基于FameView的火力发电厂环保监控系统设计
【摘要】系统基于FameView组态软件，结合网络技术、通信技术等，设计了一套火力发电厂的环保监控系统，给出了系统的结构、硬件设计和软件设计，并与火力发电厂的CEMS系统比较，证明该系统不仅能够验证CEMS系统数据的合规性、有效性，准确反映火力发电厂实际排污情况，而且通过对污染物排放量的监测和控制，可减少对环境的污染，有着显著的社会效益。
【关键词】监控系统;组态软件;火力发电厂;CEMS;FameView
Abstract：Based on FameView configuration software，combined with network technology and communication technology，designed a power plant"s environmental monitoring system.This paper presented the system structure，hardware design and software design.Compared with CEMS system，this system not only can prove compliance and effectiveness of the data of CEMS system，accurately reflect the actual sewage situation of the thermal power plant，but also can reduce the pollution to the environment through the monitoring and control of pollutant discharge，has significant social benefits.
Key words：monitoring system;configuration software;thermal power plant;CEMS;FameView
火力发电厂的CEMS系统测点装在烟道或者烟囱内，所有的采样均来自即将排出的烟气，属于末端监控系统。这种系统有一定的弊端，数据的人为干扰因素多，其有效性、可信知度受到怀疑，不能为环境执法、排污权交易等提供有力的依据。针对目前存在的问题，提出一种基于FameView的火力发电厂环保监控系统，该系统通过标准的通讯协议采集火力发电厂环保治理系统的实时数据，生成历史数据和历史曲线，能够直观地反映火力发电厂环保治理设备的运行情况及污染物排放情况，通过对这些数据进行分析，能够验证CEMS数据的合规性、有效性，同时也能够全面监测火力发电厂的运行工况。
1.环保监控系统总体介绍
火力发电厂的环保治理自动化系统主要有脱硫DCS（Distributed Control System，集散控制系统）系统、除尘系统、CEMS系统和主机脱硝DCS系统等。火力发电厂环保监控系统集网络技术、通讯技术、数据库技术等现代工业技术于一体，通过特定的通讯协议采集这些系统的主要环保数据的实时值，生成实时曲线，并把实时数据存到数据库中，利用数据库的运算功能，生成历史数据、历史曲线和报表，通过VPN（Virtual Private Networ，虚拟专用网络）将数据传输至环保部门的数据平台上，实现远程监控，系统结构图如图1所示。
1.1 前端数据采集单元
系统的前端数据采集单元通过标准的通讯协议采集火力发电厂的主要环保数据，采集方式分为“软采”和“硬采”。“软采”即是应用FameView组态软件强大的通讯功能，通过标准的通讯接口协议，从环保自动化系统的工程师站或监控后台采集主要环保数据，数据来源于电厂的DCS系统或监控后台。对于一些重点环保数据，例如增压风机电流、旁路挡板开度、供浆泵电流、循环浆液泵电流等数据，不仅要“软采”而且要“硬采”，“硬采”即是硬接线采集，通过增加信号隔离器将4～20mA模拟信号一分为二，一路信号送到DCS或PLC系统，另一路信号送到环保监控系统的数据采集装置（RTU），数据来源于现场仪表。
1.2 数据存储与运算单元
运用数据库技术将前端数据采集单元采集的数据进行筛选、计算、总结，将得到的新数据存入数据表中。
1.3 数据发送单元
将数据库中存储的数据压缩、打包通过VPN传送到数据平台上，平台软件接收数据包，然后对其解析，得到环保数据。
图1 监控系统结构图
2.环保监控系统的硬件设计
系统硬件的设计应使设备可靠运行，并达到预计的功能，同时保证与其通讯设备的网络安全，系统的硬件组成及网络拓扑如图2所示，虚框内为系统集成单元。
图2 环保监控系统的硬件组成及网络拓扑图
2.1 接口机和数据采集装置
接口机和数据采集装置（RTU，Remote Terminal Unit）是采集单元的核心，直接与发电厂的环保自动化系统和现场信号隔离器相连，安装于接口机上的组态软件主要负责与火力发电厂的环保治理自动化系统和采集模块进行通讯，通过标准的通讯协议采集环保数据。
2.2 服务器
服务器是整个环保监控系统的核心，集数据的存储、运算、传送等功能与一体，把接口机及采集模块采集的数据进行分类存储，生成历史数据和报表，通过VPN专线送到环保监控部门的数据平台。
2.3 单向物理隔离网闸
单向物理隔离网闸是专门为企业过程控制系统和管理信息系统之间进行单向物理隔离而开发的一款网络安全隔离设备，使数据只能够进行单向传输，从而切断了外部网络与接口机的反向数据传输通道。使用单向物理隔离网闸是为了满足电力系统二次防护的要求，保证火力发电厂的DCS系统及其他自动化系统的网络安全。
2.4 其他硬件
交换机能够加快局域网之间的数据交换，给数据提供汇集和传输通道，接口机采集的环保数据通过交换机提供的通道汇集到一起，再传送到服务器。
