現場總線控制系統在大唐三門峽火電廠擴建工程項目的應用
和利時現場總線控制系統在大唐三門峽火電廠三期擴建工程項目的應用實例
1 項目背景
- 項目名稱：
大唐三門峽火電廠三期擴建工程2*1000MW超超臨界機組全廠分散控制系統（DCS）及設備管理系統（HAMS）項目
- 項目規模：
三門峽火電廠位于河南省三門峽市陜縣大營鄉，由華北電力設計院進行設計。鍋爐采用哈爾濱鍋爐廠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、露天島式布置、固態排渣、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(扣除靜態勵磁和非同軸驅動的主油泵、氫密封油泵所消耗的功率)。發電機采用上海發電機廠的1000MW水氫氫冷卻、自并勵靜止勵磁發電機。
該項目DCS控制系統應用于單元機組，公用，輔網、脫硫、脫硝、輸煤、MEH等全廠工藝系統。采用全廠一體化現場總線控制技術，系統規模如下：
1）主機配置測點數量：（常規測點10635點，其中鍋爐側：3561點，汽機側749，電氣側980點，遠程I/O爐側2158點，遠程I/O機側162點）
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，鍋爐側現場總線柜20個（DP網段69，PA網段40），汽機側現場總線柜12個（DP網段35，PA網段27）。
3）主機配置總線設備數量：（總線設備共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百萬機組采用國產現場總線技術應用規模最大，Hart及Profibus協議的智能設備單臺機組3402臺，其中Hart設備1815臺，Profibus設備1587臺，全廠兩臺機組近7000臺設備，并且是首次采用國產軟件系統實現多種不同協議在同一軟件平臺的設備管理，具有里程碑意義，為后來百萬機組應用現場總線技術和設備管理提供了典范。
2 和利時現場總線控制系統
和利時現場總線控制系統是基于先進自動化技術開發的集成工業自動化系統。它用一個開放的系統軟件平臺，將和利時多年開發的各種自動化系統和設備進行有機結合，可根據不同行業的自動化控制需求，提供專業解決方案。其子系統覆蓋了企業經營管理層、企業成產管理層和裝置與過程控制層。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放式實時-關系數據庫，在其基礎上實現了多個管理子系統，并集成了多種滿足不同行業用戶需求的控制系統和設備�？刂破鹘M態符合IEC61131-3標準，不僅擁有平臺的高性能通用控制算法，同時可以集成各種層次的控制功能。系統通過多種現場總線（特別是Profibus-DP），支持多種分布式主控單元和智能儀表。同時，監視平臺可提供高效的集中管理。通過開放的數據庫和網絡接口、協議以及總線，可在各個層面上與第三方系統或設備連接。本系統集成火電、化工等各行業的先進控制算法平臺，為工廠自動控制和企業管理提供深入全面專業的解決方案。
3 大唐三門峽火電廠三期擴建工程現場總線技術的成功應用
3.1 大唐三門峽火電廠三期擴建工程
大唐三門峽火電廠三期擴建工程FCS控制系統采用和利時KM系列現場總線控制系統，現場總線協議為Profibus-DP和PA，相對應的傳輸技術（物理層）分別是RS485和MBP。全廠工藝系統的控制均采用現場總線技術，對現場智能儀表、氣動定位器、電動執行機構、液位計進行監控。DCS能夠滿足常規控制方式與現場總線Profibus DP/PA的無縫結合�，F場總線設備應用范圍超過60%，處于國內先進水平�，F場總線通信電纜敷設嚴格按照火電行業施工標準，全廠現場總線電纜全部單獨布線，保證了設備通信的安全穩定。
3.2 現場總線技術應用
大唐三門峽火電廠三期擴建工程為國內電力行業百萬機組采用國產現場總線技術應用規模最大的項目，Hart及Profibus協議的智能設備單臺機組3402臺，其中Hart設備1815臺，Profibus設備1587臺，全廠兩臺機組近7000臺設備，并且是首次采用國產軟件系統實現多種不同協議在同一軟件平臺的設備管理，具有里程碑意義，為后來百萬機組應用現場總線技術和設備管理提供了典范。項目中DP設備包括電動執行機構、馬達控制器、變頻器等，PA設備包括壓力變送器、流量計、氣動定位器及液位計等。冗余PROFIBUS網絡覆蓋整個單元機組的鍋爐房、汽機房。為了提高總線控制的可靠性，采取了DP冗余總線配置方案，現場主機的DP設備選用DP雙冗余接口。圖2為現場總線系統網絡結構。
