华北电网烟气污染物排放信息管理系统子站多功能通讯平台的设计和应用

宋方儒，王中胜，张传江，朱镜灵

(北京国电智深控制技术有限公司，北京市，102200)

0 引言

根据国家发改委及华北地区环保局的要求，华北电网需要建立一套烟气污染物排放信息管理系统［1］，该系统建成后，可以充分发挥燃煤火电厂烟气脱硫设施的作用，提高我国火电厂脱硫设施的脱硫效率和运行水平，减少二氧化硫的排放［2-3］。该系统按照规划，设计成一套基于网络及实时通讯的在线监测系统［4］。系统构架分为电厂侧数据子站、通讯网络层及监测中心站的数据服务层。

在电厂侧数据子站层的建设中，由于电厂侧分散控制系统(distributed control system，DCS)不尽相同，其功能及应用范围不断扩大，数据接口多样性，实际应用环境复杂［5］，设计了一种多功能通讯平台。该多功能通讯平台按照最新DCS通讯的特点设计［6-7］，不但根据此次项目的特点进行设计开发，而且还在设计时注重了通讯平台未来应用上的便捷性和可移植性。该平台推广后可以降低通信成本、增强客户服务［8-9］，该平台利用了统一集成开发符合组件接口规范的数据接口服务的关键点以及基于调度网或无线分组业务GPRS网络的典型应用［10］。本文主要研究通讯平台的需求与设计，并对通讯平台的应用进行了举例说明。

1 子站采集系统的要求和特点

依据烟气污染物排放信息管理系统子站采集建设单位的要求，本系统所需数据分别采自现场排放连续监测系统(continuous emission monitoring system，CEMS)、机组DCS、脱硫控制系统等。采集范围为脱硫的主要参数。

根据要求需要在电厂端设置数据子站，该子站负责把本电厂脱硫系统以及其他信息系统的数据点值收集和存储，并按照统一的传输规约发送数据至中心站的数据前置机中。其中对于统调电厂采用专业调度网通讯，对于非统调电厂则采用GPRS无线通讯。如果通讯网络因故障中断，采集到的数据则暂时存放在子站中，待网络通讯恢复后，子站主动向中心站的数据库补发该段数据，以此保证数据的完整性。子站系统还需通过GPS对时系统发送对时报文和带时标的数据。子站发送的数据在中心站统一收集并加以分析利用。

2 多功能通讯平台系统设计

由于多功能通讯平台概念为首次提出，目前并没有同类产品的应用。当前各个DCS系统在与第三方建立通讯时，大都采用自己约定的通讯方式，在硬件产品的挑选上，常常是根据现场不同环境或通讯点数而选择的，不尽相同。并且每出现一种业务通讯就需要建立一种专用的通讯方式，这样建设起来的通讯站必然投资大、效率低、不便于统一管理。

根据烟气污染物排放信息管理系统子站采集系统的建设要求，在对比了同类产品，并充分考虑到未来可能出现的继承和移植后，设计了一种多功能通讯平台。该通讯平台可同时与多个第三方设备或厂家建立通讯，进行数据的采集传输交换。并且可以方便集成第三方的应用程序，具有开放性的特点，支持第三方通讯软件嵌入系统［11-12］。

本平台主要采用开放式系统结构，模块化设计。平台易于扩展，软硬件都可灵活增减配置，实现了定制开发的简单快速。并且方便远程组态调试及维护更新，使得整个系统具有强大功能和高可靠性。

在平台的硬件层设计上，选用了小型嵌入式计算机，该机器采用无风扇式设计，机器体积小、速度快、功耗低，并且有防冲击和抗振动的特点，可基于现场或客户的不同需求而进行相应的扩展［13-14］。并采用了双交直流电源设计，交直流同时输入在线智能切换，大大提高产品可靠性。该平台具有2个RJ45接口，6路RS-232/RS-485通讯接口，并可根据实际现场需求，相应增加扩展模块进行接口的扩充。特别设计了基于RS-232/485接口改进的物理单向的串口单向数据传输通道，确保只能从DCS向外发送数据。然后基于该单向物理通道，采用单向发送实时数据技术，实现将相关数据单向发送到生产II区的功能。

在平台的系统软件层设计上，采用了衍生自嵌入式Linux操作系统的实时多任务操作系统。该系统具有安全、稳定、可靠性高的特点，开发软件模块间相互独立并可扩展。支持的网络功能强大，可通过Web浏览器接入方式在异地对该平台进行远程技术支持［13-14］。

