摘要：塔式光热发电站由于镜场设备众多且分布范围较大，动辄成千上万面定日镜，单面定日镜通常有上百个非实时数据和数十个实时数据需要有效管理和监控，这对于常规的分散控制系统很难满足监控要求。提出以先进的通信技术、数据库技术和Web技术为基础，构建通信和数据管理服务器，在操作员站可通过浏览器来全局、成组和个别监控和操作设备，实时监控网络状态和有效管理设备参数等。
塔式光热发电是太阳能利用的重要方式，具有更高的热效率和聚光比等优点［1］。塔式太阳能热电系统是一种适合大规模发电的新能源利用方式，发展前景广阔，其中，由定日镜场和其控制系统等关键设备组成的定日镜场子系统是整个电站的前端，其性能和效率对电站的运行和发电产出都有很大影响［2］。在此以某塔式光热发电厂的定日镜场为研究对象，该定日镜场有4400面定日镜，其中每面定日镜由一个S7-1200 PLC控制，有非实时参数150个，实时监控数据模拟量16个（其中有数十个开关量打包为模拟量）。为了有效地组织和管理这种大量的数据通信，本文在PLC中以开放式通信协议开发TCP通信客户端，在服务器端以Java开发基于TOMCAT后台Web服务，以Netty实现数据通信任务，以WebSocket实现后端数据向前端页面的主动推送，以HTML5实现前端显示与操作，以MySQL实现数据存储功能，构成一套Web应用服务。可通过浏览器实现定日镜场实时状态的总体概览与成组操作、单面定日镜的详细状态显示与操作。
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关键技术
Netty是一款基于NIO（Nonblocking I/O，非阻塞IO）开发的网络通信框架，基本模式设计为异步、事件驱动的模式，可用于快速开发高性能、高可靠性的网络应用框架。HTML5标准融合了HTML、JavaScript、CSS、WebSocket等多种先进的页面技术，使得页面内容更丰富多彩，同时又有良好的实时性能和人机交互体验。Jquery是一个快速、简洁的JavaScript框架，它封装JavaScript常用的功能代码，提供一种简便的JavaScript设计模式，优化HTML文档操作、事件处理、动画设计和Ajax交互［3］。
WebSocket是HTML5开始提供的一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议，使客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务器主动向客户端推送数据，能更好地节省服务器资源和带宽，并且实时性能更好［4］。
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系统结构
以Siemens PLC 1200作为分布式设备的控制器，通过光纤和路由器等连接至集中监控室。通过Siemens PLC 1200的开放式通信接口组态TCP连接客户端。通信服务器开放端口监听连接，有连接时建立连接接受并处理数据。Web服务器则将数据推送至Web页面展示给用户，用户再根据各种工况在Web页面上做出相应的操作，指令由Web页面传回Web服务器，然后服务器以TCP协议送给相应设备的控制器去执行任务，并反馈执行结果。
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关键功能模块
3.1基于Netty的TCP通信服务器
通信服务器负责与各PLC通信，收集各定日镜的数据，并发送来自人机界面的指令与参数。通信服务器与各PLC间的通信由基于Netty的TCP服务器来实现。消息由长度、功能码和数据组成，在服务器端通过实现消息解码器来解决粘包/拆包问题，再根据功能码做出相应的动作，如存档、推送到前端页面显示等。对于从人机界面来的指令和数据以同样的消息结构封装后再发送给相应PLC。另外Netty中可以通过将IdleStateHangler类添加进Channel的PipeLine中，实现指定时间内没有读或写时向对方发送心跳包。
3.2逻辑处理功能
系统需处理各种实时数据和用户操作指令、自动聚焦散焦、数据存储和参数管理等任务。
