朱書瑾

【摘 要】本文總結(jié)了某核電廠備用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)HMI在多年運(yùn)行期間的缺陷故障及異常情況，分析了HMI系統(tǒng)在硬件穩(wěn)定性、人機(jī)交互功能以及數(shù)據(jù)顯示實(shí)時(shí)性三方面等存在的局限性。并針對(duì)各項(xiàng)問(wèn)題結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，逐一提出了升級(jí)改造方案，對(duì)HMI硬件系統(tǒng)、組態(tài)軟件進(jìn)行了整體升級(jí)改造。升級(jí)后的HMI系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為故障成因查找和設(shè)備性能分析提供了切實(shí)有效的依據(jù)，提高了備用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性。

【關(guān)鍵詞】備用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng);HMI;Cimplicity;Proficy Historian

中圖分類號(hào)： TN948.53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）36-0135-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.061

1 背景概述

備用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)用于在核電廠內(nèi)外電源全部失電情況下，向核電廠安全設(shè)施提供可靠的、獨(dú)立的、備用的應(yīng)急電源，確保在緊急工況下順利安全停堆，并滿足機(jī)組重要安全系統(tǒng)停堆后的用電需求。

備用柴油發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)操作界面（Human Machine Interface，下文中簡(jiǎn)稱HMI）進(jìn)行總體監(jiān)控，為操作人員正確掌握系統(tǒng)狀況提供了有效途徑。HMI系統(tǒng)從投運(yùn)以來(lái)已連續(xù)帶電運(yùn)行十余年，故障率逐年上升，可維護(hù)性差、維修成本高，并且部分人機(jī)交互功能已不能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需求，需要對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并提出合理的改進(jìn)方案，對(duì)HMI系統(tǒng)進(jìn)行整體升級(jí)改造。

2 HMI系統(tǒng)概述

某核電廠備用柴油發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)主要由就地儀表設(shè)備、控制PLC和HMI組成，控制系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

柴油發(fā)電機(jī)就地儀表采集和接收溫度、壓力等測(cè)量信號(hào)后，送入PLC輸入卡件，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。HMI和PLC之間通過(guò)串口（SNP協(xié)議）保持通訊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集。通過(guò)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(shì)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(chǎng)設(shè)備的控制。

3 HMI系統(tǒng)局限性分析

3.1 HMI系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

HMI的硬件設(shè)備從投運(yùn)以來(lái)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(wú)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(guò)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(zhǎng)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次*60秒*60分鐘*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(zhǎng)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(guò)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。

3.2 HMI系統(tǒng)人機(jī)交互功能分析

3.2.1 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(guò)趨勢(shì)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HMI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(lái)源。

2）趨勢(shì)曲線記錄時(shí)間短

趨勢(shì)界面只能顯示最近一個(gè)小時(shí)的曲線，無(wú)法查詢變量的歷史趨勢(shì)。

3）趨勢(shì)曲線數(shù)量少

趨勢(shì)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(shì)，其他數(shù)據(jù)點(diǎn)只能通過(guò)監(jiān)測(cè)界面查看數(shù)值，沒(méi)有圖形化的趨勢(shì)記錄，不利于判斷設(shè)備的工作性能。

3.2.2 軟件系統(tǒng)局限性

HMI系統(tǒng)的人機(jī)交互通過(guò)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)，為了找到上述問(wèn)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)、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(guò)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(shì)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(méi)有歷史報(bào)警查看功能，導(dǎo)致了報(bào)警消失后再也無(wú)法查找。

Cimplicity組態(tài)軟件的設(shè)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(wèn)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)。

4 HMI系統(tǒng)升級(jí)改造方案

4.1 HMI硬件系統(tǒng)升級(jí)

4.1.1 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PAC700G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(chǎng)主流產(chǎn)品，各部件包括主板、CPU、電源等均能獨(dú)立采購(gòu)、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(kù)的建立提供了硬件保證。

4.1.2 硬盤管理優(yōu)化

針對(duì)原HMI系統(tǒng)硬盤故障后無(wú)法修復(fù)的問(wèn)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(guò)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。

4.2 HMI組態(tài)軟件優(yōu)化

4.2.1 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(shì)界面中能夠增加任意數(shù)據(jù)點(diǎn)的趨勢(shì)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供更為直觀的圖形數(shù)據(jù);

2）增加了快速趨勢(shì)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(shì)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取?/p>

4.2.2 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，以下簡(jiǎn)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。

4.3 HMI系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)不同的OPC服務(wù)器送給Historian，Historian通過(guò)OPC采集器將服務(wù)器送來(lái)的數(shù)據(jù)存至歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖3 變更后HMI軟件通訊邏輯圖

歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的建立極大地方便了現(xiàn)場(chǎng)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(guò)趨勢(shì)界面調(diào)取該設(shè)備的溫度、壓力或啟停趨勢(shì)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。

5 結(jié)論

備用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的HMI系統(tǒng)長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行，導(dǎo)致硬件嚴(yán)重老化，故障率逐年升高;并在硬件穩(wěn)定性、人機(jī)交互功能以及數(shù)據(jù)顯示實(shí)時(shí)性三方面等存在的局限性。針對(duì)各項(xiàng)問(wèn)題結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，提出了升級(jí)改造方案，對(duì)HMI進(jìn)行了整體升級(jí)改造。

升級(jí)后HMI系統(tǒng)的在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用良好，為現(xiàn)場(chǎng)檢修提供了便利，達(dá)到了升級(jí)改造的預(yù)期效果。HMI升級(jí)改造方案的設(shè)計(jì)思路能夠?yàn)槠渌愲姀S提供技術(shù)參考。

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