基于系统工程的电厂生产过程监控系统设计

第２　０卷　第３期　２００７年９月　石油化工高等学校学报　

Ｊ０ＵＲＮＡＬ　０Ｆ　ＰＥＴＲ０ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＩＥＳ　Ｖｏ１．２　０　Ｎｏ．３　

Ｓｅｐ．２００７　

文章编号：１００６—３９６Ｘ（２ＯＯ７）０３—００６４—０４　基于系统工程的电厂生产过程监控系统设计　田建艳　，　（１．南京航空航天大学，江苏南京２１００１６；　乔维钢　２．太原理工大学，山西太原０３００２４）　

摘　要：　详细阐述了某电厂生产过程监控系统的设计与应用。从系统工程观点出发，综合考虑火力发电厂的　生产实际，以及监控系统的整体功能、技术水平、综舍成本及使用维护等问题，应用层次分析法进行了正确的系统方　案决策，在此基础上进行了监控画面的规划与制作。某电厂３年来的实际运行结果表明该系统性能可靠，功能完善，　使用方便，造价低廉，配置灵活。　关键词：　生产过程监控系统；　系统工程；ＷｉｎＣＣ组态软件；现场总线　中图分类号：ＴＰ２７７；ＴＰ３９１　文献标识码：Ａ　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｌａｎｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ＴＩＡＮ　Ｊｉａｎ—ｙａｎ　，　ＱＩＡＯ　Ｗｅｉ—ｇａｎｇ　（１．Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２１００１６，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；　２．Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｓｈａｎｘｉ　０３００２４，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　Ｒｅｃｅｉｖｅｄ　５　Ｆｅｂｒｕａｒｙ　２００７；ｒｅｖｉｓｅｄ　２０　Ｍａｒｃｈ　２００７；ａｃｃｅｐｔｅｄ　５　Ａｐｒｉｌ　２００７　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　ｗｅｒｅ　ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ｗａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔ　ｓｃｈｅｍｅ　ｄｅｃｉｓｉｏｎ　ｈａｄ　ｂｅｅｎ　ｍａｄｅ　ｂｙ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｔｉｃ　ｈｉｅｒａｒｃｈｙ　ｐｒｏｃｅｓｓ（ＡＨＰ）．Ｔｈｅｎ　ａｌｌ　ｔｈｅ　ｐｉｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ　ａｎｄ　ｍａｄｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｒｅｅ—ｙｅａｒ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ，ｉｔ　ｉｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｍａｎｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｐｅｒｆｅｃｔ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｓｅ，ｌｏｗ　ｃｏｓｔ　ａｎｄ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｅｔｃ．Ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｈｅｌｐ　ｆｏｒ　ｏｐｅｒａｔｏｒｓ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｍａｎａｇｉｎｇ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｕｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　ｉｓ　ｓａｆｅ　ａｎｄ　ｓｔａｂｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ；Ｓｙｓｔｅｍｓ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ＷｉｎＣＣ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ；Ｆｉｅｌｄ　ｂｕｓ　Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ａｕｔｈｏｒ．Ｔｅ１．：＋８６—３５１—６０１００４１；ｆａｘ：＋８６—３５１—６０１００４１；ｅ－－ｍａｉｌ：ｔｕｔ—ｔｉａｎｊｙ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｒｎ．ｃｎ　

随着我国工农业生产规模的扩大和人民生活水　平的提高，电能需求量日益增加，电网负荷的峰谷差　不断加大，要求电力生产部门不仅要扩大发电机组　容量，而且要提高其自动化水平，从而全面提高其生　产能力［１］。目前，自动化领域的新技术不断涌现，以　现场总线技术为核心的生产过程监控系统应用于电　力生产企业，可以大大提高其自动化水平，为保证电　力生产的安全稳定提供有力的技术支持。同时，随　收稿日期：２００７—０２—０５　作者简介：田建艳（１９６６一），女，山西省五台县，在读博士。　基金项目：山西省科技攻关项目（０４１１００）；山西省自然科学　基金项目（２００６０１１０３３）。　着企业生产管理办公局域网的建立，将办公网与生　产监控网互联，实现资源共享，已成为目前进一步提　高电厂生产与管理自动化水平的迫切要求。为此，　本文从系统工程观点出发进行了火力发电厂生产过　程监控系统的设计。　

