（计算机应用技术专业论文）基于pi实时数据库的电厂故障诊断系统研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文基于电厂的5 15 系统，对实时数据库，电厂的 pl 实时数据库进行了详细 的分析.并在此基础上根据对实时数据库的 s dt 和 plo t压缩算法的原理以及实现 步骤的分析，给出了压缩算法的改进方法和改进意见。使用 c #编程语言，模拟实 现了 s dt、 p l ot 算法，以及他们的改进方法。并使用模拟数据对其进行了验证， 分析了两者的特性.同时本文使用 l evenb erg-marquardt ( l m)神经网络算法以及自 适应学习率的b p 算法开发了基于 pl 实时数据库的电厂故障诊断系统， 利用高压加 热器的相关数据对故障诊断进行了验证， 仿真结果以及故障测试诊断结果表明能够 比较准确的对故障信息进行诊断。 关键词:实时数据库，数据压缩，故障诊断，神经网络 abs trac t h i s p a p e r a n a l yze s t h e r e a l 一 t i me d at aba s ea n dp l r e a l 一 t i me d a t a b a s ei nd e t a i l b a s e do nt h e s i ss y s t e mi nt h e p l a n t . t h e n ana 1 yze s th e p n n c ip l e and s t eps o f s d tand p l o tal g o ri t 玩 叮 ， w h l ch are 幻 刃 oki n d so f the re alt imed at ac o m p r e s s i o nm e t h o ds， the 1 “ 甲 r o v ed al gori t h 叮are gi v en b as e don it. t 五 e s e七 刀 oal g o ri t h m sa n dth e ir汕p rov ed ai gori th msare si m u 1 atedin c# p rogr a n u n 1 n g1 ang u age ， 明dv e n fy t h e s ec o m p re ss in n al g o ri t 知 叮 st hro u gh s l n u l at ed a ta .ai t h es 别 m et i m eafa u itdi a gno si ss ystem b ased p i re al 一 ti m e d a t a b as e， w hi chc o m b in esth e l mn e u r a 1 n e 七 邢 o rkal g o n 生 知 旧a n d se ifa d apti ng bp al g o ri t l u l l ，i sd e v e l opedt h o u gh s l r o ul ation andt h et e s t in gb yth ec orre l atio nd ata o f hi gh巾 re s s u r e ，、 飞 五 勿th at而s syst em has hi ghv e r a c l tyinfa u l t di a g n o 51 5. zha n g lil i ( c o m p u t erapp l i e d tec h n o l o gy) d irect edb y p rof c h e n g xia o ro 雌 k e ywo r d s : r e a l 一 t i med a t a b a s e ， d a t ac o m p r e s s i o u ， fau l td i a g n o s l s ， n e u r a l n e t w0 r k 二 纽 二 .口口 厂 口f 月 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 基于pl实时数据库的电厂故障 诊断系统研究 ， 是本人在华北电 力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。 据本人所知， 除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 歌 丽 丽日期 : 拍 今 日 - 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了 解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有 权保管、并向有关部门 送交学位论文的原件与复印件;学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文;学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以 学术交流为目 的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作 者 签 名 : 取丽 两 日期: 及已 l 姐一 导师签名 华北电力大学硕十学位论文 第一章 引言 1 . 