摘要:塔(ta)式光熱發電站(zhan)由于鏡場設備(bei)(bei)(bei)眾多且分(fen)布范(fan)圍(wei)較(jiao)大,動(dong)輒成千上(shang)萬面(mian)定日鏡,單面(mian)定日鏡通常有上(shang)百個非實(shi)時(shi)數(shu)據和(he)數(shu)十(shi)個實(shi)時(shi)數(shu)據需要(yao)有效管(guan)(guan)理(li)和(he)監控(kong),這對于常規的(de)分(fen)散(san)控(kong)制系統很難滿足(zu)監控(kong)要(yao)求。提出以(yi)先(xian)進的(de)通信(xin)(xin)技術、數(shu)據庫技術和(he)Web技術為基礎,構建通信(xin)(xin)和(he)數(shu)據管(guan)(guan)理(li)服務器,在操(cao)作員站(zhan)可通過瀏覽器來全(quan)局、成組和(he)個別(bie)監控(kong)和(he)操(cao)作設備(bei)(bei)(bei),實(shi)時(shi)監控(kong)網絡(luo)狀態和(he)有效管(guan)(guan)理(li)設備(bei)(bei)(bei)參數(shu)等。
塔式(shi)(shi)光(guang)熱發(fa)電(dian)(dian)是(shi)太(tai)陽能(neng)利用的(de)重要方式(shi)(shi),具有更高的(de)熱效率(lv)和(he)(he)聚光(guang)比(bi)等(deng)優點[1]。塔式(shi)(shi)太(tai)陽能(neng)熱電(dian)(dian)系(xi)統(tong)是(shi)一種適合(he)大規模發(fa)電(dian)(dian)的(de)新能(neng)源利用方式(shi)(shi),發(fa)展前(qian)景廣闊(kuo),其(qi)中,由定日(ri)鏡場和(he)(he)其(qi)控(kong)制系(xi)統(tong)等(deng)關鍵設(she)備組成(cheng)的(de)定日(ri)鏡場子(zi)系(xi)統(tong)是(shi)整個(ge)電(dian)(dian)站的(de)前(qian)端(duan),其(qi)性能(neng)和(he)(he)效率(lv)對電(dian)(dian)站的(de)運行和(he)(he)發(fa)電(dian)(dian)產出(chu)都有很大影響[2]。在此以(yi)(yi)某(mou)塔式(shi)(shi)光(guang)熱發(fa)電(dian)(dian)廠的(de)定日(ri)鏡場為(wei)研究對象,該定日(ri)鏡場有4400面定日(ri)鏡,其(qi)中每面定日(ri)鏡由一個(ge)S7-1200 PLC控(kong)制,有非實時(shi)(shi)(shi)參數150個(ge),實時(shi)(shi)(shi)監控(kong)數據(ju)(ju)(ju)模擬量16個(ge)(其(qi)中有數十個(ge)開(kai)(kai)關量打包為(wei)模擬量)。為(wei)了有效地組織和(he)(he)管理這種大量的(de)數據(ju)(ju)(ju)通信(xin),本文在PLC中以(yi)(yi)開(kai)(kai)放式(shi)(shi)通信(xin)協議開(kai)(kai)發(fa)TCP通信(xin)客戶(hu)端(duan),在服務器端(duan)以(yi)(yi)Java開(kai)(kai)發(fa)基于TOMCAT后臺Web服務,以(yi)(yi)Netty實現(xian)數據(ju)(ju)(ju)通信(xin)任(ren)務,以(yi)(yi)WebSocket實現(xian)后端(duan)數據(ju)(ju)(ju)向前(qian)端(duan)頁面的(de)主動推送,以(yi)(yi)HTML5實現(xian)前(qian)端(duan)顯(xian)示與(yu)操作,以(yi)(yi)MySQL實現(xian)數據(ju)(ju)(ju)存儲功能(neng),構成(cheng)一套Web應用服務。可(ke)通過瀏(liu)覽器實現(xian)定日(ri)鏡場實時(shi)(shi)(shi)狀態(tai)的(de)總體概覽與(yu)成(cheng)組操作、單面定日(ri)鏡的(de)詳細狀態(tai)顯(xian)示與(yu)操作。
1
關鍵技術
Netty是一款基于NIO(Nonblocking I/O,非阻(zu)塞IO)開發(fa)的(de)(de)網絡通信框架(jia),基本模(mo)式(shi)設計為異步、事件驅動的(de)(de)模(mo)式(shi),可用(yong)(yong)于快(kuai)速開發(fa)高性能、高可靠(kao)性的(de)(de)網絡應(ying)用(yong)(yong)框架(jia)。HTML5標準融合了(le)HTML、JavaScript、CSS、WebSocket等多(duo)種先進的(de)(de)頁面技術,使(shi)得頁面內容更豐富多(duo)彩,同時(shi)又有(you)良好(hao)的(de)(de)實時(shi)性能和人機(ji)交互體驗。Jquery是一個快(kuai)速、簡(jian)潔(jie)的(de)(de)JavaScript框架(jia),它(ta)封裝JavaScript常用(yong)(yong)的(de)(de)功(gong)能代碼,提供一種簡(jian)便的(de)(de)JavaScript設計模(mo)式(shi),優化HTML文檔操作、事件處(chu)理、動畫設計和Ajax交互[3]。