１　监控系统设计　由于大型单元机组在运行时监测点多、参数变　化快，故要求其生产过程监控系统具有快速实时响　应能力以及极高的可靠性；同时人机界面友好，具有　集中操作显示功能，为运行人员提供综合性画面和　信息。　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　田建艳等．基于系统工程的电厂生产过程监控系统设计　１．１　明确设计目的　由系统观点可知，设计任何系统都具有目的性，　而要达到既定的目的，系统就必须具有一定的功能。　通过与现场操作人员共同分析研究，从火力发电厂　的生产实际出发，提出电厂生产过程监控系统应该　具备以下主要功能：　（１）在线显示生产现场的实时数据及流程画面；　（２）自由浏览生产过程中主要模拟量值的变化　趋势（包括实时趋势和历史趋势）；　（３）及时获得并处理各种报警信息；　（４）在需要时可以人为干预生产过程，具有特定　操作权限的工作人员可以修改生产过程参数和状　态；　（５）将生产监控网与生产管理办公局域网互联，　为管理部门提供生产实时数据，有利于管理人员对　生产进行实时监督和指导。　１．２　应用层次分析法进行方案决策　在进行系统设计之前，首先要选择合理的设计　方案。本文应用层次分析法ＡＨＰｌ２　进行方案决策：　第１步是建立层次结构。选用含有目标层～准则　层方案层的３层结构，其中要达到的总目标是设　计一种安全可靠、功能完善、操作简便、经济实用，具　有开放性的监控系统。经过认真分析研究，把评价　准则归纳为３类：（１）技术水平，即该系统是否性能　可靠、功能完善、配置灵活、具有开放性；（２）综合成　本，即系统的研制成本及施工运行费用；（３）使用维　护，即系统必须使用简便，运行维护量小。第２步是　拟定方案。经过广泛调研，查阅国内外相关资料，并　深入现场了解实际情况后，选定了４种备选方案，　即：①采用集散控制系统ＤＣＳ；②采用国外高性能　的可编程控制器ＰＬＣ（如Ｓ７—３００）及国外的监控组　态软件（如ＷｉｎＣＣ）构成小型集散控制系统；③采　用ＰＬＣ完成数据采集，配以国内的监控组态软件；　④自行研制数据采集模块并白行编制画面组态软　件。有了评价准则和４种备选方案后，进一步分析　其内部关系，建立了一个具有完全相关性结构的层　次决策分析模型。通过建立３种评价准则对总目标　的判断矩阵，用本征值法确立权系数，然后建立４种　方案对３种准则的判断矩阵，并求出权重，最后通过　加权和的办法，得出了４种备选方案对总目标的优　劣等级。　总之，由于火力发电系统自身组成的复杂性（主　机、辅机系统庞大）以及火电厂生产的特殊性（连续　生产、强调安全经济运行），综合考虑可靠性和经济　性等问题，根据层次分析法得出的备选方案的优劣　顺序，决定本系统选用方案二进行系统设计。系统　组成框图如图１所示。　ＰＲ０　现场　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　图１　系统组成框图　本系统首先通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线将数据　采集站、生产监控服务器、监控计算机互联，组成生　产监控网；然后通过双绞线及ＨＵＢ实现生产监控　网与生产管理办公网相联，共享现场的实时数据。　其中：　（１）数据采集站选用西门子Ｓ７—３００可编程控　制器，其主要任务是将集控机组及热网站中的主要　参数进行转换、处理后提供给计算机系统。　（２）生产监控服务器选用专用服务器，其主要任　务是：①接收并存储数据采集站提供的生产过程数　据，采用ＷｉｎＣＣ５．０组态软件完成各种画面组态；　②与生产管理办公网相连，为办公网中的计算机提　供服务。　（３）监控计算机选用通用工控机ＩＰＣ，其主要任　务是接收并存储由数据采集站提供的生产过程的实　时数据，使集控室的运行操作人员能够全面监控生　产过程的实际运行状况。　（４）管理部门的计算机（即管理计算机）可以通　过ＩＥ浏览器查看生产监控服务器上的主要画面及　数据，使之更及时、全面地掌握全厂的运行情况。　此外，本系统允许经过授权的用户通过路由器　和公共交换网远程登陆系统。　２　监控系统画面的设计　生产监控系统的画面必须清晰美观、重点突出，　才能为操作人员提供生动、简洁、友好的人机界　面ｌ３　。ＷｉｎＣＣ（Ｗｉｎｄｏｗｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｃｅｎｔｅｒ：视窗控　制中心）是德国西门子公司生产的监控组态软件，是　一个将过程可视化的应用程序，能够使用户方便地　观察自动控制过程的全部特征，具有丰富的设置项　目，使用方式灵活，功能强大，接口开放，运行可靠。　所以选用ＷｉｎＣＣ５．０来设计监控画面。　为了设计出满足要求、功能齐全、操作简便的画　面系统，首先对该电厂的生产工艺过程进行了深入　的分析研究。该电厂发电机组主要由３台锅炉、２　台汽轮机（简称汽机）、２台发电机以及上煤、冷却等　多种辅机设备组成的庞大的设备群，其工艺流程复　杂，管道纵横交错，有大量的参数需要检测、操作和　

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