总线监管系统在百万二次再热机组现场总线技术中的管理与提升

华能莱芜发电有限公司/西安热工研究院有限公司

杨柏依 储墨 李晓博 李亚都 邵华标 柯波 李念震 李慎斌 董鹏 丁占锋 王鲁东 郑峰 陈学峰 赵亮

一、项目介绍

莱芜电厂百万二次再热机组现场总线设备监管系统于2017年5月正式投运，系统对全厂现场总线设备的诊断数据进行二次开发，实现了全厂现场总线设备的智能诊断和实时监控。

根据设计方案，项目建立了现场总线设备监管系统硬件平台，硬件配置防火墙和网闸，物理上隔离了单元机组控制系统和现场总线设备监管系统，保证了从控制系统以单向采集的方式采集现场总线设备的数据。设备监控管理系统通过3台OPC接口机分别采集#6机组、#7机组和辅网的总线设备数据，其中 #6机组（含公用系统）共采集约5100个诊断点，#7机组共计采集约4600个诊断点，辅网共计采集约3700个诊断点。根据不同厂家的现场总线设备建立了建立了统一的设备类型文件和计算模型，通过实时采集现场总线设备原始诊断点，并经过运算模型实时计算，完成现场总线设备各种故障、报警信息、维护信息、事件记录等的运算、预警和保存。最后，系统对计算完成的数据实时存储到数据库，支持历史数据的访问和查询，同时通过网络发布现场总线设备监管系统的客户端。现场总线设备管理系统以3秒为周期对设备进行分析计算，将设备的运行状态，是否故障以及故障详细信息等实时发送到远程用户。用户通过客户端可以实时查看电厂现场总线设备的运行状态、诊断信息、事件记录和维护指导。

莱芜电厂百万二次再热机组现场总线设备监管系统的成功应用，实现了全厂现场总线设备的统一监控和管理。充分发挥了现场总线设备的优势，对现场总线设备的数据进行挖掘与二次开发，有效地利用了现场总线设备的状态和诊断数据，变“故障检修”为“预测检修”，变“就地巡检”为“远程巡检”，降低了设备的维护成本，提高设备的可靠性和可用率，提高了设备的信息化管理水平，为电厂的安全稳定运行提供了有力的保障，为数字化电厂的建设奠定了基础。

（一）现场总线设备应用情况

莱芜电厂百万二次再热机组（#6、#7）使用的现场总线设备品牌包括霍尼韦尔、rosemount、EJA、Siemens、AUMA，EMG，ABB，ROTORK、ABB、fisher和金智等。机组的总线设备应用情况如下：

（1）#6机组（#7机组相同）

#6机组共含总线设备1046台，其中DP设备405台，FF设备638台，DP支路47条，FF支路112条。

（2）公用系统

公用系统共含总线设备98台，其中DP设备22台，FF设备54台，DP支路5条，FF支路10条。

（3）辅控

辅控共含总线设备584台，其中DP设备316台，FF设备268台，DP支路41条，FF支路44条。

（二）传统管理方式

莱芜电厂在没有实施现场总线设备监管系统之前，对现场总线设备仍以常规人工巡检为主，未充分挖掘和利用现场总线设备丰富数据及信息，现场总线技术优势未能发挥出来。对现场总线设备的日常的管理和维护方面停留在传统方式，总线设备包含大量的诊断信息，由于诊断和维护信息没有利用，导致电厂设备管理水平远远落后,使得现场总线设备在生产中无法发挥其正常效能。

（1）总线设备包含大量诊断参数，状态参数、运行参数、是否故障等信息，现有系统对于这些数据没有采集和使用，仅仅读取了设备的测量值，无法实现对设备运行状态进行在线管理，导致现场总线设备工作在亚健康状态，降低了设备的使用寿命，增加了电厂的经营成本。

（2）区别于传统设备，现场总线设备在运行中发生故障时，技术人员无法快速定位并排除故障，不能及时恢复设备的正常运行会影响到机组运行和电厂的安全生产。

（3）由于没有在线的现场总线设备管理技术，无法实时获取现场总线设备的运行状态，导致无法对现场总线设备进行针对性的巡检和维护。

（4）有些总线设备需要根据设备使用规程定期维护、保养，目前无法获得设备的连续运行时间，启停次数等信息，所以设备的规范保养非常困难，几乎不能实现，这样就间接导致了总线设备的故障频发，甚至损坏。

