现场总线控制系统在大唐三门峡火电厂扩建工程项目的应用
和利时现场总线控制系统在大唐三门峡火电厂三期扩建工程项目的应用实例
1 项目背景
- 项目名称：
大唐三门峡火电厂三期扩建工程2*1000MW超超临界机组全厂分散控制系统（DCS）及设备管理系统（HAMS）项目
- 项目规模：
三门峡火电厂位于河南省三门峡市陕县大营乡，由华北电力设计院进行设计。锅炉采用哈尔滨锅炉厂的超超临界参数变压运行直流炉，超超临界参数、变压直流炉、单炉膛、一次再热、平衡通风、露天岛式布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、切圆燃烧方式，Π型锅炉。同步建设脱硝装置。汽轮机采用上海汽轮机厂的超超临界、一次中间再热、四缸、四排汽、单轴、凝汽式汽轮机。机组的铭牌出力(TRL)为1000MW(扣除静态励磁和非同轴驱动的主油泵、氢密封油泵所消耗的功率)。发电机采用上海发电机厂的1000MW水氢氢冷却、自并励静止励磁发电机。
该项目DCS控制系统应用于单元机组，公用，辅网、脱硫、脱硝、输煤、MEH等全厂工艺系统。采用全厂一体化现场总线控制技术，系统规模如下：
1）主机配置测点数量：（常规测点10635点，其中锅炉侧：3561点，汽机侧749，电气侧980点，远程I/O炉侧2158点，远程I/O机侧162点）
2）主机配置硬件规模：（操作员6台，工程师2台，历史站2台，控制站35台，锅炉侧现场总线柜20个（DP网段69，PA网段40），汽机侧现场总线柜12个（DP网段35，PA网段27）。
3）主机配置总线设备数量：（总线设备共1202台，其中锅炉侧DP设备432台，汽机侧DP设备220台，锅炉侧PA设备379台，汽机侧PA设备172台）
该项目为国内电力行业百万机组采用国产现场总线技术应用规模最大，Hart及Profibus协议的智能设备单台机组3402台，其中Hart设备1815台，Profibus设备1587台，全厂两台机组近7000台设备，并且是首次采用国产软件系统实现多种不同协议在同一软件平台的设备管理，具有里程碑意义，为后来百万机组应用现场总线技术和设备管理提供了典范。
2 和利时现场总线控制系统
和利时现场总线控制系统是基于先进自动化技术开发的集成工业自动化系统。它用一个开放的系统软件平台，将和利时多年开发的各种自动化系统和设备进行有机结合，可根据不同行业的自动化控制需求，提供专业解决方案。其子系统覆盖了企业经营管理层、企业成产管理层和装置与过程控制层。图1为系统架构图。
图1：系统架构图
系统在信息化和集成化方面采用了开放式实时-关系数据库，在其基础上实现了多个管理子系统，并集成了多种满足不同行业用户需求的控制系统和设备。控制器组态符合IEC61131-3标准，不仅拥有平台的高性能通用控制算法，同时可以集成各种层次的控制功能。系统通过多种现场总线（特别是Profibus-DP），支持多种分布式主控单元和智能仪表。同时，监视平台可提供高效的集中管理。通过开放的数据库和网络接口、协议以及总线，可在各个层面上与第三方系统或设备连接。本系统集成火电、化工等各行业的先进控制算法平台，为工厂自动控制和企业管理提供深入全面专业的解决方案。
3 大唐三门峡火电厂三期扩建工程现场总线技术的成功应用
3.1 大唐三门峡火电厂三期扩建工程
