太阳能电站集热岛数据采集及监控系统的实现

张志勇，孔令刚，范多进，姚小明

(1. 兰州交通大学 光热储能综合能源系统工程研究中心，兰州 730070； 2. 兰州交通大学 光电技术与智能控制教育部重点实验室，兰州 730070)

随着化石能源的过度消耗及全球环境问题日益恶化，可再生能源和清洁能源的开发利用在70、80年代得到了极大的推进，之后，原油价格的下跌和全球经济危机的爆发，人们在太阳能等可再生能源方面的研究有所放缓，近些年，全球经济的高速发展及化石燃料的过度使用，使得环境问题日益严重，太阳能等可再生能源方面的研究重新成为人们关注的热点[1].太阳能是最丰富、可持续的能源，到达地球的能量中只要有一小部分能量被人们利用，即可满足全世界的能量需求[2].太阳能光热发电通过储热技术可作为调峰电源或实现24 h连续发电，是一种理想的可再生能源[3-5].

太阳能光热电站由分布在空地上的上百万平方米的反射镜实时捕捉阳光，通过实时调整的镜面角度将阳光反射至吸收器，吸热器吸收太阳能后通过传热、储热、换热等过程产生蒸汽，推动汽轮机发电，完成太阳能到电能的转化.数百万平方米的反射镜面通过驱动装置、反馈传感器等实现追日跟踪，集热场内分布有成千上万支传感器完成现场分布式数据信息的实时采集.电站通常有几万条数据信息，数据信息量庞大，实时性要求高.

数据采集及监控系统是太阳能电站最关键的部分之一，国内外应用于太阳能电站常用的数据采集及监控系统有：西门子分布式控制系统，ABB分布式控制系统，施耐德分布式控制系统等[6-9].随着国内光热市场的崛起和光热技术的成熟，太阳能电站设备及系统的国产化是降低电站成本最有效的途径[10].目前国内已建成的光热电站中大部分使用的是上述国外的控制系统软件，中控50 MW塔式电站采用自主研发的国产软件.从国家工业设施网络安全的角度考虑，国产软件系统的大规模应用同样具有非常重要的意义.本文以敦煌50 MW熔盐线性菲涅尔示范电站为对象，采用国产eForceCon软件平台+分布式PLC远程控制单元+PS6历史服务器完成太阳能电站镜场分布式数据采集及监控系统设计，数据传输过程中采用多链路同步数据交互及多端口分时触发协调通信的设计思想，拟通过多链路并行收发及多端口分时触发，提高大吞吐量分布式数据采集系统的实时性、可靠性，通过在示范电站镜场的实际应用，验证该分布式控制系统的可靠性、实时性和准确性，为太阳能电站的成本控制探索新途径.

1 系统组成

1.1 太阳能电站的特点

太阳能电站一般由太阳岛、储换热岛和发电岛三部分组成.储换热岛、发电岛和常规的火电站配置大致相同，太阳能电站最核心的部分是太阳岛.太阳岛一般由反射镜子系统、吸收器子系统和跟踪控制子系统等几部分组成.线性菲涅尔式太阳能电站集热岛部分主要由一次反射镜、复合抛物面(CPC)二次反射镜及跟踪控制系统组成.线性菲涅尔系统镜面分布广泛，每组镜列通过驱动装置完成镜面旋转.敦煌项目占地3 200 m2，控制镜面的电机约3 500台，镜场内部温度、压力、流量、液位、角度、限位开关、泵、阀等传感器及设备超过10 000个，监控信号测点数量众多、分布零散，控制精度要求严格，实时性要求高.

1.2 线性菲涅尔镜场控制系统硬件结构

根据线性菲涅尔式集热岛的结构特点，综合考虑控制系统成本等因素进行线性菲涅尔镜场控制系统的硬件配置.控制系统主要包括人机交互数据监控平台、双机冗余主控单元、SCA集热器从站单元及分布式IO远程控制单元.数据采集及监控系统的主要功能是完成示范电站3 200 m2戈壁滩上127万m2一次反射镜实时追踪太阳,完成现场阀门、泵及其他设备的运行控制，并将现场的温度、压力、流量等数据信息及电机、泵、阀的状态信息实时采集后在人机交互界面上呈现.SCA从站单元接收主站单元实时下发的控制及数据请求命令，自主独立完成相应的实时控制命令，并将其控制范围内的数据信息实时反馈给主控单元；双机冗余主控单元负责接收上位人机交互系统下达的控制命令及下位SCA从站单元上传的现场数据信息，完成上位人机交互系统与下位SCA从站单元之间的高效信息交互；分布式IO远程从站单元负责镜场内分布零散、实时性要求严格的终端设备及信号测点的监控任务；人机交互数据监控平台是整个控制系统对外实现信息交流的窗口，操作人员通过数据交互平台下发控制命令并通过平台监视现场所有的数据信息.镜场控制系统的硬件结构布置如图1所示.

