基于嵌入式平台的发电机组远程状态监测与诊断分析系统

1、基于嵌入式平台的发电机组远程状态监测与诊断分析系统摘要：大型发电机组的远程状态监测与诊断分析技术是一门多学科交叉的综合性研究课题。本文提出了基于嵌入式平台的大型发电机组远程状态监测与诊断分析系统的总体方案，设计了具有多种通信协议的嵌入式数据采集与监测平台，并针对某电厂300MW发电机组，采用pSpace企业级实时历史数据库和C#语言进行系统高级应用功能的二次开发，实现了B/S模式的大型发电机组远程状态监测与诊断分析系统，用户和诊断专家可以通过Internet网络由IE浏览器进行实时远程监测和分析机组的运行状况，为机组的运行和实施状态检修计划提供指导性意见。关键词：嵌入式平台；远程状态监测；故障

2、诊断；实时数据库；发电机组中图分类号：TP277Remote Condition Monitoring and Diagnosis Analysis system for Turbine-Generator Units Based on Embedded PlatformAbstract: The remote condition monitoring and diagnosis analysis technology for large-scale turbine-generator units is a multi-disciplinary overlapping and comprehe

3、nsive research subject. A total scheme of remote condition monitoring and diagnosis analysis system based on embedded platform for large-scale turbine-generator units has been proposed in this paper. Designed the embedded data acquisition and monitoring platform with many kinds of communication prot

4、ocols, and aimed at a 300MW turbine-generator unit, using the pSpace enterprise real-time database and the C# language carries on the system high-level application functions, realized the B/S mode remote condition monitoring and diagnosis analysis system for large-scale turbine-generator units. The

5、user and diagnosis expert are able to carry on the real-time remote monitor and analysis the working condition through the Internet network by the IE browser, which provide the guidance opinions for the working and condition maintenance plan for the turbine-generator units.Keywords: Embedded platfor

6、m; Remote condition monitoring; Fault diagnosis; Real-time database; Turbine-generator units0 引言当前全国供电紧张，部分地区严重缺电，使得许多发电设备长期处于超负荷运行状态，设备的安全性随之下降，这就要求对发电机组及生产过程的各种参数进行实时监测与诊断分析，以保证锅炉、汽轮机、发电机等主机设备和其他主要辅机设备的正常运行以及电厂的正常发电。大型发电机组的远程状态监测与诊断分析技术是一门多学科交叉渗透的综合性研究课题，但是，由于现场状态监测设备不够完善，现场领域专家不足，信息不能共享等原因，严重制约了发

7、电机组故障的早期预见和及时、准确的诊断分析。因此，开展大型发电机组远程状态监测与诊断分析系统的研究显得十分必要。本文针对大型发电机组，设计了具有多种通信方式的嵌入式数据采集与监测平台，并在此基础上设计和实现了基于实时数据库的大型发电机组远程状态监测与诊断分析系统。该系统不仅为电力企业上层管理人员、现场运行人员、发电企业集团公司、设备制造商、领域专家等充分掌握发电机组的运行状态，掌握发生故障的原因，并能及时进行正确处理，把发生故障后对发电机组的影响限制在最小范围内；也可进一步提高大型发电机组运行的经济性、可靠性和运行效率，提高电力企业现代化科学管理水平，降低发电机组维修费用，实现大型发电机组的预

8、测维修和操作，达到电力生产企业的节能降耗。1 系统总体设计基于嵌入式平台的大型发电机组远程状态监测与诊断分析系统是构筑在局域网和Internet广域网之上的应用系统，广泛采用了计算机技术、自动化技术、嵌入式技术、信息技术、网络通信技术、Internet技术等。系统的总体架构如图1所示。系统包括两个部分：本地监测与诊断中心和远程监测与诊断中心。两者通过Internet网络连接各自的实时数据库和Web服务器，远程监测用户和诊断专家可通过Internet从监测与诊断中心的实时数据库服务器获得机组的实时数据进行实时远程状态监测，并与服务器上的数据库连接获得历史数据进行状态分析。为了保护远程监测与诊断系

