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1　項目背景

三門峽火電廠位于河南省三門峽市陜縣大營鄉(xiāng)，由華北電力設(shè)計院進行設(shè)計。鍋爐采用哈爾濱鍋爐廠的超超臨界參數(shù)變壓運行直流爐，超超臨界參數(shù)、變壓直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風、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(tài)勵磁和非同軸驅(qū)動的主油泵、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(tǒng)應用于單元機組、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)場總線控制技術(shù)，系統(tǒng)規(guī)模如下：

（1）主機配置測點數(shù)量：常規(guī)測點10635點，其中鍋爐側(cè)：3561點，汽機側(cè)749，電氣側(cè)980點，遠程I/O爐側(cè)2158點，遠程I/O機側(cè)162點；

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

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

該項目為國內(nèi)電力行業(yè)百萬機組采用國產(chǎn)現(xiàn)場總線技術(shù)應用規(guī)模最大，Hart及Profibus協(xié)議的智能設(shè)備單臺機組3402臺，其中Hart設(shè)備1815臺，Profibus設(shè)備1587臺，全廠兩臺機組近7000臺設(shè)備，并且是首次采用國產(chǎn)軟件系統(tǒng)實現(xiàn)多種不同協(xié)議在同一軟件平臺的設(shè)備管理，具有里程碑意義，為后來百萬機組應用現(xiàn)場總線技術(shù)和設(shè)備管理提供了應用典范。

2　和利時現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

和利時現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是基于先進自動化技術(shù)開發(fā)的集成工業(yè)自動化系統(tǒng)。它用一個開放的系統(tǒng)軟件平臺，將和利時多年開發(fā)的各種自動化系統(tǒng)和設(shè)備進行有機結(jié)合，可根據(jù)不同行業(yè)的自動化控制需求，提供專業(yè)解決方案。其子系統(tǒng)覆蓋了企業(yè)經(jīng)營管理層、企業(yè)成產(chǎn)管理層和裝置與過程控制層。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時關(guān)系數(shù)據(jù)庫，在其基礎(chǔ)上實現(xiàn)了多個管理子系統(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(tǒng)通過多種現(xiàn)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(jiān)視平臺可提供高效的集中管理。通過開放的數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)接口、協(xié)議以及總線，可在各個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)的先進控制算法平臺，為工廠自動控制和企業(yè)管理提供全面專業(yè)的解決方案。

3　現(xiàn)場總線技術(shù)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(tǒng)采用和利時KM系列現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，現(xiàn)場總線協(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。全廠工藝系統(tǒng)的控制均采用現(xiàn)場總線技術(shù)，對現(xiàn)場智能儀表、氣動定位器、電動執(zhí)行機構(gòu)、液位計進行監(jiān)控。DCS能夠滿足常規(guī)控制方式與現(xiàn)場總線ProfibusDP/PA的無縫結(jié)合。現(xiàn)場總線設(shè)備應用范圍超過60%，處于國內(nèi)先進水平。現(xiàn)場總線通信電纜敷設(shè)嚴格按照火電行業(yè)施工標準，全廠現(xiàn)場總線電纜全部單獨布線，保證了設(shè)備通信的安全穩(wěn)定。

3.2　現(xiàn)場總線技術(shù)應用

大唐三門峽火電廠三期擴建工程為國內(nèi)電力行業(yè)百萬機組采用國產(chǎn)現(xiàn)場總線技術(shù)應用規(guī)模最大的項目，Hart及Profibus協(xié)議的智能設(shè)備單臺機組3402臺，其中Hart設(shè)備1815臺，Profibus設(shè)備1587臺，全廠兩臺機組近7000臺設(shè)備，并且是首次采用國產(chǎn)軟件系統(tǒng)實現(xiàn)多種不同協(xié)議在同一軟件平臺的設(shè)備管理，具有里程碑意義，為后來百萬機組應用現(xiàn)場總線技術(shù)和設(shè)備管理提供了典范。項目中DP設(shè)備包括電動執(zhí)行機構(gòu)、馬達控制器、變頻器等，PA設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(xiàn)場主機的DP設(shè)備選用DP雙冗余接口。圖2為現(xiàn)場總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

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

3.3　現(xiàn)場總線設(shè)備組態(tài)

和利時系統(tǒng)對標準的現(xiàn)場總線設(shè)備組態(tài)，可先利用GSD文件進行設(shè)備的添加，然后通過集成的硬件代理塊，實現(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。圖3為在系統(tǒng)中添加現(xiàn)場總線設(shè)備，圖4為設(shè)備的硬件代理塊。

圖3 系統(tǒng)中添加現(xiàn)場總線設(shè)備

圖4 設(shè)備的硬件代理塊

3.4　現(xiàn)場總線設(shè)備信息的開發(fā)和應用

現(xiàn)場總線技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)點在于突破了傳統(tǒng)DCS對現(xiàn)場信號“點對點”的單向傳輸模式，使現(xiàn)場儀表、設(shè)備能夠與通信主站和控制系統(tǒng)實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。豐富的實時數(shù)據(jù)需要開發(fā)軟件，進行處理、分析和綜合，使之成為有用信息，實現(xiàn)高層次的設(shè)備診斷、管理和優(yōu)化功能。

和利時現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的通信主站除了可以完成對智能型設(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行設(shè)備維護，另外通過FDT/DTM設(shè)備管理技術(shù)實現(xiàn)對設(shè)備遠程修改參數(shù)和讀取相關(guān)的產(chǎn)品及維護信息。

