数字化电厂解决方案开发与应用

数字化电厂解决方案开发与应用内容摘要：

，如定单、采购、库存、计划、设备、质量、运行、检修、财务及人事等进行有效管理，强调动态监控生产技术和经营状况，及时掌握信息，其核心就是业务流程重组，优化企业价值链。 用先进管理思想和信息技术对电厂的经营和生产管理系统进行全面设计 ， 使信息技术与电力工业技术、现代管理技术有机融合 ,全面提升电厂的生产技术和经营管 理水平 ， 增强电厂电力市场的竞争力。 新一代的数字化电厂主要 目的就是通过信息化技术来提高发电企业的经济效益，同时做到节能减排。 其 特征 主要 表现在四个方面 ： 第一、数字化电厂除了电厂常规的主辅设备、检测控制仪器仪表外，还配备了特殊的生产工艺过程（如脱硫、脱硝生产过程）、特种检测控制分析仪表以及先进的监控系统；第二、数字化电厂将管理放在首位，通过科学的管理思想、方法来提升电厂的运营能力；第三、数字化电厂实现了电厂生产的安全性、经济性，同时也实现了电厂污染物的零排放或达标排放；第四、数字化电厂人均产值高、人员配置少，在人员配置结构上，管理人员和生产人员的比例大于常规电厂。 全面实现电厂数字化工作 ,在国内外均处于刚起步阶段，经验不足，新建电厂普遍建立了 SIS 和 MIS 网络架构，并配置了不少故障诊断、状态检修及性能山东大学硕士学位论文 8 优化等监控和管理软件。 但这些软件尚欠成熟，现场设备级自动采集的信息太少，以致一些高级应用派不上用场。 如果依靠人工采集、录入，不仅工作量大，而且有些也较难实现。 这些问题不解决， SIS 和 M IS 将不能发挥其效益。 从电厂生产的安全可靠性和经济性及管理现代化出发，解决全厂系统和信息的总体规划、现场设备级数字化、厂级 SIS 和 M IS 功能要求及完善等关键问题 : 全厂系统和信息的总体规划问题。 要将几十个监控系统和管理系统集成为一个大系统；实现故障诊断和预测、状态检修、优化运行和控制等功能，因此对全厂系统和信息的总体规划是数字化电厂的新课题 ,也是数字化电厂建设成败的关键。 现场设备级数字化问题。 目前现场设备级 (包括变送器、执行器、电动门、开关柜等 ) 设备采集的信息较少，无法实现控制系统故障诊断、预测和现代化管理。 现场设备级数字化要研究解决各种现场智能设备的应用、现场总线规范、现场总线与 DCS 及其他管理系统的接口等问题。 厂 级 SIS 和 M IS 的功能要求及完善问题。 在现场设备级解决了数字化问题后，厂级 SIS 和 M IS 等还需进一步完善充实，将有成功应用业绩的优化控制和管理软件集成到厂级 SIS 和 M IS 平台上，最大限度地发挥数字化电厂的效益。 系统需求 分析 需求分析往往是与需求获取并行的，主要通过建立模型的方式来描述用户的需求，为客户、用户、开发方等不同参与方提供一个交流的渠道。 这些模型是对需求的抽象，以可视化的方式提供一个易于沟通的桥梁。 用户需求的分析与用户需求的获取有着相似的步骤，区别在于分析用户需求时使用模型，以获取用户 更明确的需求 [20]。 分析用户需求需要执行下列活动： 一、以图形表示的方式描述系统的整体结构，包括系统的边界与接口。 二、需求建模 ， 用于需求建模的方法有很多种，最常用的包括数据流图（ DFD）、实体关系图（ ERD）和 UML 三种方式。 DFD 作为结构化系统分析与设计的主要方法，已经得到了广泛的应用。 DFD 使用四种基本元素来描述系统的行为，过程、实体、数据流和数据存储。 DFD 方法直观易懂，使用者可以方便地山东大学硕士学位论文 9 得到系统的逻辑模型和物理模型，但是从 DFD 图中无法判断活动的时序关系。 ERD 方法用于描述系统实体间的对应关 系，需求分析阶段使用 ERD 描述系统中实体的逻辑关系，在设计阶段则使用 ERD 描述物理表之间的关系。 需求分析阶段使用 ERD 来描述现实世界中的对象。 ERD 只关注系统中数据间的关系，而缺乏对系统功能的描述。 如果将 ERD 与 DFD 两种方法相结合，则可以更准确地描述系统的需求。 本系统使用统一建模语言 UML 中的用例图、活动图、状态图来对需求建模。 用例图通过描述 “系统 ”和 “活动者 ”之间的交互来描述系统的行为。 通过分解系统目标，用例图描述活动者为了实现这些目标而执行的所有步骤。 此方法最主要的优点，在于它是用户导向的，用户可 以根据自己所对应的用例来不断细化自己的需求。 