9、统的安全，在本地网关上架设防火墙，以阻止有攻击意图的网络包发往远程监测与诊断中心的服务器。本地监测与诊断中心主要建设在发电企业，企业领导和机组运行与检修人员可通过企业内部高速局域网直接访问应用服务器，这种连接方式最快捷，主要可用于机组状态的实时监测和诊断。本地监测与诊断中心主要由嵌入式数据采集与监测平台、实时数据库服务器、Web服务器、监测工作站、诊断工作站等部分组成。嵌入式数据采集与监测平台可通过串口、工业以太网、现场总线及无线传输等通信方式从发电机组DCS、SIS、DEH、TSI等系统或者通过嵌入式数据采集器从传感器中实时采集机组各种工艺参数的运行数据，采集数据经过多种信号分析处理技术进行

10、预处理后通过局域网发送到本地监测与诊断中心的实时数据库服务器，通过故障诊断专家系统平台分析处理后形成各种监测画面，如棒图、趋势、报表、特征图谱等，以供本地监测和诊断工作站对机组进行实时状态监测和诊断分析。同时将监测与诊断分析结果通过Web服务器向远程监测与诊断平台发布，供出差在外的企业领导、远程监测用户和诊断专家等进行远程监测和分析使用。图1 系统总体架构设计远程监测与诊断中心主要建设在机组设备制造商、发电企业集团公司和研究院所等单位，主要由实时数据库服务器、Web服务器、故障诊断案例库、专家知识库、远程管理中心等部分组成。设备制造商或发电集团公司根据自己对机组监测和诊断工作的需要，通过实时数

11、据在线监视与远程传输系统软件从本地监测与诊断中心的实时数据库服务器获取所要监测和诊断分析的机组相关运行数据，然后存入远程监测与诊断中心的实时数据库服务器，用于设计和制造新型发电机组，或者研究机组各种故障机理等，通过故障诊断案例库、专家知识库等实现对机组的故障诊断和分析。同时，可以集中各个方面的专家，通过远程监测与诊断分析系统观察机组的运行情况，综合计算机故障诊断专家系统和人类专家的诊断结论，通过中心服务器发布的诊断分析结果，为机组的运行和实施状态检修计划提供指导性意见。2 嵌入式数据采集与监测平台设计目前，用于工控领域的数据采集与监测系统平台，在现场控制级中多数仍然采用工控机或PC机来构建，由

12、于工控机或PC机在体积、能耗上的不可避免的劣势，使得它们实际上很难实现控制现场化的目的。而嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪的专用计算机系统。嵌入式系统能够很好地适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积及功耗方面的严格要求，以高性能嵌入式微处理器为核心构建新一代的嵌入式数据采集与监测系统平台是数据采集和监测技术一个重要的发展方向。嵌入式数据采集与监测平台的主要功能是从发电机组的DCS、SIS、DEH、TSI等系统或者各种传感器中通过嵌入式I/O数据采集器实时在线采集机组各种工艺参数的运行数据。这些数据经过多种信号分析处理技术预处理后，通过局域网发送到本地监测与诊断中心的实

13、时数据库服务器和Web服务器，以供远程监测用户和诊断专家等进行实时监测和状态分析。嵌入式数据采集与监测系统平台总体设计结构如图2所示。嵌入式数据采集与监测平台中主要采用了目前流行的PowerPC和ARM等嵌入式系统硬件平台，在嵌入式平台支持Modbus/RTU、Modbus/TCP、CAN、InterBus、EPA、Zigbee等工业以太网、现场总线及无线网络通信技术。该平台主要完成数据采集、数据处理与分析及网络通讯等功能，对外提供数据采集接口、网络通信接口和人机交互接口。同时，该平台也集成了嵌入式Web服务器和嵌入式实时数据库。通过移植和修改成熟的嵌入式Web服务器到目标平台，支持CGI、J

