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摘要：塔式光熱發(fā)電站由于鏡場(chǎng)設(shè)備眾多且分布范圍較大，動(dòng)輒成千上萬(wàn)面定日鏡，單面定日鏡通常有上百個(gè)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和數(shù)十個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要有效管理和監(jiān)控，這對(duì)于常規(guī)的分散控制系統(tǒng)很難滿足監(jiān)控要求。提出以先進(jìn)的通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和Web技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建通信和數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，在操作員站可通過(guò)瀏覽器來(lái)全局、成組和個(gè)別監(jiān)控和操作設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和有效管理設(shè)備參數(shù)等。

塔式光熱發(fā)電是太陽(yáng)能利用的重要方式，具有更高的熱效率和聚光比等優(yōu)點(diǎn)［1］。塔式太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)是一種適合大規(guī)模發(fā)電的新能源利用方式，發(fā)展前景廣闊，其中，由定日鏡場(chǎng)和其控制系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備組成的定日鏡場(chǎng)子系統(tǒng)是整個(gè)電站的前端，其性能和效率對(duì)電站的運(yùn)行和發(fā)電產(chǎn)出都有很大影響［2］。在此以某塔式光熱發(fā)電廠的定日鏡場(chǎng)為研究對(duì)象，該定日鏡場(chǎng)有4400面定日鏡，其中每面定日鏡由一個(gè)S7-1200 PLC控制，有非實(shí)時(shí)參數(shù)150個(gè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)模擬量16個(gè)（其中有數(shù)十個(gè)開關(guān)量打包為模擬量）。為了有效地組織和管理這種大量的數(shù)據(jù)通信，本文在PLC中以開放式通信協(xié)議開發(fā)TCP通信客戶端，在服務(wù)器端以Java開發(fā)基于TOMCAT后臺(tái)Web服務(wù)，以Netty實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信任務(wù)，以WebSocket實(shí)現(xiàn)后端數(shù)據(jù)向前端頁(yè)面的主動(dòng)推送，以HTML5實(shí)現(xiàn)前端顯示與操作，以MySQL實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，構(gòu)成一套Web應(yīng)用服務(wù)?？赏ㄟ^(guò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)定日鏡場(chǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)的總體概覽與成組操作、單面定日鏡的詳細(xì)狀態(tài)顯示與操作。

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關(guān)鍵技術(shù)

Netty是一款基于NIO（Nonblocking I/O，非阻塞IO）開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)通信框架，基本模式設(shè)計(jì)為異步、事件驅(qū)動(dòng)的模式，可用于快速開發(fā)高性能、高可靠性的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架。HTML5標(biāo)準(zhǔn)融合了HTML、JavaScript、CSS、WebSocket等多種先進(jìn)的頁(yè)面技術(shù)，使得頁(yè)面內(nèi)容更豐富多彩，同時(shí)又有良好的實(shí)時(shí)性能和人機(jī)交互體驗(yàn)。Jquery是一個(gè)快速、簡(jiǎn)潔的JavaScript框架，它封裝JavaScript常用的功能代碼，提供一種簡(jiǎn)便的JavaScript設(shè)計(jì)模式，優(yōu)化HTML文檔操作、事件處理、動(dòng)畫設(shè)計(jì)和Ajax交互［3］。

WebSocket是HTML5開始提供的一種在單個(gè)TCP連接上進(jìn)行全雙工通信的協(xié)議，使客戶端和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換變得更加簡(jiǎn)單，允許服務(wù)器主動(dòng)向客戶端推送數(shù)據(jù)，能更好地節(jié)省服務(wù)器資源和帶寬，并且實(shí)時(shí)性能更好［4］。

2

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以Siemens PLC 1200作為分布式設(shè)備的控制器，通過(guò)光纖和路由器等連接至集中監(jiān)控室。通過(guò)Siemens PLC 1200的開放式通信接口組態(tài)TCP連接客戶端。通信服務(wù)器開放端口監(jiān)聽連接，有連接時(shí)建立連接接受并處理數(shù)據(jù)。Web服務(wù)器則將數(shù)據(jù)推送至Web頁(yè)面展示給用戶，用戶再根據(jù)各種工況在Web頁(yè)面上做出相應(yīng)的操作，指令由Web頁(yè)面?zhèn)骰豔eb服務(wù)器，然后服務(wù)器以TCP協(xié)議送給相應(yīng)設(shè)備的控制器去執(zhí)行任務(wù)，并反饋執(zhí)行結(jié)果。

