一种用于火电机组的机组协调控制优化系统及方法与流程

1.本发明涉及火电厂锅炉和机组系统的控制优化技术领域，尤其涉及一种用于火电机组的机组协调控制优化系统及方法。


背景技术：

2.现有的发电企业普遍存在燃煤供应来源不统一、机组设备性能差、两个细则、环保指标考核多等问题，导致机组的经济性和安全性面临严峻考验。主要表现在：
3.(1)agc与一次调频等两个细则的考核较多。
4.(2)过热、再热减温水的调节性能偏差大，特别是在负荷快速变化过程中，难以有效进行控制。
5.(3)煤质变化大导致的锅炉燃烧工况变化大，使锅炉不能工作在最佳的工况点导致锅炉效率与环保问题的产生。
6.大规模科学合理的开展现代火电机组优化控制一体化解决方案关键技术研究研究已是迫在眉睫的工作。针对机组目前存在的负荷升降速率低、调节精度差、抗扰动能力差以及主要被调参数波动幅度较大等问题，开发基于协调控制系统热工过程海量历史数据的弱稳态自动检测、扰动数据驱动的热控系统辨识以及具有自趋优特性的神经网络预测控制等关键技术，提高机组运行效率以及稳定工况和变工况下的控制品质，达到降低机组热耗、发电煤耗、节能减排的目的。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种用于火电机组的机组协调控制优化系统，包括：硬件系统以及软件系统，其中所述硬件系统包括冗余结构的计算服务器、冗余结构的交换机和组态监视站；所述冗余结构的计算服务器包括多台计算服务器以及opc服务器，所述计算服务器外部设置控制器、操作员站、dmn-router以及隔离网闸；所述软件系统包括由监控层和运算服务层组成的两层结构，所述监控层用于完成显示、操作、系统管理的功能，所述运算服务层完成数据通讯、数据处理、自动控制、历史数据存储的功能。
8.优选的，所述计算服务器能与不同的自动化系统相连接，能够根据统一的接口与不同自动化系统通信，所述接口为api函数、opc接口、tdi接口、以太网、rs-232或rs-485通讯接口，所述计算服务器通过两台工作于不同网段的交换机与上位连接，实现文件下装、指令下发、信息广播、在线调试功能，且上述通讯是双网段冗余的，主从计算服务器通过rs-232串口实现心跳信号的传输，下位计算服务器依据接收到的心跳信号识别自身身份为主站或从站、判定从站是否存在；所述计算服务器通过rs-485串口与现场dcs、传感器、执行器相连，计算服务器通过以太网与moxa卡硬接线卡件通讯；所述计算服务器通过vga接口连接调试终端。
9.优选的，所述用于火电机组的机组协调控制优化系统与原有自动化系统的连接方式包括：opc方式、平台专用的api函数方式或tdi方式。
10.优选的，所述软件系统中的软件包括：
11.a)系统管理软件
12.该软件作为一个系统访问的门户程序，始终运行于监控层电脑中，完成用户管理、任务调度、控制功能操作及系统时间管理功能，负责对控制器实时数据的采集、分类、存储，收集下位及上位各站的启停状态，并通过共享内存供组态监视站的其他程序使用，还有用户管理、启动其他程序、对控制器操作及系统对时功能；
13.b)数据库组态软件
14.所述数据库组态软件生成的数据库保存为两种形式，一种是需要下装到主控制器中的，另一种是是监控层的其他软件需要的；通过将数据库组态软件定义的主控制器数据库下装到主控制器中；
15.c)算法组态软件
16.符合iec61131－3标准编程语言的控制算法组态软件包采用标准的功能块图(fbd)语言实现控制策略组态，所述控制策略组态软件具有丰富的算法模块，包括适用于火电机组控制的功能块，通过选择算法模块和连线能方便地组成复杂的控制策略，能够进行编译，自动检查组态中的错误，可以在线调试和在线修改参数，便于工程师处理问题；
17.d)趋势显示软件
18.趋势软件包括实时趋势和历史趋势，趋势是多文档程序，每个文档即是一个趋势组，可以显示多条实时曲线，并可保存为相应文件，能够方便的进行趋势组的定义，包括曲线连接的数据点，上下量程，坐标轴、趋势时间范围，曲线颜色，能够灵活的进行数值轴操作，进行放大、压缩，每个历史趋势组可以定义多个历史数据点，并能够进行翻页、左移、右移、时间压缩、拉伸操作；
19.e)计算服务软件
20.用于完成数据处理、控制任务调度、实时数据传输、控制指令处理任务，计算服务软件采用多功能组设计模式，将不同的应用置于各自的功能组，避免互相之间发生干扰，平台的全部输入输出变量设计在同一功能组中，保持数据通讯接口的全局一致性。计算服务器应采用主备冗余设计；实施协调控制优化系统中的神经网络、预测控制、自抗扰控制器算法，具有高效性和实时运算性能，具备常规的手自动切换、自动跟踪、前馈输入等引脚端，模型优化参数、控制器参数输入窗口及相应功能；
21.f)历史数据库软件
22.历史数据的存储与处理采用组织硬盘文件的形式，历史数据库在专门的历史数据站运行。历史数据库应由以下几部分组成：周期记录：所有进入系统数据库的点均进入历史数据库，记录每秒点的变化。追忆记录；记录某个事件发生前后，指定时间内的数据变化；孤立事件记录：报警记录、记录系统数据库中标明需存盘的报警记录，每个月一个记录文件，历史数据库设计在计算服务站运行，所有进入系统数据库的点均进入历史数据库，记录每秒点的变化；
23.g)数据接口软件