圖2：現場總線系統網絡結構
3.3現場總線設備應用
（1）范圍：除6kV電機、大機、小機、溫度信號、機爐主保護的信號外的大部分信號。
（2）儀表：
壓力、差壓變送器：西門子、羅斯蒙特；
氣動閥門定位器：西門子、ABB、fisher；
380VAC電動機控制和保護單元：珠海拓普、江蘇金智、河南博銳、西門子；
電動閥門驅動單元：西博思、羅托克、EMG、AUMA、Limitorque、伯納德、揚州愛伯德、廈門FREET；
液位計：E+H、西門子；
在線儀表：羅斯蒙特、哈希/鼎石；
電磁閥箱：菲斯托、ASCO;
（3）智能前端：
上海微程總線型智能前端（冗余型）
3.4 現場總線設備組態
和利時系統對標準的現場總線設備組態，可先利用GSD文件進行設備的添加，然后通過集成的硬件代理塊，實現設備所有的控制及狀態信息顯示，組態方便不易出錯。圖3為在系統中添加現場總線設備，圖4為設備的硬件代理塊。
圖3：系統中添加現場總線設備
圖4：設備的硬件代理塊
3.5現場總線設備信息的開發和應用
現場總線技術的關鍵優點在于突破了傳統DCS對現場信號“點對點”的單向傳輸模式，使現場儀表、設備能夠與通信主站和控制系統實現雙向數據傳輸。豐富的實時數據需要開發軟件，進行處理、分析和綜合，使之成為有用信息，實現高層次的設備診斷、管理和優化功能。
和利時現場總線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信息和診斷信息幫助熱工檢修人員進行設備維護，另外通過FDT/DTM設備管理技術實現對設備遠程修改參數和讀取相關的產品及維護信息。
3.5.1現場總線設備周期性數據的采集和利用
現場總線設備的周期性數據中除了包含設備的過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程測量值之外，還能進行傳感器故障、量程越限等報警；電動執行機構除了對設備進行開關控制之外，還能進行過力矩、電機過熱、電機堵轉等報警信息。在三門峽電廠，和利時系統通過解析設備的周期性數據，制作了現場總線設備拓撲結構圖及設備狀態信息的解析界面，可讓用戶直觀的了解到設備目前的通信狀態及運行情況，并且可對設備的故障歷史狀態進行統計分析。圖5為現場總線拓撲結構圖，圖6為電動執行機構狀態信息解析界面。
圖5：現場總線拓撲結構圖
圖6：電動執行機構狀態信息解析界面
3.5.2現場總線設備管理系統
HOLLiAS® AMS設備管理系統（以下簡稱為HAMS）是和利時公司對于工業現場智能設備管理的解決方案，集數據采集和數據分析于一體，提供針對現場儀表、調節閥等智能設備進行維護、校驗和故障診斷的統一管理平臺，是全廠性的智能儀表維護和故障診斷系統的重要組成部分，用來實現對各種類型智能儀表的遠程數據讀取與組態、狀態診斷及監測、維護分析管理和自動日志記錄等，同時對設備故障進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揮最大效益，減少儀表的損耗并降低維護和運營成本，大幅提高工廠設備的可用性。
HAMS系統支持對現場安裝的智能儀表實現數據讀取與組態、故障診斷及監測、維護流程管理、動態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，在控制室或儀表車間實現儀表量程上下限、單位等各種智能化參數的配置和組態；
• 故障診斷。無需進入現場或拆下儀表，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，自動生成標定報告和標定趨勢曲線，從而判斷儀表的老化程度；
• 維護計劃。對儀表進行在線監測和診斷，自動編制維護計劃，避免不合理的維護導致的資源和人力浪費；
• 志記錄。自動記錄所有組態變化和操作，可隨時追溯歷史操作和影響，避免人為誤操作；
• 統一平臺。各個廠家、各種類型的智能儀表具有統一的維護和管理平臺，操作簡單、升級方便；
• 資產優化。實現設備臺賬、庫存和工作單等資產管理的優化策略，減少浪費，提高設備利用率。
技術特點
