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1　項(xiàng)目背景

三門峽火電廠位于河南省三門峽市陜縣大營(yíng)鄉(xiāng)，由華北電力設(shè)計(jì)院進(jìn)行設(shè)計(jì)。鍋爐采用哈爾濱鍋爐廠的超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，超超臨界參數(shù)、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(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、切圓燃燒方式，Π型鍋爐。同步建設(shè)脫硝裝置。汽輪機(jī)采用上海汽輪機(jī)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(jī)。機(jī)組的銘牌出力（TRL）為1000MW（扣除靜態(tài)勵(lì)磁和非同軸驅(qū)動(dòng)的主油泵、氫密封油泵所消耗的功率）。發(fā)電機(jī)采用上海發(fā)電機(jī)廠的1000MW水氫氫冷卻、自并勵(lì)靜止勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。

該項(xiàng)目DCS控制系統(tǒng)應(yīng)用于單元機(jī)組、公用、輔網(wǎng)、脫硫、脫硝、輸煤、MEH等全廠工藝系統(tǒng)。采用全廠一體化現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)，系統(tǒng)規(guī)模如下：

（1）主機(jī)配置測(cè)點(diǎn)數(shù)量：常規(guī)測(cè)點(diǎn)10635點(diǎn)，其中鍋爐側(cè)：3561點(diǎn)，汽機(jī)側(cè)749，電氣側(cè)980點(diǎn)，遠(yuǎn)程I/O爐側(cè)2158點(diǎn)，遠(yuǎn)程I/O機(jī)側(cè)162點(diǎn)；

（2）主機(jī)配置硬件規(guī)模：操作員6臺(tái)，工程師2臺(tái)，歷史站2臺(tái)，控制站35臺(tái)，鍋爐側(cè)現(xiàn)場(chǎng)總線柜20個(gè)（DP網(wǎng)段69，PA網(wǎng)段40），汽機(jī)側(cè)現(xiàn)場(chǎng)總線柜12個(gè)（DP網(wǎng)段35，PA網(wǎng)段27）；

（3）主機(jī)配置總線設(shè)備數(shù)量：總線設(shè)備共1202臺(tái)，其中鍋爐側(cè)DP設(shè)備432臺(tái)，汽機(jī)側(cè)DP設(shè)備220臺(tái)，鍋爐側(cè)PA設(shè)備379臺(tái)，汽機(jī)側(cè)PA設(shè)備172臺(tái)。

該項(xiàng)目為國(guó)內(nèi)電力行業(yè)百萬(wàn)機(jī)組采用國(guó)產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用規(guī)模最大，Hart及Profibus協(xié)議的智能設(shè)備單臺(tái)機(jī)組3402臺(tái)，其中Hart設(shè)備1815臺(tái)，Profibus設(shè)備1587臺(tái)，全廠兩臺(tái)機(jī)組近7000臺(tái)設(shè)備，并且是首次采用國(guó)產(chǎn)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多種不同協(xié)議在同一軟件平臺(tái)的設(shè)備管理，具有里程碑意義，為后來(lái)百萬(wàn)機(jī)組應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和設(shè)備管理提供了應(yīng)用典范。

2　和利時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

和利時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是基于先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)開發(fā)的集成工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。它用一個(gè)開放的系統(tǒng)軟件平臺(tái)，將和利時(shí)多年開發(fā)的各種自動(dòng)化系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，可根據(jù)不同行業(yè)的自動(dòng)化控制需求，提供專業(yè)解決方案。其子系統(tǒng)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(tǒng)架構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)在信息化和集成化方面采用了開放式實(shí)時(shí)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了多個(gè)管理子系統(tǒng)，并集成了多種滿足不同行業(yè)用戶需求的控制系統(tǒng)和設(shè)備。控制器組態(tài)符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，不僅擁有平臺(tái)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(tǒng)通過(guò)多種現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，監(jiān)視平臺(tái)可提供高效的集中管理。通過(guò)開放的數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)接口、協(xié)議以及總線，可在各個(gè)層面上與第三方系統(tǒng)或設(shè)備連接。本系統(tǒng)集成火電、化工等各行業(yè)的先進(jìn)控制算法平臺(tái)，為工廠自動(dòng)控制和企業(yè)管理提供全面專業(yè)的解決方案。