1）参数管理模块的主要功能包括：批量上传下载定日镜参数表，并管理定日镜参数表上传下载变更记录等。
2）历史与报警模块。
3）定日镜校正模块。定日镜由于安装或运行过程中会产生各种偏差而不能精准地把反射的光斑定位在集热区，所以要定期校正偏差并管理。为了确保太阳能的高效利用和转化，并降低运维成本，校正系统需要做到：全镜场自动校正，无需值守，实时精确跟踪太阳运动轨迹，自动检查精度，自动重新校正，满足长期跟踪精度要求。该模块动态计算当前太阳位置结合定日镜参数，通过光斑计算模块得出的光斑物理坐标计算出定日镜方位角和俯仰角，与定日镜当前方位角和俯仰角之差为定日镜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为新的校正值送给定日镜。
4）定日镜自动对焦与散焦模块。该模块需实现下述不同工况下整个定日镜场的总体对焦与散焦功能如表1所示。实现定日镜的随机数（优先级）生成算法，结合排序算法来满足定日镜的随机调度要求，实现定日镜的排序算法，定日镜可以按照其优先级进行排序，也可以按照特定的要求，比如其与某个特定点距离进行排序，局部云层遮盖判断等。
塔式光热发电站由于镜场设备众多且分布范围较大，动辄成千上万面定日镜，单面定日镜通常有上百个非实时数据和数十个实时数据需要有效管理和监控，这对于常规的分散控制系统很难满足监控要求。提出以先进的通信技术、数据库技术和Web技术为基础，构建通信和数据管理服务器，在操作员站可通过浏览器来全局、成组和个别监控和操作设备，实时监控网络状态和有效管理设备参数等。
表 1 各种工况的用途
3.3人机界面
人机界面根据功能主要有以下几个主要视图：定日镜场总貌视图、参数管理视图、定日镜场校正系统视图、定日镜场自动对焦系统视图、网络设备监控视图、历史与报警视图。
以定日镜场总貌视图为例详细介绍。定日镜场总貌视图如图1所示，其中每个小方块代表一面定日镜，不同的颜色代表不同的状态，如图1右侧列表所示，小方块上绿色的斜线代表定日镜处于就地状态，小方块上红色的斜线代表定日镜处于挂起状态。当鼠标移入小方块区域内时会显示出该定日镜的详细信息。操作时应先选择定日镜，再发出相应操作指令。
图 1 镜场总貌视图
有多种定日镜选择模式：单面、行、环、对焦面、散焦组、区和自由选择，点击小方块时会根据不同的选择模式选择相应区域内的所有定日镜，再次点击时取消选择。当选择模式为单个时，仅有该定日镜被选中，同时会在总貌视图的右侧显示出单面定日镜的详细视图与操作视图，如图2所示。也能根据图2中的下拉列表选择单面定日镜并显示出单面定日镜的详细视图与操作视图。定日镜场主要参数显示，显示定日镜场当前的天气状况、机组出力和定日镜场定日镜的状态统计信息等。
图 2 单面定日镜详细视图与操作视图
如图2所示，图中上部显示该定日镜的详细信息与报警列表及报警确认、报警抑制操作，并以动画形式显示定日镜当前的位置信息。图中下部显示的是该定日镜的模式切换按钮，运行人员可点击相关按钮进行定日镜的模式切换操作。以黑色文本显示当前生效指令。在OP Setpoint模式下，运行人员也可以直接在输入框中输入定日镜位置的设定值。
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结束语
基于Web的镜场控制系统可通过浏览器实现定日镜场实时状态的总体概览与成组操作、单面定日镜的详细状态显示与操作、参数管理、定日镜校正、聚焦与散焦、历史与报警等功能。
▏作者：刘志声 西门子能源自动化（南京）有限公司
参考文献
［1］杨敏林，杨晓西，林汝谋，等.太阳能热发电技术与系统［J］.热能动力工程，2008，23（3）：221-228，325
［2］李雅雯.塔式太阳能定日镜场聚光系统控制策略研究［D］.保定：华北电力大学，2019
［3］朱育发．jQuery与jQuery Mobile开发完全技术宝典［M］.北京：中国铁道出版社，2014
［4］石文涛.Html5中WebSocket协议关键技术的研究及基于WebSocket协议的实时Web通信系统的实现［D］.南京：南京邮电大学，2014