（5）现有系统无设备的历史数据管理功能，也就无法对总线设备的诊断、是否故障、故障信息、维护信息等相关参数进行记录和保存，后续对设备的检修只能凭借经验进行，没有量化的设备运行数据进行科学决策。

（6）现有系统无法统计各种现场总线设备在一定的时间段内的故障频率，故障次数等信息，无法对设备采购和更换提供科学的决策依据。

（三）二次再热机组现场总线设备监管系统

为了发挥现场总线智能设备的优势，对现场总线设备数据进行挖掘与二次开发，提高莱芜电厂现场总线设备的信息化管理水平以及提高设备的可靠性和可用率，莱芜电厂主持实施现场总线设备监管系统的研发和实施。该系统于2017年8月投入运行。

莱芜电厂百万二次再热机组现场总线设备监管系统采集现场总线设备丰富的信息，以数据挖掘技术为核心，建立设备运行数据算法模型，通过实时数据处理，为用户提供设备实时监视、故障诊断、设备检修（维护）指导、设备工作单的管理、设备运行状况的统计分析、历史数据管理分析等功能；根据现场总线设备的健康状态、故障分析和远程诊断，将日常维护变为预测维护，降低了生产维护成本，维护人员可合理的安排检修时间和检修项目，从而提高维护工作的效率。系统的成功应用充分发挥现场总线技术的优势，利用现场总线设备丰富的诊断数据，保证现场总线设备稳定运行，提高莱芜电厂机组运行的可靠性与经济性，为数字化电厂的建设奠定了基础。

二、技术方案及创新成果

（一）系统硬件设计

现场总线设备监管系统（FDMS）硬件架构图为：现场总线设备监管系统采用分散式网络布置，将OPC客户端程序布置在接口机上，接口机通过以太网与DCS系统OPC服务器连接，一端通过防火墙、网闸和服务器进行网络连接。如图1所示。

图1 现场总线设备监管系统拓扑图

系统是通过以太网连接控制系统和MIS网，利用防火墙和单向网闸，使得数据自下而上单向传输，充分保证了控制系统的安全。系统获取现场设备状态信息，进行现场总线设备管理；同时能够通过基于服务器/客户端的访问机制，延伸到厂级MIS网络，实现检修人员在办公室监控设备和为管理者提供生产决策信息。

接口机位于防火墙与控制系统之间，用于数据的采集、转发，以及历史数据备份。服务器位于网闸之后，完成现场总线设备数据的运算和处理，并将设备的运行信息实时发布到MIS网。

（二）系统功能及创新性

（1）数据采集。连接控制系统，通过OPC协议获得控制系统的数据。

（2）设备类型定义。通过此功能生成设备类型文件，定义设备的数据格式，故障和事件信息，当设备进行升级时，可利用此功能生成新的设备类型文件，并为现场总线设备监管系统更新，使整个系统易于扩展。

（3）设备组态。通过绘制现场总线设备的拓扑图进行设备组态。可以轻松将设备类型、设备的诊断点、设备的运算模型进行映射和关联。

（4）历史数据保存。对实时数据和设备发生的故障事件进行保存。

（5）用户管理。现场总线设备监管系统拥有两种用户权限：管理员权限和操作员权限。管理员权限可进行设备组态和设备状态监控等操作，而操作员权限无法进行设备组态。

（6）设备状态监控。通过此功能可对全厂现场总线设备进行实时监控，现场总线设备根据设备用途和总线协议类型进行分类，通过表格的形式，使用图标来显示设备的状态和诊断信息。现场总线设备监控管理程序通过表格的形式，对设备状态信息以图标的形式进行显示，使得现场总线设备的状态一目了然。

通过不同形式的图标，非常直观地表现设备是否发生故障，以及设备故障后是否经过确认，如图2所示设备管理和故障诊断的提示图标。

图2 设备故障诊断的提示信息

由于显示器界面有限，而设备数据量非常大，所以将大量的设备信息隐藏在了实时监控表格中，如图所示：当光标停留在设备名称上时，会弹出设备的KKS、地址、工位等详细信息；当光标停留在故障图标上时，将会弹出设备具体故障的详细信息，如图3所示。