1选题的背景及现实意义 电力企业向大型化、自动化、信息化方向的发展及电力市场 “ 网厂分开、竞价 上网”的同时， 提高发电机组的运行和管理水平， 节能降耗， 增强企业竞争力， 已成为 企业最关心的问题.目前， 火电厂厂级监控信息系统( 5 工 5 ， s upervisory i n f o r m a t i o n s y s t e m ) 已正式纳入国家经贸委颁发的d l 5 0 0 0 一 2 0 0 0 火力发电厂设计 技术规程， 并被确定为我国火电厂自动化和信息化发展的战略方向之一。 电厂厂级监控信息系统( 515) 卜 习 是主要为火电厂全厂实时生产过程综合优化服 务的生产过程实时管理和监控的信息系统， 是介于m is 系统与d cs、 p lc等控制系统 之间的中间层系统， 用以集成全厂的各种控制信息系统， 并为管控一体化的实现奠 定基础.根据系统功能划分， 515系统一般包括实时/ 历史数据服务器、数据采集前 端和各种高级应用软件( 性能计算、运行优化、故障诊断、负荷分配等)。在这些 功能中，实时数据库系统( . b e a l 一 t i m ed a t a b a s es y s t e m，简称r t d b s )是5 1 5系 统的前提， 各种高级应用是其关键。515系统必须建立起一个以实时数据库系统为 核心的实时数据平台， 各种高级应用通过这个平台存取数据， 进行分析、计算并为电 厂运行人员提供操作指导。 实时数据库系统的研究自20世纪80 年代后期开始越来越受到重视，这是因为 在工业控制等场合，由于数据的实时限制和高流量使得传统关系数据库难以得到好 的效果。在传统的数据库中，其设计与开发主要强调维护数据的正确性、保持系统 代价低、提供友好用户接口。关系数据库的工作集中于查询事务处理及数据的正确 性及一致性。这种数据库系统对传统的商务 ( b usi ness)和事务型应用是有效的， 也是成功的，但它不适合实时应用。最关键的是因为它不考虑与数据及其处理相联 系的定时限制 ( t i ming一 c o nst r aint) ，系统的性能目 标是以吞吐量和平均响应时间 而不是各个事务的限制来表示的，故系统作调度决策时根本不管各种实时限制、为 此需要提出一种具有高实时性、大数据容量和访问量的新的数据库理论，即实时数 据库理论。实时数据库系统是指其数据和事务都具有定时特性或确定的定时限制的 数据库系统， 系统的正确性不仅依赖于逻辑结果， 而且依赖于逻辑结果产生的时间， 也就是说系统宁可接受在时间限度内的不准确的数据， 也不接受超过时间限制的准 确的数据，1 。 实时数据库系统是数据库技术和实时技术相结合的一种新型数据库技术， 它能 够满足处理这种带有实时性数据的要求， 因此，实时数据库系统在电力系统中得到 华北电力大学硕士学位论文 了广泛的应用。 p l( p l a n tl n f o r m a t i o ns y s t e m )是由美国 o s is o f t ， a r e公司开发的一套基 于c l i e n t / s e r v e r 结构的实时数据库软件应用平台，主要用于获取和存储时间序列 的实时数据，是工厂底层控制与上层管理信息系统、实时生产和业务管理连接的桥 梁，它己成为全球装机量最多的实时数据库产品习 。 随着市场经济的发展，国内的电力企业越来越迫切地认识到发电设备的可靠性 是适应新的市场需要的重要保证，也是参与竞争的必不可少的先决条件。但长期以 来发电设备采用的计划维修模式逐渐暴露出 “ 维修不足” 、 “ 维修过剩”等问题，已 经越来越不适应现代化生产和市场经济的需要6 。我国电力工业现阶段实施的以时 间周期为基础的定期预防性检修必然会造成检修过剩或检修不足，增加了设备的不 安全性。因此， 根据设备状态对症下药， 有病则医，无病则运行，向状态检修过渡， 实现设备预知性维修，是电力设备检修改革的发展趋势。发电设备的维修体制正在 从几乎纯粹的计划性维修模式向状态维修模式转变。发电设备状态维修的关键是利 用设备监测信息，及时、有效地进行故障诊断。故障诊断是根据设备运行信息查找 故障源，并确定相应决策。先进的故障诊断方法的研究以及将这种方法运用于电厂 的发电设备，不但符合故障诊断理论的发展方向而且是生产过程所急需的，具有一 定的理论意义和应用价值。 1 .2课题研究的现状 随着知识经济的高速发展，各学科不断吸收新技术且互相渗透和交叉。火电厂 管理信息系统也在不断发展，其边界越来越模糊，信息管理的含义不再是狭义的管 理及生产业务处理无纸化，而是有了更广义的扩展，电厂的厂级实时监控信息系统 ( 5 1 5) 是电厂管理信息系统 ( m 工 5) 和各种分散控制系统d cs 的桥梁。而实时数据 库是5 15的基础。在众多实时数据库系统中，pl 的技术优势尤其突出。目前，已经 有了超过2 0 00套的pl实时数据库在全球使用。