WebSocket是HTML5開始(shi)提供的一(yi)種在單個TCP連接上進行全雙(shuang)工通信的協(xie)議,使客戶(hu)端和(he)服務(wu)(wu)器(qi)之間的數(shu)據交換變得(de)更加簡單,允(yun)許(xu)服務(wu)(wu)器(qi)主動向客戶(hu)端推送數(shu)據,能更好地節省服務(wu)(wu)器(qi)資源和(he)帶寬,并且實時性能更好[4]。
2
系統結構
以(yi)Siemens PLC 1200作為分布(bu)式設備(bei)的控(kong)(kong)制(zhi)器(qi),通(tong)(tong)(tong)過光纖(xian)和路由器(qi)等連(lian)接(jie)至集中監控(kong)(kong)室。通(tong)(tong)(tong)過Siemens PLC 1200的開放式通(tong)(tong)(tong)信(xin)(xin)接(jie)口(kou)組態(tai)TCP連(lian)接(jie)客戶端。通(tong)(tong)(tong)信(xin)(xin)服(fu)務器(qi)開放端口(kou)監聽連(lian)接(jie),有連(lian)接(jie)時建立連(lian)接(jie)接(jie)受(shou)并處(chu)理數據(ju)。Web服(fu)務器(qi)則將數據(ju)推送(song)至Web頁面(mian)展(zhan)示給用戶,用戶再根據(ju)各種工(gong)況在Web頁面(mian)上做出(chu)相應的操作,指令由Web頁面(mian)傳(chuan)回Web服(fu)務器(qi),然后服(fu)務器(qi)以(yi)TCP協議送(song)給相應設備(bei)的控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)去執行任務,并反饋執行結(jie)果。
3
關鍵功能模塊
3.1基于Netty的TCP通信服務器
通信(xin)(xin)服務器負(fu)責與各(ge)(ge)PLC通信(xin)(xin),收集(ji)各(ge)(ge)定(ding)日鏡的(de)(de)(de)數(shu)(shu)據(ju)(ju),并(bing)發(fa)送(song)來(lai)(lai)自人(ren)機界(jie)面的(de)(de)(de)指令與參數(shu)(shu)。通信(xin)(xin)服務器與各(ge)(ge)PLC間(jian)的(de)(de)(de)通信(xin)(xin)由基于(yu)Netty的(de)(de)(de)TCP服務器來(lai)(lai)實現(xian)。消息由長(chang)度、功(gong)能碼(ma)(ma)和數(shu)(shu)據(ju)(ju)組成,在服務器端(duan)通過實現(xian)消息解碼(ma)(ma)器來(lai)(lai)解決(jue)粘包/拆包問題(ti),再根據(ju)(ju)功(gong)能碼(ma)(ma)做出相(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)動作,如(ru)存檔(dang)、推送(song)到(dao)前端(duan)頁面顯(xian)示等。對(dui)于(yu)從人(ren)機界(jie)面來(lai)(lai)的(de)(de)(de)指令和數(shu)(shu)據(ju)(ju)以同樣的(de)(de)(de)消息結構(gou)封裝后再發(fa)送(song)給(gei)相(xiang)應(ying)PLC。另(ling)外Netty中(zhong)可以通過將IdleStateHangler類(lei)添(tian)加進(jin)Channel的(de)(de)(de)PipeLine中(zhong),實現(xian)指定(ding)時間(jian)內沒有(you)讀或寫時向對(dui)方發(fa)送(song)心跳包。
3.2邏輯處理功能
系統需處(chu)理各(ge)種實(shi)時數據(ju)和(he)用戶操作指(zhi)令、自動聚(ju)焦散焦、數據(ju)存儲和(he)參數管理等任務。
1)參數(shu)(shu)管(guan)理(li)(li)模塊的主要功能包(bao)括:批量上(shang)傳下載定日鏡(jing)參數(shu)(shu)表(biao)(biao),并管(guan)理(li)(li)定日鏡(jing)參數(shu)(shu)表(biao)(biao)上(shang)傳下載變更記錄等。
2)歷史與報警模塊(kuai)。