3

關(guān)鍵功能模塊

3.1基于Netty的TCP通信服務(wù)器

通信服務(wù)器負(fù)責(zé)與各PLC通信，收集各定日鏡的數(shù)據(jù)，并發(fā)送來(lái)自人機(jī)界面的指令與參數(shù)。通信服務(wù)器與各PLC間的通信由基于Netty的TCP服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。消息由長(zhǎng)度、功能碼和數(shù)據(jù)組成，在服務(wù)器端通過(guò)實(shí)現(xiàn)消息解碼器來(lái)解決粘包/拆包問(wèn)題，再根據(jù)功能碼做出相應(yīng)的動(dòng)作，如存檔、推送到前端頁(yè)面顯示等。對(duì)于從人機(jī)界面來(lái)的指令和數(shù)據(jù)以同樣的消息結(jié)構(gòu)封裝后再發(fā)送給相應(yīng)PLC。另外Netty中可以通過(guò)將IdleStateHangler類添加進(jìn)Channel的PipeLine中，實(shí)現(xiàn)指定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有讀或?qū)憰r(shí)向?qū)Ψ桨l(fā)送心跳包。

3.2邏輯處理功能

系統(tǒng)需處理各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和用戶操作指令、自動(dòng)聚焦散焦、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和參數(shù)管理等任務(wù)。

1）參數(shù)管理模塊的主要功能包括：批量上傳下載定日鏡參數(shù)表，并管理定日鏡參數(shù)表上傳下載變更記錄等。

2）歷史與報(bào)警模塊。

3）定日鏡校正模塊。定日鏡由于安裝或運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種偏差而不能精準(zhǔn)地把反射的光斑定位在集熱區(qū)，所以要定期校正偏差并管理。為了確保太陽(yáng)能的高效利用和轉(zhuǎn)化，并降低運(yùn)維成本，校正系統(tǒng)需要做到：全鏡場(chǎng)自動(dòng)校正，無(wú)需值守，實(shí)時(shí)精確跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡，自動(dòng)檢查精度，自動(dòng)重新校正，滿足長(zhǎng)期跟蹤精度要求。該模塊動(dòng)態(tài)計(jì)算當(dāng)前太陽(yáng)位置結(jié)合定日鏡參數(shù)，通過(guò)光斑計(jì)算模塊得出的光斑物理坐標(biāo)計(jì)算出定日鏡方位角和俯仰角，與定日鏡當(dāng)前方位角和俯仰角之差為定日鏡新的方位角校正值偏差和俯仰角校正值偏差，偏差加入原校正值作為新的校正值送給定日鏡。

4）定日鏡自動(dòng)對(duì)焦與散焦模塊。該模塊需實(shí)現(xiàn)下述不同工況下整個(gè)定日鏡場(chǎng)的總體對(duì)焦與散焦功能如表1所示。實(shí)現(xiàn)定日鏡的隨機(jī)數(shù)（優(yōu)先級(jí)）生成算法，結(jié)合排序算法來(lái)滿足定日鏡的隨機(jī)調(diào)度要求，實(shí)現(xiàn)定日鏡的排序算法，定日鏡可以按照其優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，也可以按照特定的要求，比如其與某個(gè)特定點(diǎn)距離進(jìn)行排序，局部云層遮蓋判斷等。

塔式光熱發(fā)電站由于鏡場(chǎng)設(shè)備眾多且分布范圍較大，動(dòng)輒成千上萬(wàn)面定日鏡，單面定日鏡通常有上百個(gè)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和數(shù)十個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要有效管理和監(jiān)控，這對(duì)于常規(guī)的分散控制系統(tǒng)很難滿足監(jiān)控要求。提出以先進(jìn)的通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和Web技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建通信和數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，在操作員站可通過(guò)瀏覽器來(lái)全局、成組和個(gè)別監(jiān)控和操作設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和有效管理設(shè)備參數(shù)等。