图3 设备故障的详细信息提示

（7）历史数据查询。现场总线设备监管系统从历史数据文件中读取设备的原始数据，通过对原始历史数据的分析，可还原设备的历史状态。

（8）设备状态查询。现场总线设备监管系统从关系型数据库中读取设备的故障和事件信息，其中包括事件名称、事件发生的事件、事件是否被确认、确认事件的用户等。

（9）事件统计。事件统计是通过对关系型数据库的查询，统计某个设备或某一类型设备在一段时间内的状态。通过事件统计功能，也可对比不同类型设备之间的故障率，分析故障原因，帮助用户对未来可能出现的故障进行预判。

通过现场总线设备监管系统的故障统计功能，统计不同类型总线设备每个月的故障信息，通过折线图的方式显示故障发生的趋势，通过表格的方式显示详细的故障信息和故障发生的时间，如图7所示。在故障统计界面中，分别通过设备类型之间的横向比较和同一类型一年之间的纵向比较，对设备故障数量进行了统计，维护人员可以总结出设备故障发生的规律，为可能出现的同类型故障做出预测；管理人员可以根据故障的预测，制定维修与维护计划，同时根据设备故障率，制定备品备件的采购计划。

（10）设备说明书。现场总线设备监管系统为每一类设备提供了设备使用说明书，通过设备监控界面，可直接打开说明书，方便用户随时查询。

（11）设备维护指导。现场总线设备监管系统为每一类设备提供了维护指导，维护指导针对此类设备的每一个故障进行说明，并提出维护或维修的建议，帮助用户快速定位问题和解决问题。

维护指导以表格的方式，对每种类型的故障进行了分析总结，指出设备发生故障的原因，为用户提供设备维护的参考。维护指导如图4所示：

图4 现场总线设备监管系统设备维护指导

维护指导由经验丰富的现场总线工程师编写，以表格的方式，对设备中每一个故障进行解释，并由提供了对故障的维护建议。用户可根据现场设备新的维护经验对维护指导进行扩展，并将新的维护指导保存至故障库中，做到知识和经验的积累，为以后出现的故障提供维护参考。现场总线设备监管系统根据电厂管理的特点，为电厂设计了设备缺陷单。设备缺陷单中包含了设备的详细信息，以及详细的故障信息和故障发生的时间，并且可根据不同电厂的需求进行修改。设备缺陷单的使用，为电厂提供了另外一种保存设备故障信息和维护信息的方式，通过打印可形成书面资料，使管理人员更加方便快捷的对设备维护进行管理。

（12）缺陷单管理。当设备发生故障后，可对发生故障的设备生成Excel格式的缺陷单。缺陷单的格式可以根据电厂的要求定制。

（13）拓扑图显示。现场总线设备监管系统可以通过拓扑图的方式，使用户直观的对现场总线设备进行监控。拓扑图以表格的形式按顺序显示一条总线上所有的现场总线设备，维护人员可获得设备的位置信息；通过拓扑图实时监控功能，直接显示故障设备；通过拓扑图跳转功能，直接跳转至设备详细状态信息处。

（14）故障信息报警。当整个系统中存在故障设备时，将在监控界面上单击事件记录按钮，保证用户随时了解当前有设备发生故障。

（15）维护信息报警。与故障信息报警相同，单用户单击工具栏维护信息按钮，用户可以随时了解当前设备的维护信息。

（16）数据发布。现场总线设备监管系统运算服务器将数据实时发布至MIS网，用户可以通过MIS网实时查看设备的运行状态。

三、技术性能指标

莱芜电厂百万二次再热机组现场总线设备监管系统的主要技术性能指标：

（1） 通过OPC客户端接受来自控制系统（DCS/FCS/PLC）系统的现场总线设备状态及诊断数据，数据点数最大100000点；同时能够通过内嵌的OPC服务器功能把设备诊断数据发送第三方应用；

（2） 实时数据库能够实时管理 10000台设备（或者500000设备数据点）；

（3） OPC Client接收数据的最低刷新周期最低3秒钟；

（4） OPC Server发送数据的最低刷新周期为3秒钟；

（5） 实时数据库对数据存储的刷新周期最低为3秒钟；

（6） 现场总线设备实时监控的刷新周期最低为3秒钟；

（7） 历史数据保存的周期为3秒钟；

（8） 查询模拟量历史数据，单个设备1天以内的历史数据查询在1s以内；

（9）查询开关量历史数据，单个设备1天以内的历史数据查询在1s以内；

（10）查询历史事件，单个设备1个月以内的历史事件查询在1s以内。

四、与国内外同类研究技术的比较

国外现场总线设备监管技术发展比较迅速，目前具有代表性的产品有艾默生的AMS资产管理系统和西门子的PDM系统，这两种系统不仅价格昂贵，而且具有共同的特点：仅能和本公司的控制系统配合使用，且不是专门针对电厂开发，部分功能不能满足电厂需求。