1.3 镜场控制系统硬件配置

根据示范电站镜场数据信息的分布特点，控制系统包含9套双机热备主控单元，440套SCA从站单元和50余套分布式远程IO单元.主从单元控制器均为PLC设备.440套SCA从站单元分为8个区，每个区包含55个从站，同一个区内的55个从站通过光纤与1套热备的主控单元进行通信，集热岛共由8套双机热备主站和440套从站完成集热场各种数据信息的采集及控制命令.主控室第9套冗余主站完成镜场内处于不同区域却具有连锁控制关系的关键设备间远程调度控制.镜场系统控制柜布置如图2所示.

图1 镜场控制系统硬件结构布置图Fig.1 Hardware structure layout of mirror field control system

图2 镜场控制系统控制柜布置图Fig.2 Layout of control cabinet of mirror field control system

2 镜场控制系统软件设计

2.1 数据采集及监控系统(SCADA)概述

镜场数据采集及监控系统(SCADA)是实现操作人员与现场设备间对话的媒介，操作人员通过镜场SCADA平台的人机界面向下位机下达控制命令，下位机收集的数据信息通过镜场SCADA平台进行呈现.力控eForceCon SCADA平台软件支持以分布式实时数据库为系统核心的一体化软件平台，具备开放、集成、面向对象的开发环境，支持客户端/服务器(C/S)和浏览器/服务器(B/S)架构，各网络节点以分布式数据源管理方式进行信息交互.软件平台可支持几万点的数据通讯,数万点的通讯能力满足太阳能镜场大数据吞吐量、高实时性的要求.软件具有丰富的报警管理能力，支持多级报警管理、声光、色报警输出等功能.可管理、编辑、监控远程节点工程及平台状态，支持用户自定义函数的开发，可集成第三方插件及可执行程序.提供基于面向对象的模板化的可视化开发环境，方便用户进行二次开发.软件平台同时支持通过用户权限、优先级及安全区等多种方式为用户提供安全验证[11].

2.2 SCADA平台配置

根据镜场控制系统的硬件配置和控制需求，数据采集机监控系统设置冗余的数据采集服务器、历史服务器、WEB服务器及C/S客户端.数据采集服务器采用冗余的IO Server方式对主控室9台双机冗余热备的PLC主站控制器及现场22台分布式远程IO主站进行数据采集及存储.数据采集服务器与主站之间采用TCP/IP协议进行通信，当主机服务器系统或服务器硬件出现问题时可自动切换至从服务器运行，并保持原有的数据状态；历史服务器作为数据长效保存与应用分析的数据源，将eForcecon平台数据同步至历史数据库服务器后，在eForcecon平台的图形化客户端直接挂接在Space Server历史数据库进行报警查询、报表查询及趋势分析；WEB服务器通过eForcecon平台的图形化客户端+eForcecon Web服务程序组合实现图形化WEB的发布功能，实现B/S访问模式；C/S客户端以eForcecon平台的图形化客户端方式运行，以eForcecon Server+Space Server为双数据源实现实时与历史数据的监控，当任意一台客户端系统或硬件出现问题，其他客户端可担任其监视工作.

2.3 SCADA系统人机交互软件设计

镜场分布式数据采集及监控系统上位组态软件采用双模式方式进行采集设备集中管理与监控，双模式是指IO Server服务器和客户端采取独立运行又相互结合的分级管理模式，IO Server服务器负责从主机设备完成数据信息的实时采集，同时通过数据同步的方式将采集到的数据信息传输给历史服务器，客户端同时从IO Server服务器和历史服务器两个数据源获取数据.该模式有别于传统的单一模式分布式数据采集系统，数据传输的可靠性、安全性更高.

数据采集系统设置主从IO Server，主从IO Server之间实时进行数据同步，IO Server从机实时监听主机心跳信号，当IO Server主机系统故障时自动切换至从机运行，当IO Server主机恢复运行后，通过软件设置自动切换至主机运行或手动进行主从机运行模式切换.

