国产现场总线控制系统在国内大型百万火电机组的首次成功应用

王丽丽（神华福能发电有限责任公司，福建 石狮 362712）李昱（杭州和利时自动化有限公司，浙江 杭州 310018）沈铁志（神华福能发电有限责任公司，福建 石狮 362712）



国产现场总线控制系统在国内大型百万火电机组的首次成功应用

王丽丽（神华福能发电有限责任公司，福建 石狮 362712）
李昱（杭州和利时自动化有限公司，浙江 杭州 310018）
沈铁志（神华福能发电有限责任公司，福建 石狮 362712）

1　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，将自动化系统与设备相结合，提供解决方案。图1为系统架构图。

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，在此基础上实现了多个管理子系统，并集成了控制系统和设备。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，监视平台可提供集中管理。通过开放的数据库和网络接口、协议以及总线，与第三方系统或设备相连接。

图1　现场总线控制系统架构图

2　神福鸿山电厂现场总线技术的成功应用

2.1神福鸿山电厂概况

神华福能发电有限责任公司（以下简称神福鸿山电厂）2×1000MW国产超超临界燃煤发电机组，全厂DCS均采用杭州和利时公司的HOLLiAS-MACS6.5.2控制系统，DCS现场设备层（FCS）采用和利时SM系列现场总线控制系统，现场总线协议为PROFIBUS-DP和PROFIBUS-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，并且是国产现场总线系统在百万大型火电的首次应用。现场总线通信电缆施工过程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。

2.2现场总线系统配置

在控制系统配置方面，控制器、光电转换器、中继器、DPLink及PA-Link模块均为国产产品，单台机组锅炉部分配置主控制器23对，现场总线通信柜26面以及终端电阻柜3面，连接DP设备540台，PA设备257台。汽机部分主控制器18对，现场总线通信柜13面，连接DP设备189台，PA设备191台。全厂主机加脱硫的总线对象共计2500余台，其中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。冗余的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

2.3现场总线设备应用

全厂各种热控设备均采用支持PROFIBUS现场总线协议的智能型设备，具体采用的品牌如下：

（1）电动执行机构采用了ROTORK IQT/3系列、EMG IMATIC系列、SIPOS FLash5系列、重庆川仪系列、厦门弗瑞特系列、苏州博睿系列等产品。

（2）马达控制器采用了北京四方系列、西门子SIMOCODE系列产品。

（3）阀门定位器采用了西门子SIPART PS2 PA系列、ABB TZIDC系列、Fisher dvc6200p系列产品。

（4）压力、差压变送器采用了Rosemount 3051系列、西门子DSIII系列、横河EJA。

（5）电磁流量计采用了E+H系列产品。

（6）分析仪表采用了哈希仪表提供的支持PROFIBUS-DP协议的产品。

（7）超声波液位计采用了E+H、西门子SITRANS Probe LU系列产品。

（8）阀岛采用了FESTO产品。

2.4现场总线设备组态

DCS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，组态较方便。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

2.5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、分析和综合利用，使之成为有用信息，实现设备诊断、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。

2.5.1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，还能发出过力矩、电机过热、电机堵转等报警信息。在神福鸿山电厂现场， DCS通过解析设备的周期性数据，形成了现场总线设备拓扑结构图及设备状态信息的解析界面，维护人员通过该图可以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

2.5.2现场总线设备管理系统

HOLLiAS AMS设备管理系统（以下简称为HAMS）是和利时对于工业现场智能设备进行管理的解决方案，集数据采集和分析于一体，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故障诊断和维护系统的重要组成部分。该系统可以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，提高工厂设备的可用性。

在神福鸿山电厂投产初期，HAMS软件还不完善，无法达到预期效果。通过组织调研国内同类机组现场总线应用情况，重点对现场总线管理软件应用进行考察，借鉴其优点，结合鸿山现场的实际情况，提出建议与要求，最终完善了现场总线管理软件平台。平台支持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，提供的主要功能如下：

（1）远程配置。足不出户，在控制室或仪表车间对仪表量

程上下限、单位等各种智能化参数进行配置和组态；

（2）故障诊断。无需进入现场或拆下仪表，就可以查看诊断仪表的状况，快速判断仪表故障，为仪表维修提供依据；

（3）标定提醒。轻松设计标定方案，自动生成仪表标定时间；

（4）日志记录。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；

（5）资产优化。实现设备台账等资产管理的优化策略，减少浪费，提高设备利用率。

HAMS系统具有以下技术特点：

（1）采用FDT/DTM设备集成技术解决仪表的互操作性问题；

（2）支持PROFIBUS等智能仪表的信息获取和智能诊断；

（3）可以直接通过和利时智能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；

（4）标准的OPC接口，允许与第三方系统进行数据通信和访问；

（5）利用SQL数据库进行数据存储；

（6）可查看仪表的操作修改、设备信息、故障报警信息等；

2.5.3现场总线设备管理系统在神福鸿山电厂的应用

在神福鸿山电厂与杭州和利时公司研发部门的通力合作下，利用机组C级检修机会，完成了HAMS系统的信息采集、项目设计、项目实施、全面测试及最终应用。目前现场已成功利用HAMS设备管理软件实现了智能型仪表的设备管理，降低了现场作业的过程风险，有效提升了检修效率。