在我国也有了一些电厂率先使用了 p 工 实时数据库系统，如青岛发电厂、钱清发电厂、唐山钢铁公司、萧山电厂、宁夏 石嘴山火力发电厂、邹县发电厂等多家电厂使用了 pl 实时数据库，并在此基础上 开发了自 身的5 15 系统，但是 pl在我国的电厂应用还未达到普及，原因之一是 pl 本身的应用较为复杂和高成本性，其二是在其应用上的软件缺乏性，应此，针对我 国电厂监控信息的整合问题急于解决。 而基于 pl 的实时数据库的电厂故障诊断系统在设备故障诊断技术研究上属于 技术难度大、科技含量高的技术，需要大量的实时数据信息和一定的资金力度支持 及相应的技术支持。由于目前我国企业的设备状态检修、设备故障诊断开展不利， 华北电力大学硕士学位论文 一般发电企业还停留在计划维修、 事后维修的模式上. 设备故障诊断市场普遍不好， 国内本来为数不多的设备故障诊断科研单位纷纷转向。但随着我国大中企业的搞 活，先进的故障、状态维修技术也必将逐渐在我国普及。在我国即将到来的下一个 高速经济发展期，设备状态维修、设备故障诊断必将提到议事日程. 设备故障诊断技术7 ， 是近 40 年来发展起来的一门新学科。它是适应工程实际 需要而形成的各学科交叉的综合学科。从科学发展的大环境来看，设备故障诊断技 术的产生也是各学科交叉发展的必然.40 年代以来，人类的生产方式日益向大工 业方向发展。在这种宏伟的社会大背景下，系统论、混沌学等纷纷诞生，尤其是控 制理论出现了重大突破，产生了一系列现代控制方法。生产系统的庞大化和复杂化 也暴露出一些问题，即如何避免运行中故障的发生，这就要求有一门相应的故障诊 断技术。同一时期，电子技术，尤其是计算机技术的发展，为设备故障诊断技术提 供了必要的技术基础。60 年代，快速 f ourier 变化的出现，使诊断技术的发展产 生了飞跃。近年来，传感器技术的发展，信号处理的系列技术，如各种滤波技术， 各种谱分析技术，人工智能的系列技术，如专家系统，神经网络等，以及其它技术 在诊断中的应用，使设备故障诊断技术逐渐完善。从一些国家的发电设备的检修的 历史和现状来看，故障诊断技术的发展大致经历了事后维修、预防性维修 ( 或计划 性维修) 、状态维修 ( 或预测性维修)三个阶段。 在 18 世纪及 19 世纪时期，由于机组设备本身的技术水平和复杂程度很低， 设备的利用率和设备费用问题尚未引起人们的注意， 对设备事故也缺乏认识。 因此， 对设备的管理采取的是出现事故之后才维修的方式，既事后维修方式。这种维修方 式是被动的，当灾难性事故发生后，要造成很大的经济损失和危及人身安全。 进入 20 世纪以后，生产方式起了很大变化，加上机组本身技术复杂程度的提 高，机组故障及事故对生产的影响显著地增加，于是出现了预防性维修的方式，它 力图在机器发生事故之前就进行维修和更换零部件。 到 50 年代， 以冶金、 化工为代表的一些流程工业也迅速采用了多种维修方式， 显然它比事后维修方式前进了一步，较好地避免了重大事故的发生。但定期维修方 式的修理间隔主要是根据经验和统计资料，维修只能保持在较低的水平，很难预防 由于随机因素引起的偶然事故，而且很多发电设备本身又十分复杂，零部件多以及 影响因素多，从而不可避免地要产生 “ 过剩维修” 。实践表明，在相当多的情况下， 频繁拆卸换零件非但不能改善机组设备的性能，反而每次装复后故障率比较高，所 以常常得不到预期的效果。 70 年代以后，随着计算机技术、电子技术的发展，出现了利用完善的监视和 分析诊断系统，对设备运转情况进行在线监测，及时发现机组的异常现象，预测设 华北电力大学硕士学位论文 备可能会出现的故障的维修方式。这种维修方式称为预测性维修。由于在预测性维 修前准备充分，又能判断出机组的故障及其发生的部位，所以可以大大减少维修所 用的时间。 7 0年代末、80 年代初，状态监测和故障诊断系统在许多发达国家开始研制， 如美国西屋公司的 “ 可移动诊断中心” 、日 本三菱公司的 “ 旋转机械健康监视系统” 等，获得了较高的设备利用率以及生产率。基于设备状态监测故障诊断技术的预测 性维修方式使人们更能了解和掌握机组的运行状况，减少了突发性事故而引起的停 产和过剩维修，降低了维修费用，提高作业率，并带来了巨大的直接和间接经济效 益。 8 0年代以后，随着监测技术、计算机技术、电子技术和通讯技术的发展，以 及模糊数学、专家系统、神经网络技术和小波分析理论等在故障诊断的应用，设备 故障诊断技术从理论到实际应用都有了新的发展，已形成了一门集数学、 物理、 力学、化学、电子技术、计算机技术、信息处理和人工智能等各种现代科学技术于 一体的综合性极强的智能化故障诊断技术。该学科以设备的管理、状态监测和故障 诊断为内容，以建立新的维修体制为目 标在各个领域得到了推广和应用。它的作用 和效益日趋显著， 被许多使用者充分肯定， 提高了对设备故障诊断科学化、 合理化、 系统化、准确化等，大大丰富了人们对故障机理、故障识别与诊断等领域的知识和 应用。 诊断技术发展几十年来，产生了巨大的经济效益，成为各国研究的一个热点。 从诊断技术的各分支技术来看，美国占有领先地位。美国许多权威机构，如美国机 械工程师学会 ( asm e ) 、美国宇航局 ( n asa )等都参与了这一领域的研究，投入了 大量的资金。不少的高校和企业也都设立了诊断技术研究中心。