HAMS系統采用開放的設備集成技術和規范，能夠兼容不同廠家各種類型的智能儀表（標準Profibus協議的主流智能儀表），可避免使用多種組態配置工具和軟件，具有統一的操作方式和用戶界面，該系統具有以下技術特點：
• 支持采用EDDL和FDT/DTM兩種設備集成技術解決儀表的互操作性問題；
• 支持HART/Profibus等智能儀表的信息獲取和智能診斷；
• 每臺AMS服務器可監視的最大設備數量不低于10000個；
• 支持C/S系統架構，每個服務器支持多個客戶端進行同時訪問；
• 可以直接通過和利時智能IO卡件建立與現場智能儀表的連接，無需增加其他額外采集硬件；
• 通過HART多路轉換器獲取第三方系統連接儀表的數據信息；
• 標準的OPC接口，允許與第三方系統進行數據通信和訪問；
• 利用SQL數據庫進行數據存儲；
• 自動存儲所有對儀表的操作修改、參數組態、故障報警信息等；
• 支持中英文兩種語言進行切換使用。
1）大唐三門峽電廠投產期間的設備管理應用
現場設備維護管理軟件的意義是讀取設備的狀態信息和診斷信息進行統計分析，形成指導性計劃，再通過遠程設備管理功能，幫助檢修人員進行設備維護。
項目中主要應用的熱控設備為電動執行機構和變送器，現場總線型的變送器除了采集測量值外通常還包含有：設備狀態、限值狀態、傳感器狀態、數據狀態、環境溫度、維護信息等，管理軟件通過這些信息可幫助檢修人員判斷目前變送器的實際情況，可以及時反應出測量值是否真實可靠，當出現問題后，可以定位問題原因，常見問題為傳感器故障，加速了檢修人員判斷問題的時間。
現場總線型的電動執行機構除了對設備的基本控制和讀取開關狀態及位置反饋外通常包含有：供電故障、開/關過力矩、處于故障安全模式、電子單元故障、手輪操作、方向監控、電機過熱、電機過流、電機堵轉、綜合報警等信息，在正常運行中，若設備出現異常，管理軟件可通過報警信息對設備故障類型進行判斷，明確故障原因，從而提高檢修效率，其中開/關過力矩、電機過熱和電機堵轉為常見故障原因，另外，軟件通過分析維護信息可讓檢修人員了解到目前設備的已處于危險狀態需要采取檢修維護措施，避免故障的發生。
以下為設備管理軟件對常用設備的實際管理應用：
1）變送器遠程修改參數如單位、量程等，在投運期間，若運行提出了大量的設備需要修改單位，則全部可以在管理軟件中實現修改，其中測量風量的變送器，經常會出現靈敏度過高，要求增大阻尼系數，也同樣通過軟件在遠方得到修改，減少了校表的工作量，部分通過壓力測量液位的變送器還通過遠方修改變送器參數及密度，使得變送器直接傳輸mmH2O等測量值，減少了組態的數值換算；變送器的參數修改界面如圖7：
圖7：變送器的參數修改界面
2）超聲波液位計遠程修改參數，由于超聲波液位計就地需要遙控器修改參數，并且部分輔助車間的液位計里工程師站距離較遠，而液位計的初設單位為%，測量量程也與實際不符需要遷移或縮小，所以從初期液位計效驗和調試均可在管理軟件中進行實現，修改參數和調試，方便快捷；超聲波液位計的參數修改界面如圖8：
圖8：超聲波液位計的參數修改界面
3）電動執行機構參數修改，調試期間部分電動執行機構由于調試人員參數設置錯誤，導致無法遠程操作，但是設備位置不佳（懸空），調試人員再次到執行機構處配置參數難度較大，結果均通過設備管理功能修改所需參數，實現了遠程配置；在投運期間，設備也經常會出現力矩設置不合適的地方，通過管理軟件進行修改參數便可遠程處理問題，電動執行機構的參數修改界面如圖9：
圖9：電動執行機構的參數修改界面
4）氣動定位器遠程定位及參數修改，部分定位器行程需定位，在管理軟件中可實現與就地相同的自動定位功能，完全實現遠方自動定位，為后期設備維護提供了有效的幫助，并且部分定位器的指令與反饋相反，也均通過管理軟件進行了參數校正，完成了設備調試；氣動定位器遠程智能定位界面如圖10：
圖10：氣動定位器遠程智能定位界面
另外，HAMS設備管理系統除了設備遠程參數修改外，還可實現報警讀取，自動生成設備臺賬、操作日志記錄、維護計劃、維護記錄、報警管理、故障統計分析及用戶管理等功能，便于日常檢修維護的管理。
2）較進口DCS設備管理的優勢
HAMS與進口DCS的設備管理系統比較而言主要有以下優勢：
A、HAMS產品為中文界面，方便國內檢修人員進行使用，功能完全可根據客戶需要及時響應和補充；
B、從功能上來說，HAMS系統比進口同類產品具有更符合國內企業管理特色的一些功能，包括：用戶管理、動態臺賬、操作日志記錄、維護記錄等；