24.开发一体化平台对外的统一数据接口，完成平台与外部系统的数据交互功能。
25.优选的，所述用于火电机组的机组协调控制优化系统通过使用modubus通讯与硬接线双冗余的形式将煤量，汽机调门指令、减温水门开度信号连接并传输给dcs。
26.优选的，所述用于火电机组的机组协调控制优化系统还包括：网络安全模块，所述网络安全模块通过单向的dmn-router与ovation dcs的所述opc服务器相连，不允许所述机组协调控制优化系统的数据向dcs侧传输；所述机组协调控制优化系统正常运行时与外界网络无物理通路，避免黑客或网络病毒入侵；所述机组协调控制优化系统全部电脑与功能无关的服务端口将全部被关闭。
27.优选的，所述机组协调控制优化系统发生故障后，故障信号的处理方式包括：
28.(1)系统无法正常打开：在初次使用之前，在系统中配置系统环境变量，变量名为datangpasdata，值为当前系统管理软件所在文件夹的路径；
29.(2)系统不正常退出：进入工程目录中的project文件夹，删掉sysdata和strategy文件夹里的全部内容，在进入系统之中，重新进行数据库和组态的配置；
30.(3)误操作报警：根据对话框的提示进行相应的操作。
31.(4)计算服务器启动时常见问题及处理方法：根据所弹出控制提示窗口出力。
32.本发明的目的还在于提供一种用于火电机组的机组协调控制优化方法，所述方法采用自抗扰控制器实施，所述自抗扰控制器包括三个组件：跟踪微分器，非线性状态反馈(非线性组合)，扩张观测器；其中跟踪微分器，用于保证输入量不要有跳变，便于实际系统实时跟踪；所述非线性状态反馈先用非线性函数对误差和误差的微分进行处理，之后再进行加权；所述扩张观测器是一个状态观测器，对输出的导数的导数，即加速度)也进行了观测。
33.优选的，所述自抗扰控制器还包括误差反馈部分，误差反馈是把原系统通过控制律设计改造成积分器级联的二阶系统，在改造过程中，补偿量综合考虑了系统内部扰动、外部扰动、模型不确定性。
34.优选的，所述机组协调控制优化方法在不改变原协调控制策略中的前馈设计方案的前提下，将锅炉主控和汽机主控分别换成adrc控制算法，来提高协调控制系统的解耦能力、设定值跟踪能力以及抗干扰性能。
35.本发明具有如下有益效果：
36.依托在锅炉优化控制、数值模拟技术、大数据分析等领域的技术积累，以发电企业多煤种掺烧试验为基础，结合锅炉燃烧全过程模拟方法和基于大数据的锅炉性能优化技术，开展一系列火电机组控制一体化关键技术研究，包括agc、一次调频控制策略研究，协调控制系统关键技术研究，机组主、再热汽温控制研究及火电机组一体化优化控制平台的开发研究等，从而形成用于火电机组的机组协调控制优化系统和方法。系统采用外挂的形式与电厂原dcs系统进行连接，在不影响原有dcs控制逻辑工作的基础上，采用高级控制算法将原逻辑实现功能接管至一体化平台进行优化运算，从而达到在不改动原有dcs控制逻辑的基础上提升机组控制品质的目的，既保障生产过程的安全可靠，又提升机组控制品质指标。
附图说明
37.图1为根据本发明提供的用于火电机组的机组协调控制优化系统结构图。
38.图2为根据本发明提供的计算服务器正常启动之后弹出控制提示窗口。
39.图3为根据本发明提供的adrc控制器原理示意图。
40.图4为根据本发明提供的采用adrc后的协调控制系统结构图。
41.图5为根据本发明提供的锅炉主控adrc的逻辑组态示意图。
42.图6为根据本发明提供的锅炉主控adrc的投切设计示意图。
43.图7为根据本发明提供的汽机主控adrc的逻辑组态示意图。
44.图8为根据本发明提供的汽机主控以限幅的增量new turb_out inc的形式进入原dcs逻辑中的原理示意图。
45.图9为根据本发明提供的协调控制优化系统的控制平台上位进程间共享内存示意图。
46.图10为根据本发明提供的协调控制优化系统的智能控制平台系统结构图。
47.图11为根据本发明提供的下位硬件结构示意图。
48.图12为根据本发明提供的已安装bright(boiler realtime intelligence on global harmonious technology)锅炉整体协调实时智能优化技术系统结构图。
具体实施方式
49.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
50.本发明提供的方法可以在如下的终端环境中实施，该终端可以包括一个或多个如下部件：处理器、存储器和显示屏。其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现下述实施例所述的方法。
51.处理器可以包括一个或者多个处理核心。处理器利用各种接口和线路连接整个终端内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器内的数据，执行终端的各种功能和处理数据。
52.存储器可以包括随机存储器(random access memory，ram)，也可以包括只读存储器(read-only memory，rom)。存储器可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令。
53.显示屏用于显示各个应用程序的用户界面。