美国的一些公司如 b e n t l y 、 h p 、s c i e n t i f i ca t l a n t a等，他们的监测产品基本上代表了当今诊断技 术的最高水平，不仅具有完善的监测功能，而且具有较强的诊断功能，在宇航、军 事化工等方面具有广泛的应用。其他的一些国家，诊断技术的发展也各有特色，如 英国在摩擦诊断方面，丹麦的 b 分 析和改进了实时数据压缩算法，并将其应用与故障诊断系统中。同时设计实现了电 厂的故障诊断系统。本文共分以下几个部分。 实时数据库pl系统分析 该部分对实时数据库、pl 系统、pl 数据流程、pl 系统压缩数据的调用恢复、 p l 技术特点进行了详细的分析与介绍。 实时数据库旋转门压缩算法模拟分析与改进 数据压缩是实时数据库中一个比较关键的课题，为了节省存储空间，一个历史 数据在被送入历史数据库前进行数据压缩处理是非常必要的，因为需要确信写入数 据缓冲池的历史数据是重要的.此外，历史数据压缩算法对于解压缩历史数据也是 非常重要的，需要高效的数据压缩算法来满足在实时数据库中大量数据信息的存储 需要，为此，o s is o f t w a r el n c . 开发t著名的旋转门压缩算法 ( s d t ) 。本文对旋 转门压缩以及p l ot数据压缩算法进行了模拟分析，并给出了相应的改进算法。 故障诊断系统的研究与设计 本文所研究设计的故障诊断系统由故障诊断模块，数据处理模块，数据传输模 块，故障信息管理模块，系统管理模块组成。具体模块实现如下: 1 )数据传输模块 华北电力大学硕十学位论文 利用p l 提供的pi s dk 通过 com调用的方式编写了后台数据传输模块。能够将 pl 中的数据按照一定的规则导入到 oracle 数据库中。 2) 建立样本库 确定系统的典型故障及其相关的故障特征，对样本数据进行归一化处理。 3 )故障诊断模块设计 以故障特征作为故障诊断模块的输入，诊断结果作为模块输出。首先利用己有 的故障征兆和诊断结果对故障诊断神经网络模型进行离线训练，使故障诊断神经网 络模型通过权值记忆故障征兆与故障结果之间存在的对应关系;然后将得到的故障 征兆加到模型的输入端，就可以利用训练后的模型进行故障诊断，并得到相应的诊 断结果。 4 )故障信息管理模块设计 能够对故障信息进行查询，统计等信息管理。 华北电力大学硕十学位论文 第二章 实时数据库pl 系统分析 2 . 1实时数据库介绍 实时数据库系统【， 一 ， ， ( r t n b m s : r e a l 一 t i o ed a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ) 是事 务和数据都具有显式定时限制的数据库系统。系统的正确性不仅依赖于事务产生的 逻辑结果，而且依赖于逻辑结果产生的时间。实时数据库与传统的关系型数据库有 着本质的区别。对于关系型数据库而言，其设计目标是维护数据的正确性、保证系 统的低代价、 提供友好的用户接口， 这种数据库系统适于传统的商务和事务型应用。 当运用于一些实时性要求较强的生产过程控制如电力生产控制时，关系型数据库就 受到了极大的限制。而实时数据库系统设计的首要目标即满足对于事务的定时限 制，是数据和事务均具有定时特性或确定的定时限制的数据库系统。其设计的基本 原则是: 宁要部分正确而及时的信息， 也不要绝对正确但过时的信息。因此， 除了传 统数据库系统的功能外， 一个实时数据库系统还具有以下功能特性: ( 1) 时间约束。实时数据库是其数据和事务都有明确的时间限制的数据库。在 实时系统中，具有时间约束的数据主要是来自 于外部的动态数据，以及由这些数据 求导出的新的数据。数据库中的数据必须如实反映现场设备的运行情况。 ( 2) 事务调度。实时数据库系统的正确性不仅依赖于事务的逻辑结果，而且依 赖于该逻辑结果所产生的时间。事务调度既要考虑事务的执行时间，也要考虑事务 的截止期、紧迫程度等因素。 ( 3) 数据存储。实时数据库主要承担系统所有实时数据的存储和管理，为相关 的功能提供快速、正确的实时信息。为了达到实时性，实时数据库在系统运行过程 中，应常驻内存，以保证读取速度。对于实时性要求不高的数据可存放在外存储空 间。因此，在实时数据库设计时，要妥善处理时间与存储空间的矛盾，以保证系统 的实时性。 (4)数据在线压缩。在实际的数据存储中，实时数据库还要解决如何高效处理 海量数据的问题。如果数据被原封不动地存储势必需要大量内存和磁盘空间以及耗 费大量的cpu 时间，因此必须对实时数据进行在线压缩存储。 实时数据库系统的正确性基于逻辑和时间两方面，其结合了数据库与实时系统 两者的功能特性，既支持大量数据共享，维护数据的一致性、完整性，又支持数据 和事务的时间限制，因而在实时控制和管理控制上表现出巨大的应用前景。 华北电力人学硕十学位论文 2. 2实时数据库pl 系统 2 .2 . i p i 系统介绍 p i( p l a n tl n f o r m a t i o ns y s t e m )是由美国o s is o f t w a r e 公司开发的一套基于 client/ s e r v e r 结构的商品化软件应用平台。