2015年10月22日，神福鸿山电厂3号机1号高加正常疏水气动门出现异常无法正常使用，由于该设备安装的位置较高，若通过常规检修方式需搭设安装脚手架，由热工人员佩戴安全带进行高空作业才能对该设备进行初始化定位，不但检修难度大，且危险系数高。由于采用了HAMS设备管理系统，在设备管理站上远程对该设备进行了初始化定位，安全快捷地完成了设备的检修工作，有效提升了检修效率。图7为西门子定位器设备管理界面。

图7　西门子定位器设备管理界面

2015年10月29日，压力测点：3号炉高温过热器出口集箱压力3，运行提出要将原有的压力单位bar修改为MPa，也同样利用HAMS系统完成修改。图8为西门子压力变送器设备管理界面。

图8　西门子压力变送器设备管理界面

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、操作日志记录及用户管理等功能，便于日常检修维护的管理。

HAMS与进口DCS的设备管理系统比较，主要包括以下优势：

（1）HAMS系统为中文界面，方便国内检修人员使用，功能上可根据客户需要及时调整和补充；

（2）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。

2.6系统调试过程中遇到的问题

（1）神福鸿山电厂现场总线设备的网段划分采用DPR01模块隔离。最初隔离效果不理想，曾经出现过处理单独的DP总线设备B网段，却引起该总线柜内所有PA设备归零变为坏点，不同类型、不同网段的设备出现交叉影响的情况。后通过改进模块隔离方式，对现场所有的中继器模块DPR进行软、硬件升级解决了该问题。

（2）在机组调试过程中曾经出现DCS系统与总线设备的双网冗余机制不兼容，导致两个冗余接口经常性相互切换现象。后通过更改系统的冗余机制，该问题得以解决。

（3）目前，在判断总线设备的通信故障方面，系统仅能判断出正常和异常，具体的通信问题需借助第三方的诊断工具检查数据报文才能进一步判断。如果系统可以增加设备第三方设备诊断报文的上传功能，则用户可以更加方便快捷地判断设备所出现的通信问题。

2.7工程应用经验

通过神福鸿山电厂3、4号机的工程实施，我们总结出以下现场总线的工程应用经验：

（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。由于现场场地限制，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的分隔距离要求，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此现象。

（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。鸿山现场曾组织三次正规培训以及多次现场培训。三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。分别有针对性地对电建进行培训，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通过培训。

（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，等装好了又出现忘记调试的情况。#3机组调试期间设计调试卡，由电建完成现场接线，先进行单体测试，整个网段完成测试工作后再进行系统调试。

3　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，所以首先要有效地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。神福发电有限责任公司2×1000MW超超临界工程#3、#4号机组的投产以及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。同时对智能化设备的管理，及今后大数据系统性分析的应用有着推动作用。

参考文献：

[1]孙汉卿,吴海波.现场总线技术[J].北京:国防工业出版社,2014.

王丽丽（1974-），女，工程师，现就职于神华福能发电有限责任公司，从事火力发电厂热控DCS管理与维护工作。

李昱（1986-），男，现任杭州和利时自动化有限公司AMS产品经理，主要从事现场总线技术的应用及相关产品的研究工作。

摘要：本文介绍了和利时现场总线控制系统在神华福能发电有限责任公司两台百万火电机组的成功应用，对系统总线网络结构、系统组态方式、周期性数据进行了解析，并介绍了智能型设备管理系统的整体应用效果。该项目是国产现场总线控制系统在国内大型百万火电机组的首次成功应用，并且将智能型设备的远程管理真正用于日常检修维护，对今后国内大型智能化、数字化电厂的建设有着推动意义。

关键词：1000MW；现场总线；FDT/DTM；设备管理；应用

Successful Application of First Domestic FieldBus Control System in 1000MW Unit

Abstract:This paper introduces the successful application of hollysys fieldbus control system in ShenHua FuNeng Generation Electric Co.,Ltd 2×1000MW Unit.Through the system bus network structure,configuration mode,periodic data analysis and intelligent device management,the overall application performanceare introduced in this paper.The projectis the first successful application of the domestic fieldbus control system and the remote management of intelligent equipment for the daily maintenance in the domestic large million thermal power units.Therefore it has a significance to promote to the future construction of large domestic intelligent and digital power plant.

Key words:1000MW; FieldBus; FDT/DTM; Asset Management; Application

作者简介

文献标识码：B

文章编号：1003-0492(2016)02-0076-04

中图分类号：TP273