54.除此之外，本领域技术人员可以理解，上述终端的结构并不构成对终端的限定，终端可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。比如，终端中还包括射频电路、输入单元、传感器、音频电路、电源等部件，在此不再赘述。
55.如图1所示，本实施例的目的在于提供一种用于火电机组的机组协调控制优化系统，包括：硬件系统以及软件系统，其中所述硬件系统包括冗余结构的计算服务器、冗余结构的交换机和组态监视站；所述冗余结构的计算服务器包括多台计算服务器以及opc服务器，所述计算服务器外部设置控制器、操作员站、dmn-router以及隔离网闸；所述用于火电机组的机组协调控制优化系统与原有自动化系统的连接方式包括：opc方式、平台专用的api函数方式或tdi方式；所述软件系统包括由监控层和运算服务层组成的两层结构，所述监控层用于完成显示、操作、系统管理的功能，所述运算服务层完成数据通讯、数据处理、自动控制、历史数据存储的功能，所述软件系统的软件包括：
56.a)系统管理软件
57.该软件作为一个系统访问的门户程序，始终运行于监控层电脑中。完成用户管理、任务调度、控制功能操作及系统时间管理等功能。负责对控制器实时数据的采集、分类、存
储，收集下位及上位各站的启停状态，并通过共享内存供组态监视站的其他程序使用。还有用户管理、启动其他程序、对控制器操作及系统对时功能。
58.b)数据库组态软件
59.数据库是平台的测点管理核心，它包含了整个控制平台系统所需要的所有数据。数据库组态软件生成的数据库保存为两种形式，一种是需要下装到主控制器中的，另一种是是监控层的其他软件需要的。通过将数据库组态软件定义的主控制器数据库下装到主控制器中。
60.c)算法组态软件
61.开发符合iec61131－3标准编程语言的控制算法组态软件包。采用标准的功能块图(fbd)语言实现控制策略组态。控制策略组态软件应具有以下性能：有丰富的算法模块，包括适用于火电机组控制的功能块。通过选择算法模块和连线能方便地组成复杂的控制策略。能够进行编译，自动检查组态中的错误。可以在线调试和在线修改参数，便于工程师处理问题。
62.d)趋势显示软件
63.趋势软件包括实时趋势和历史趋势。趋势软件应使用户可以直观地观察某些动态数据在指定时间段内的变化趋势。趋势应是多文档程序，每个文档即是一个趋势组，可以显示多条实时曲线，并可保存为相应文件。能够方便的进行趋势组的定义。包括曲线连接的数据点，上下量程，坐标轴、趋势时间范围，曲线颜色等。能够灵活的进行数值轴操作，进行放大、压缩等。每个历史趋势组可以定义多个历史数据点。并能够进行翻页、左移、右移、时间压缩、拉伸等操作。
64.e)计算服务软件
65.计算服务软件是下位的核心软件，完成数据处理、控制任务调度、实时数据传输、控制指令处理等任务。计算服务软件应采用多功能组设计模式，将不同的应用置于各自的功能组，避免互相之间发生干扰。平台的全部输入输出变量宜设计在同一功能组中，保持数据通讯接口的全局一致性。为保证平台的高可用性，计算服务器应采用主备冗余设计。
66.智能协调控制系统中的神经网络、预测控制、自抗扰控制器等算法，具有高效性和实时运算性能，具备常规的手自动切换、自动跟踪、前馈输入等引脚端，模型优化参数、控制器参数输入窗口及相应功能.
67.f)历史数据库软件
68.历史数据的存储与处理采用组织硬盘文件的形式。由于历史数据库需要较多的读写硬盘操作和网络数据传输，为不影响其它软件的工作，应采用独立进程进行历史数据管理。历史数据库在专门的历史数据站运行。历史数据库应由以下几部分组成：周期记录：所有进入系统数据库的点均进入历史数据库，记录每秒点的变化。追忆记录；记录某个事件发生前后(逻辑量变化)，指定时间内的数据变化。孤立事件记录：报警记录、记录系统数据库中标明需存盘的报警记录，每个月一个记录文件。历史数据库设计在计算服务站运行。所有进入系统数据库的点均进入历史数据库，记录每秒点的变化。为防止对计算服务产生影响，计算服务站上的历史数据保留的时间不宜过长，但最少要保留最近1个月内的数据。
69.g)数据接口软件
70.开发一体化平台对外的统一数据接口，完成平台与外部系统的数据交互功能。本
平台的数据接口包括：opc客户端软件、国电智深tdi接口软件和平台接口函数三种形式。
71.系统的总体性能如下：
72.(1)持续工作时间：系统能不间断持续工作，除进行必要的维护而关闭外。
73.(2)维护关闭时间：报价人应指明系统维护需关闭的时间，每次因维护连续关闭时间不得超过4小时，每年累计关闭时间不得超过8小时，所有维护需在非工作时间进行，并且不能影响正常工作需要。有效工作时间：系统应保证99.9％的时间按设计工作时间正常运行。
74.(3)软件在实施前经过完整的测试，以保证上线系统的可靠、稳定运行。日常硬件维护不应影响正常的系统运行。因特殊原因导致的性能问题，最后性能的验收由用户的可接受度为标准。
75.(4)数据弱稳态自动检测的准确度：大于99％辨识模型的泛化准确度：大于90％协调控制的各项控制参数指标不小于以下标准：dl/t 657-2015《火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》，dl/t1492.2-2016火力发电厂优化控制系统技术导则第2部分：协调及汽温优化控制系统验收测试。
