1　項目背景

三門(mén)峽火電廠(chǎng)位于河南省三門(mén)峽市陜縣大營(yíng)鄉，由華北電力設計院進(jìn)行設計。鍋爐采用哈爾濱鍋爐廠(chǎng)的超超臨界參數變壓運行直流爐，超超臨界參數、變壓直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天島式布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構、切圓燃燒方式，Π型鍋爐。同步建設脫硝裝置。汽輪機采用上海汽輪機廠(chǎng)的超超臨界、一次中間再熱、四缸、四排汽、單軸、凝汽式汽輪機。機組的銘牌出力（TRL）為1000MW（扣除靜態(tài)勵磁和非同軸驅動(dòng)的主油泵、氫密封油泵所消耗的功率）。發(fā)電機采用上海發(fā)電機廠(chǎng)的1000MW水氫氫冷卻、自并勵靜止勵磁發(fā)電機。

該項目DCS控制系統應用于單元機組、公用、輔網(wǎng)、脫硫、脫硝、輸煤、MEH等全廠(chǎng)工藝系統。采用全廠(chǎng)一體化現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)，系統規模如下：

（1）主機配置測點(diǎn)數量：常規測點(diǎn)10635點(diǎn)，其中鍋爐側：3561點(diǎn)，汽機側749，電氣側980點(diǎn)，遠程I/O爐側2158點(diǎn)，遠程I/O機側162點(diǎn)；

（2）主機配置硬件規模：操作員6臺，工程師2臺，歷史站2臺，控制站35臺，鍋爐側現場(chǎng)總線(xiàn)柜20個(gè)（DP網(wǎng)段69，PA網(wǎng)段40），汽機側現場(chǎng)總線(xiàn)柜12個(gè)（DP網(wǎng)段35，PA網(wǎng)段27）；

（3）主機配置總線(xiàn)設備數量：總線(xiàn)設備共1202臺，其中鍋爐側DP設備432臺，汽機側DP設備220臺，鍋爐側PA設備379臺，汽機側PA設備172臺。

該項目為國內電力行業(yè)百萬(wàn)機組采用國產(chǎn)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用規模最大，Hart及Profibus協(xié)議的智能設備單臺機組3402臺，其中Hart設備1815臺，Profibus設備1587臺，全廠(chǎng)兩臺機組近7000臺設備，并且是首次采用國產(chǎn)軟件系統實(shí)現多種不同協(xié)議在同一軟件平臺的設備管理，具有里程碑意義，為后來(lái)百萬(wàn)機組應用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和設備管理提供了應用典范。

2　和利時(shí)現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統

和利時(shí)現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統是基于先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)開(kāi)發(fā)的集成工業(yè)自動(dòng)化系統。它用一個(gè)開(kāi)放的系統軟件平臺，將和利時(shí)多年開(kāi)發(fā)的各種自動(dòng)化系統和設備進(jìn)行有機結合，可根據不同行業(yè)的自動(dòng)化控制需求，提供專(zhuān)業(yè)解決方案。其子系統覆蓋了企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理層、企業(yè)成產(chǎn)管理層和裝置與過(guò)程控制層。圖1為系統架構圖。

圖1 系統架構圖

系統在信息化和集成化方面采用了開(kāi)放式實(shí)時(shí)關(guān)系數據庫，在其基礎上實(shí)現了多個(gè)管理子系統，并集成了多種滿(mǎn)足不同行業(yè)用戶(hù)需求的控制系統和設備?？刂破鹘M態(tài)符合IEC61131-3標準，不僅擁有平臺的高性能通用控制算法，同時(shí)可以集成各種層次的控制功能。系統通過(guò)多種現場(chǎng)總線(xiàn)（特別是Profibus-DP），支持多種分布式主控單元和智能儀表。同時(shí)，監視平臺可提供高效的集中管理。通過(guò)開(kāi)放的數據庫和網(wǎng)絡(luò )接口、協(xié)議以及總線(xiàn)，可在各個(gè)層面上與第三方系統或設備連接。本系統集成火電、化工等各行業(yè)的先進(jìn)控制算法平臺，為工廠(chǎng)自動(dòng)控制和企業(yè)管理提供全面專(zhuān)業(yè)的解決方案。