线性菲涅尔镜场控制系统接收、发送数据量大，数据信息实时性要求高，SCADA平台数据采集及监控系统软件设计时采用模块化设计思想[12-15]，根据数据信息的物理布局将数据信息划分为多个数据区，模块化的设计既增加了数据信息采集的安全性，同时提高了数据信息的实时性.SCADA平台与设备交互数据时采用多数据链路通信结构，将同一设备的数据信息根据数据特点及应用需求划分为多条并行的传输链路；主控室采集主站设备与SCA从站设备同样根据物理布置划分为不同数据区域，不同主站负责不同区域内的数据信息收发，不同主站之间不进行直接信息交互；同一数据区域内的主站与从站设备通信时划分多条数据链路，每个数据链路通过不同的通信端口访问辖区内的从站设备，该区域内的主站设备负责协调控制同一区域内不同链路下的从站设备.

在进行变量定义及管理时，批量化的变量导入、导出对工程的开发具有非常重要的意义[16-17]，线性菲涅尔太阳能镜场拥有数万点的数据信息，利用批处理功能可以很轻松的完成数据变量的定义及管理.

3 数据采集及监控系统设备通讯

3.1 SCADA平台与PLC通讯

太阳能电站通常由众多系统组成，比如集热子系统、储换热子系统、发电子系统、防凝子系统、功率预测子系统及电伴热子系统等.不同系统根据测点的布置、规模或信号类型所选用的控制设备及控制系统有所差异.线性菲涅尔太阳能电站中，集热岛SCADA平台数据采集及监控系统除负责集热岛数据采集及监控外，还需与电站其他设备进行一定的信息交互，不同的设备所选择的通信方式及通讯协议有所不同.本项目中，与集热岛镜场数据采集监控平台存在信息交互的PLC品牌有欧姆龙、西门子、三菱等，不同的设备需选择不同的通讯方式及通讯协议，SCADA平台与OMRON主站PLC之间采用FINS_Ethernet协议进行通信，设备更新周期设置50 ms，数据包更新周期设置200 ms，超时时间设置为3 000 ms，设备端口号选择9 600；与SIEMENS PLC终端设备通讯时采用TCI/IP协议，设备端口号选择102，PLC端的传输服务访问点(TSAP)设置为02.01，PC端的传输服务访问点(TSAP)设置为02.00；与三菱PLC终端设备采用MODBUS TCP协议进行通讯，更新周期设置1 000 ms，超时时间设置3 000 ms，设备端口号选择502.

3.2 SCADA平台与第三方DCS系统通信

太阳能电站各子系统内监控测点的分布及特点不同，监控系统平台选择同样存在差异，对于电站常规岛部分，数据测点分布集中，同时测点的可靠性要求高，关键测点必须采用硬接线的方式，因此对于电站常规岛部分的数据采集及监控，集中控制的DCS系统更适合于现场应用.本项目中，常规岛的DCS系统为国产和利时MACS系统.在与DCS系统进行数据信息交互时，本项目采用OPC通讯方式完成数据交互.OPC技术是一种与硬件厂商无关的软件数据交换标准接口及规程，用于解决不同过程控制系统之间的数据交换问题，在各个应用之间提供透明的数据访问[18].在与第三方应用程序进行OPC通讯时，需要在双方设备上进行相应的DCOM配置，约定相同的访问权限及用户后，OPC服务端做相应服务端的DCOM配置，OPC客户端做相应的客户端DCOM配置.

3.3 PLC主从站之间FINS通信

FINS指令可以实现各种网络间的无缝通信，包括用于信息网络的Ethernet，用于控制网络的Controller Link和SYSMAC LINK[19].通过在PLC主站编写FINS通信指令，就可以将上位主站数据区的信息下发到下位PLC从站，或者从下位PLC从站数据区获取数据.FINS协议支持工业以太网，其传输速度可达100 Mb/s以上；当采用六类或者超六类网线时，节点间稳定传输的距离可超过130 m，整个网络的传输距离没有限制，网络内最大节点数可达254个，可以实现1∶N、N∶N、N∶1等多种网络形式.

在以太网FINS通信中，各种数据信息以UDP/IP包或者TCP/IP包的方式在以太网上发送和接收.通常以太网通信使用的是IP地址，而在FINS通信中则使用网络号、节点号以及单元号来对不同设备进行地址定义，使得不同网络之间各种设备的通信建立了统一的寻址方式[20].以太网FINS通信是一种使用UDP/IP协议的FINS通信方式，UDP/IP是一种无连接的通信协议，当一条信息从一个节点到另一个节点时，这两个节点间无明确连接对等关系，UDP协议具有较快的传输速度，但数据通信的可靠性没有TCP协议高[21].FINS以太网通信协议模型如图3所示.