76.作为优选的实施方式，所述用于火电机组的机组协调控制优化系统通过使用modubus通讯与硬接线双冗余的形式将一些重要信号包括煤量，汽机调门指令、减温水门开度等信号连接并传输给dcs。
77.作为优选的实施方式，所述用于火电机组的机组协调控制优化系统还包括：网络安全模块，所述网络安全模块通过单向的dmn-router与ovation dcs的所述opc服务器相连，不允许所述机组协调控制优化系统的数据向dcs侧传输；所述机组协调控制优化系统正常运行时与外界网络无物理通路，避免黑客或网络病毒入侵；所述机组协调控制优化系统全部电脑与功能无关的服务端口将全部被关闭，如http服务的80端口，telnet服务的23端口等。
78.作为优选的实施方式，所述机组协调控制优化系统发生故障后，故障信号的处理方式包括：
79.(1)系统无法正常打开：在初次使用之前，在系统中配置系统环境变量，变量名为datangpasdata，值为当前系统管理软件所在文件夹的路径；否则系统会无法打开。
80.(2)系统不正常退出
81.如果之前的步骤都做完了之后，发现进入系统数据库管理或者控制策略管理的时候闪退或者有未知错误的时候，有可能是之前的组态和数据库文件出现了位置的兼容问题，这时候请进入工程目录中的project文件夹，删掉sysdata和strategy文件夹里的全部内容，在进入系统之中，重新进行数据库和组态的配置。
82.(3)误操作报警
83.对于大部分的错误来说是有对话框消息提示的，这时就根据对话框的提示进行相应的操作就可以。
84.(4)计算服务器启动时常见问题及处理方法，如图2所示，计算服务器正常启动之后弹出控制提示窗口。其中：
85.iptail_num表示启动的功能组组号，也是该进程使用的ip地址末位。the system role is turned to表示系统角色，default_role未定义，master_alone_role角色为主站，
且备站不存在master_twins_role角色为主站，且备站存在slave_role角色为从站。sama and data file ftp mode表示sama和数据库文件采用ftp协议由上位传到下位。realtime_set success表示下位与上位对时成功，没有成功报警realtime_set faliled，启动上位机即可解决。master power on delete sama and data file表示主站删除sama和数据库文件。file_status_check:sama and data file both exist表示检查到该计算服务器的sama和数据库文件。the system status is turned to file_wait_status表示该进程处于等待文件接收状态，此时系统会处于阻塞状态，等待上位机传输sama和数据库文件。recv＝fdwn0表示当上位传输完sama和数据库文件之后，系统会收到fdwn0的命令字。the system status is turned to forbid_commend_status表示系统状态切换为禁止命令下午。begin to read sama/data file read sama/data file success表示开始读取sama和数据库文件，并读取成功，如果没有成功，一般是模块的参数不匹配，或者上下位模块序号有偏差。the system status is turned to run_status表示系统处于正常运行状态begin to ftp to slave ftp finish表示当备站存在时，主站会给从通过ftp传输sama和数据库文件。
86.本发明的目的还在于提供一种用于火电机组的机组协调控制优化方法，所述方法采用面向协调控制系统的数据驱动优化与智能控制技术，基于协调控制系统热工过程海量历史数据的弱稳态自动检测、扰动数据驱动的热控系统辨识算法以及具有自趋优特性的子抗扰控制、预测控制等关键技术，提高机组运行效率以及稳定工况和变工况下的控制品质，达到降低机组热耗、发电煤耗、节能减排的目的。
87.该方法采用adrc控制器实施，adrc，全称叫做active disturbance rejection control，中文名是自抗扰控制技术，继承了经典pid控制器的精华，对被控对象的数学模型几乎没有任何要求，又在其基础上引入了基于现代控制理论的状态观测器技术，将抗干扰技术融入到了传统pid控制当中。
88.如图3所示为adrc控制器原理图。adrc控制器包括三个组件：跟踪微分器，非线性状态反馈(非线性组合)，扩张观测器；其中跟踪微分器，用于保证输入量不要有跳变，便于实际系统实时跟踪；所述非线性状态反馈实际上是pd控制的进阶版本，pd控制计算控制律的方法是线性加权的，而非线性反馈则先用了非线性函数对误差和误差的微分进行处理，之后再进行加权；所述扩张观测器(eso)是一个状态观测器，一般观测器仅观测系统的状态，只有输出和输出的导数(速度)，但是这里对输出的导数的导数(加速度)也进行了观测，这里也就是所谓的扰动，对扰动进行了观测。观测器的状态量也由此扩张了一维，因此叫做扩张观测器。