3　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的成功應用

3.1　大唐三門(mén)峽火電廠(chǎng)三期擴建工程

大唐三門(mén)峽火電廠(chǎng)三期擴建工程FCS控制系統采用和利時(shí)KM系列現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議為Profibus-DP和PA，相對應的傳輸技術(shù)（物理層）分別是RS485和MBP。全廠(chǎng)工藝系統的控制均采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，對現場(chǎng)智能儀表、氣動(dòng)定位器、電動(dòng)執行機構、液位計進(jìn)行監控。DCS能夠滿(mǎn)足常規控制方式與現場(chǎng)總線(xiàn)ProfibusDP/PA的無(wú)縫結合?，F場(chǎng)總線(xiàn)設備應用范圍超過(guò)60%，處于國內先進(jìn)水平?，F場(chǎng)總線(xiàn)通信電纜敷設嚴格按照火電行業(yè)施工標準，全廠(chǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)電纜全部單獨布線(xiàn)，保證了設備通信的安全穩定。

3.2　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用

大唐三門(mén)峽火電廠(chǎng)三期擴建工程為國內電力行業(yè)百萬(wàn)機組采用國產(chǎn)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用規模最大的項目，Hart及Profibus協(xié)議的智能設備單臺機組3402臺，其中Hart設備1815臺，Profibus設備1587臺，全廠(chǎng)兩臺機組近7000臺設備，并且是首次采用國產(chǎn)軟件系統實(shí)現多種不同協(xié)議在同一軟件平臺的設備管理，具有里程碑意義，為后來(lái)百萬(wàn)機組應用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和設備管理提供了典范。項目中DP設備包括電動(dòng)執行機構、馬達控制器、變頻器等，PA設備包括壓力變送器、流量計、氣動(dòng)定位器及液位計等。冗余PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )覆蓋整個(gè)單元機組的鍋爐房、汽機房。為了提高總線(xiàn)控制的可靠性，采取了DP冗余總線(xiàn)配置方案，現場(chǎng)主機的DP設備選用DP雙冗余接口。圖2為現場(chǎng)總線(xiàn)系統網(wǎng)絡(luò )結構。

圖2 現場(chǎng)總線(xiàn)系統網(wǎng)絡(luò )結構

3.3　現場(chǎng)總線(xiàn)設備組態(tài)

和利時(shí)系統對標準的現場(chǎng)總線(xiàn)設備組態(tài)，可先利用GSD文件進(jìn)行設備的添加，然后通過(guò)集成的硬件代理塊，實(shí)現設備所有的控制及狀態(tài)信息顯示，組態(tài)方便不易出錯。圖3為在系統中添加現場(chǎng)總線(xiàn)設備，圖4為設備的硬件代理塊。

圖3 系統中添加現場(chǎng)總線(xiàn)設備

圖4 設備的硬件代理塊

3.4　現場(chǎng)總線(xiàn)設備信息的開(kāi)發(fā)和應用

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)在于突破了傳統DCS對現場(chǎng)信號“點(diǎn)對點(diǎn)”的單向傳輸模式，使現場(chǎng)儀表、設備能夠與通信主站和控制系統實(shí)現雙向數據傳輸。豐富的實(shí)時(shí)數據需要開(kāi)發(fā)軟件，進(jìn)行處理、分析和綜合，使之成為有用信息，實(shí)現高層次的設備診斷、管理和優(yōu)化功能。

和利時(shí)現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的通信主站除了可以完成對智能型設備的基本控制和數據采集外，還能讀取設備的狀態(tài)信息和診斷信息幫助熱工檢修人員進(jìn)行設備維護，另外通過(guò)FDT/DTM設備管理技術(shù)實(shí)現對設備遠程修改參數和讀取相關(guān)的產(chǎn)品及維護信息。