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

現(xiàn)場總線設(shè)備的周期性數(shù)據(jù)中除了包含設(shè)備的過程控制信息以及常用的設(shè)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(zhí)行機構(gòu)除了對設(shè)備進行開關(guān)控制之外，還能進行過力矩、電機過熱、電機堵轉(zhuǎn)等報警信息。在三門峽電廠，和利時系統(tǒng)通過解析設(shè)備的周期性數(shù)據(jù)，制作了現(xiàn)場總線設(shè)備拓撲結(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)及運行情況，并且可對設(shè)備的故障歷史狀態(tài)進行統(tǒng)計分析。圖5為現(xiàn)場總線拓撲結(jié)構(gòu)圖，圖6為電動執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)信息解析界面。

圖5 現(xiàn)場總線拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖6 電動執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)信息解析界面

3.4.2　現(xiàn)場總線設(shè)備管理系統(tǒng)

HOLLiAS AMS設(shè)備管理系統(tǒng)（以下簡稱為HAMS）是和利時對于工業(yè)現(xiàn)場智能設(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，提供針對現(xiàn)場儀表、調(diào)節(jié)閥等智能設(shè)備進行維護、校驗和故障診斷的統(tǒng)一管理平臺，是全廠性的智能儀表維護和故障診斷系統(tǒng)的重要組成部分，用來實現(xiàn)對各種類型智能儀表的遠程數(shù)據(jù)讀取與組態(tài)、狀態(tài)診斷及監(jiān)測、維護分析管理和自動日志記錄等，同時對設(shè)備故障進行統(tǒng)計分析和評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和運營成本，大幅提高工廠設(shè)備的可用性。

HAMS系統(tǒng)支持對現(xiàn)場安裝的智能儀表實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取與組態(tài)、故障診斷及監(jiān)測、維護流程管理、動態(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，在控制室或儀表車間實現(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。無需進入現(xiàn)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(jù)；

·標定管理。輕松設(shè)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(jiān)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；

·日志記錄。自動記錄所有組態(tài)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(tǒng)一平臺。各個廠家、各種類型的智能儀表具有統(tǒng)一的維護和管理平臺，操作簡單、升級方便；

·資產(chǎn)優(yōu)化。實現(xiàn)設(shè)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(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(tǒng)一的操作方式和用戶界面。

4　項目應用的關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點

（1）通過對動態(tài)規(guī)劃資源最優(yōu)分配算法、多種智能設(shè)備數(shù)據(jù)描述語言的研究，采用了優(yōu)先級分級的數(shù)據(jù)傳輸機制，創(chuàng)新性提出了“一種現(xiàn)場總線設(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)描述語言不同，所導致的數(shù)據(jù)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(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)格式不一致所導致的數(shù)據(jù)提取及應用復雜困難的問題。

（3）通過對智能設(shè)備冗余技術(shù)、設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸時序以及可靠性相關(guān)技術(shù)的研究，采取了數(shù)據(jù)同步校驗及動態(tài)篩選的冗余機制、數(shù)據(jù)時序在線可調(diào)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(tǒng)在同一通信主站下連接多種不同品牌的國內(nèi)外冗余通信口智能設(shè)備兼容性差、難以配置的問題，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(tǒng)DCS一體化，設(shè)備層配套PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，總線設(shè)備覆蓋率達到60%以上。機組自2017年1月份投產(chǎn)以來，系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，控制有效，未發(fā)生任何安全事件。

生產(chǎn)期應用過程中，人機界面友好，功能性能優(yōu)良，系統(tǒng)實時性、準確性及可靠性高。保護動作正常，調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制精準有效。

通過DCS及現(xiàn)場總線系統(tǒng)管理平臺HAMS，維護人員能夠最大程度地挖掘設(shè)備內(nèi)部診斷及維護信息，基本上實現(xiàn)了遠程維護、診斷及維護。許多安裝位置處于高空、危險區(qū)域的儀表設(shè)備，日常維護過程中，通過維護工程師在工程師站，使用HAMS調(diào)取相關(guān)設(shè)備信息，可遠程進行故障診斷，并通過調(diào)整相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)完成故障處理及維護工作。

DCS控制系統(tǒng)實現(xiàn)了與智能設(shè)備的互聯(lián)互通，除了能夠?qū)崟r穩(wěn)定地讀取設(shè)備的狀態(tài)信息，及時有效地執(zhí)行控制系統(tǒng)發(fā)出的指令外。對智能設(shè)備的狀態(tài)、報警及診斷數(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)挖掘及二次應用都打下了堅實的基礎(chǔ)。

6　結(jié)論

數(shù)字化電廠是要實現(xiàn)數(shù)字化管理，從而實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟效益的最大化。而生產(chǎn)過程數(shù)字化是上層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，所以首先要通過現(xiàn)場總線技術(shù)提供設(shè)備運行的實時信息和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立完善的數(shù)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(chǎn)，和現(xiàn)場總線設(shè)備管理功能的成功應用，標志著國產(chǎn)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的功能和性能滿足主機運行要求、系統(tǒng)可靠。同時為智能化設(shè)備的管理，及大數(shù)據(jù)系統(tǒng)性分析的應用有著推動性作用。

摘自《自動化博覽》2019年7月刊