3　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的成功應(yīng)用

3.1　大唐三門峽火電廠三期擴(kuò)建工程

大唐三門峽火電廠三期擴(kuò)建工程FCS控制系統(tǒng)采用和利時(shí)KM系列現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議為Profibus-DP和PA，相對(duì)應(yīng)的傳輸技術(shù)（物理層）分別是RS485和MBP。全廠工藝系統(tǒng)的控制均采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、氣動(dòng)定位器、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液位計(jì)進(jìn)行監(jiān)控。DCS能夠滿足常規(guī)控制方式與現(xiàn)場(chǎng)總線ProfibusDP/PA的無(wú)縫結(jié)合。現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備應(yīng)用范圍超過(guò)60%，處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。現(xiàn)場(chǎng)總線通信電纜敷設(shè)嚴(yán)格按照火電行業(yè)施工標(biāo)準(zhǔn)，全廠現(xiàn)場(chǎng)總線電纜全部單獨(dú)布線，保證了設(shè)備通信的安全穩(wěn)定。

3.2　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用

大唐三門峽火電廠三期擴(kuò)建工程為國(guó)內(nèi)電力行業(yè)百萬(wàn)機(jī)組采用國(guó)產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用規(guī)模最大的項(xiàng)目，Hart及Profibus協(xié)議的智能設(shè)備單臺(tái)機(jī)組3402臺(tái)，其中Hart設(shè)備1815臺(tái)，Profibus設(shè)備1587臺(tái)，全廠兩臺(tái)機(jī)組近7000臺(tái)設(shè)備，并且是首次采用國(guó)產(chǎn)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多種不同協(xié)議在同一軟件平臺(tái)的設(shè)備管理，具有里程碑意義，為后來(lái)百萬(wàn)機(jī)組應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和設(shè)備管理提供了典范。項(xiàng)目中DP設(shè)備包括電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、馬達(dá)控制器、變頻器等，PA設(shè)備包括壓力變送器、流量計(jì)、氣動(dòng)定位器及液位計(jì)等。冗余PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個(gè)單元機(jī)組的鍋爐房、汽機(jī)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(xiàn)場(chǎng)主機(jī)的DP設(shè)備選用DP雙冗余接口。圖2為現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.3　現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備組態(tài)

和利時(shí)系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備組態(tài)，可先利用GSD文件進(jìn)行設(shè)備的添加，然后通過(guò)集成的硬件代理塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備所有的控制及狀態(tài)信息顯示，組態(tài)方便不易出錯(cuò)。圖3為在系統(tǒng)中添加現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，圖4為設(shè)備的硬件代理塊。

圖3 系統(tǒng)中添加現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備

圖4 設(shè)備的硬件代理塊

3.4　現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備信息的開發(fā)和應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)在于突破了傳統(tǒng)DCS對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的單向傳輸模式，使現(xiàn)場(chǎng)儀表、設(shè)備能夠與通信主站和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。豐富的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要開發(fā)軟件，進(jìn)行處理、分析和綜合，使之成為有用信息，實(shí)現(xiàn)高層次的設(shè)備診斷、管理和優(yōu)化功能。

和利時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的通信主站除了可以完成對(duì)智能型設(shè)備的基本控制和數(shù)據(jù)采集外，還能讀取設(shè)備的狀態(tài)信息和診斷信息幫助熱工檢修人員進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，另外通過(guò)FDT/DTM設(shè)備管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備遠(yuǎn)程修改參數(shù)和讀取相關(guān)的產(chǎn)品及維護(hù)信息。

