摘要：塔式光熱發(fā)電站由于鏡場設(shè)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(shù)據(jù)和數(shù)十個實時數(shù)據(jù)需要有效管理和監(jiān)控，這對于常規(guī)的分散控制系統(tǒng)很難滿足監(jiān)控要求。提出以先進的通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(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，在操作員站可通過瀏覽器來全局、成組和個別監(jiān)控和操作設(shè)備，實時監(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)電是太陽能利用的重要方式，具有更高的熱效率和聚光比等優(yōu)點［1］。塔式太陽能熱電系統(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，由定日鏡場和其控制系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備組成的定日鏡場子系統(tǒng)是整個電站的前端，其性能和效率對電站的運行和發(fā)電產(chǎn)出都有很大影響［2］。在此以某塔式光熱發(fā)電廠的定日鏡場為研究對象，該定日鏡場有4400面定日鏡，其中每面定日鏡由一個S7-1200 PLC控制，有非實時參數(shù)150個，實時監(jiān)控數(shù)據(jù)模擬量16個（其中有數(shù)十個開關(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Web服務(wù)，以Netty實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信任務(wù)，以WebSocket實現(xiàn)后端數(shù)據(jù)向前端頁面的主動推送，以HTML5實現(xiàn)前端顯示與操作，以MySQL實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲功能，構(gòu)成一套Web應(yīng)用服務(wù)。可通過瀏覽器實現(xiàn)定日鏡場實時狀態(tài)的總體概覽與成組操作、單面定日鏡的詳細狀態(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)計為異步、事件驅(qū)動的模式，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標準融合了HTML、JavaScript、CSS、WebSocket等多種先進的頁面技術(shù)，使得頁面內(nèi)容更豐富多彩，同時又有良好的實時性能和人機交互體驗。Jquery是一個快速、簡潔的JavaScript框架，它封裝JavaScript常用的功能代碼，提供一種簡便的JavaScript設(shè)計模式，優(yōu)化HTML文檔操作、事件處理、動畫設(shè)計和Ajax交互［3］。

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

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系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以Siemens PLC 1200作為分布式設(shè)備的控制器，通過光纖和路由器等連接至集中監(jiān)控室。通過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頁面展示給用戶，用戶再根據(jù)各種工況在Web頁面上做出相應(yīng)的操作，指令由Web頁面?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。

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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)器負責(zé)與各PLC通信，收集各定日鏡的數(shù)據(jù)，并發(fā)送來自人機界面的指令與參數(shù)。通信服務(wù)器與各PLC間的通信由基于Netty的TCP服務(wù)器來實現(xiàn)。消息由長度、功能碼和數(shù)據(jù)組成，在服務(wù)器端通過實現(xiàn)消息解碼器來解決粘包/拆包問題，再根據(jù)功能碼做出相應(yīng)的動作，如存檔、推送到前端頁面顯示等。對于從人機界面來的指令和數(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中可以通過將IdleStateHangler類添加進Channel的PipeLine中，實現(xiàn)指定時間內(nèi)沒有讀或?qū)憰r向?qū)Ψ桨l(fā)送心跳包。

3.2邏輯處理功能

系統(tǒng)需處理各種實時數(shù)據(jù)和用戶操作指令、自動聚焦散焦、數(shù)據(jù)存儲和參數(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）歷史與報警模塊。

3）定日鏡校正模塊。定日鏡由于安裝或運行過程中會產(chǎn)生各種偏差而不能精準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。為了確保太陽能的高效利用和轉(zhuǎn)化，并降低運維成本，校正系統(tǒng)需要做到：全鏡場自動校正，無需值守，實時精確跟蹤太陽運動軌跡，自動檢查精度，自動重新校正，滿足長期跟蹤精度要求。該模塊動態(tài)計算當(dāng)前太陽位置結(jié)合定日鏡參數(shù)，通過光斑計算模塊得出的光斑物理坐標計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）定日鏡自動對焦與散焦模塊。該模塊需實現(xiàn)下述不同工況下整個定日鏡場的總體對焦與散焦功能如表1所示。實現(xiàn)定日鏡的隨機數(shù)（優(yōu)先級）生成算法，結(jié)合排序算法來滿足定日鏡的隨機調(diào)度要求，實現(xiàn)定日鏡的排序算法，定日鏡可以按照其優(yōu)先級進行排序，也可以按照特定的要求，比如其與某個特定點距離進行排序，局部云層遮蓋判斷等。

塔式光熱發(fā)電站由于鏡場設(shè)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(shù)據(jù)和數(shù)十個實時數(shù)據(jù)需要有效管理和監(jiān)控，這對于常規(guī)的分散控制系統(tǒng)很難滿足監(jiān)控要求。提出以先進的通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(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，在操作員站可通過瀏覽器來全局、成組和個別監(jiān)控和操作設(shè)備，實時監(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人機界面

人機界面根據(jù)功能主要有以下幾個主要視圖：定日鏡場總貌視圖、參數(shù)管理視圖、定日鏡場校正系統(tǒng)視圖、定日鏡場自動對焦系統(tǒng)視圖、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)控視圖、歷史與報警視圖。

以定日鏡場總貌視圖為例詳細介紹。定日鏡場總貌視圖如圖1所示，其中每個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)鼠標移入小方塊區(qū)域內(nèi)時會顯示出該定日鏡的詳細信息。操作時應(yīng)先選擇定日鏡，再發(fā)出相應(yīng)操作指令。

圖 1 鏡場總貌視圖

有多種定日鏡選擇模式：單面、行、環(huán)、對焦面、散焦組、區(qū)和自由選擇，點擊小方塊時會根據(jù)不同的選擇模式選擇相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的所有定日鏡，再次點擊時取消選擇。當(dāng)選擇模式為單個時，僅有該定日鏡被選中，同時會在總貌視圖的右側(cè)顯示出單面定日鏡的詳細視圖與操作視圖，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視圖與操作視圖。定日鏡場主要參數(shù)顯示，顯示定日鏡場當(dāng)前的天氣狀況、機組出力和定日鏡場定日鏡的狀態(tài)統(tǒng)計信息等。

圖 2 單面定日鏡詳細視圖與操作視圖

如圖2所示，圖中上部顯示該定日鏡的詳細信息與報警列表及報警確認、報警抑制操作，并以動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，運行人員可點擊相關(guān)按鈕進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

基于Web的鏡場控制系統(tǒng)可通過瀏覽器實現(xiàn)定日鏡場實時狀態(tài)的總體概覽與成組操作、單面定日鏡的詳細狀態(tài)顯示與操作、參數(shù)管理、定日鏡校正、聚焦與散焦、歷史與報警等功能。

▏作者：劉志聲  西門子能源自動化（南京）有限公司

參考文獻

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

［2］李雅雯.塔式太陽能定日鏡場聚光系統(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)議的實時Web通信系統(tǒng)的實現(xiàn)［D］.南京：南京郵電大學(xué)，2014