3.6 工程應用經驗
現場總線技術通過大唐三門峽電廠的成功工程實施，總結以下工程應用經驗：
1）總線獨立槽盒設計
在MCC電子間及大型電纜豎井內布置專門現場總線的獨立小槽盒，或者獨立總線隔間。由于現場限制，在一些區域無法滿足總線電纜與動力電纜的分開距離要求。這些區域有：MCC電子間進線孔，電纜豎井，MCC電子間（特別是就地MCC電子小間）無法滿足動力纜與DP纜60cm的分隔要求，并且并行鋪設。在這些位置增加獨立布線槽盒可以增強總線抗干擾能力。
2）在鍋爐上安裝垂直打通小橋架以及在汽機管道層安裝環繞小橋架
由于鍋爐豎井設計太少，而鍋爐系統總線按照系統分段，往往一個網段從爐頂連接到0米。而汽機主橋架只在走道上方設計。造成總線系統在布置時繞行嚴重，并且容易受到干擾。在鍋爐上安裝垂直打通小橋架和汽機管道層安裝環繞小橋架可以有效避免次現象。
3）現場終端電阻柜設計
由于鍋爐網段首先按照系統的邏輯關系分段，然后按照冗余分段。經常會有排汽門，管道閥門，泵在一個網段的情況。排汽門在爐頂，管道閥門在鍋爐中部，泵在0米MCC電子間。如果終端電阻安裝在總線柜內，會造成總線電纜超過400米的情況。在鍋爐頂部，0米MCC電子間，中部分別設計3個總線終端電阻柜，可以有效解決此問題。
4）多次培訓，持證上崗，保證安裝質量
總線安裝質量決定總線后期運行質量。和利時在三門峽現場組織3次正規培訓以及多次現場培訓。3次正規培訓分別在電纜敷設開始前，總線接線開始前以及總線調試開始前。分別有針對性的對電建進行培訓。培訓結束后出考試題對電建施工人員進行考試�？荚嚭细窈笥呻姀S派發施工證，保證每名施工人員都經過培訓。
5）工作卡施工記錄
現場總線系統調試嚴重受制于安裝進度經常一段總線有幾個門沒有裝，無法調試，等裝好了忘記調試的情況。機組調試期間設計調試卡，由電建進行現場接線后單體測試。整網段段完成測試工作后交調試單位和電廠進行系統調試。
4 項目應用的關鍵技術與創新點
1）通過對動態規劃資源最優分配算法、多種智能設備數據描述語言的研究，采用了優先級分級的數據傳輸機制，創新性提出了“一種現場總線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、設備數據描述語言不同，所導致的數據提取及應用復雜困難的問題。
2）通過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題。
3）通過對智能設備冗余技術、設備數據傳輸時序以及可靠性相關技術的研究，采取了數據同步效驗及動態篩選的冗余機制、數據時序在線可調以及在通信模塊上增加特殊隔離機制的技術，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
大唐三門峽火電廠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現場總線網絡，總線設備覆蓋率達到60%以上。機組自2017年1月份投產以來，系統整體運行穩定，控制有效，未發生任何不安全事件。
生產期應用過程中，人機界面友好，功能性能優良，系統實時性、準確性及可靠性高。保護動作正常，調節系統控制精準有效。
通過DCS及現場總線系統管理平臺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，日常維護過程中，通過維護工程師在工程師站，使用HAMS調取相關設備信息，可遠程進行故障診斷，并通過調整相關數據參數完成故障處理及維護工作。
DCS控制系統實現了與智能設備的互聯互通，除了能夠實時穩定地讀取設備的狀態信息，及時有效地執行控制系統發出的指令外。對智能設備的狀態、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的基礎。下圖為用戶發來的感謝信。
6 結論
數字化電廠最終是要實現數字化管理，從而實現企業經濟效益的最大化。而生產過程數字化是上層結構的基礎，所以首先要有效的通過現場總線技術提供設備運行的實時信息和基礎數據，建立完善的數字化信息平臺。大唐三門峽火電廠三期擴建工程項目2×1000MW超超臨界工程機組的投產，和現場總線設備管理功能的成功應用，標志著國產現場總線系統的功能和性能滿足主機運行要求、系統可靠。同時為智能化設備的管理，及今后大數據系統性分析的應用有著推動性作用！
