电站热工优化控制平台软件体系的研究

孙耘，尹峰，李旭侃，丁宁，张鹏

（浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

电站热工优化控制平台软件体系的研究

孙耘，尹峰，李旭侃，丁宁，张鹏

（浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

为了整合TOP（电站热工优化控制平台）系统下位DCS实时控制技术、上位高性能优化算法站技术以及多元接口与安全控制技术，设计了含多类型数据通信的上、下位软件体系，实现了软件体系的标准化、结构化、可维护、易扩展的基本要求，在较强稳定性的基础上实现系统运行维护、过程控制的基本功能，以及高级优化组件的模块化加载体系结构。

TOP；软件体系；组态监控；优化算法；模块化加载

0 引言

TOP（Thermal Optimized-control Platform，电站热工优化控制平台）系统是针对火力发电厂日益提高的节能、环保、高效控制要求而研究开发的，整合了下位DCS（分散控制系统）实时控制技术、上位高性能优化算法站技术以及多元接口与安全控制技术的通用软硬件平台系统，一方面能满足常规DCS的实时控制功能，分散控制风险，另一方面则能进行大量复杂的计算、分析、建模等工作，提高运算能力。

TOP系统从DCS中在线获取生产数据，经过多种优化算法的加载，完成控制功能，并将优化结果实时送回DCS，基于开放结构的软件系统具备一般通用DCS的组态与监控软件功能，同时还具备优化运算与模型调用的功能。软件体系遵循标准化、结构化、可维护、易扩展等基本原则，在较强稳定性的基础上实现系统运行维护、过程控制的基本功能，并实现高级优化控制功能。

1 TOP系统软件体系的总体要求

基于开放结构的TOP系统需要与发电厂现有的DCS相连接，从现有DCS中获取生产数据，经过复杂及智能优化运算后，送回原DCS，达到优化DCS的效果。为实现该功能上位机软件开发的需要满足以下基本要求：

（1）开放性：能与不同的DCS进行通信对接；对于同种DCS不同通信方式可以进行通信对接；系统开发完毕后，能够根据多种DCS协议与不同厂家的DCS通信；信息传递方式可以有多种，可以是硬件方式也可以是软件方式，如OPC（用于过程控制的对象连接与嵌入技术）接口、Mod-bus（总线协议）等。

（2）优化能力：软件需具备方便、灵活、多种方式的先进控制算法模块化加载，便于复杂回路的功能块化封装。

（3）通用性：软件结构上需采用模块化设计，符合相关国家标准要求，程序上需使用通用的技术规约和协议，以实现开放性，便于将来系统的扩展。

（4）集成性：系统需要具备通用DCS软件所应当具备的功能，具备主控逻辑组态、数据库组态、画面和趋势监控、历史记录、OPC通信等基本功能，方便操作人员学习和使用。

2 TOP系统上位软件的构架

2.1 上位机应用软件

根据需求分析，上位软件需要完成组态、监控、通信、数据管理、数据优化、数据记录等功能，从软件的功能分，上位机软件由六大模块构成（如图1所示）。根据六大模块的功能，按照数据的流向建立上位机应用软件的总体框架结构，上位机应用软件包括：控制逻辑组态、画面监控、数据库组态、趋势组态监控、历史数据记录、报警和操作记录、报表、OPC、虚拟DPU（分散处理单元）、系统管理等10个主要软件。各功能软件既相互独立，又数据共享、相辅相成。

图1 TOP系统上位机软件体系结构

2.2 通用组态监控功能的体系结构

上位软件的核心是内存数据库，总体框架结构以系统管理软件中内存数据库为中心，控制逻辑的模块和数据点为基本点展开。控制逻辑组态软件完成控制逻辑组态，数据库组态软件完成数据点的组态，然后由系统管理软件根据以上的组态完成上位机内存数据库的建立。

当系统下位正常运行时，应用程序从已经建立的共享内存数据库中进行数据扫描，获得实时的观测和控制数据，完成各自软件的功能。内存数据库同时从下位机控制器和虚拟控制器实时获得数据并更新内存数据库中的旧数据。应用软件通过在线命令将控制信息发送至下位控制器和虚拟DPU。整个上位机软件虽多，但是均围绕共享内存数据库展开，结构和框架简单，数据交互效率高。

2.3 高度开放的通信模块体系结构

TOP系统的高度开放性是其优势和特点之一，其通信模块结构庞大，其中包含了上位机通信模块和下位机通信模块。按照通信对象可以分为上下位软件交互通信，上位软件同其他DCS产品交互通信，上位机开发平台与第三方开发平台交互通信。

通信经网络交换机完成，按照方式可以分为UDP（用户数据包协议）通信，TCP（传输控制协议）通信，基于TCP/IP协议的OPC通信以及通过调用动态库函数完成的接口通信。UDP通信方式通信量大，适应大量快速的数据发送；TCP通信方式的发送方会接到接收方的信息反馈，确认收到后才能结束每次通信，通信过程有着较高的准确性和可靠性，适合少量精度要求较高的数据通信。

2.4 “点单式”模块化加载体系的结构

TOP系统通过控制逻辑组态软件完成主控逻辑，然而对于较多的优化算法都是由组态人员编程实现，TOP系统提供了“点单式”模块化加载和调用第三方高级语言平台2种方式实现优化算法的导入。