3.4.1　現場(chǎng)總線(xiàn)設備周期性數據的采集和利用

現場(chǎng)總線(xiàn)設備的周期性數據中除了包含設備的過(guò)程控制信息以及常用的設備報警信息，如變送器除了包含過(guò)程測量值之外，還能進(jìn)行傳感器故障、量程越限等報警；電動(dòng)執行機構除了對設備進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制之外，還能進(jìn)行過(guò)力矩、電機過(guò)熱、電機堵轉等報警信息。在三門(mén)峽電廠(chǎng)，和利時(shí)系統通過(guò)解析設備的周期性數據，制作了現場(chǎng)總線(xiàn)設備拓撲結構圖及設備狀態(tài)信息的解析界面，可讓用戶(hù)直觀(guān)了解到設備目前的通信狀態(tài)及運行情況，并且可對設備的故障歷史狀態(tài)進(jìn)行統計分析。圖5為現場(chǎng)總線(xiàn)拓撲結構圖，圖6為電動(dòng)執行機構狀態(tài)信息解析界面。

圖5 現場(chǎng)總線(xiàn)拓撲結構圖

圖6 電動(dòng)執行機構狀態(tài)信息解析界面

3.4.2　現場(chǎng)總線(xiàn)設備管理系統

HOLLiAS AMS設備管理系統（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為HAMS）是和利時(shí)對于工業(yè)現場(chǎng)智能設備管理的解決方案，集數據采集和數據分析于一體，提供針對現場(chǎng)儀表、調節閥等智能設備進(jìn)行維護、校驗和故障診斷的統一管理平臺，是全廠(chǎng)性的智能儀表維護和故障診斷系統的重要組成部分，用來(lái)實(shí)現對各種類(lèi)型智能儀表的遠程數據讀取與組態(tài)、狀態(tài)診斷及監測、維護分析管理和自動(dòng)日志記錄等，同時(shí)對設備故障進(jìn)行統計分析和評估并提供維修策略依據，從而使得智能設備發(fā)揮最大效益，減少儀表的損耗并降低維護和運營(yíng)成本，大幅提高工廠(chǎng)設備的可用性。

HAMS系統支持對現場(chǎng)安裝的智能儀表實(shí)現數據讀取與組態(tài)、故障診斷及監測、維護流程管理、動(dòng)態(tài)臺賬管理和日志記錄等功能，提供的主要功能描述如下：

·遠程配置。足不出戶(hù)，在控制室或儀表車(chē)間實(shí)現儀表量程上下限、單位等各種智能化參數的配置和組態(tài)；

·故障診斷。無(wú)需進(jìn)入現場(chǎng)或拆下儀表，就可以查看儀表的診斷狀況，快速定位儀表故障，為儀表維修提供依據；

·標定管理。輕松設計標定方案，自動(dòng)生成標定報告和標定趨勢曲線(xiàn)，從而判斷儀表的老化程度；

·維護計劃。對儀表進(jìn)行在線(xiàn)監測和診斷，自動(dòng)編制維護計劃，避免不合理的維護導致的資源和人力浪費；

·日志記錄。自動(dòng)記錄所有組態(tài)變化和操作，可隨時(shí)追溯歷史操作和影響，避免人為誤操作；

·統一平臺。各個(gè)廠(chǎng)家、各種類(lèi)型的智能儀表具有統一的維護和管理平臺，操作簡(jiǎn)單、升級方便；

·資產(chǎn)優(yōu)化。實(shí)現設備臺賬、庫存和工作單等資產(chǎn)管理的優(yōu)化策略，減少浪費，提高設備利用率。

HAMS系統采用開(kāi)放的設備集成技術(shù)和規范，能夠兼容不同廠(chǎng)家各種類(lèi)型的智能儀表（標準Profibus協(xié)議的主流智能儀表），可避免使用多種組態(tài)配置工具和軟件，具有統一的操作方式和用戶(hù)界面。