14、SP、ASP等脚本语言，根据具体应用自主实现所需的Web服务，也可通过Internet对现场设备进行参数设置、远程监控和管理。嵌入式实时数据库构建的关键是数据模型的确立，它决定了数据被访问和操作的方式、应用程序的性能和可行性。图2 嵌入式数据采集与监测平台设计3 发电机组远程状态监测与诊断分析系统设计与实现3.1 系统设计针对大型发电机组，通过现有DCS、SIS、DEH、TSI等系统中，在实时数据库平台上实现大型发电机组远程状态监测与诊断分析系统。主要功能包括机组生产过程实时监测、过程信息统计分析、机组运行优化与操作指导、机组性能计算与优化、设备状态监测与故障诊断、设备寿命评价与管理和远程监测

15、与诊断服务等内容。图3 发电机组状态监测与诊断分析系统架构系统架构如图3所示，监测与诊断分析的数据主要来源于机组DCS、SIS、DEH、TSI等系统。嵌入式数据采集与监测平台通过串口、工业以太网、现场总线等通信方式获取机组运行数据，对现场数据预处理后转换为以太网，再连接到上位服务器的实时数据库，在实时数据库平台上实现各种具体分析和应用功能。具体实施方法如下：（1）嵌入式数据采集与监测平台：硬件平台采用ARM或PowerPC嵌入式微处理器，软件平台采用uC/OS-II实时操作系统内核和嵌入式Linux操作系统，软件开发为C、C+等语言。嵌入式数据采集与监测平台与DCS、SIS、DEH、TSI等系

16、统通信采用Modbus/RTU、Modbus/TCP、CAN等通信协议，然后通过标准以太网接口与实时数据库服务器通信。如果有些数据不在上述系统中，则可新增加传感器测点，然后通过嵌入式远程I/O数据采集器进行数据采集。（2）实时数据库系统：实时数据库是数据库系统发展的一个分支，它适用于处理不断更新的快速变化的数据及具有时间限制的事务处理。目前市场上实时数据库产品国外主要有美国OSIsoft公司的PI、美国 InStep公司的eDNA、美国GE Intellution公司iHistorian、美国Wonderware公司的InSQL、美国Honeywell公司的PHD、美国AspenTech公司的

17、InfoPlus等，国内主要有上海麦杰公司的openPlant、北京三维力控公司的pSpace、浙江中控软件公司的ESP-iSYS、中科院软件所的Agilor、紫金桥实时数据库等。（3）应用功能模块：系统采用C/S和B/S结构，机组生产过程实时监测、实时趋势、数据报表、报警等基础功能都可以由实时数据库的功能模块实现，高级应用功能如机组运行优化与操作指导、机组性能计算与优化、设备状态监测与故障诊断、设备寿命评价与管理、远程监测与诊断服务等需要由实时数据库提供的二次开发接口进行设计开发，支持VS.Net，采用C#作为开发语言进行功能模块的设计与开发。3.2 系统实现以某电厂300MW机组为例来说明

18、本文基于实时数据库的发电机组远程状态监测与诊断分析系统。系统实时数据库采用北京三维力控公司的pSpace企业级实时历史数据库，pSpace提供了一套访问pSpace Server的编程接口开发包Server-SDK。Server-SDK基于Microsoft的COM技术开发，支持绝大多数的32位Windows平台编程环境，提供面向对象的编程方式和ActiveX控件，通过Server-SDK可以访问本地或远程pSpace Server，对pSpace Server的实时数据进行读写，并对历史数据进行查询。当pSpace Server数据发生变化时，通过事件主动通知Server-SDK应用程序。S