表 1 各種工況的用途

3.3人機(jī)界面

人機(jī)界面根據(jù)功能主要有以下幾個(gè)主要視圖：定日鏡場(chǎng)總貌視圖、參數(shù)管理視圖、定日鏡場(chǎng)校正系統(tǒng)視圖、定日鏡場(chǎng)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)視圖、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)控視圖、歷史與報(bào)警視圖。

以定日鏡場(chǎng)總貌視圖為例詳細(xì)介紹。定日鏡場(chǎng)總貌視圖如圖1所示，其中每個(gè)小方塊代表一面定日鏡，不同的顏色代表不同的狀態(tài)，如圖1右側(cè)列表所示，小方塊上綠色的斜線代表定日鏡處于就地狀態(tài)，小方塊上紅色的斜線代表定日鏡處于掛起狀態(tài)。當(dāng)鼠標(biāo)移入小方塊區(qū)域內(nèi)時(shí)會(huì)顯示出該定日鏡的詳細(xì)信息。操作時(shí)應(yīng)先選擇定日鏡，再發(fā)出相應(yīng)操作指令。

圖 1 鏡場(chǎng)總貌視圖

有多種定日鏡選擇模式：?jiǎn)蚊?、行、環(huán)、對(duì)焦面、散焦組、區(qū)和自由選擇，點(diǎn)擊小方塊時(shí)會(huì)根據(jù)不同的選擇模式選擇相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的所有定日鏡，再次點(diǎn)擊時(shí)取消選擇。當(dāng)選擇模式為單個(gè)時(shí)，僅有該定日鏡被選中，同時(shí)會(huì)在總貌視圖的右側(cè)顯示出單面定日鏡的詳細(xì)視圖與操作視圖，如圖2所示。也能根據(jù)圖2中的下拉列表選擇單面定日鏡并顯示出單面定日鏡的詳細(xì)視圖與操作視圖。定日鏡場(chǎng)主要參數(shù)顯示，顯示定日鏡場(chǎng)當(dāng)前的天氣狀況、機(jī)組出力和定日鏡場(chǎng)定日鏡的狀態(tài)統(tǒng)計(jì)信息等。

圖 2 單面定日鏡詳細(xì)視圖與操作視圖

如圖2所示，圖中上部顯示該定日鏡的詳細(xì)信息與報(bào)警列表及報(bào)警確認(rèn)、報(bào)警抑制操作，并以動(dòng)畫形式顯示定日鏡當(dāng)前的位置信息。圖中下部顯示的是該定日鏡的模式切換按鈕，運(yùn)行人員可點(diǎn)擊相關(guān)按鈕進(jìn)行定日鏡的模式切換操作。以黑色文本顯示當(dāng)前生效指令。在OP Setpoint模式下，運(yùn)行人員也可以直接在輸入框中輸入定日鏡位置的設(shè)定值。

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結(jié)束語(yǔ)

基于Web的鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)可通過(guò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)定日鏡場(chǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)的總體概覽與成組操作、單面定日鏡的詳細(xì)狀態(tài)顯示與操作、參數(shù)管理、定日鏡校正、聚焦與散焦、歷史與報(bào)警等功能。

▏作者：劉志聲  西門子能源自動(dòng)化（南京）有限公司

參考文獻(xiàn)

［1］楊敏林，楊曉西，林汝謀，等.太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)與系統(tǒng)［J］.熱能動(dòng)力工程，2008，23（3）：221-228，325

［2］李雅雯.塔式太陽(yáng)能定日鏡場(chǎng)聚光系統(tǒng)控制策略研究［D］.保定：華北電力大學(xué)，2019

［3］朱育發(fā)．jQuery與jQuery Mobile開發(fā)完全技術(shù)寶典［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2014

［4］石文濤.Html5中WebSocket協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)的研究及基于WebSocket協(xié)議的實(shí)時(shí)Web通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［D］.南京：南京郵電大學(xué)，2014