4　項目應用的關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng )新點(diǎn)

（1）通過(guò)對動(dòng)態(tài)規劃資源最優(yōu)分配算法、多種智能設備數據描述語(yǔ)言的研究，采用了優(yōu)先級分級的數據傳輸機制，創(chuàng )新性提出了“一種現場(chǎng)總線(xiàn)設備管理及診斷方法和系統”與“一種智能儀表設備管理方法、系統及裝置”，建立了智能設備信息框架，解決了多種不同品牌智能設備的非周期性數據參數量大、尋址格式不一致、設備數據描述語(yǔ)言不同，所導致的數據提取及應用復雜困難的問(wèn)題。

（2）通過(guò)對多種不同品牌智能設備周期性數據特征的研究，建立了數據診斷及解析模型，實(shí)現了智能設備“即插即用”的模塊化周期性數據解析，解決了多種不同品牌智能設備的周期性數據參數格式不一致所導致的數據提取及應用復雜困難的問(wèn)題。

（3）通過(guò)對智能設備冗余技術(shù)、設備數據傳輸時(shí)序以及可靠性相關(guān)技術(shù)的研究，采取了數據同步校驗及動(dòng)態(tài)篩選的冗余機制、數據時(shí)序在線(xiàn)可調以及在通信模塊上增加特殊隔離機制的技術(shù)，解決了DCS控制系統在同一通信主站下連接多種不同品牌的國內外冗余通信口智能設備兼容性差、難以配置的問(wèn)題，提高了智能設備數據傳輸的穩定性及可靠性。

5　應用效益

大唐三門(mén)峽火電廠(chǎng)三期擴建工程項目竣工后，主輔機控制系統DCS一體化，設備層配套PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，總線(xiàn)設備覆蓋率達到60%以上。機組自2017年1月份投產(chǎn)以來(lái)，系統整體運行穩定，控制有效，未發(fā)生任何安全事件。

生產(chǎn)期應用過(guò)程中，人機界面友好，功能性能優(yōu)良，系統實(shí)時(shí)性、準確性及可靠性高。保護動(dòng)作正常，調節系統控制精準有效。

通過(guò)DCS及現場(chǎng)總線(xiàn)系統管理平臺HAMS，維護人員能夠最大程度地挖掘設備內部診斷及維護信息，基本上實(shí)現了遠程維護、診斷及維護。許多安裝位置處于高空、危險區域的儀表設備，日常維護過(guò)程中，通過(guò)維護工程師在工程師站，使用HAMS調取相關(guān)設備信息，可遠程進(jìn)行故障診斷，并通過(guò)調整相關(guān)數據參數完成故障處理及維護工作。

DCS控制系統實(shí)現了與智能設備的互聯(lián)互通，除了能夠實(shí)時(shí)穩定地讀取設備的狀態(tài)信息，及時(shí)有效地執行控制系統發(fā)出的指令外。對智能設備的狀態(tài)、報警及診斷數據等其他有效數據的挖掘，也為今后大數據分析、數據挖掘及二次應用都打下了堅實(shí)的基礎。

6　結論

數字化電廠(chǎng)是要實(shí)現數字化管理，從而實(shí)現企業(yè)經(jīng)濟效益的最大化。而生產(chǎn)過(guò)程數字化是上層結構的基礎，所以首先要通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)提供設備運行的實(shí)時(shí)信息和基礎數據，建立完善的數字化信息平臺。大唐三門(mén)峽火電廠(chǎng)三期擴建工程項目2×1000MW超超臨界工程機組的投產(chǎn)，和現場(chǎng)總線(xiàn)設備管理功能的成功應用，標志著(zhù)國產(chǎn)現場(chǎng)總線(xiàn)系統的功能和性能滿(mǎn)足主機運行要求、系統可靠。同時(shí)為智能化設備的管理，及大數據系統性分析的應用有著(zhù)推動(dòng)性作用。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年7月刊