作为工厂底层控制网络与上层管理信 息系统网络连接的桥梁，pl在工厂信息集成中扮演着特殊和重要的角色l2 一 151 。 pl 用于工厂数据的自 动采集、存贮和监视。作为大型实时数据库和历史数 据库， pl可在线存贮每个工艺过程点的多年数据。 它提供了清晰、 精确的操作画面， 用户既可浏览工厂当前的生产情况，也可回顾过去的生产情况。 可以说， pl 对于流 程工厂来说就如同飞机上的 “ 黑匣子”一样。 pl 为最终用户和应用软件开发人员提供了快捷高效的工厂信息。一般地， pl的分布式数据采集模块在pl的节点机上运行. pl的节点机是局域网的一个节点， p l 服务器也是局域网的一个节点。 pl节点机一方面与控制系统连接， 采集实时数据; 另一方面通过局域网将采集到的数据送到 pl 服务器集中储存和管理。这样，pl 服 务器就可以通过局域网把实时数据送到桌面，不论是管理部门、生产部门，都可以 随时随地了解当前的生产状况， 或对历史数据进行分析所以说， pl在管理信息系统 和控制系统之间架起了信息沟通 pl客户端的应用程序可使用户很容易对工厂级和公司级实施管理， 诸如改进工 艺，t qc，故障预防维护等。通过 pl 可集成产品计划、维护管理、专家系统、lim s 和优化/ 建模等应用程序。 pl在业务管理和实时生产之间起到桥梁的作用。 如图2 一 1 所示。 p l 系统目前有标准接口3 0 0 多种。具有良 好的二次开发环境。对于没有标准接 口 的系统， 用户可毋 用c 、 v b 等语言开发自 己 的 接口 程序， 调用pl 一 api 函 数， 通 过这些函数向pl 数据库写入数据。 pl 采用特有的先进压缩技术，几十万点的生产 数在线存储多年，大大降低了数据的存储空间;同时，以数据原有的时间和精度存 储.图形化的窗口应用， 严格遵循微软标准。多种管理、分析和显示工具易于安装、 使用。 如图形用户界面p l 一 p r o c e s s b o o k 和e x c e l 和l o tu s l 一 2 一 3 的数据接口p l 一 d at a l i nk 等。 华北电力大学硕十学位论文 pl系统的大多数据来自 对个仪器系统接口的数据采集。其他数值一般都来自 实验室或其他人工输入系统。不管是哪种情况，一个 pl 系统点可由外部点来进行 跟踪，不管这个点是温度读数、一个开关的状态，还是一批标识符。 每个点都有大约 50 个属性。这些属性规定了该怎样采集和存储该点的数据。 对这些属性的合理配置是优化 pl 系统的关键，使其既能保证数据存储的有效性又 能保证能快速检索数据。点及其属性由pl 基本子系统存储在点数据库中。 2 )异常报告 大多数接口通过 d c s采集到生产数据，经过一系列计算，将重要数据报告给 pl 系统。这一过程就叫做异常报告。异常报告一般不对人工输入的数据进行报告，这 样人工输入的每个数据都能保留下来。 ( 1) 异常报告其实就是一个过滤器.只要接收到一个新的数据，接口程序就会 采用如下算法，将新的数值与上次报告过的数值进行比较。当属于下面两种情况 时 ，才会对新的数值予以报告。 新数值与上次报告的数值之间的差大于规定的异常偏差值 ( e x c d ev)，以及 新数值与上次报告数据的时间差大于或等于规定的最小时间值e xcm in; 新数值的时间信息与上次报告过的数值的时间信息之差大于或等于规定的 最大时间 值 ( e x c m a x )。 如果接口没有接收到新数值，异常报告间的间隔时间可以远远大于异常报告的 最大时间值。 ( 2) 异常报告的结果取决于4 个条件参数，其功能如下: e x c d e v( 异常偏差) 按测量单位规定了一个数值与前一数值要相差多少才 可以被认为时一个重要的数值。e xcd evp ercent 属性规定了 s p an 属性的百分比。 一个典型的数值是s p an 的1 %; e xcm i n( 最小时间值) 是在前一个数值之后的一个死区，用力抑制噪声. 该属性是按秒指定的。在e xcm in 的时间间隔结束之前，接收到的新数值将被删去; excmax ( 最大时间值) 规定了一个时间段，如果在这个时间段内没有异常 报告产生，则下一个数值无论其值如何，均将报告给 pl 系统。例如如果将 e xcm ax 设定到2 8 8 0 0 秒 (8小时)，那么若前一事件的时间信息在此之前超过了2 8 8 0 0 秒， 则这一数值不会因压缩而被去掉。注意:接口不会产生数据，如果在2 8 8 0 0 秒内没 有数值输入，就没有数值输入到pl 系统。 s c a n a t t r i b u t e ( 扫描属性)一些接口也使用扫描属性。 如果s c a n 处于o f f 华北电力大学硕十学位论文 ( 关)的状态，接口就不会对 d c s 进行扫描，因此就没有事件输入到pl 系统。 所有接口都有一些机械装置来控制扫描速率。例如，一些接口使用l ocati o n 4 属 性来决定扫描类型或扫描速率，这决定了从o cs 中采集数据的频度。 3)快照 从接口或通过人工输入到 pl 系统的一个新事件会被传送到快照子系统。快照 是一个点的最新事件，可以将其看作是能存储一个要素的缓存器。当接收到一个新 的事件后，这个事件就成为新的快照。