某核電廠備用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)HMI升級(jí)改造

1、某核電廠備用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng) HMI 升級(jí)改造協(xié)議） 保持通訊， 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。 通過 HMI 中的處理單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和判斷，最后經(jīng)由顯示單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)、報(bào)警、 數(shù)據(jù)趨勢曲線的顯示。 HMI 還能夠?qū)⒖刂谱兞康臄?shù)據(jù)反饋到PLC,完成對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的控制。HMI 系統(tǒng)局限性分析HMI 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析HMI 的硬件設(shè)備從投運(yùn)以來已連續(xù)帶電運(yùn)行十余年， 其硬件結(jié)構(gòu)基于 10 年前的硬件水平設(shè)計(jì)和搭建，存在多項(xiàng)固有設(shè)計(jì)缺陷：1）維修經(jīng)濟(jì)性差HMI 系統(tǒng)的硬件為一體機(jī)設(shè)計(jì)， 在僅有觸摸板、 顯示屏等單個(gè)部件出現(xiàn)故障的情況下，也需要對(duì)HMI 進(jìn)行整機(jī)更換，維修經(jīng)濟(jì)性差。2）硬盤可靠性差HMI 使用的

2、操作系統(tǒng)為 Windows NT 4.0 ，該系統(tǒng)不支持移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的讀寫，無法對(duì)組態(tài)工程進(jìn)行備份。并且HMI 僅有 單硬盤結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)硬盤故障后恢復(fù)困難。3)存儲(chǔ)容量小備用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)、 啟停指令等通過 數(shù)據(jù)點(diǎn)的形式送入HMI 進(jìn)行監(jiān)控，共計(jì)385 個(gè)。這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的類型、數(shù)量及存儲(chǔ)長度如表1 所示。表 1 HMI 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)點(diǎn)由此可以計(jì)算出HMI和PLC之間每次通訊的數(shù)據(jù)量為：( 63*2+4*4+318*1 ) bytes/1024=0.45B為保證 HMI 數(shù)據(jù)顯示的實(shí)時(shí)性，至少需要保證每秒1 次的通訊頻率。由此可以計(jì)算出 HMI 系統(tǒng)一天的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量為：0.45B*1

3、 次*60 秒*60 分金童 *24 小時(shí)/1024=38MB/ 天HMI的硬盤空間只有3.5GB,除去系統(tǒng)、軟件等占用的硬盤 空間，能夠用于 HMI數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的空間不足1GB,只能實(shí)現(xiàn)數(shù)周 的數(shù)據(jù)記錄，不能滿足長時(shí)間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。從上述 3 點(diǎn)固有缺陷可以看出，當(dāng) HMI 出現(xiàn)故障后，僅僅通過備件更換，已不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)HMI 的硬件系統(tǒng)進(jìn)行整體升級(jí)和更換。HMI 系統(tǒng)人機(jī)交互功能分析人機(jī)交互現(xiàn)狀HMI 系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)備用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控， 并通過趨勢曲線、 報(bào)警信息為系統(tǒng)維護(hù)和缺陷處理提供依據(jù)，部分人機(jī)交互功能不夠完善，主要表現(xiàn)如下：1）報(bào)警信息不能保存在 HM

4、I 報(bào)警界面中可以查看系統(tǒng)的當(dāng)前報(bào)警信息，但消報(bào)后的報(bào)警信息不能保存。 如出現(xiàn)瞬時(shí)報(bào)警， 需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行逐一排查才能發(fā)現(xiàn)報(bào)警信號(hào)來源。2）趨勢曲線記錄時(shí)間短趨勢界面只能顯示最近一個(gè)小時(shí)的曲線， 無法查詢變量的歷史趨勢。3）趨勢曲線數(shù)量少趨勢界面中只能顯示發(fā)電機(jī)功率、電壓和轉(zhuǎn)速的變化趨勢，其他數(shù)據(jù)點(diǎn)只能通過監(jiān)測界面查看數(shù)值， 沒有圖形化的趨勢記錄，不利于判斷設(shè)備的工作性能。軟件系統(tǒng)局限性HMI 系統(tǒng)的人機(jī)交互通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)， 為了找到上述問題的產(chǎn)生原因，就需要對(duì)HMI 的組態(tài)軟件進(jìn)行分析。HMI系統(tǒng)的組態(tài)軟件為 GE公司的Proficy Cimplicity HMI,整個(gè)組態(tài)工程主要包括數(shù)據(jù)點(diǎn)

5、、 報(bào)警和顯示畫面， 各部分關(guān)系如圖 2 所示。 HMI 從 PLC 中采集點(diǎn)數(shù)據(jù)后，通過點(diǎn)的配置將這些數(shù)據(jù)分配給顯示畫面和報(bào)警。 顯示畫面能夠?qū)?shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為圖形界面進(jìn)行顯示和監(jiān)控。 而報(bào)警組態(tài)實(shí)現(xiàn)了當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)超出設(shè)定值時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信息，并傳送給報(bào)警畫面進(jìn)行顯示。圖 2 HMI 組態(tài)軟件邏輯圖Cimplicity HMI 在完成數(shù)據(jù)采集后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩存區(qū)，用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示， 而想要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)任意時(shí)間的歷史趨勢調(diào)用，需要建立一個(gè)歷史數(shù)據(jù)采集平臺(tái)完成對(duì)這些歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)， 而Cimplicity HMI 組態(tài)軟件沒有歷史報(bào)警查看功能，導(dǎo)致了報(bào)警消失后再也無法查找。Cimplicity 組態(tài)軟件的設(shè)