3.4.1　現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備周期性數(shù)據(jù)的采集和利用

現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的周期性數(shù)據(jù)中除了包含設(shè)備的過(guò)程控制信息以及常用的設(shè)備報(bào)警信息，如變送器除了包含過(guò)程測(cè)量值之外，還能進(jìn)行傳感器故障、量程越限等報(bào)警；電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)除了對(duì)設(shè)備進(jìn)行開關(guān)控制之外，還能進(jìn)行過(guò)力矩、電機(jī)過(guò)熱、電機(jī)堵轉(zhuǎn)等報(bào)警信息。在三門峽電廠，和利時(shí)系統(tǒng)通過(guò)解析設(shè)備的周期性數(shù)據(jù)，制作了現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖及設(shè)備狀態(tài)信息的解析界面，可讓用戶直觀了解到設(shè)備目前的通信狀態(tài)及運(yùn)行情況，并且可對(duì)設(shè)備的故障歷史狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。圖5為現(xiàn)場(chǎng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，圖6為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)信息解析界面。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖6 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)信息解析界面

3.4.2　現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理系統(tǒng)

HOLLiAS AMS設(shè)備管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱為HAMS）是和利時(shí)對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備管理的解決方案，集數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析于一體，提供針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表、調(diào)節(jié)閥等智能設(shè)備進(jìn)行維護(hù)、校驗(yàn)和故障診斷的統(tǒng)一管理平臺(tái)，是全廠性的智能儀表維護(hù)和故障診斷系統(tǒng)的重要組成部分，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種類型智能儀表的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)讀取與組態(tài)、狀態(tài)診斷及監(jiān)測(cè)、維護(hù)分析管理和自動(dòng)日志記錄等，同時(shí)對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和評(píng)估并提供維修策略依據(jù)，從而使得智能設(shè)備發(fā)揮最大效益，減少儀表的損耗并降低維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本，大幅提高工廠設(shè)備的可用性。

HAMS系統(tǒng)支持對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的智能儀表實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取與組態(tài)、故障診斷及監(jiān)測(cè)、維護(hù)流程管理、動(dòng)態(tài)臺(tái)賬管理和日志記錄等功能，提供的主要功能描述如下：

·遠(yuǎn)程配置。足不出戶，在控制室或儀表車間實(shí)現(xiàn)儀表量程上下限、單位等各種智能化參數(shù)的配置和組態(tài)；

·故障診斷。無(wú)需進(jìn)入現(xiàn)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(jù)；

·標(biāo)定管理。輕松設(shè)計(jì)標(biāo)定方案，自動(dòng)生成標(biāo)定報(bào)告和標(biāo)定趨勢(shì)曲線，從而判斷儀表的老化程度；

·維護(hù)計(jì)劃。對(duì)儀表進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和診斷，自動(dòng)編制維護(hù)計(jì)劃，避免不合理的維護(hù)導(dǎo)致的資源和人力浪費(fèi)；

·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(tǒng)一平臺(tái)。各個(gè)廠家、各種類型的智能儀表具有統(tǒng)一的維護(hù)和管理平臺(tái)，操作簡(jiǎn)單、升級(jí)方便；

·資產(chǎn)優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)設(shè)備臺(tái)賬、庫(kù)存和工作單等資產(chǎn)管理的優(yōu)化策略，減少浪費(fèi)，提高設(shè)備利用率。

HAMS系統(tǒng)采用開放的設(shè)備集成技術(shù)和規(guī)范，能夠兼容不同廠家各種類型的智能儀表（標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)一的操作方式和用戶界面。