此外，使用用例还可以方便地得到系统功能的测试用例。 UML 活动图记录单个操作或方法的逻辑、单个用例或商业过程的逻辑流程。 在很多方面，活动图是结构化开发中流程图和数据流程图 (DFD) 的面向对象等同体。 UML 状态图描述一个实体基于事件反应的动态行为，显示了该实体如何根据当前所处的状态对不同的时间做出反应的。 通常创建一个 UML 状态图是为了以下目的：研究类、角色、子系统、或组件的复杂行为，建模实时系统。 三、通过原型、页面或其它方式向用户提供可视化的界面，用 户可以对需求做出自己的评价。 使用原型分析方法来帮助开发方进一步获取用户需求或让用户确认需求。 开发方往往先向用户提供一个可视界面作为原型，并在界面上布置必要的元素以演示用户所需要的功能。 本系统充分利用 B/S 结构系统开发的特点，以制作静态页面（ HTML 文件）的方式，为用户提供一个可视化的界面。 用户可以在此原型上看到系统的功能原型，并且在此基础上提出意见，开发人员再作进一步的分析和设计。 同时，此原型可作为后续开发的基础，将系统实现阶段的一部分工作提前完成。 系统 功能性需求 电力行业的计算机应用已近 10 年，已有许多电厂在近 3 年时间里开展了众山东大学硕士学位论文 10 多应用并取得了良好的经济效益。 前不久，电力部行业计算机应用暨信息化工作会议部署了电力行业计算机应用的目标：在本世纪末，电力工业电子信息技术综合应用水平要达到发达国家 90 年代初期的水平，某些领域达到 90 年代国际先进水平。 初步建成电力信息系统内联网络 (Intra)，实现与国际互联网络 (Inter)连接。 近年来，随着电力由紧趋缓，由卖方市场逐渐转向买方市场、形成电力市场，电力企业对计算机及信息管理系统的需求也日益紧迫。 随着工业机械化程度的提高及电力行业的高速 发展，停机时间就成为很突出的问题，进而形成了预防性维修的概念。 与运行费用相比，维修费用也开始急剧增加，这就使得维修计划与控制系统应运而生，促进了 DCS 与 MIS 的快速发展。 今天，电厂所面临的主要挑战，不仅是要学习新技术，而且要改变原有的管理模式及管理思想，逐步实现以下目标： (1) 引进新的维修技术，如预防性维护状态监测； (2) 提高机组的运行性能及自动控制能力，更加注重设备的可靠性； (3) 增加决策支持手段，如故障模式及故障影响分析，专家系统等； (4) 引进生产管理信息系统，达到减人增效、减少机组非计 划停运次数、提高等效可用系数的目的。 发电厂 MIS 系统目标是结合电厂实际情况，综合各个子系统的特点，用现代化手段来规范人们在从事生产和生产管理过程中的行为，使其合理和科学，提高工作效率，减少人为差错，达到减人增效提高企业的经济效益的目的。 实现以下具体目标 : 一、 加强生产运行数据的采集、分析，辅助生产现场运行管理 (1) 加强机炉电运行系统的数据采集。 (2) 加强运行系统的运行工作分析、效率分析、能源损耗分析、安全分析，使之及时调整调度，促进安全经济运行。 (3) 加强对生产运行采集信息的统计、 分析、辅助决策、人员决策，促进科学化生产。 二、 促进生产、检修、经营、计划环节信息管理 (1) 利用可靠性理论指导设备管理。 山东大学硕士学位论文 11 (2) 强化设备档案、检修规程，促进生产运行管理规范化。 (3) 建立全厂性生产、管理综合信息库，为决策分析提供充分的信息。 (4) 采用先进的科学分析手段、辅助企业管理。 系统 非功能性需求 功能性需求涉及系统的行为，侧重输入、输出和处理等细节。 功能性需求说明在出现特定输入或条件时系统应该如何运转。 但这样还不能完全地描述系统的需求，还须考虑 “非功能性需求 ”。 非功能性需求是常常被轻视，甚至被忽视的一个重要方面。 其实，软件产品非功能性定义不仅决定产品的质量，还在很大程度上影响产品的功能需求定义。 如果事先缺乏很好的非功能性需求定义，结果往往是使产品在非功能性需求面前捉襟见肘，甚至淹没功能性需求给用户带来的价值。 数字化电厂 系统包含的非功能性需求包括： 准确 性要求，可靠性要求，性能要求，可支持性要求，下面分别对各项要求进行分析。 1. 准确 性要求 ， 在执行数据增加的时候，不允许出现因为程序的原因导致增加操作失败，也不允许发生重复增加的数据；在执行数据删除操作的时候 ，不允许因为程序的原因发生多删除数据、删除失败的情况；数据的修改也要求保持对应的准确性 等。 