89.adrc控制器还包括误差反馈部分，误差反馈是把原系统通过控制律设计改造成积分器级联的二阶系统，这样即使是最普通的pd控制器也可以对其进行控制。在这个改造过程中，补偿量u0综合考虑了系统内部扰动、外部扰动、模型不确定性等等。
90.作为优选的实施方式，所述机组协调控制优化方法在不改变原协调控制策略中的前馈设计方案的前提下，将锅炉主控和汽机主控分别换成adrc控制算法，来提高协调控制系统的解耦能力、设定值跟踪能力以及抗干扰性能。优化后的控制系统结构如图4所示。其中，adrc1为锅炉主控，adrc2为汽机主控。p0和n0分别为机前压力设定值和功率设定值，μb为燃烧率，μ
t
为汽机调门开度，p
t
为机前压力，n为实际功率。根据带模型信息补偿的adrc原理，
对锅炉主控的adrc1逻辑组态与无扰切换逻辑设计如图5所示。其中的pid模块的作用仅是积分和跟踪两个作用，其无扰切换逻辑即bumpless switching逻辑。
91.为了确保优化过程的平稳性，计算出来的锅炉主控以限幅约束的增量new bm_out inc形式进入原dcs逻辑中，选择逻辑切入点，具体设计如图6所示。其中opti_on为协调优化模块投入标志。
92.汽机主控的adrc2逻辑组态与无扰切换逻辑设计如图7所示。由于以汽机主控pid的输出点为优化逻辑切入点，所以较之锅炉主控adrc1的逻辑中少一些前馈量的设计。
93.一体化平台计算出来的汽机主控以限幅的增量new turb_out inc的形式进入原dcs逻辑中，具体设计如图8所示。
94.dcs侧协调切除条件如下：
95.·
汽机主控自动切除
96.·
锅炉主控自动切除；
97.·
lc卡通讯故障；
98.·
心跳信号异常；
99.·
协调优化功能组异常；
100.·
锅炉主控指令品质坏；
101.·
锅炉主控优化通讯指令和硬接线指令偏差＞1；
102.·
汽机主控指令品质坏；
103.·
汽机主控优化通讯指令和硬接线指令偏差＞1
104.·
rb
105.·
不在锅炉跟随协调模式
106.机组协调控制优化系统开发主要包括两大部分内容：一是开发一套一体化智能控制平台系统，平台采用系统外挂的形式与电厂原dcs系统进行连接，作为所辖优化模块的运行平台和载体，为所辖优化模块提供数据采集、数据存储、模块集成、控制应用、主备冗余、数据发布等功能，平台系统采用高性能机架式服务器，能够满足大数据处理、人工智能建模、智能寻优算法的计算需要，平台支持多种通讯方式能够满足各优化模块以及外部优化系统的数据需求；系统中的计算服务器、现场控制站均采用主备冗余配置，能够实现系统自身主备间的无扰切换、平台系统与机组dcs控制系统间的无扰切换。该平台系统为机组所有参与闭环控制的优化模块提供集成环境与搭载平台，所有参与机组闭环控制、优化结果需要回送原dcs的相关优化模块均搭载该平台之上，与预防性维护平台一同作为智慧电厂建设的2大重要组成部分之一；二是项目所辖优化模块的开发，主要包括机组协调系统优化控制模块、机组主再热汽温控制优化模块、机组凝结水节流蓄热补偿模块开发以及机组燃烧优化模块等已有优化模块的移植升级搭载开发。
107.(一)总体原则
108.开放性：能与不同的自动化系统相连接，系统开发完毕后，能够根据统一的接口与不同自动化系统通信，一体化智能控制平台有多种对外数据接口形式，可以是api函数，opc接口，tdi接口等。
109.通用性：软件上使用模块化编程，尽可能使用通用的技术规约和协议。
110.集成性：系统具备冗余计算服务器。在技术实现上尽可能使用成熟技术集成，如以
太网技术、通用工业控制计算机等。
111.优化能力：软件便于复杂回路，能够提供一些高级的控制功能和优化功能。组态设计软件的开发使用软件工程模式，从管理的层面保证软件的可靠性。
112.(二)设计思路
113.1、上位设计思路
114.上位平台利用mfc语言搭建人机交互界面，提供工程师站和操作员站的各项功能。在vs2017平台上借助微软提供的windows sdk，可以实现上位平台在win10系统上的完美兼容。同时借助pc机的双网卡配置，实现双网段的冗余，保证在线命令下发和在线接收下位广播参数的可靠性。此外，在上位平台上利用共享内存，通过严谨的数据结构，实现各进程之间数据的共享与交互，保证数据的高效读写。
115.2、下位设计思路
116.下位平台即计算服务器，由高运算能力处理器芯片、内存、固态硬盘以及串口、网口、usb口、vga口等输入输出接口组成，计算服务器、网口、电源、通讯串口、交换机等设备均采用双冗余配置，内部运行windows server操作系统，在windows平台上通过vs2017远程对目标机进行编程调试，最终实现sama运算、数据点通讯、广播、指令下发、主从冗余、文件下装等功能。按照硬件架构设计、硬件设备选型、操作系统选型、开发环境选定、数据结构设计、软件架构设计、功能实现的开发次序进行设计完善。
117.3、上下位交互
118.一体化智能控制平台采用ftp协议进行文件下装。在上位系统进行离线组态之后，需要将控制策略文件和数据库文件下装到下位系统。采用ftp作为传输协议，可以支持跨平台传输数据，提高系统的可移植行。一体化智能控制平台采用tcp协议进行在线命令下发。上位通过tcp报文的方式将系统指令下发给下位，保证命令下发的可靠性和稳定性。一体化智能控制平台采用udp协议进行在线参数广播。下位通过udp报文的方式将运行结果和现场参数广播给上位，支持多套下位同时在线运行，保证数据传输的实时性和高效性。