根据规定的压缩条件，与前一个快照进行比 较，要么将其输入到事件队列 ( e v e n tq u e ue)，要么将其去掉。 任何一个时间信息比快照要早的事件都不会成为快照，相反，会被认为是重要 事件，并直接送入事件队列。 当将一个点的事件排列出来，或由p l 一 p roccessbook 和其他工具进行趋势分析 时，快照会自动接收这一列表.快照表格保存在存储器中，隔 巧 分钟由快照子系 统将其存在磁盘上 ( p i a r c m e n . d a t )。 4 ) 压缩 事件从快照中送出后，根据规定的压缩条件对其进行判定，看其是否属于重要 事件。如果是，将其送人事件队列，如果不是，将其删去，这一过程就叫压缩。 在以下 3 种情况下，事件将通过压缩过程，被送进事件队列: 如果该点的压缩属性处于o ff状态; 如果时间信息比当前快照的时间信息要早，有时将这样的事件称作 “ 次序 颠倒”; 如果点的状态属性被改变。 通过采用压缩方法， pl联机保存的数据比普通的扫描系统所能保存的数据要多 得多。 而且所保存得数据要比基于平均或周期性采样得档案系统要详细。 pl系统采 用的压缩算法为 “ 旋转门压缩技术”，将在下一章做详细的分析。 5 )arc h i v ec a c h e( 档案高速缓存器) p 工 系统使用驻留在存储器中的a rch i v ec ache 来降低存取磁盘的频度。c ache ( 高速缓存器)至少每隔 15 分钟，或者因处理其他点的需要而将 c ach e中的记录 闪存到磁盘上。因此，因断电造成的档案数据的丢失最多不过丢失前 15 分钟的数 据。 6 )a r c h i v ep i l e s( 档案文件) l 3 华北电力大学硕十学位论文 一个档案文件包含开始时间和结束时间内的事件。 在设计上， pl 系统有一组档 案文件。这些文件覆盖的时间段相邻但不交叉。如果一个事件被传送至档案，但具 有适当时间范围的档案文件不存在，则会去掉该事件并会显示出错信息。如果想对 某一时间段的数据进行检索，而该时间段又不在已注册的档案文件的范围内，就会 显示出错或没有数据之类的信息。 主归档 图2 一 zp 工 系统数据流图 2 . 2. 4 pi系统压缩数据的调用恢复 在 pl一u d s中， 在响应客户项目需求中有两种机制用于数据恢复，一种是， 数据从pl数据归档中恢复，数据是被pl数据归档子系统维护的， 另一种 pl一com c o n n e c t o r s 从外来的存储系统恢复数据。 pl 系统归档的数据都是压缩数据， 数据的时间间隔不是均匀的。 对归档数据进 行调用恢复分两种情况: 调用压缩数据:这种情况下指定设计范围所返回的数据数量是不可预测的。 由于压缩数据能保证不丢失的各极点数据，因此非常适合用来准确绘制分析用的数 据图。 恢复成时间间隔均匀的采样数据:可以预先设定采样时间间隔，然后根据 压缩算法和指定相关性系数对压缩数据进行恢复。这种情况下如果选择采样时间间 隔太大，则有可能丢失一些重要的极点数据。 2 .3 p i 技术特点 .适用与过程工业如石油化工、电力、冶金、制药、纸浆和造纸、天然气、水 处理、食品加工等。 .pl 是一个真正的c /s结构计算机环境， 它所使用的智能结构可在多种系统配 置下运行。 华北电力大学硕十学位论文 全面采用微软的技术与标准。 每个 pl 客户端可同时与一个或多个 pl 服务器系统相联，并可读/ 写任何实 时和历史数据库。 可以存储各种类型的数据。 历史数据以数据原型存贮，由于采用 o si s oftware公司的专利技术 门”压缩技术，从而保证了在线存贮历史数据长达数年， 并且也确保了从 pl 数据库中回取数据的精度和速度。 “ 旋转 历史 .p l 接口 软件支持pl 网络节点间的容错，当主机或网络有故障时，仍然可以 继续采集接口设备的数据。 .软件产品易于安装、维护和使用。客户对 pl 的维护量实际上比其它系统要 少得多。 . 一系列开放的用户友好的客户端接口使用户能方便快捷地获得实时或历史 数据。 . 丰富的客户端数据处理分析工具使用户能及时对现场情况作出判断并作出 决策。 .灵活高效的开发工具 ( p 卜a pi， p l 一 s d k) 使用户能够基于pl 中的实时和历史 数据开发出一些特殊应用。 . 可以方便地与关系数据进行双向通讯。 .用户可以通过工 n t ern et八n t r a n e t 的方式查看数据， 系统提供了一个实时数 据w e b 服务器。 .提供了多种a cti v e x 控件， 用户可在自己开发的程序或超文本中方便地插入 实时数据和历史曲线。 华北电力大学硕十学位论文 第三章 数据压缩算法模拟分析与改进 3 . 1数据压缩的必要性 工业控制系统中的实时数据库具有高实时性、 高数据吞吐量、 高可靠性等特点， 为工业控制系统的长期稳定运行做出了巨大的贡献。但随着工业控制系统应用的大 型化，系统内的信号数量大幅度增加，其需要记录的历史数据量非常之大，如果将 这些数据直接存储， 不仅会大量浪费存储空间， 且会使得数据查询、 传输亦很困难。 因此，需要将数据压缩技术引入工业实时数据库中2 0- 21 . 