大唐三门峡火电厂三期扩建工程FCS控制系统采用和利时KM系列现场总线控制系统，现场总线协议为Profibus-DP和PA，相对应的传输技术（物理层）分别是RS485和MBP。全厂工艺系统的控制均采用现场总线技术，对现场智能仪表、气动定位器、电动执行机构、液位计进行监控。DCS能够满足常规控制方式与现场总线Profibus DP/PA的无缝结合。现场总线设备应用范围超过60%，处于国内先进水平。现场总线通信电缆敷设严格按照火电行业施工标准，全厂现场总线电缆全部单独布线，保证了设备通信的安全稳定。
3.2 现场总线技术应用
大唐三门峡火电厂三期扩建工程为国内电力行业百万机组采用国产现场总线技术应用规模最大的项目，Hart及Profibus协议的智能设备单台机组3402台，其中Hart设备1815台，Profibus设备1587台，全厂两台机组近7000台设备，并且是首次采用国产软件系统实现多种不同协议在同一软件平台的设备管理，具有里程碑意义，为后来百万机组应用现场总线技术和设备管理提供了典范。项目中DP设备包括电动执行机构、马达控制器、变频器等，PA设备包括压力变送器、流量计、气动定位器及液位计等。冗余PROFIBUS网络覆盖整个单元机组的锅炉房、汽机房。为了提高总线控制的可靠性，采取了DP冗余总线配置方案，现场主机的DP设备选用DP双冗余接口。图2为现场总线系统网络结构。
图2：现场总线系统网络结构
3.3现场总线设备应用
（1）范围：除6kV电机、大机、小机、温度信号、机炉主保护的信号外的大部分信号。
（2）仪表：
压力、差压变送器：西门子、罗斯蒙特；
气动阀门定位器：西门子、ABB、fisher；
380VAC电动机控制和保护单元：珠海拓普、江苏金智、河南博锐、西门子；
电动阀门驱动单元：西博思、罗托克、EMG、AUMA、Limitorque、伯纳德、扬州爱伯德、厦门FREET；
液位计：E+H、西门子；
在线仪表：罗斯蒙特、哈希/鼎石；
电磁阀箱：菲斯托、ASCO;
（3）智能前端：
上海微程总线型智能前端（冗余型）
3.4 现场总线设备组态
和利时系统对标准的现场总线设备组态，可先利用GSD文件进行设备的添加，然后通过集成的硬件代理块，实现设备所有的控制及状态信息显示，组态方便不易出错。图3为在系统中添加现场总线设备，图4为设备的硬件代理块。
图3：系统中添加现场总线设备
图4：设备的硬件代理块
3.5现场总线设备信息的开发和应用
现场总线技术的关键优点在于突破了传统DCS对现场信号“点对点”的单向传输模式，使现场仪表、设备能够与通信主站和控制系统实现双向数据传输。丰富的实时数据需要开发软件，进行处理、分析和综合，使之成为有用信息，实现高层次的设备诊断、管理和优化功能。
和利时现场总线控制系统的通信主站除了可以完成对智能型设备的基本控制和数据采集外，还能读取设备的状态信息和诊断信息帮助热工检修人员进行设备维护，另外通过FDT/DTM设备管理技术实现对设备远程修改参数和读取相关的产品及维护信息。
3.5.1现场总线设备周期性数据的采集和利用
现场总线设备的周期性数据中除了包含设备的过程控制信息以及常用的设备报警信息，如变送器除了包含过程测量值之外，还能进行传感器故障、量程越限等报警；电动执行机构除了对设备进行开关控制之外，还能进行过力矩、电机过热、电机堵转等报警信息。在三门峡电厂，和利时系统通过解析设备的周期性数据，制作了现场总线设备拓扑结构图及设备状态信息的解析界面，可让用户直观的了解到设备目前的通信状态及运行情况，并且可对设备的故障历史状态进行统计分析。图5为现场总线拓扑结构图，图6为电动执行机构状态信息解析界面。
图5：现场总线拓扑结构图
图6：电动执行机构状态信息解析界面
3.5.2现场总线设备管理系统
