某核电厂备用柴油发电机系统HMI升级改造

1、某核电厂备用柴油发电机系统 HMI 升级改造协议） 保持通讯， 实现现场数据的采集。 通过 HMI 中的处理单元对数据进行计算和判断，最后经由显示单元实现系统参数、报警、 数据趋势曲线的显示。 HMI 还能够将控制变量的数据反馈到PLC,完成对现场设备的控制。HMI 系统局限性分析HMI 系统稳定性分析HMI 的硬件设备从投运以来已连续带电运行十余年， 其硬件结构基于 10 年前的硬件水平设计和搭建，存在多项固有设计缺陷：1）维修经济性差HMI 系统的硬件为一体机设计， 在仅有触摸板、 显示屏等单个部件出现故障的情况下，也需要对HMI 进行整机更换，维修经济性差。2）硬盘可靠性差HMI 使用的

2、操作系统为 Windows NT 4.0 ，该系统不支持移动存储设备的读写，无法对组态工程进行备份。并且HMI 仅有 单硬盘结构，当出现硬盘故障后恢复困难。3)存储容量小备用柴油发电机系统运行参数及设备状态、 启停指令等通过 数据点的形式送入HMI 进行监控，共计385 个。这些数据点的类型、数量及存储长度如表1 所示。表 1 HMI 存储数据点由此可以计算出HMI和PLC之间每次通讯的数据量为：( 63*2+4*4+318*1 ) bytes/1024=0.45B为保证 HMI 数据显示的实时性，至少需要保证每秒1 次的通讯频率。由此可以计算出 HMI 系统一天的数据存储量为：0.45B*1

3、 次*60 秒*60 分金童 *24 小时/1024=38MB/ 天HMI的硬盘空间只有3.5GB,除去系统、软件等占用的硬盘 空间，能够用于 HMI数据存储的空间不足1GB,只能实现数周 的数据记录，不能满足长时间的数据存储需求。从上述 3 点固有缺陷可以看出，当 HMI 出现故障后，仅仅通过备件更换，已不能保证系统的稳定运行，需要对HMI 的硬件系统进行整体升级和更换。HMI 系统人机交互功能分析人机交互现状HMI 系统的主要功能是实现备用柴油发电机系统的实时监控， 并通过趋势曲线、 报警信息为系统维护和缺陷处理提供依据，部分人机交互功能不够完善，主要表现如下：1）报警信息不能保存在 HM

4、I 报警界面中可以查看系统的当前报警信息，但消报后的报警信息不能保存。 如出现瞬时报警， 需要对设备进行逐一排查才能发现报警信号来源。2）趋势曲线记录时间短趋势界面只能显示最近一个小时的曲线， 无法查询变量的历史趋势。3）趋势曲线数量少趋势界面中只能显示发电机功率、电压和转速的变化趋势，其他数据点只能通过监测界面查看数值， 没有图形化的趋势记录，不利于判断设备的工作性能。软件系统局限性HMI 系统的人机交互通过组态软件实现， 为了找到上述问题的产生原因，就需要对HMI 的组态软件进行分析。HMI系统的组态软件为 GE公司的Proficy Cimplicity HMI,整个组态工程主要包括数据点

5、、 报警和显示画面， 各部分关系如图 2 所示。 HMI 从 PLC 中采集点数据后，通过点的配置将这些数据分配给显示画面和报警。 显示画面能够将数据点转化为图形界面进行显示和监控。 而报警组态实现了当数据点超出设定值时产生报警信息，并传送给报警画面进行显示。图 2 HMI 组态软件逻辑图Cimplicity HMI 在完成数据采集后将数据存储在缓存区，用于实时数据显示， 而想要实现对数据点任意时间的历史趋势调用，需要建立一个历史数据采集平台完成对这些历史数据的存储， 而Cimplicity HMI 组态软件没有历史报警查看功能，导致了报警消失后再也无法查找。Cimplicity 组态软件的设