19、erver-SDK采用快速数据访问机制，适用于编写高速、大数据量的应用。本系统在Visual Studio 2005环境下用C#语言进行系统高级应用功能的二次开发。系统采用B/S结构，用户和诊断专家可以通过Internet网络由IE浏览器进行实时远程监测和分析机组的运行状况，为机组的运行和实施状态检修计划提供指导性意见。图4所示为大型发电机组远程状态监测与诊断分析系统首页，点击 “进入系统”按钮，即可进入本系统进行机组运行状态的监测与诊断分析。图4 系统首页本系统主要功能包括状态监测、实时趋势监视、历史数据报表、性能监测与耗差分析、寿命评估与故障预测等五大部分模块。以下通过几个典型实例加以介绍

20、。图5所示为发电机组生产过程实时状态监测系统之汽水系统监测画面，实现汽水系统工艺过程及相关参数的在线监测。图5 机组汽水系统监测画面在发电机组在线性能监测与耗差分析子系统中，主要实现机组的可控耗差及不可控耗差进行分析计算与显示，对机炉单项指标、辅机电耗、汽机小指标、锅炉小指标、机组运行指标等各性能参数进行分析与显示，使运行人员及时了解机组运行情况，并对异常情况进行正确、及时的处理。图6所示为机组性能参数一览表监测画面，主要功能为计算并显示汽轮机组运行的重要性能参数，包括：发电机功率、主汽压力、主汽温度、再热汽压力、再热汽温度、主蒸汽流量、给水流量、热耗率。高压缸效率、中压缸效率、汽机效率、锅炉

21、效率、厂用电率、发电机煤耗、供电煤耗、再热蒸汽流量、再热蒸汽压损、机组补水率、烟气含氧量、飞灰含碳量等，同时，可对每个参数采用曲线方式进行趋势分析。图6 机组性能参数一览表监测画面图7 机组可控耗差分析监测画面图7所示为机组可控耗差分析监测画面，主要功能为对主蒸汽温度、主蒸汽压力、再热主蒸汽温度、烟气含氧量、排温度等机组性能参数运行值及煤耗差量进行监测和计算分析。4 结束语随着计算机、嵌入式、网络和通信等技术的飞速发展，使得基于网络的发电机组远程状态监测与诊断分析系统的实现成为可能，从许多方面提高了监测与诊断水平，节约了成本。本文围绕研究和开发基于嵌入式平台的大型发电机组远程状态监测与诊断分析

22、系统，对国内外机组状态监测与诊断系统的应用作了大量的调查和研究工作，提出了系统的总体设计方案，着重研究了远程监测与诊断系统中的嵌入式数据采集与监测平台、多种网络通信方式、远程数据传输、实时数据库、机组性能监测与诊断分析等关键技术，以及系统主要功能模块的软件设计与实现过程。参 考 文 献1 LI D., ZHONG C.Q., YUAN X.F. etc. Study on Embedded Equipment Web Monitoring and Control Based on Industrial Ethernet. Proceedings of the 6th World Congres

23、s on Control and Automation, June 21-23, 2006, Dalian, China, pp:4600-4603.2 PENG D.G, ZHANG H., YANG L., etc. Design and Realization of Modbus Protocol Based on Embedded Linux System. Proceedings of the 2008 International Conference on Embedded Software and Systems Symposia. July 29-31, 2008, Cheng

24、du, Sichuan, China, pp:275-280.3 彭道刚,张浩,李辉. 大型发电机组嵌入式远程状态监测与故障诊断系统研究J.华东电力,2008,36(2):127-130.PENG Dao-gang,ZHANG Hao,LI Hui. Embedded remote condition monitoring and fault diagnosis systems for large generating unitsJ. East China Electric Power, 2008,36(2):127-130.4 邓宏贵,罗安,刘雁群,等. 电力关键设备远程监测与故障诊断系统的研究J. 电网技术,2003,27(5):51- 54.DENG Hong-gui, LUO An, LIU Lian-hao, et al. Research on remote monitoring and fault diagnosis system for key equipments in power systemJ. Power System Technology, 2003,27(5):51- 54.5 王建锋,张浩,彭道刚. 基于ARM的嵌入式远程监测系统研究与设计J.华东电力,2008,36(2):13