3)定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)(jing)校(xiao)(xiao)正(zheng)(zheng)模塊(kuai)。定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)(jing)由于安裝(zhuang)或運行過程中會產生各種偏(pian)差(cha)而不(bu)能精(jing)準地(di)把反射的光(guang)斑(ban)定(ding)位在集熱區,所以要定(ding)期校(xiao)(xiao)正(zheng)(zheng)偏(pian)差(cha)并管理。為了確(que)保太陽能的高效利用和轉化,并降(jiang)低運維成本,校(xiao)(xiao)正(zheng)(zheng)系統需要做到:全鏡(jing)(jing)(jing)場自動校(xiao)(xiao)正(zheng)(zheng),無需值守,實時精(jing)確(que)跟蹤太陽運動軌跡(ji),自動檢查精(jing)度(du),自動重新校(xiao)(xiao)正(zheng)(zheng),滿足長期跟蹤精(jing)度(du)要求。該(gai)模塊(kuai)動態計(ji)(ji)算(suan)當前太陽位置結合定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)(jing)參數,通過光(guang)斑(ban)計(ji)(ji)算(suan)模塊(kuai)得出的光(guang)斑(ban)物理坐標計(ji)(ji)算(suan)出定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)(jing)方位角(jiao)和俯仰角(jiao),與定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)(jing)當前方位角(jiao)和俯仰角(jiao)之差(cha)為定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)(jing)新的方位角(jiao)校(xiao)(xiao)正(zheng)(zheng)值偏(pian)差(cha)和俯仰角(jiao)校(xiao)(xiao)正(zheng)(zheng)值偏(pian)差(cha),偏(pian)差(cha)加入原校(xiao)(xiao)正(zheng)(zheng)值作為新的校(xiao)(xiao)正(zheng)(zheng)值送給定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)(jing)。
4)定(ding)日(ri)鏡自(zi)動對(dui)焦與散(san)焦模塊。該模塊需實(shi)現(xian)下述不同工況下整個定(ding)日(ri)鏡場的總(zong)體對(dui)焦與散(san)焦功(gong)能(neng)如(ru)表1所(suo)示(shi)。實(shi)現(xian)定(ding)日(ri)鏡的隨機數(優先級(ji))生成算(suan)法(fa),結合排序(xu)算(suan)法(fa)來滿足定(ding)日(ri)鏡的隨機調度要(yao)求,實(shi)現(xian)定(ding)日(ri)鏡的排序(xu)算(suan)法(fa),定(ding)日(ri)鏡可(ke)以按照(zhao)其優先級(ji)進行排序(xu),也(ye)可(ke)以按照(zhao)特(te)定(ding)的要(yao)求,比如(ru)其與某個特(te)定(ding)點距離進行排序(xu),局部云層(ceng)遮蓋判斷等。
塔式光熱發電站由于鏡場設備眾多且分布范圍較大,動輒成千上萬面定日鏡,單面定日鏡通常有上百個非實時數據和數十個實時數據需要有效管理和監控,這對于常規的分散控制系統很難滿足監控要求。提出以先進的通信技術、數據庫技術和Web技術為基礎,構建通信和數據管理服務器,在操作員站可通過瀏覽器來全局、成組和個別監控和操作設備,實時監控網絡狀態和有效管理設備參數等。
表 1 各種工況的用途
3.3人機界面
人機(ji)界面(mian)根據(ju)功能(neng)主要有(you)以下幾個主要視(shi)(shi)(shi)圖(tu):定(ding)(ding)日鏡(jing)場(chang)總貌視(shi)(shi)(shi)圖(tu)、參(can)數管理視(shi)(shi)(shi)圖(tu)、定(ding)(ding)日鏡(jing)場(chang)校正系統視(shi)(shi)(shi)圖(tu)、定(ding)(ding)日鏡(jing)場(chang)自動對(dui)焦系統視(shi)(shi)(shi)圖(tu)、網絡設備監控視(shi)(shi)(shi)圖(tu)、歷史與(yu)報警視(shi)(shi)(shi)圖(tu)。
以定(ding)(ding)日(ri)鏡場總貌視圖(tu)為例詳(xiang)(xiang)細(xi)介紹。定(ding)(ding)日(ri)鏡場總貌視圖(tu)如圖(tu)1所示,其中每個小(xiao)方塊(kuai)代(dai)表一面定(ding)(ding)日(ri)鏡,不同(tong)的(de)顏(yan)色代(dai)表不同(tong)的(de)狀態,如圖(tu)1右側列表所示,小(xiao)方塊(kuai)上綠色的(de)斜(xie)(xie)線(xian)(xian)代(dai)表定(ding)(ding)日(ri)鏡處于就地狀態,小(xiao)方塊(kuai)上紅(hong)色的(de)斜(xie)(xie)線(xian)(xian)代(dai)表定(ding)(ding)日(ri)鏡處于掛(gua)起狀態。當鼠標移(yi)入小(xiao)方塊(kuai)區域內時會顯示出該定(ding)(ding)日(ri)鏡的(de)詳(xiang)(xiang)細(xi)信息。操作時應(ying)先選擇(ze)定(ding)(ding)日(ri)鏡,再發(fa)出相應(ying)操作指令。