6、計(jì)局限性導(dǎo)致了 HMI 人機(jī)交互功能的不完整， 要改善這些問題需要對(duì)組態(tài)軟件進(jìn)行升級(jí)并建立新的歷史數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。HMI 系統(tǒng)升級(jí)改造方案HMI 硬件系統(tǒng)升級(jí)硬件設(shè)備選擇1）硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級(jí)后的HMI硬件系統(tǒng)由*工業(yè)級(jí)PC電腦、ITAS17型工業(yè)級(jí)觸摸式監(jiān)控面板及外接鍵盤組成， 均為市場主流產(chǎn)品， 各部件包括主板、CPU、電源等均能獨(dú)立采購、單獨(dú)更換，具有較大的領(lǐng)先性和穩(wěn)定性。2）增加硬盤容量升級(jí)后的 HMI 系統(tǒng)硬盤空間應(yīng)該能夠滿足至少1 年的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量， 以每秒 1 次的通訊頻率為例， 1 年的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量約為：38MB*365 天/1024=13.5GB/ 年升級(jí)后的 HMI 硬盤空間

7、達(dá)到了1TB， 除去系統(tǒng)占用空間， 并充分考慮到數(shù)據(jù)點(diǎn)增加、 通訊頻率縮短對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的影響， 升 級(jí)后的 HMI 硬盤空間也完全能夠滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，為歷史數(shù) 據(jù)庫的建立提供了硬件保證。硬盤管理優(yōu)化針對(duì)原 HMI 系統(tǒng)硬盤故障后無法修復(fù)的問題，升級(jí)后 HMI 系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)考慮硬盤的穩(wěn)定性和可移植性。為滿足以上要求，新的 HMI系統(tǒng)采用磁盤陣列（RAID5）管 理。使用 3 塊容量為 500GB 的硬盤組建RAID5 磁盤陣列。當(dāng)有數(shù)據(jù)寫入硬盤時(shí)，會(huì)根據(jù)算法分成 3 個(gè)部分寫入這3 塊硬盤中。當(dāng)一個(gè)硬盤發(fā)生損壞后， 能夠通過另外2 塊硬盤上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算出第 3 塊硬盤的數(shù)據(jù)內(nèi)容， 不會(huì)影響數(shù)據(jù)的

8、完整性， 當(dāng)損壞的硬盤被替換后， RAID5 還會(huì)自動(dòng)重建該硬盤上的數(shù)據(jù)， 確保了 HMI 硬件系統(tǒng)的高度可靠性。HMI 組態(tài)軟件優(yōu)化組態(tài)軟件選擇升級(jí)后的 HMI 系統(tǒng)依然采用 GE 公司的 Proficy 系列組態(tài)軟件 Cimplicity 8.2 。該組態(tài)軟件是 Cimplicity HMI 的升級(jí)產(chǎn)品，保留了原有組態(tài)工程的框架，與PLC通訊方式保持不變，顯示畫面風(fēng)格與原系統(tǒng)保持一致。此外， Cimplicity 8.2 組態(tài)軟件人機(jī)交互功能更加完善，同原HMI 系統(tǒng)相比，有以下改進(jìn)：1）趨勢界面中能夠增加任意數(shù)據(jù)點(diǎn)的趨勢曲線，操作人員能夠添加需要觀察的數(shù)據(jù)點(diǎn)， 為設(shè)備性能分析和異常查找提

9、供更為直觀的圖形數(shù)據(jù);2）增加了快速趨勢顯示功能，在任意顯示畫面中均可調(diào)用數(shù)據(jù)點(diǎn)的趨勢曲線。 同時(shí)該功能還支持分組保存， 便于各變量間的橫向?qū)Ρ?。增加歷史報(bào)警查看功能Cimplicity 8.2 組態(tài)軟件的歷史報(bào)警查看器能夠?qū)崿F(xiàn)報(bào)警和事件記錄功能， 數(shù)據(jù)采集時(shí)間能夠精確到 1ms ， 實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)所有事件動(dòng)作的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在顯示畫面中創(chuàng)建新的事件順序記錄（ Sequence of Event ，以下曾稱SOE）界面，該界面支持任意時(shí)間段的記錄搜索，能夠根據(jù)用戶需求顯示指定時(shí)間段的記錄信息。HMI 系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫建立為了方便的實(shí)現(xiàn)和組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)通訊傳輸， 升級(jí)后的 HMI系統(tǒng)選擇GE公司

10、的Proficy Historian 5.5歷史數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。Cimplicity 和 Historian 之間的通訊邏輯如圖 3 所 示 ，Cimplicity 中的數(shù)據(jù)點(diǎn)和報(bào)警變量通過不同的 OPC 服務(wù)器送給 6/ 7Historian ， Historian 通過 OPC 采集器將服務(wù)器送來的數(shù)據(jù)存至歷史數(shù)據(jù)庫。圖 3 變更后 HMI 軟件通訊邏輯圖歷史數(shù)據(jù)庫的建立極大地方便了現(xiàn)場檢修工作， 維修人員不再需要借助記錄儀等輔助工具，能夠方便的在SOE 界面中查看報(bào)警和事件信息， 快速定位可能出現(xiàn)故障的設(shè)備， 然后通過趨勢界面調(diào)取該設(shè)備的溫度、 壓力或啟停趨勢曲線， 分析故障成因和處理辦法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)柴油機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。結(jié)論備用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的 HMI 系統(tǒng)長期不間斷運(yùn)行，導(dǎo)致硬件嚴(yán)重老化， 故