119.(三)上位主要内容
120.1、开发环境选定
121.一体化智能控制平台选用win10平台。为了保证软件的实用性，一体化智能控制平台上位程序基于微软官方提供的最新编译器vs2017，可以选择可执行程序宿主系统的sdk包，大大提高了软件的可移植行，解决了一体化智能控制平台在面对操作系统升级所遇到的兼容性问题。
122.2、数据结构设计
123.上位采用共享内存作为各进程之间通讯的方式。系统管理软件根据一体化智能控制平台的数据信息，开辟共享内存文件，并将下位广播来的信息写入到内存当中。其他软件如监控画面运行、趋势显示软件、控制策略管理、数据库组态软件，负责映射共享内存到各自程序空间，以此进行数据的读取和更新。一体化智能控制平台上位进程间共享内存示意图如图9所示。
124.共享内存中的数据是结构体数组的形式。数据内容主要包括功能组信息、通讯点信息、模拟量信息以数字量信息，其中卡件信息结构体数组又是功能组信息结构体的成员属性。
125.3、功能实现
126.如图10所示，设计一套基于开放结构的一体化智能控制平台系统，与电厂现有的dcs软件相连接，从现有dcs中获取生产数据，经过复杂及智能优化运算后，送回原dcs系统，达到优化dcs的效果。依托一体化智能控制平台，设计通用的热工自动化系统移植方案，以实现现有自动化系统向平台的移植。研究开发先进控制策略，实现对电厂协调控制系统的优化，提升其性能指标。
127.本一体化平台系统的硬件，包括系统电源(2n冗余)、一对冗余控制计算服务单元、一对冗余交换机。
128.计算服务单元有高运算处理性能及集成冗余以太网功能的服务器，安装windows server操作系统，支持1：1冗余热备。
129.通讯：有冗余工业以太网通讯口与主控通讯网相连，》＝100mbps。
130.扫描速率：控制计算服务单元最小扫描周期100ms，基于最小扫描周期，控制器可设定不同控制周期。
131.一体化智能控制平台设计为由监控层和运算服务层组成的两层结构。监控层(也称为“上位”)完成显示、操作、系统管理等功能。运算服务层完成数据通讯、数据处理、自动控制、历史数据存储等功能。一体化智能控制平台由一系列的软件组成。该软件作为一个系统访问的门户程序，始终运行于监控层电脑中。完成用户管理、任务调度、控制功能操作及系统时间管理等功能。负责对控制器实时数据的采集、分类、存储，收集下位及上位各站的启停状态，并通过共享内存供组态监视站的其他程序使用。还有用户管理、启动其他程序、对控制器操作及系统对时功能。
132.开发基于协调控制系统热工过程海量历史数据的弱稳态自动检测、扰动数据驱动的热控系统辨识算法以及具有自趋优特性的子抗扰控制、预测控制等关键技术，提高机组运行效率以及稳定工况和变工况下的控制品质，达到降低机组热耗、发电煤耗、节能减排的目的。开发标准化的接口与框架，制定传统自动化应用软件的监、控分离架构设计，高可用性设计，以及一体化智能控制平台容器化设计等方案，并完成燃烧优化系统bright、锅炉在线测温、主再热汽温优化等系统的相关程序移植工作。
133.(四)下位主要内容
134.1、硬件架构设计
135.下位平台由工控设备或定制平台构成，其内部运行windows server操作系统，进行数据处理与计算工作，完成下位控制系统的核心功能。计算服务器配合空开、电源模块、以太网交换机等共同构成下位的硬件组成架构。运行现场存在着大量的干扰以及不确定性因素，出于设备正常稳定运行的考虑，计算服务器所有硬件均采用冗余备份处理方式进行，即所有的物理设备都包含两套。运行过程中，处于实时运算状态的设备称为主站，另一设备处于跟踪状态，称之为从站。主站主要负责控制算法、逻辑组态以及数据的广播和备份功能；从站则主要负责接收主站实时传送的系统状态数据以及判断主站的运行状态，当主站死机时，从站立即做出反应切换到主站状态，从而保证工程现场系统的稳定运行。图11为下位硬件架构示意图。
136.计算服务器能与不同的自动化系统相连接，能够根据统一的接口与不同自动化系统通信，可以是api函数，opc接口，tdi接口等；拥有以太网、rs-232和rs-485等通讯接口，丰
富的外设接口便于计算服务器与上位机软件、现场dcs、现场传感器执行器模块，以及其他自动化系统之间进行数据交互。
137.其中计算服务器通过两台工作于不同网段的交换机与上位连接，实现文件下装、指令下发、信息广播、在线调试等功能，且上述通讯是双网段冗余的，确保上下位调试过程的可靠性。
138.主从计算服务器通过rs-232串口实现心跳信号的传输，下位计算服务器依据接收到的心跳信号识别自身身份(主站或从站)、判定从站是否存在。
139.计算服务器通过rs-485串口与现场dcs、传感器、执行器，其他自动化系统等相连，确保数据实时通讯，计算服务器也可通过以太网与moxa卡等硬接线卡件通讯，确保了通讯形式的多样化。
140.计算服务器通过vga接口连接调试终端，打印调试信息，方便设计人员进行设备功能调试与检测，同时编写软件的集成开发环境(ide)也可通过以太网对下位程序进行调试，保障了开发过程的高效性。
141.2、操作系统选型
142.经过前期市场调研，windows操作系统市场占有率较大，是近年来的研究热点，目前正在开发的工业控制系统中，绝大多数的项目依然选择windows server操作系统，其具有如下优势：