圖(tu) 1 鏡場總貌視圖(tu)
有(you)(you)多種定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)選(xuan)擇(ze)(ze)模式:單(dan)(dan)面(mian)、行、環、對焦(jiao)面(mian)、散焦(jiao)組(zu)、區和自(zi)由選(xuan)擇(ze)(ze),點(dian)擊小方塊時(shi)會(hui)根(gen)據(ju)不同的(de)選(xuan)擇(ze)(ze)模式選(xuan)擇(ze)(ze)相應區域內(nei)的(de)所有(you)(you)定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing),再(zai)次點(dian)擊時(shi)取消選(xuan)擇(ze)(ze)。當選(xuan)擇(ze)(ze)模式為(wei)單(dan)(dan)個(ge)時(shi),僅有(you)(you)該定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)被選(xuan)中,同時(shi)會(hui)在(zai)總貌視圖(tu)(tu)的(de)右側顯(xian)示(shi)出單(dan)(dan)面(mian)定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)的(de)詳細視圖(tu)(tu)與操(cao)作(zuo)(zuo)視圖(tu)(tu),如圖(tu)(tu)2所示(shi)。也能根(gen)據(ju)圖(tu)(tu)2中的(de)下拉列表選(xuan)擇(ze)(ze)單(dan)(dan)面(mian)定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)并顯(xian)示(shi)出單(dan)(dan)面(mian)定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)的(de)詳細視圖(tu)(tu)與操(cao)作(zuo)(zuo)視圖(tu)(tu)。定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)場主要(yao)參數(shu)顯(xian)示(shi),顯(xian)示(shi)定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)場當前的(de)天氣(qi)狀況(kuang)、機(ji)組(zu)出力和定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)場定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)的(de)狀態統計信息等。
圖 2 單面定日鏡詳細視圖與操作(zuo)視圖
如圖(tu)2所示(shi),圖(tu)中上部(bu)(bu)顯示(shi)該定(ding)(ding)(ding)日鏡(jing)(jing)的(de)詳細(xi)信(xin)(xin)息與(yu)報(bao)警(jing)列(lie)表及報(bao)警(jing)確認(ren)、報(bao)警(jing)抑(yi)制操(cao)作,并以(yi)動畫(hua)形式(shi)顯示(shi)定(ding)(ding)(ding)日鏡(jing)(jing)當(dang)前的(de)位置信(xin)(xin)息。圖(tu)中下部(bu)(bu)顯示(shi)的(de)是(shi)該定(ding)(ding)(ding)日鏡(jing)(jing)的(de)模式(shi)切(qie)換按鈕,運(yun)行人員可點擊相關按鈕進行定(ding)(ding)(ding)日鏡(jing)(jing)的(de)模式(shi)切(qie)換操(cao)作。以(yi)黑(hei)色(se)文(wen)本顯示(shi)當(dang)前生效指(zhi)令。在(zai)OP Setpoint模式(shi)下,運(yun)行人員也(ye)可以(yi)直接在(zai)輸入(ru)框中輸入(ru)定(ding)(ding)(ding)日鏡(jing)(jing)位置的(de)設定(ding)(ding)(ding)值。
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結束語
基于Web的鏡場(chang)控制系統可通過瀏覽器實現定日鏡場(chang)實時狀(zhuang)態(tai)(tai)的總(zong)體概覽與(yu)成(cheng)組操作(zuo)、單面定日鏡的詳細狀(zhuang)態(tai)(tai)顯示與(yu)操作(zuo)、參數管(guan)理、定日鏡校正、聚(ju)焦(jiao)與(yu)散焦(jiao)、歷史與(yu)報(bao)警等(deng)功(gong)能。
▏作者:劉志聲 西(xi)門子能(neng)源(yuan)自(zi)動(dong)化(hua)(南京)有(you)限公司(si)
參考文獻
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