首先，数据压缩能够节省历史数据占用的存储空间。数据压缩技术是通过一定 的模型和编码方法，降低数据冗余度，缩短数据编码长度的技术，其原理是为出现 概率较高的字母赋予较短的编码，为出现概率较低的字母赋予较长的编码。将数据 压缩技术引入工业实时数据库，将海量的历史数据在保证其精度的前提下做最大限 度的压缩，将压缩后的文件存储在磁盘上，可以达到节省存储空间、增加数据库容 量、节省系统资源。提高查询效率等效果。 其次，数据压缩技术大大增加了数据库的容量.在这里，数据库的容量是指的 是数据库同时记录的位号个数。随着工业控制系统应用的大型化，系统内的控制点 大量增加，但是，由于c pu 的限制，数据库不可能无限量的记录数据，实时数据库 的容量受到限制。数据压缩技术可以增加cpu 在单位时间内压缩的数据量，从而， 大大增加了数据库的容量。 再次，在整个计算机系统中，硬盘的读写速度最慢，对硬盘数据的存取操作越 少，操作时间就越短。数据压缩技术提供较高的压缩率，因此历史数据占用的硬盘 空间少，在存储及调用历史数据时，对硬盘的读写减少，从而节省了系统资源。 实时数据库对于历史数据查询的效率要求较高，在进行数据查询时，数据压缩 技术使得对硬盘的操作时间变短，且数据压缩技术的解压速度快，使得系统可以在 不影响其他操作的情况下增大查询的数据时间区间。另外，解压缩速度快使在网络 上进行查询变得可行，不会因为数据传输慢而出现操作无响应的情况. 综上，数据压缩技术能够改善实时数据库的性能，将数据压缩技术引入实时数 据库是非常必要的。 3 . 2数据压缩的原理 数据压缩起源于20世纪40年代的信息论绷 。 其主要目的是通过数据压缩手段将 华北电力人学硕士学位论文 信息数据量以压缩形式进行存储和传输。众所周知，数据文件在计算机中是以计算 机符号来表示的，每个计算机符号都有一定的出现概率。如果要压缩一条信息，必 须首先分析清楚信息中每个符号出现的概率。在压缩程序中，用来处理输入信息并 计算符号出现概率和决定输出哪个或哪些代码的模块称之为模型。通过一定的模型 与编码进行组合计算就构成压缩技术的主要思路。根据不同的编码对原始文件数据 产生不同的损失效果，可把压缩技术分为有损压缩和无损压缩两大类。 下面对这两种压缩技术进行介绍和分析。 3 .2 . 1有损压缩算法 有损压缩是在压缩损失过程中损失一定的信息以获得较高的压缩比。有损压缩 虽然不能完全恢复原始数据，但损失数据对理解原始数据的信息影响不大，并由此 换取较大的压缩比。所以，有损压缩大部分应用于影音、图像和视频数据的压缩， 也应用于海量过程数据压缩。有损压缩，主要是利用原始数据的冗余性来减少存储 的数据量，在对于原始数据进行抽样量化和编码过程中去掉冗余信息后，再对其进 行存储、传输，最后恢复成不大影响实际效果的数据，其关键技术是抽样量化和编 码方法。抽样量化也称为量化，通常指模拟信号到数字信号的映射，也是模拟量转 化到数字量必不可少的关键步骤。量化操作实质上是用有限的离散量代替无限多的 模拟量，是一种多对一的映射操作。而在数据压缩中量化则是指经过pcm码作为输 入，经过正交变换、差分等处理后，在进行嫡编码之前，对正交变换的系数、差值 等的量化处理，是一个不可逆的过程。并且在量化过程中会有数据丢失的现象。 3 . 2. 2无损压缩算法 为了确保在网络上传输的各种信号经过压缩和解压缩之后能够完全重现，需要 采用无损压缩技术。无损压缩能保证在一个压缩 / 还原周期后产生一个精确的输入 数据流副本，主要用于数据库记录、电子表格、程序文件或文本文件的压缩。无损 数据压缩通常使用的建模方法有两种不同类型:统计概率模型和基于字典的模型。 统计概率模型又分为静态统计模型方式和自适应模型方式。静态统计模型方式需预 先扫描文件中的所有字符， 以便统计出每个字符出现的概率。 对于自 适应模型方式， 开始时假定每个字符的出现概率相等，但随着字符的不断输入和编码，统计并记录 字符出现的概率，并将此概率应用于后续字符的编码。所以自适应模型方式在压缩 开始时不会有明显的压缩效果，但随着压缩的继续，其效果会越来越明显，最终达 到理想的压缩效果。自 适应模型方式不需要保存概率表。基于概率统计模型的压缩 技术中，最具有代表性的是利用概率分布特性而编码的两种编码:一种是著名的 huffman编码(instep 公司的edna实时数据库数据压缩采用该技术) ， 而另一种是算 华北电力大学硕士学位论文 术编码。基于字典模型并不直接计算字符出现的概率，而是使用一本字典。其主要 方法是将已经编码过的信息做为原字典，如果需要编码的信息曾经出现过，就输出 该字符串的出现位置及长度，否则就输出一个新的字符串。 3 . 3数据压缩算法模拟分析 3 . 3 . 1旋转门数据压缩算法模拟分析 3.3 . ， . 1旋转门压缩算法 旋转门压缩技术是有损压缩 25 .图3 一 1中介绍了旋转门压缩算法的压缩原理， 即如果系统接收到一个新数值，只有当上次记录数值以来的任一数值都不在闽值范 围之内，才会记录前一数值。这一阐值范围呈一个平行四边形，上、下两边是上次 记录的数值和一个新的数值，宽等于规定的闽值规格的两倍。 该数据被归档 称 据 心 现 了 压 缩 允 许 。 