143.windows server形成久远，发展迅速，到目前为止技术已经相当成熟，并且可以得到大量的技术支持，对各类硬件的支持性好；
144.windows server内核小，效率高，内核更新速度快，性能稳定，裁剪性很好，开发和使用都很容易；
145.windows server界面整洁干净，管理工具方便实用，可以极大的减少开发时对系统的适应及设置时间。
146.(4)windows server内核具有强大的网络功能，具有内置的tcp/ip协议栈，可以提供ftp、ppp等多种网络服务；
147.虽然windows server系统的跨平台性较linux系统低一些，但是足以满足下位运算的需求，同时windows server系统具有稳定性好、生命力强、适应平台广的优点，对于加大一体化智能平台的推广应用、降低生产成本、提高平台通用性、扩大系统生命周期具有重要意义。
148.3、硬件设备选型
149.计算服务器选择华为2288h v5 main server chassis服务器，该产品采用英特尔xeon(至强)gold 5122四核3.6ghz处理器，32g内存，2t硬盘。运行windows 2012 r2 server 64位操作系统，可为各个模块提供成熟的驱动程序。
150.工程师站选用奔腾3.0g双核cpu，8g内存，2.2t硬盘。运行windows7 32位操作系统。
151.4、开发环境选定
152.选定一款功能强大的集成开发环境(ide)对于提高开发效率具有重要意义，经过前期的调研，从调试的便利性角度进行考虑，最终选定了visual studio2017开发，即在vs2017中对程序进行编写，在调试时，直接在目标机中安装vs2017，然后传入代码，直接运
行调试。该种开发方式可以享受vs2017强大的代码管理能力和强大的代码调试功能，进行多线程程序的单步调试，极大提升开发效率。
153.5、数据结构设计
154.下位数据结构采用面向对象开发的思路进行设计，即将每一类型模块或每一类型数据点看做一个“类”，每种“类”都是由变量和算法两部分构成，以sama模块为例，每一类型的sama模块变量代表了模块有哪些属性信息，算法存储了模块的相关方法。
155.(1)sama模块数据结构
156.每一类sama模块的变量均由三部分构成：
157.a.基本变量。指所有类型的sama模块都具有的变量，如模块的id号、模块的输入输出引脚信息等；
158.b.参数变量。指模块运行所需要的一些参数，如pid控制模块的比例增益、积分增益、输出上下限等参数，该类型的参数是由上位软件在操作面板中设定并可在线更改的，该类型参数涉及到sama参数的在线修改、参数广播等功能；
159.c.中间变量。指模块计算过程中产生的一些中间变量，如pid模块的历史积分累加值，该类型的变量不可被上位设置，其数值主要是由运算过程实时产生，并会利用到接下来的运算中，该部分的参数涉及到主从站备份等功能；
160.因此，在设计sama模块变量的数据结构时，以结构体的形式来区分三类变量，每类型的变量都写为一个结构体，其中基本变量的结构体类型是所有模块公用的，参数变量与中间变量的结构体类型为各自模块自行定义，提高了代码的移植性，同时变量归类更加规整，在程序实现过程中避免了一些不必要的编写错误，提高了代码的可靠性。
161.每一类sama模块由运算、参数广播、参数更改、主从备份、指令处理等方法组成，不同类型模块的上述方法均不相同，同一类型模块的方法都是相同的，充分体现了面向对象编程的思想。
162.(2)数据点类型数据结构
163.每一类型数据点的变量均由四部分构成：
164.a.每“个”数据点的基本变量。指所有类型的每个数据点都具有的变量，如数据点的id号、数据点的输入输出通道信息等，每个数据点类型的这些基本变量值都是不同的；
165.b.每“类”数据点公有变量。指某一类型的数据点所共享的变量，如opc通讯无论增加几套卡件，都是共用一个串口进行通讯，因此串口的波特率、数据位等信息是所有opc卡件公有的一套属性，是针对这类卡件定义的，而不是针对每一个卡件；
166.c.每“个”数据点可调参数变量。指数据点运行所需要的一些参数，且这些参数是允许在线修改的；
167.d.每“个”数据点不可调参数变量，指数据点运行所需要的一些参数，且这些参数是不允许在线修改的；
168.每一类数据点由通讯、通道广播、参数更改、主从备份、指令处理等方法组成，不同类型数据点的上述方法不同或个别相同，同一类型模块的方法都是相同的，充分体现了面向对象编程的思想。
169.(3)数据结构设计思路
170.基于上述面向对象编程思路设计的模块及卡件数据结构，采用单向链表的形式存
储模块及卡件信息，每一类型模块、数据点均形成一个链表，在模块和数据点的公共变量结构体中存储下一节点的地址，当增加模块或卡件时，以动态开辟的方式为元素属性和方法开辟内存，并将当前链表的尾元素中存储的下一节点指向刚刚开辟的元素位置。
171.(4)设计优势
172.采用上述数据结构设计方法将每一个模块及卡件的属性进行了有效分类，分类后，对于操作基本变量的一些过程如卡件通道广播、sama在线调试模块引脚状态广播等，都可采用同一处理方法进行实现，大大节约了代码量，保证了设计思路的清晰简洁，保障了程序的可靠性。