6、计局限性导致了 HMI 人机交互功能的不完整， 要改善这些问题需要对组态软件进行升级并建立新的历史数据采集平台。HMI 系统升级改造方案HMI 硬件系统升级硬件设备选择1）硬件系统结构调整升级后的HMI硬件系统由*工业级PC电脑、ITAS17型工业级触摸式监控面板及外接键盘组成， 均为市场主流产品， 各部件包括主板、CPU、电源等均能独立采购、单独更换，具有较大的领先性和稳定性。2）增加硬盘容量升级后的 HMI 系统硬盘空间应该能够满足至少1 年的数据存储容量， 以每秒 1 次的通讯频率为例， 1 年的数据存储量约为：38MB*365 天/1024=13.5GB/ 年升级后的 HMI 硬盘空间

7、达到了1TB， 除去系统占用空间， 并充分考虑到数据点增加、 通讯频率缩短对数据存储量的影响， 升 级后的 HMI 硬盘空间也完全能够满足数据存储需求，为历史数 据库的建立提供了硬件保证。硬盘管理优化针对原 HMI 系统硬盘故障后无法修复的问题，升级后 HMI 系统应重点考虑硬盘的稳定性和可移植性。为满足以上要求，新的 HMI系统采用磁盘阵列（RAID5）管 理。使用 3 块容量为 500GB 的硬盘组建RAID5 磁盘阵列。当有数据写入硬盘时，会根据算法分成 3 个部分写入这3 块硬盘中。当一个硬盘发生损坏后， 能够通过另外2 块硬盘上存储数据计算出第 3 块硬盘的数据内容， 不会影响数据的

8、完整性， 当损坏的硬盘被替换后， RAID5 还会自动重建该硬盘上的数据， 确保了 HMI 硬件系统的高度可靠性。HMI 组态软件优化组态软件选择升级后的 HMI 系统依然采用 GE 公司的 Proficy 系列组态软件 Cimplicity 8.2 。该组态软件是 Cimplicity HMI 的升级产品，保留了原有组态工程的框架，与PLC通讯方式保持不变，显示画面风格与原系统保持一致。此外， Cimplicity 8.2 组态软件人机交互功能更加完善，同原HMI 系统相比，有以下改进：1）趋势界面中能够增加任意数据点的趋势曲线，操作人员能够添加需要观察的数据点， 为设备性能分析和异常查找提

9、供更为直观的图形数据;2）增加了快速趋势显示功能，在任意显示画面中均可调用数据点的趋势曲线。 同时该功能还支持分组保存， 便于各变量间的横向对比。增加历史报警查看功能Cimplicity 8.2 组态软件的历史报警查看器能够实现报警和事件记录功能， 数据采集时间能够精确到 1ms ， 实现对柴油发电机系统所有事件动作的实时监控。在显示画面中创建新的事件顺序记录（ Sequence of Event ，以下曾称SOE）界面，该界面支持任意时间段的记录搜索，能够根据用户需求显示指定时间段的记录信息。HMI 系统历史数据库建立为了方便的实现和组态软件的数据通讯传输， 升级后的 HMI系统选择GE公司

10、的Proficy Historian 5.5历史数据采集平台。Cimplicity 和 Historian 之间的通讯逻辑如图 3 所 示 ，Cimplicity 中的数据点和报警变量通过不同的 OPC 服务器送给 6/ 7Historian ， Historian 通过 OPC 采集器将服务器送来的数据存至历史数据库。图 3 变更后 HMI 软件通讯逻辑图历史数据库的建立极大地方便了现场检修工作， 维修人员不再需要借助记录仪等辅助工具，能够方便的在SOE 界面中查看报警和事件信息， 快速定位可能出现故障的设备， 然后通过趋势界面调取该设备的温度、 压力或启停趋势曲线， 分析故障成因和处理办法，实现了对整个柴油机控制系统的实时监控。结论备用柴油发电机系统的 HMI 系统长期不间断运行，导致硬件严重老化， 故