“点单式”模块化算法的加载是指开发人员可以根据需求将优化程序以控制逻辑组态软件中标准模块型式，形成可视化的模块导入控制逻辑，提高平台优化算法加载的灵活性和简易性。在控制逻辑软件中，组态人员根据算法提供输入、输出和参数数量，自动生成算法壳模，同其他标准模块一样经过编译，下装至控制器。下位机软件支持标准C语言算法，上位机软件支持标准C++语言和MATLAB语言。

3 TOP系统下位软件构架

3.1 下位机应用软件

TOP系统下位软件由3个部分构成，即系统任务、静态和动态数据区（如图2所示）。系统任务包含各种功能子系统；静态数据区包括上位站下装的组态文件、下位控制站的配置文件以及下位控制站系统运行过程中生成的日志文件等；动态数据区是系统中速度和实时性最高的数据区，由实时数据库完成系统各部分的数据交换。

图2 TOP系统下位机软件体系结构

3.2 控制器管理子系统

控制器管理子系统完成过程控制器运行环境和数据、状态的初始化以及共享内存、数据库的建立等功能，包含以下内容：控制器实时操作系统的引导和初始化；在本地文件系统上读取配置数据；根据串口“心跳线”的设置设定本站状态；响应监控软件的命令，完成配置信息的在线下装、在线修改等功能；备份主站数据，用于主从控制站切换时的控制输出无扰控制。

3.3 执行管理子系统

执行管理子系统是控制器的功能执行主体，主要完成控制运算和数据传输功能。按照运算周期从通信控制站获得数据，按照监控软件下发的控制策略进行运算，在逻辑算法模块数据库和I/O数据库中检索到对应的模块和I/O数据点，通过函数指针调用相应模块库中的算法模块，完成运算，最后把运算结果发回通信控制站。

3.4 通信子系统

通信子系统构建方式是冗余的，负责把过程控制站和监控软件人机界面连成一体。采用总线型结构，根据通信软件实现的功能不同可分为3个部分：

（1）与通信控制站进行包括接收实时采样数据、发送实时控制量和I/O板卡、通信控制板卡配置参数在内的实时数据通信。

（2）各个过程控制站之间进行的实时数据通信，由逻辑组态中的站间通信模块负责控制。

（3）第三部分是与上层监控层的数据交换，包括站状态和过程控制站中实时数据的广播，接收监控站的在线命令，并作出相应的响应，例如在线修改逻辑组态、在线修正运行参数等。

3.5 调度和监控子系统

调度子系统完成系统任务的调度工作。根据既定的时序，通过“看门狗”发出周期的信号，执行并完成相应的任务调度，从而确保控制器的执行时序。

监控子系统完成故障诊断，监视各个部分的工作状态，保障了系统的各个子系统都能够正确有效地运行，包括任务和状态系统资源占用等。一旦发现异常，需要通知监控软件，也要通知控制器管理子系统，尝试完成系统的自诊断，若出现严重错误，则发生主备切换。

3.6 日志和对时子系统

TOP系统下位软件的日志子系统依托于系统的监控子系统运行，记录过程控制站各个任务的执行情况，记录监控软件下发的各种在线控制命令等系统。一旦发生故障，需要依靠它实现事故分析。

对时子系统负责各个控制器和监控软件之间的时间同步任务，系统采用定时和对时服务器对时的方式有效和简便实现站间对时。

4 结语

TOP系统的上、下位软件体系是实现高级应用组件开发与应用的优秀载体，在稳定开放的软件构架下，下位实时优化控制器和上位高级计算服务器并列运行，在保证系统高可靠性运行的同时满足系统大运算负荷的需求。

在此基础上，TOP系统的所有优化功能组件均采用标准化的形式开发，平台的上下位软件系统为此预留了大量组件接口，开发人员只需要进行优化算法的编程，即可完成优化组件的开发，无需更改应用底层，实现了优化控制组件方便的可续式开发，同时所有优化组件均打包发布为模块加载于平台中应用，用户可根据需要使用不同的模块算法库，完成优化控制组件的点单式加载。

[1]韩璞，翟永杰，王立志，等．基于虚拟DCS的激励式仿真系统分析与设计[J]．华北电力大学学报，2005，32（2）∶37－40．

[2]翟永杰，张鹏，张悦．火电厂仿真机中的DCS仿真方式与关键技术[J]．电力技术，2010，19（17）∶7－14．

（本文编辑：陆莹）

Research on the Software System of Power Plant Thermal Optimized-control Platform

SUN Yun，YIN Feng，LI Xu-kan，DING Ning，ZHANG Peng
（Z（P）EPC Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

For systematically integrating low-position DCS real-time control technology，high-position superior high-performance optimal algorithm station technology，multiple interface and safety control technology in the power plant thermal optimized-control platform（TOP），the upper-lower position software system with multiclass data communication is designed and the essentialrequirements ofsoftware system，such as the standardization，structurization，maintainability and expansiveness are achieved．On the basis of greater stability，the operation and maintenance，process control of the system as well as modularized loading architecture of advanced optimized module are implemented．

TOP；software system；configuration monitoring；optimal algorithm；modularized loading

TK232∶TP273

：A

：1007－1881（2013）03－0043－03

2013-01-28

孙耘（1967-），男，浙江湖州人，硕士，高级工程师，从事发电厂热工自动化应用和研究。