KVM是键盘（Keyboard）、显示器（Video）、鼠标（Mouse）的缩写。KVM技术的核心思想是：通过适当的键盘、鼠标、显示器的配置，实现系统和网络的集中管理，利用KVM在接口机、服务器之间进行切换显示。
3.FameView组态软件的设计
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，属于自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供用于快速构建工业自动控制系统的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备所常见的通信协议，并且提供分布式数据管理和网络功能。根据系统设计的需要，组态软件的设计主要包括驱动连接、画面设计、变量连接与数据存储三个部分。
3.1 组态软件的驱动连接
对于组态软件来说，驱动程序起着非常重要的作用，是设备与设备间通讯的基础，它直接负责从设备采集实时数据并将操作命令下达给通讯对象。驱动程序的执行率与稳定性将直接影响到组态软件的实时性与可靠性。该环保监控系统得接口机与其试运行火力发电厂的脱硫DCS系统之间通过OPC（OLE for Process Control）协议进行通讯，与主机脱硝DCS系统和数据采集装置之间通过Modbus-Tcp/Ip协议进行通讯，接口机与服务器之间也是通过Modbus-Tcp/Ip协议进行通讯，脱硫DCS系统的上位机作为OPC Server，组态软件所在的接口机作为OPC Client，在FameView组态软件的设备通讯列表中找到OPC Client驱动程序，然后安装这个驱动程序[4]。同理，在FameView组态软件的设备通讯列表中找到并安装MB_TCPIP（Modbus-Tcp/Ip）驱动程序。
3.2 组态软件的画面设计
在火力发电厂的环保监控系统中，设有用户管理画面、主控画面、历史趋势查询画面等。设计主控画时，以火电厂的工艺流程图为参考，在画面中主要显示过程参数、设备状态、介质流动方向等。用静态文本显示变量名称，用变量的输出模式显示模拟量参数值，用图形符号显示开光量状态，用不同的可见性颜色来显示设备的工作状态。
主控画面如图3所示，该主控画面包括脱硫、主机、脱硝、CEMS、除尘等系统的数据，通过画面的切换按钮来实现画面切换，用于查看不同系统的数据，每个画面上包括工艺流程、设备运行状态显示、数值显示，而且通过Windows系统自带的互联网信息服务组件IIS（Internet Information Services）来实现监控画面的Web发布，用户利用互联网，输入指定用户名和密码就可以远程访问监控画面。
图3 主监控界面
3.3 组态软件的变量连接与数据存储
组态画面设计完成后，需要把画面中的图形变量与数据变量进行连接，根据系统要采集的外部变量建立相应的内部变量，而内部变量与画面上的监控点通过属性连接建立对应关系。FameView组态软件的变量包括内部变量、外部变量、系统变量和脚本变量等。外部变量是外部存储的区域，需要建立通信驱动程序和通道，然后在建好的通道下面建立变量，选择变量地址。内部变量没有相应的驱动程序和通道单元，所以不需要给它们设置连接，通常用来辅助外部变量的存储和运算。
在组态画面运行时，它含有全部数据变量的实时值。FameView组态软件能够实现连接数据库的功能，通过FameView组态软件的批量数据连接功能将实时数据存储到数据库指定的数据列表里，生成历史数据，环保监控部门通过数据平台调用历史数据，能够直观的反映该电厂近期的运行情况[5-6]。
4.系统的优势
火力发电厂CEMS系统主要监测的数据有SO2浓度、NOX浓度、脱硫效率、烟尘浓度、烟气量等12个数据，而该环保监控系统监测的数据高达350多个，这些数据涵盖脱硫、脱硝、主机、除尘等系统。环保监控系统采集的数据为火力发电厂的过程数据，这些数据大多为生产数据，通过对这些数据的分析，能够了解整个火力发电厂的运行情况，进而验证末端数据的合规性与有效性。如图4所示，以2×300MW火力发电厂为例，通过对环保监控系统采集的数据进行分析，来验证CEMS系统数据是否合规、有效。
图4 2×300MW火力发电厂环保数据
从图4可以直观地看出，机组负荷从198.4（65%）到241.9（80%）到299.5（100%）的变化过程中，入口烟气量、增压风机的电流没有跟随机组负荷同步变化，反而不规则变化，说明烟道漏烟或部分烟气通过旁路直接排出，因此入口SO2浓度这个数据就不是有效的。脱硫效率是出口SO2浓度与入口SO2浓度的比值，所以脱硫效率也不是准确的，另一方面，吸收塔浆液PH值控制的较差，多次出现低于5.0的现象，由于PH值较低，因此影响脱硫效率，但是脱硫效率仍能维持97%，说明脱硫效率不合规，这些数据之间具有一定的关联性，通过对数据的分析能够验证末端数据的合规性与有效性。
该环保监控系统能够直接监测主要环保设备的运行情况，例如：通过查看脱硫系统的浆液循环泵电流，就能够监测循环泵的运行情况及设备的运行数量，通过查看除尘系统的二次电场的电压和电流，就能够监测除尘系统电场的运行情况，这是CEMS系统所不具备的功能。
5.结束语
文中针对火力发电厂CEMS系统的数据人为干扰因素多，其可信度低的缺点，在充分考虑电力二次防护要求的基础上，研究设计了以组态软件为核心，结合通信技术和网络技术的环保监控系统，通过对该系统数据的分析，能够验证CEMS系统数据的合规性与有效性，同时也能够全面监测火力发电厂的运行工况。该系统在华北某火力发电厂进行了试运行，经过实践证明，运用此系统，不仅能够对火力发电厂排污状况进行监测，实现污染物超标报警，对降低火力发电厂污染物的排放量具有重要的现实意义，而且对于污水处理厂、化工厂的环保监控系统的设计也具有一定的借鉴意。
参考文献
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作者简介：董佳（1985—），男，硕士研究生，主要研究方向：电气智能控制技术。