4　項(xiàng)目應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

（1）通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)規(guī)劃資源最優(yōu)分配算法、多種智能設(shè)備數(shù)據(jù)描述語(yǔ)言的研究，采用了優(yōu)先級(jí)分級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，創(chuàng)新性提出了“一種現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理及診斷方法和系統(tǒng)”與“一種智能儀表設(shè)備管理方法、系統(tǒng)及裝置”，建立了智能設(shè)備信息框架，解決了多種不同品牌智能設(shè)備的非周期性數(shù)據(jù)參數(shù)量大、尋址格式不一致、設(shè)備數(shù)據(jù)描述語(yǔ)言不同，所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)提取及應(yīng)用復(fù)雜困難的問(wèn)題。

（2）通過(guò)對(duì)多種不同品牌智能設(shè)備周期性數(shù)據(jù)特征的研究，建立了數(shù)據(jù)診斷及解析模型，實(shí)現(xiàn)了智能設(shè)備“即插即用”的模塊化周期性數(shù)據(jù)解析，解決了多種不同品牌智能設(shè)備的周期性數(shù)據(jù)參數(shù)格式不一致所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)提取及應(yīng)用復(fù)雜困難的問(wèn)題。

（3）通過(guò)對(duì)智能設(shè)備冗余技術(shù)、設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序以及可靠性相關(guān)技術(shù)的研究，采取了數(shù)據(jù)同步校驗(yàn)及動(dòng)態(tài)篩選的冗余機(jī)制、數(shù)據(jù)時(shí)序在線可調(diào)以及在通信模塊上增加特殊隔離機(jī)制的技術(shù)，解決了DCS控制系統(tǒng)在同一通信主站下連接多種不同品牌的國(guó)內(nèi)外冗余通信口智能設(shè)備兼容性差、難以配置的問(wèn)題，提高了智能設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性及可靠性。

5　應(yīng)用效益

大唐三門峽火電廠三期擴(kuò)建工程項(xiàng)目竣工后，主輔機(jī)控制系統(tǒng)DCS一體化，設(shè)備層配套PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，總線設(shè)備覆蓋率達(dá)到60%以上。機(jī)組自2017年1月份投產(chǎn)以來(lái)，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，控制有效，未發(fā)生任何安全事件。

生產(chǎn)期應(yīng)用過(guò)程中，人機(jī)界面友好，功能性能優(yōu)良，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性及可靠性高。保護(hù)動(dòng)作正常，調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制精準(zhǔn)有效。

通過(guò)DCS及現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)管理平臺(tái)HAMS，維護(hù)人員能夠最大程度地挖掘設(shè)備內(nèi)部診斷及維護(hù)信息，基本上實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程維護(hù)、診斷及維護(hù)。許多安裝位置處于高空、危險(xiǎn)區(qū)域的儀表設(shè)備，日常維護(hù)過(guò)程中，通過(guò)維護(hù)工程師在工程師站，使用HAMS調(diào)取相關(guān)設(shè)備信息，可遠(yuǎn)程進(jìn)行故障診斷，并通過(guò)調(diào)整相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)完成故障處理及維護(hù)工作。

DCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與智能設(shè)備的互聯(lián)互通，除了能夠?qū)崟r(shí)穩(wěn)定地讀取設(shè)備的狀態(tài)信息，及時(shí)有效地執(zhí)行控制系統(tǒng)發(fā)出的指令外。對(duì)智能設(shè)備的狀態(tài)、報(bào)警及診斷數(shù)據(jù)等其他有效數(shù)據(jù)的挖掘，也為今后大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘及二次應(yīng)用都打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

6　結(jié)論

數(shù)字化電廠是要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。而生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化是上層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，所以首先要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)提供設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)信息和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立完善的數(shù)字化信息平臺(tái)。大唐三門峽火電廠三期擴(kuò)建工程項(xiàng)目2×1000MW超超臨界工程機(jī)組的投產(chǎn)，和現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理功能的成功應(yīng)用，標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的功能和性能滿足主機(jī)運(yùn)行要求、系統(tǒng)可靠。同時(shí)為智能化設(shè)備的管理，及大數(shù)據(jù)系統(tǒng)性分析的應(yīng)用有著推動(dòng)性作用。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年7月刊