HOLLiAS® AMS设备管理系统（以下简称为HAMS）是和利时公司对于工业现场智能设备管理的解决方案，集数据采集和数据分析于一体，提供针对现场仪表、调节阀等智能设备进行维护、校验和故障诊断的统一管理平台，是全厂性的智能仪表维护和故障诊断系统的重要组成部分，用来实现对各种类型智能仪表的远程数据读取与组态、状态诊断及监测、维护分析管理和自动日志记录等，同时对设备故障进行统计分析和评估并提供维修策略依据，从而使得智能设备发挥最大效益，减少仪表的损耗并降低维护和运营成本，大幅提高工厂设备的可用性。
HAMS系统支持对现场安装的智能仪表实现数据读取与组态、故障诊断及监测、维护流程管理、动态台账管理和日志记录等功能，提供的主要功能描述如下：
• 远程配置。足不出户，在控制室或仪表车间实现仪表量程上下限、单位等各种智能化参数的配置和组态；
• 故障诊断。无需进入现场或拆下仪表，就可以查看仪表的诊断状况，快速定位仪表故障，为仪表维修提供依据；
• 标定管理。轻松设计标定方案，自动生成标定报告和标定趋势曲线，从而判断仪表的老化程度；
• 维护计划。对仪表进行在线监测和诊断，自动编制维护计划，避免不合理的维护导致的资源和人力浪费；
• 志记录。自动记录所有组态变化和操作，可随时追溯历史操作和影响，避免人为误操作；
• 统一平台。各个厂家、各种类型的智能仪表具有统一的维护和管理平台，操作简单、升级方便；
• 资产优化。实现设备台账、库存和工作单等资产管理的优化策略，减少浪费，提高设备利用率。
技术特点
HAMS系统采用开放的设备集成技术和规范，能够兼容不同厂家各种类型的智能仪表（标准Profibus协议的主流智能仪表），可避免使用多种组态配置工具和软件，具有统一的操作方式和用户界面，该系统具有以下技术特点：
• 支持采用EDDL和FDT/DTM两种设备集成技术解决仪表的互操作性问题；
• 支持HART/Profibus等智能仪表的信息获取和智能诊断；
• 每台AMS服务器可监视的最大设备数量不低于10000个；
• 支持C/S系统架构，每个服务器支持多个客户端进行同时访问；
• 可以直接通过和利时智能IO卡件建立与现场智能仪表的连接，无需增加其他额外采集硬件；
• 通过HART多路转换器获取第三方系统连接仪表的数据信息；
• 标准的OPC接口，允许与第三方系统进行数据通信和访问；
• 利用SQL数据库进行数据存储；
• 自动存储所有对仪表的操作修改、参数组态、故障报警信息等；
• 支持中英文两种语言进行切换使用。
1）大唐三门峡电厂投产期间的设备管理应用
现场设备维护管理软件的意义是读取设备的状态信息和诊断信息进行统计分析，形成指导性计划，再通过远程设备管理功能，帮助检修人员进行设备维护。
项目中主要应用的热控设备为电动执行机构和变送器，现场总线型的变送器除了采集测量值外通常还包含有：设备状态、限值状态、传感器状态、数据状态、环境温度、维护信息等，管理软件通过这些信息可帮助检修人员判断目前变送器的实际情况，可以及时反应出测量值是否真实可靠，当出现问题后，可以定位问题原因，常见问题为传感器故障，加速了检修人员判断问题的时间。
现场总线型的电动执行机构除了对设备的基本控制和读取开关状态及位置反馈外通常包含有：供电故障、开/关过力矩、处于故障安全模式、电子单元故障、手轮操作、方向监控、电机过热、电机过流、电机堵转、综合报警等信息，在正常运行中，若设备出现异常，管理软件可通过报警信息对设备故障类型进行判断，明确故障原因，从而提高检修效率，其中开/关过力矩、电机过热和电机堵转为常见故障原因，另外，软件通过分析维护信息可让检修人员了解到目前设备的已处于危险状态需要采取检修维护措施，避免故障的发生。