173.采用链表存储信息的方式，方便了对模块的增、删、改操作，方便了增量下装等过程的实现，降低了代码的复杂度。
174.6、软件架构设计
175.软件由操作系统和应用软件两部分组成。其中主要实现的是应用软件部分，操作系统部分则直接采用了windows server操作系统。
176.软件设计部分包括i/o模块、全局数据和应用层模块三大部分。i/o模块实现与现场设备之间的数据交互功能；全局数据起到计算服务器数据库的作用，负责存储计算服务器运行过程中的全局变量；应用层模块的设计又可细分为文件解析、上下位交互、模块算法和主从通讯等功能。
177.软件部分采用多线程时间片轮转实时调度策略实现各项功能的协调运行，采用全局数据的形式构建控制站数据库，具体功能如下：
178.(1)i/o模块
179.a.硬件驱动(bsp层)
180.i/o通讯依赖于具体的输入输出设备，本套计算服务器通过rs-232、rs-485、以太网等硬件i/o设备与上位或现场设备、卡件进行通讯，硬件驱动层负责驱动相关i/o设备正常运转，为应用层编程人员提供好通用接口，不同硬件平台对应的bsp层驱动需进行独立设计，保证应用层程序可移植于不同硬件平台间。
181.b.通讯协议
182.通讯协议为组织报文的固定形式，在本计算服务器中，用到了opc与tdi通讯协议，依托以太网接口，与其他设备进行数据通讯。
183.通讯得到的数据存储在全局数据中。
184.(2)全局数据
185.计算服务器sama模块的参数、卡件参数、相关值都以全局变量的形式进行存储，该部分相当于下位的数据库，下位与现场和上位交互得到的数据存储在数据库中，运算或通讯需要的一些数据从数据库中读取。
186.全局数据(数据库)将下位中硬实时运算部分(sama模块)与软实时运算部分(通讯卡件)有效沟通，结合多线程工作的方式，实现了运行过程的有序稳定。
187.(3)应用层模块
188.a.文件下装
189.上位通过ftp协议将数据库与sama下装文件下发给下位，下位对文件进行解析，根据解析结果对算法逻辑进行初始化。数据库下装文件包括系统基准周期、通讯数据点类型、
通道数量、通道类型、通道属性等参数；sama下装文件包含了运算模块的种类和数量、连接关系、初始化输入输出数值、内部运算参数等数据。文件按照上位与下位约定好的格式进行分解，使下位在内部生成对应的模块或卡件并赋值。
190.此外计算服务器还支持增量下装功能，即通过新的下装文件与旧下装文件形成比较文件，下位对下装得到的比较文件进行解析，得到要新增的模块或卡件信息以及要删除的模块或卡件信息。
191.在下装前，上位先通过tcp协议发送指令给下位，下位进入相应的等待下装状态，并等待文件下装结束后进行解析。
192.b.上下位交互
193.上下位交互通过udp和tcp两种协议完成，udp用于各类信息的广播，tcp用于上位指令的下发。
194.广播的各类信息用于上位对下位运算状态、实时情况进行显示，通过多线程的方式进行实现，在每一个线程中面向某一特定端口广播指定内容。
195.c.模块算法
196.模块算法包含了大量的算法模块组，例如信号发生器算法(阶跃信号、正弦信号等等)、线性算法(常系数、纯迟延、积分器等等)、逻辑算法(逻辑与或非模块、rs触发器、d触发器等等)和控制算法(pid算法、2输入平衡算法、模拟手动站算法、多模型dmc算法等等)。模块算法的统一管理利于软件的整体运行和漏洞的发现与纠正。
197.各模块按照上位下发的运算顺序结合自身运算周期进行运算，保证了逻辑运算过程的硬实时性，正确的运算顺序保证了模块之间传递顺序的正确性。
198.d.主从备份
199.两台计算服务器一台负责运算，称之为主站，另一条处于跟踪状态，称之为从站，主从站之间通过rs-232串口互相收发报文来判定当前站的身份(主站或从站)以及从站是否存在。
200.主从备份用于主站与从站之间的数据备份，信息通过以太网接口依托udp协议传输。运行过程中，存在着大量的模块中间数据，主从备份通过实时发送主站数据给从站的方式，实现从站对主站运算状态的跟踪，确保当主站发生死机情况时计算服务器能够及时切换到从站运行，保证工程现场的安全稳定。
201.图12所示为本实施例已安装bright(boiler realtime intelligence on global harmonious technology)锅炉整体协调实时智能优化技术系统结构图。原有dcs通过opc与协议方式与艾默生dcs进行通讯，并将结果通过串口卡回送至7号机组dcs，对设备进行控制，实现对二次风量的闭环控制。目前此bright平台软件下辖三个模块，分别为燃烧优化模块，在线测温模块及配煤掺烧模块。从而解决如下问题：
202.1、运行边界模糊：设备安全边界模糊、机组经济边界不清、锅炉燃烧状态不明；
203.2、优化缺乏统筹：环保与节能的诉求互相制约、优化调整仅仅依靠人工经验、掺配与燃烧各环节无法同时兼顾；
204.3、锅炉整体性能变差：燃烧效率低下、设备出力首先、锅炉运行无法保持较优状态。
205.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造
性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。