2. 可靠性要求 ， 没人喜欢错误、缺陷、系统故障和数据丢失，当系统出现故障和用户出现错误的操作后是否支持恢复，当用户在使用过程中遇到错误的时候是否可以立即定位问题，当业务场景和逻辑发生变化的时候系统是否支持，当网络不稳定或使用中异常中断的情况下系统是否都有相应的容错措施，这些都包含于可靠性要求中 ， 需求中需要特别提到这些现象，显示系统到底以哪种用户能接收的程度运转。 3. 性能要求 ， 性能 要 求包括 以下几点 ： 1) 事 务的响应时间：平均值、最大值 ； 2) 吞吐量：每秒事务数 ； 3) 容量：系统可容纳的客户总数或事务数 ； 4) 退化模式：系统被降级时，可接受的运转模式 ； 山东大学硕士学位论文 12 以上 这些都应量化地体现在系统需求文档中。 4. 可支持性要求 ， 可支持性是指为了升级或修复，软件被修改的能力。 对某些应用领域，未来可能的升级是可预测的，因此需求可以规定维护小组的简单升级以及复杂升级的 “响应时间 ”。 山东大学硕士学位论文 13 第 3 章 数字化电厂 系统设计 经过需求分析和架构设计，我们了解了 数字化电厂 的业务需求和架构流程。 本章在此基础上，进一步分析系统的模型结构和数据库 结构。 数字化电厂 系统 架构 技术 架构 软件架构主要是指系统所采用的软件结构，包括是否采用客户端和服务器端分离的多层结构以及客户端和服务器端所采用的技术等。 本 系统 （信息管理系统） 软件架构采用基于 J2EE 的多层架构设计，针对系统用户的特点，在客户端以及服务器端分别采用了不同的技术设计。 对于系统用户要求地域比较集中的用户采用了 C/S 客户端 技术 ，对于用户分散且灵活的特点采用了基于浏览器的客户端技术。 系统架构的特点是采用了 B/S 和 C/S 混合架构， B/S 架构部分采用 HTTP 协议与服务器端进行通信， C/S 架构部分采用RMI 协议与服务器端进行通信。 服务器端采用不同的协议和接口获取客户端请求，在请求处理方面通过 Java 中的反转机制查找业务处理函数，通过统一的业务处理类达到业务处理层的重用。 在各个层中分别采用了成熟的开源框架，层与层中间采用统一的接口。 通过统一的接口设计达到了层与层之间的松耦合。 系统结构按照 MVC 架构设计。 在数据层，基于 OR Mapping 框架的Hibernate，封装对数据库的持久化操作，提供可由业务层调用的接口，这也是Spring 系列架构中 Spring ORM 所支持的。 在持久层， JDBC DAO 抽象层提供了有意义的异常层次 结构，可用该结构来管理异常处理和不同数据库供应商抛出的错误消息。 在 表现 层， 由 UIMS 组件管理 可以 生成两种用户见面：桌面应用程序用户界面和 web 应用程序用户界面。 C/S 架构的展示采用 模型驱动的开发技术，界面主要 主要由模型、界面管理器和业务管理接口三部分组成，模型用于定义各种界面显示元素以及各元素的关系；界面管理器由解析器、布局管山东大学硕士学位论文 14 理器和事件处理器组成，其中解析器由模型解析器和平台解析器组成，模型解析器负责将基于 XML 的界面描述解析成一个个的运行时模型对象，平台解析器将运行时模 块解析成具体的界面组件，解析器和布局管理器共同确定了界面上组件的具体 表现；事件处理器负责处理用户事件调用业务处理接口处理相关的业务， 系统的总体技术架构如图 31 所示。 图 31 系统软件架构 山东大学硕士学位论文 15 基于 传统的 MVC 架构开发，用户需要考虑具体业务的模型、控制器以及表现 ，需要更高的开发技巧，这将会降低开发效率，增加开发的成本。 为了解决这个问题，框架封装了传统 MVC 架构的控制层。 使用 Spring 作为控制层容器，有效的组织了中间层业务对象。 封装的控制层处理来自网络浏览器的和桌面应用程序的请求，请求中包括命令 CMD 以 及其他请求。 当请求来自网络浏览器时，控制器首先初始化请求数据 ，这里通过 BaseAction 实现，然后调用系统业务方法 BaseRuleManager，通过 BaseAction 返回 处理业务方法返回的数据；当请求来自桌面应用程序时，控制器调用系统业务方法 BaseRuleManager，请求数据的初始化以及业务返回数据的后期处理在桌面应用程序端实现。 其中， action、 form 包分别用于组织 struts 架构中的 Acti。