在平台的开发应用软件层设计上，该平台提供了一套可行的标准接口规约，并对通讯数据的内容、格式、传输方式做相应的定义，方便第三方厂家统一开发。并可定制开发各种高级应用软件，平台通过建立冗余的历史数据仓库来应对由硬件故障所造成的数据丢失，历史数据仓库以前端查询和分析作为基础，可提供给电厂及主站决策分析之用。

在平台的通讯网络层设计上，通过建立平台支撑网络，保证了传输网络的有效及正常运行，提高了网络的各种控制和管理能力，并配置了多种灵活的对外接口，同时支持多种网络标准协议。此外为了保证在控制系统与其他系统间的网络安全性［15-16］。在设计上采用信息加密技术，选用一些可靠的加密算法，可选用国际数据加密算法(international data encryption algorithm，IDEA)，密钥长度在56位。这样使得系统对外来破坏具有健壮性，系统自身具有封闭性。

多功能通讯平台设计方案的结构层次如图1所示。

图1 多功能通讯平台结构层次Fig.1 Structure hierarchical graph for multifunctional communication platform

图1中，硬件层采用无风扇嵌入式小型一体机，安全稳定，双交直流电源设计;系统软件层采用多任务实时操作系统，开发模块独立并可扩展;应用软件层支持常用规约，并可定制多种通讯软件;通讯网络层的网络安全性高，配置通讯接口灵活。

该平台具体软件开发模块主要包括:脱硫实时信息获取模块、中心站通讯模块、实时数据监控模块、历史数据存储及和调用模块、GPS时钟同步模块、网络流量监测模块、信息加密模块、安全诊断模块、远程接入模块、第三方设备扩展模块等。

3 多功能通讯平台系统特点

为了数据采集的安全可靠，多功能通讯平台采用的是UNIX(LINUX)操作系统，并建立小型历史站来存储历史数据。建立了对多种通讯的支持，并依据网络的特性，增加各种故障自愈和自动恢复功能。

为了适合系统长期稳定通讯的特点，平台硬件选用了无风扇设计的嵌入式计算机。该机器的特点是体积小、速度快、功耗低，并且具有防冲击和抗振动的特点，可以适应各种恶劣的现场环境。采用了双交直流电源设计，大大提高了平台的可靠性。

为进一步提高系统技术经济性，减低系统成本，根据本系统测点和数据量少的特点，特别设计了基于RS-232/485接口改进的物理单向的串口单向数据传输通道，确保只能从DCS向外发送数据。其安全技术性已达到了网络正向隔离技术，从而确保了内网系统的封闭安全性，完全满足系统安全防护技术相关规定要求。

平台采用看门狗软件实现了系统自动诊断及自动运行功能。通过在移动设备上安装配置软件，可远程接入对通讯平台进行平台管理、参数同步、流量监视。

采用远程监测技术，实现了对数据的实时监测、集中管理、集中分析。本平台结构采用B/S模式，实时参数列表部分采用java Applet嵌入到Web页，由支持java的浏览器发布。

4 多功能通讯平台实际应用

杨柳青电厂需把4个机组的脱硫数据上传给华北电网烟气污染物排放信息管理系统。该电厂的特点是各机组的脱硫控制室紧邻，多功能通讯平台也计划放在脱硫控制室柜内，且未预留放置显示器等外围设备的空间。故该电厂在设计方案时，在生产控制系统和非生产系统间采用了特别设计的基于RS-232改进的物理单向的串口单向数据传输通道来实现物理单向隔离，省去了采用单向隔离装置的费用，有效地节省了成本。通讯平台通过串行模块汇总数据后，通过GPRS模块以及公网和中心站前置机进行通讯。同时在子站侧采用远程接入方式来监视数据的正确性及通讯的可靠性。杨柳青电厂华北电网烟气污染物排放信息管理系统子站网络拓扑如图2所示。

图2 杨柳青电厂华北电网烟气污染物排放信息管理系统子站网络拓扑Fig.2 Network topology for Yangliuqing power plant substations of information management system forflue gas emission in North China Grid

5 结语

多功能通讯平台目前只是应用在烟气污染物排放信息管理系统子站建设上。本项目中应用的多功能通讯平台在设计上有许多突破及创新，例如:多功能平台硬件系统相关技术、改进的物理单向的串口通讯、易用及免维护的安全产品技术、高级应用与系统集成、远程安全技术支持等。另外在针对小型系统冗余历史数据仓库的建立，信息加密技术，网络自愈及流量控制等方面也有相应的研究开发。

该多功能通讯平台设计之初便考虑到未来跨平台移植问题，设计时预留了多种扩展接口。该平台可以根据其他行业的通讯特点，运用在冶金、化工、煤炭等领域，如此便可避免资源的重复浪费及重复开发工作，符合节能环保的要求。

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