長期的運行后數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臓顟B(tài)測試結(jié)果如圖4所示,從圖4可以看出:對A2設備,命令間隔時間是20 ms,IO server請求26 435 672次,A2設備響應26 435 672次;對于A5設備,命令間隔時間是50 ms,IO server請求15 655 135次,A5設備響應15 655 135次,通過IO監(jiān)視器對不同設備的請求響應狀態(tài)進行監(jiān)視,設備請求、響應錯誤率為零,經(jīng)過長期測試,設備的穩(wěn)定性滿足系統(tǒng)的運行要求.
鏡場控制系統(tǒng)PLC主站與SCA從站之間數(shù)據(jù)交互采用FINS通信方式,每個主站通過不同的邏輯端口與底層從站完成通信,各邏輯端口輪流觸發(fā),周期發(fā)送FINS通信命令,通過隨機實時監(jiān)聽各端口1 min內(nèi)的觸發(fā)狀態(tài),測試各端口數(shù)據(jù)收發(fā)的均衡性.各邏輯端口的數(shù)據(jù)監(jiān)聽狀態(tài)如圖5(a)所示,1 min監(jiān)聽周期內(nèi)各端口實際激活次數(shù)統(tǒng)計如圖5(b)所示.從圖5可以看出,在主從設備通信的過程中,隨機統(tǒng)計設備間1 min通信周期內(nèi)各端口的通信觸發(fā)次數(shù),各端口觸發(fā)的非均衡性最大為12.5%.
圖4 IO Server與PLC主站通信狀態(tài)監(jiān)聽結(jié)果Fig.4 Monitoring results of IO Server and PLC master station communication status
圖5 PLC主站與SCA從站FINS通信狀態(tài)監(jiān)聽結(jié)果Fig.5 Monitoring results of PLC master station and SCA slave station's FINS communication status
線性菲涅爾太陽能電站鏡場數(shù)據(jù)信息量大,但模塊化的鏡場設置使得數(shù)據(jù)呈現(xiàn)相對整齊.不同集熱回路間的數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ燃巴患療峄芈窋?shù)據(jù)間的縱向?qū)Ρ葘φ麄€鏡場運行參數(shù)及運行策略調(diào)整具有重要的指導作用.太陽能鏡場運行過程中的一些關鍵參數(shù)需要實時呈現(xiàn)于監(jiān)控界面,當關鍵數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時需及時輸出提示信息,方便運行人員監(jiān)盤.線性菲涅爾集熱回路多,數(shù)據(jù)信息量大,完善的數(shù)據(jù)異常聲光報警提示及自動保護是提高太陽能電站自動化水平的重要措施[22-24],本項目進行監(jiān)控界面設計時對此類數(shù)據(jù)信息做了完善的聲、光、色等報警提示.
曲線及報表是數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)最重要的部分之一,通過曲線的實時變化,可以方便的監(jiān)視設備的運行狀態(tài),及時進行運行參數(shù)調(diào)整,通過查看參數(shù)的歷史趨勢曲線,可以方便進行事故分析、故障診斷及運行分析;通過數(shù)據(jù)報表記錄功能,建立班組日報表、周報表、月報表及年度報表,通過報表分析及時調(diào)整電站運行策略,分析設備運行工況,為后期的設備運行提供可靠的參考信息.太陽能鏡場監(jiān)控系統(tǒng)的曲線及報表如圖6所示.
線性菲涅爾太陽能電站中,集熱單元、泵、閥、驅(qū)動電機等均按照模塊化設計,采用界面模板功能可以極大地減少界面的重復設計,減少監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)工作量,縮短開發(fā)周期.使用界面模板功能時,首先按照要求建立模塊窗口,通過模塊窗口生成界面模板,然后在界面模板中生成該模板下的子模板,最后在模板變量管理系統(tǒng)中批量化替換模塊變量.
圖6 趨勢曲線及數(shù)據(jù)報表Fig.6 Trend curve and data statement
本文介紹了基于eForcecon軟件平臺和PLC的線性菲涅爾太陽能電站鏡場分布式數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng),描述了數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)軟、硬件設計過程中的模塊化設計思想,太陽能電站集熱島運行過程中的自動化保護策略,不同設備及系統(tǒng)間的信息交互手段,并在示范電站太陽能鏡場數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)長期實際運行中采用數(shù)據(jù)監(jiān)聽等手段對系統(tǒng)各部分的通信實時性及準確性進行驗證.該監(jiān)控系統(tǒng)上位IO采集服務器與下位主控設備間的通信實時性滿足使用要求,通信過程中請求、響應錯誤率為零,下位主控設備與多臺SCA遠程終端采用輪流邏輯端口方式通信時,1 min隨機監(jiān)聽周期內(nèi),邏輯端口成功觸發(fā)的最大非均衡性為12.5%,通信的實時性滿足實際應用需求.