值 范 ， 阂值规格 之外的数据， 则系统将其前 一点归档保存。 时间 图 3 一 1旋转门压缩算法原理图 . zs o t模拟算法采用的数据结构 ( 1)两个数组:用来存放所要压缩的数据点值和压缩后的所保留的数据值. ( 2)两个整数指针:首指针指向每一段的第一个数据点，尾指针指向当前数据 ( 3)五个浮点数据:分别记录两个连接直线的斜率，记录两个支点的值，记录 .3.1蔚刚 华北电力大学硕七学位论文 图 3 一 zs d t 算法流程图 算法实现的流程图如图3 一 2所示。为了验证算法的性能和压缩效果，现通过采 用三个函数对所编写的压缩算法进行验证，压缩数据的生产函数如下所示，具体取 点如表3 一 1 所示。 不= 0 ，o l x x z + 3 x x 一 1 0 ( 3 一 1 ) 凡= l 0 x s in(0 .0 1 x 厂 x x) ( 3 一 2 ) 3 x x 一 9 ， 0 压 x 1 0 0 x + 1 9 1 ， 1 0 0 三x 2 0 0 ( 一) x x + 7 9 1 ，2 0 0 x 3 0 0 ( 3 一 3 ) f!、份eel -一 儿 3.3 . 1 . 35 0 丁压缩算法分析 通过压缩算法的性能参数压缩比和压缩偏差来分析出该压缩算法。 首先验证压缩比和偏差与不同阐值的关系，分别取阐值为0 . 0 1 ，0 . 02，0 . 05三 个值来用程序进行验证，结果如表3 一 2 所示，通过对压缩产生的结果分析可得: 对于同一数据源，压缩比和最大偏差与闽值成正比，闽值越大，压缩比和 偏差就越大; 华北电力大学硕十学位论文 对于不同的数据源，在阐值相同的情况下，压缩比和数据源的拟合曲线的 曲率成反比，偏差与曲线的曲率成正比，数据源的拟合曲线的弯曲程度越大，即曲 率越大，压缩比越小，最大偏差越大; 如果压缩数据源是有规律可循的折线，从试验结果可以看出，在不同的闽 值下，压缩比不变，但压缩偏差在大于0 . 05后，在阐值为0 . 5 时出现了压缩偏差。 根据s d t 算法的压缩原理，在阐值较小时，在每个折线段结束时，当进入下一个折 线段时，两扇门就越过平行的界限:在阐值较大时，只有当进入下一个折线段几个 点后，两扇门才能越过平行界限。 表3 一 1 压缩数据的生成函数 函数起始数据点结束数据点数据点个数 y ， 01 0 0 02 0 0 0 y :01 0 0 0 2 0 0 0 y ;0 3 0 06 0 0 表3 一 2三种函数压缩结果比较 人 耳凡乙 压缩比最大偏差压缩比最大偏差压缩比最大偏差 0 012 。 6 6 70 0 1 05 。 5 5 60 0 1 51 3 3 . 3 30 0 . 0 23 . 9 9 20 。 0 2 38 . 2 8 20 . 0 3 21 3 3 . 3 30 0 . 0 56 6 6 70 . 0 6 31 3 。 2 0 10 . 0 7 81 3 33 30 0 。 52 2 5 9 90 。 7 2 34 3 . 0 1 00 . 7 9 31 3 33 30 。 9 9 5 看出这种算法步骤简单，可以根据实际数据的趋势自适应调整压缩算法，但是 这种算法依然存在如下缺点: 当过程数据存在噪声时压缩效率较低。噪声会导致算法对数据趋势的判断 错误，从而减少一个压缩区间内部的数据容量 算法不判断和处理野点，实际上在电厂实际运行过程中的元过程数据中野 点的存在是不可避免的。 压缩结果严重依赖于根据经验知识确定的阐值，如果阐值设置的过大虽然 可以提高压缩率但压缩误差也将加大，太小那么虽然可以降低压缩误差提高判断和 处理野点的成功率但是必然降低压缩率。 华北电力人学硕十学位论文 3 .3 . ， . 4使用调整系数来改进 5 0 丁算法 将数据序列表示为y ， ， y z ， y ， ， ， y * ， 儿 + : ， 凡 + 2 ， ， y 。 ， 使用调整系数来改进压缩算 法 1!4 。 在算法开始设置阐值e 、 强制记录数pr、 初始化压缩区间长度c il( c u r r e n t i n t e r v a 1l e n g t h ) 为0 和调整系数f( 0 f 0 ，为常数:1为单位矩阵。 从式 ( 4 一 2 3) 看出，如果产 很大，l m 算法近似于梯度下降法:若月为0 ，则是 高斯一牛顿法。 4. 2故障诊断系统设计 由于现代电厂设备的稳定性和安全性日益重要，本部分致力于将神经网络的诊 断方法应用到电厂设备中。故障诊断系统中设置了在线故障诊断和离线故障分析两 个部分，系统可以利用 pl 系统中的数据，在线进行实时事故分析和诊断。同时也 可以在离线状态下进行事故分析和事故预测。根据电厂的实际情况，确定故障诊断 系统分为如图4 一 2 所示的八个部分;系统结构流程说明如下: 数据传输模块的后台服务程序首先从 pl 实时数据库服务器读取数据，数据 的读取过程不仅仅是原样读数据，还可以进行一些预先定义的平均、积分、求和 等简单的统计处理。按照实际生产运行情况给定预先定义的统计处理方式，然后 通过压缩算法将数据存入 o r acle数据库中。 需要进行在线故障诊断时， pl 中的数据可以直接被故障诊断模块调用， 进行 故障诊断，然后将诊断结果存入oracle数据库中，以备查询