图3 FINS以太网通信协议模型Fig.3 FINS Ethernet communication protocol model

3.4 远程终端设备DATALINK通讯

在太阳能电站的实际应用中，某些设备的启停允许条件来源于现场传感器，但设备的控制动作开关、联锁启停泵阀等又布置在距离几公里外的地方，对于这种关联信号布置分散、实时性、可靠性要求较高的设备，可以采用DATALINK通讯的方式实现物理距离较远的多台PLC设备之间数据交互，通过网络配置软件手动建立TAG标签，在两台设备或者多台设备间进行内存地址映射，将A设备的输出地址映射为B设备的输入地址，B设备的输出地址映射为A设备的输入地址，实现远程设备地址间的数据高速交换.

4 通讯测试及结果分析

4.1 IO Server与PLC通讯测试

镜场控制系统中，IO Server与每个PLC主站间的通讯数据量可达5 000点，考虑到数据信息的实时性及数据传输的压力，IO Server与同一IP地址的PLC设备建立5条并行传输的数据链路.经过长期的运行后数据包传输的状态测试结果如图4所示，从图4可以看出：对A2设备，命令间隔时间是20 ms，IO server请求26 435 672次，A2设备响应26 435 672次；对于A5设备，命令间隔时间是50 ms，IO server请求15 655 135次，A5设备响应15 655 135次，通过IO监视器对不同设备的请求响应状态进行监视，设备请求、响应错误率为零，经过长期测试，设备的稳定性满足系统的运行要求.

4.2 FINS通讯测试

镜场控制系统PLC主站与SCA从站之间数据交互采用FINS通信方式，每个主站通过不同的逻辑端口与底层从站完成通信，各逻辑端口轮流触发，周期发送FINS通信命令，通过随机实时监听各端口1 min内的触发状态，测试各端口数据收发的均衡性.各逻辑端口的数据监听状态如图5(a)所示，1 min监听周期内各端口实际激活次数统计如图5(b)所示.从图5可以看出，在主从设备通信的过程中，随机统计设备间1 min通信周期内各端口的通信触发次数，各端口触发的非均衡性最大为12.5%.

图4 IO Server与PLC主站通信状态监听结果Fig.4 Monitoring results of IO Server and PLC master station communication status

图5 PLC主站与SCA从站FINS通信状态监听结果Fig.5 Monitoring results of PLC master station and SCA slave station's FINS communication status

5 实际应用展示

5.1 人机交互窗口设计

线性菲涅尔太阳能电站镜场数据信息量大，但模块化的镜场设置使得数据呈现相对整齐.不同集热回路间的数据横向对比及同一集热回路数据间的纵向对比对整个镜场运行参数及运行策略调整具有重要的指导作用.太阳能镜场运行过程中的一些关键参数需要实时呈现于监控界面，当关键数据出现异常时需及时输出提示信息，方便运行人员监盘.线性菲涅尔集热回路多，数据信息量大，完善的数据异常声光报警提示及自动保护是提高太阳能电站自动化水平的重要措施[22-24]，本项目进行监控界面设计时对此类数据信息做了完善的声、光、色等报警提示.

5.2 曲线及报表系统

曲线及报表是数据采集及监控系统最重要的部分之一，通过曲线的实时变化，可以方便的监视设备的运行状态，及时进行运行参数调整，通过查看参数的历史趋势曲线，可以方便进行事故分析、故障诊断及运行分析；通过数据报表记录功能，建立班组日报表、周报表、月报表及年度报表，通过报表分析及时调整电站运行策略，分析设备运行工况，为后期的设备运行提供可靠的参考信息.太阳能镜场监控系统的曲线及报表如图6所示.

5.3 界面模板的应用

线性菲涅尔太阳能电站中，集热单元、泵、阀、驱动电机等均按照模块化设计，采用界面模板功能可以极大地减少界面的重复设计，减少监控系统的开发工作量，缩短开发周期.使用界面模板功能时，首先按照要求建立模块窗口，通过模块窗口生成界面模板，然后在界面模板中生成该模板下的子模板，最后在模板变量管理系统中批量化替换模块变量.

图6 趋势曲线及数据报表Fig.6 Trend curve and data statement

6 结论

本文介绍了基于eForcecon软件平台和PLC的线性菲涅尔太阳能电站镜场分布式数据采集及监控系统，描述了数据采集及监控系统软、硬件设计过程中的模块化设计思想，太阳能电站集热岛运行过程中的自动化保护策略，不同设备及系统间的信息交互手段，并在示范电站太阳能镜场数据采集及监控系统长期实际运行中采用数据监听等手段对系统各部分的通信实时性及准确性进行验证.该监控系统上位IO采集服务器与下位主控设备间的通信实时性满足使用要求，通信过程中请求、响应错误率为零，下位主控设备与多台SCA远程终端采用轮流逻辑端口方式通信时，1 min随机监听周期内，逻辑端口成功触发的最大非均衡性为12.5%，通信的实时性满足实际应用需求.