莱芜电厂百万二次再热机组现场总线监管系统的成功应用，具有以下技术优势：与控制系统完全隔离，保证对控制系统的零干扰；构架灵活，即可单机运行，也可使用C/S构架，通过客户端远程浏览，为用户提供了多种实现方式；组态灵活，针对不同的现场总线设备类型开发了内容丰富的设备类型库，组态过程中只需调用相应的设备类型文件，即可满足工程需求；专门针对电厂开发，加入了设备缺陷单机制，更好地融入到电厂的管理制度中；全中文操作界面，便捷友好，易于掌握，使用方便。

五、实施应用情况

现场总线设备监管系统于2017年8月在华能莱芜发电有限公司2＊1000MW二次再热机组投运至今。系统运行稳定可靠、兼容性强，能远程快速定位设备故障、提供维护指导，提高了机组运行的可靠性，降低了设备维护的成本。

该系统通过采集和处理所有现场总线设备的实用信息，对全部现场总线设备的运行状况进行实时监视、管理和统计分析，并可在线监控现场总线设备的运行状态，帮助维护人员快速的定位问题和解决问题，将维护人员的巡检维护转变为有目的维护，改变了维护人员的工作方式，提高了工作效率，降低了运营成本。现场总线设备监管系统运行稳定可靠，充分发挥了电厂全面采用现场总线技术的优势，提高了运行维护效率和设备的可靠性，同时降低了设备维护成本。系统的成功应用，实现了全厂现场总线设备的统一监控和管理，有效地利用了现场总线设备的状态和诊断数据，进行设备故障预测，并提出维护/维修指导，变“故障检修”为“预测检修”，变“就地巡检”为“远程巡检”，降低了设备的维护成本，提高了设备的可用率，为电厂的安全稳定运行提供了有力的保障。

六、可推广性

根据市场调研，目前国内已投运和在建的火电机组有数十台已采用现场总线技术，还有60余台新建火力发电机组已有采用现场总线技术的意向。现场总线设备监管系统专门针对电厂开发，通过专业的技术优势，以及明显的价格优势，必将占领较大的市场份额。此外，在市政、水泥、石化、水电、交通等行业，其工业控制系统也越来越多地采用现场总线技术，现场总线设备监控管理系统同样具有应用价值。因此，现场总线设备监管系统具有良好的市场前景。

七、经济社会效益

（1）经济效益

莱芜电厂百万二次再热机组现场总线设备监管系统实时监控全厂现场总线设备的运行状态，维护人员在办公室中通过浏览器监视每一台设备的运行状况，将传统的现场“就地巡检”方式转变为“远程监检”方式；利用系统丰富的诊断信息，快速定位现场设备故障，根据设备故障信息，系统给出维修指导，帮助维护人员快速地解决设备故障问题，缩短故障处理时间，提高系统的可用率；同时对设备的历史事件和当前的事件、设备健康状态和工艺流程数据，通过在线数据挖掘、事件概率和诊断分析，预测现场总线设备在未来一段时间可能出现的故障，变“故障检修”为“预测维护”，从而确保了机组的安全稳定运行。现场总线设备监管系统提供的大量信息为设备的优化管理和检修创造了条件，有效降低设备的故障率和节省人力，大幅降低设备在整个生命周期的使用和维护费用，为用户产生巨大的间接经济效益。

（2）社会效益

莱芜电厂百万二次再热机组现场总线设备监管系统可大幅度地提高机组的信息化水平，降低机组整个生命周期的生产和维护成本，为数字化和智能电厂的建设奠定了基础。充分利用了现场总线设备丰富的诊断信息，有效提高设备的可用率，确保机组更加安全稳定地运行，从而有效减少机组的“非停”事故，为提供高品质、连续稳定的电能和维护电力企业良好的外部形象提供保障，产生了巨大的社会效益。