以下为设备管理软件对常用设备的实际管理应用：
1）变送器远程修改参数如单位、量程等，在投运期间，若运行提出了大量的设备需要修改单位，则全部可以在管理软件中实现修改，其中测量风量的变送器，经常会出现灵敏度过高，要求增大阻尼系数，也同样通过软件在远方得到修改，减少了校表的工作量，部分通过压力测量液位的变送器还通过远方修改变送器参数及密度，使得变送器直接传输mmH2O等测量值，减少了组态的数值换算；变送器的参数修改界面如图7：
图7：变送器的参数修改界面
2）超声波液位计远程修改参数，由于超声波液位计就地需要遥控器修改参数，并且部分辅助车间的液位计里工程师站距离较远，而液位计的初设单位为%，测量量程也与实际不符需要迁移或缩小，所以从初期液位计效验和调试均可在管理软件中进行实现，修改参数和调试，方便快捷；超声波液位计的参数修改界面如图8：
图8：超声波液位计的参数修改界面
3）电动执行机构参数修改，调试期间部分电动执行机构由于调试人员参数设置错误，导致无法远程操作，但是设备位置不佳（悬空），调试人员再次到执行机构处配置参数难度较大，结果均通过设备管理功能修改所需参数，实现了远程配置；在投运期间，设备也经常会出现力矩设置不合适的地方，通过管理软件进行修改参数便可远程处理问题，电动执行机构的参数修改界面如图9：
图9：电动执行机构的参数修改界面
4）气动定位器远程定位及参数修改，部分定位器行程需定位，在管理软件中可实现与就地相同的自动定位功能，完全实现远方自动定位，为后期设备维护提供了有效的帮助，并且部分定位器的指令与反馈相反，也均通过管理软件进行了参数校正，完成了设备调试；气动定位器远程智能定位界面如图10：
图10：气动定位器远程智能定位界面
另外，HAMS设备管理系统除了设备远程参数修改外，还可实现报警读取，自动生成设备台账、操作日志记录、维护计划、维护记录、报警管理、故障统计分析及用户管理等功能，便于日常检修维护的管理。
2）较进口DCS设备管理的优势
HAMS与进口DCS的设备管理系统比较而言主要有以下优势：
A、HAMS产品为中文界面，方便国内检修人员进行使用，功能完全可根据客户需要及时响应和补充；
B、从功能上来说，HAMS系统比进口同类产品具有更符合国内企业管理特色的一些功能，包括：用户管理、动态台账、操作日志记录、维护记录等；
3.6 工程应用经验
现场总线技术通过大唐三门峡电厂的成功工程实施，总结以下工程应用经验：
1）总线独立槽盒设计
在MCC电子间及大型电缆竖井内布置专门现场总线的独立小槽盒，或者独立总线隔间。由于现场限制，在一些区域无法满足总线电缆与动力电缆的分开距离要求。这些区域有：MCC电子间进线孔，电缆竖井，MCC电子间（特别是就地MCC电子小间）无法满足动力缆与DP缆60cm的分隔要求，并且并行铺设。在这些位置增加独立布线槽盒可以增强总线抗干扰能力。
2）在锅炉上安装垂直打通小桥架以及在汽机管道层安装环绕小桥架
由于锅炉竖井设计太少，而锅炉系统总线按照系统分段，往往一个网段从炉顶连接到0米。而汽机主桥架只在走道上方设计。造成总线系统在布置时绕行严重，并且容易受到干扰。在锅炉上安装垂直打通小桥架和汽机管道层安装环绕小桥架可以有效避免次现象。
3）现场终端电阻柜设计
由于锅炉网段首先按照系统的逻辑关系分段，然后按照冗余分段。经常会有排汽门，管道阀门，泵在一个网段的情况。排汽门在炉顶，管道阀门在锅炉中部，泵在0米MCC电子间。如果终端电阻安装在总线柜内，会造成总线电缆超过400米的情况。在锅炉顶部，0米MCC电子间，中部分别设计3个总线终端电阻柜，可以有效解决此问题。
4）多次培训，持证上岗，保证安装质量
总线安装质量决定总线后期运行质量。和利时在三门峡现场组织3次正规培训以及多次现场培训。3次正规培训分别在电缆敷设开始前，总线接线开始前以及总线调试开始前。分别有针对性的对电建进行培训。培训结束后出考试题对电建施工人员进行考试。考试合格后由电厂派发施工证，保证每名施工人员都经过培训。
5）工作卡施工记录
现场总线系统调试严重受制于安装进度经常一段总线有几个门没有装，无法调试，等装好了忘记调试的情况。机组调试期间设计调试卡，由电建进行现场接线后单体测试。整网段段完成测试工作后交调试单位和电厂进行系统调试。
4 项目应用的关键技术与创新点
1）通过对动态规划资源最优分配算法、多种智能设备数据描述语言的研究，采用了优先级分级的数据传输机制，创新性提出了“一种现场总线设备管理及诊断方法和系统”与“一种智能仪表设备管理方法、系统及装置”，建立了智能设备信息框架，解决了多种不同品牌智能设备的非周期性数据参数量大、寻址格式不一致、设备数据描述语言不同，所导致的数据提取及应用复杂困难的问题。
2）通过对多种不同品牌智能设备周期性数据特征的研究，建立了数据诊断及解析模型，实现了智能设备“即插即用”的模块化周期性数据解析，解决了多种不同品牌智能设备的周期性数据参数格式不一致所导致的数据提取及应用复杂困难的问题。
3）通过对智能设备冗余技术、设备数据传输时序以及可靠性相关技术的研究，采取了数据同步效验及动态筛选的冗余机制、数据时序在线可调以及在通信模块上增加特殊隔离机制的技术，解决了DCS控制系统在同一通信主站下连接多种不同品牌的国内外冗余通信口智能设备兼容性差、难以配置的问题，提高了智能设备数据传输的稳定性及可靠性。
5 应用效益
大唐三门峡火电厂三期扩建工程项目竣工后，主辅机控制系统DCS一体化，设备层配套PROFIBUS-DP现场总线网络，总线设备覆盖率达到60%以上。机组自2017年1月份投产以来，系统整体运行稳定，控制有效，未发生任何不安全事件。
生产期应用过程中，人机界面友好，功能性能优良，系统实时性、准确性及可靠性高。保护动作正常，调节系统控制精准有效。
通过DCS及现场总线系统管理平台HAMS，维护人员能够最大程度地挖掘设备内部诊断及维护信息，基本上实现了远程维护、诊断及维护。许多安装位置处于高空、危险区域的仪表设备，日常维护过程中，通过维护工程师在工程师站，使用HAMS调取相关设备信息，可远程进行故障诊断，并通过调整相关数据参数完成故障处理及维护工作。
DCS控制系统实现了与智能设备的互联互通，除了能够实时稳定地读取设备的状态信息，及时有效地执行控制系统发出的指令外。对智能设备的状态、报警及诊断数据等其他有效数据的挖掘，也为今后大数据分析、数据挖掘及二次应用都打下了坚实的基础。下图为用户发来的感谢信。
6 结论
数字化电厂最终是要实现数字化管理，从而实现企业经济效益的最大化。而生产过程数字化是上层结构的基础，所以首先要有效的通过现场总线技术提供设备运行的实时信息和基础数据，建立完善的数字化信息平台。大唐三门峡火电厂三期扩建工程项目2×1000MW超超临界工程机组的投产，和现场总线设备管理功能的成功应用，标志着国产现场总线系统的功能和性能满足主机运行要求、系统可靠。同时为智能化设备的管理，及今后大数据系统性分析的应用有着推动性作用！
