二次再熱機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)研究

楊柏依，儲(chǔ) 墨，蔣 慧，孫 進(jìn)

（華能萊蕪發(fā)電有限公司，山東 萊蕪 271100）

0 引言

現(xiàn)場(chǎng)總線是一種采用數(shù)字化通信技術(shù)的新型工業(yè)控制規(guī)范［1-2］，采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是火電廠數(shù)字化和智能化發(fā)展的必然趨勢(shì)，滿足了設(shè)備與控制裝置之間的高速、大容量數(shù)據(jù)交換需求［3-4］。采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的電廠越來(lái)越多，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備在電廠的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛［5-6］。機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備多達(dá)幾千臺(tái)，面對(duì)大量的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，日常的檢修和維護(hù)工作量巨大，如何科學(xué)利用現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的狀態(tài)檢修和維護(hù)成為電廠熱控人員面臨的首要問(wèn)題。

1 機(jī)組概況和現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)組成

鍋爐采用百萬(wàn)級(jí)二次再熱超超臨界變壓運(yùn)行塔式直流鍋爐，汽輪機(jī)采用超超臨界二次中間再熱單軸五缸四排汽雙倍壓十級(jí)回?zé)岢闅夥磩?dòng)凝汽式汽輪機(jī)。DCS系統(tǒng)采用OVATION控制系統(tǒng)，全廠主、輔設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)一體化，并全面采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，是目前火電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備應(yīng)用最多，范圍最廣的機(jī)組。

機(jī)組安裝了大量的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備為機(jī)組的高效運(yùn)行提供保證，也為建立數(shù)字化和智能化的火電機(jī)組提供了基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備采用兩種總線協(xié)議，分別為Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線和FF基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線。Profibus DP（以下簡(jiǎn)稱DP）設(shè)備包括電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電機(jī)控制器；FF設(shè)備包括閥門定位器、壓力（差壓）變送器、各種測(cè)量?jī)x表?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備類型包括：霍尼韋爾變送器、Rosemount變送器、EJA變送器、Siemens變送器、AUMA電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、EMG電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、ABB電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、ROTORK電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、Siemens閥門定位器、ABB閥門定位器、Fisher閥門定位器和金智馬達(dá)保護(hù)器等。全廠現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備共計(jì)2774臺(tái)：?jiǎn)卧獧C(jī)組（6號(hào)、7號(hào)）各含總線設(shè)備1046臺(tái)，其中DP設(shè)備405臺(tái)，F(xiàn)F設(shè)備638臺(tái)，DP支路47條，F(xiàn)F支路112條；公用系統(tǒng)共含總線設(shè)備98臺(tái)，其中DP設(shè)備22臺(tái)，F(xiàn)F設(shè)備54臺(tái)，DP支路5條，F(xiàn)F支路10條；輔網(wǎng)共含總線設(shè)備584臺(tái)，其中DP設(shè)備316臺(tái)，F(xiàn)F設(shè)備268臺(tái)，DP支路41條，F(xiàn)F支路44條。

機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、發(fā)布和安全4個(gè)功能模塊。數(shù)據(jù)采集模塊包括6號(hào)機(jī)組接口機(jī)、7號(hào)機(jī)組接口機(jī)和輔網(wǎng)接口機(jī)，接口機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)連接機(jī)組控制系統(tǒng)OPC服務(wù)器，將現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的診斷信息實(shí)時(shí)讀取并發(fā)送服務(wù)器，運(yùn)算模塊包括1臺(tái)運(yùn)算服務(wù)器，該服務(wù)器實(shí)時(shí)接收來(lái)自接口機(jī)的設(shè)備診斷數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先生成的設(shè)備類型文件進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算。發(fā)布模塊將運(yùn)算的結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)布到管理機(jī)和廠網(wǎng)的終端，供管理人員在線管理和維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備；發(fā)布模塊也可以將設(shè)備監(jiān)管數(shù)據(jù)通過(guò)廣域網(wǎng)發(fā)布到區(qū)域監(jiān)控中心。安全模塊包括防火墻和單向隔離網(wǎng)閘，防火墻和單向隔離網(wǎng)閘安裝在服務(wù)器的前端，接口機(jī)之后，隔離了廠級(jí)網(wǎng)或者廣域網(wǎng)對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)的任何安全威脅，由于數(shù)據(jù)采用單向傳輸，保證了控制系統(tǒng)安全不受威脅。

圖1為機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)。接口機(jī)位于防火墻與控制系統(tǒng)之間，用于數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)發(fā)，以及歷史數(shù)據(jù)備份。服務(wù)器位于網(wǎng)閘之后，完成現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理，并將設(shè)備的運(yùn)行信息實(shí)時(shí)發(fā)布到廠級(jí)網(wǎng)。該設(shè)計(jì)方案通過(guò)以太網(wǎng)連接控制系統(tǒng)和廠級(jí)網(wǎng)，利用防火墻和單向網(wǎng)閘，使得數(shù)據(jù)自下而上單向傳輸，充分保證了控制系統(tǒng)的安全。系統(tǒng)獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)信息，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理；同時(shí)能夠通過(guò)基于服務(wù)器/客戶端的訪問(wèn)機(jī)制，延伸到廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)檢修人員在辦公室監(jiān)控設(shè)備和為管理者提供生產(chǎn)決策信息。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)

2 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為解決大量現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的管理和檢修，開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)管系統(tǒng)，并在機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備成功應(yīng)用，為總線設(shè)備的日常管理維護(hù)、狀態(tài)檢修工作提供了大數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

2.1 設(shè)備的組態(tài)

現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測(cè)量?jī)x表、電機(jī)、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、分析儀表等。總線監(jiān)管平臺(tái)按照設(shè)備的類別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和歸類，機(jī)組按照鍋爐、汽機(jī)、脫硫和公用進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)軟硬件經(jīng)過(guò)兩個(gè)多月的調(diào)試和開發(fā)，系統(tǒng)于2017年5月正式運(yùn)行，為設(shè)備的狀態(tài)檢修提供依據(jù)，保障全廠總線設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)采集現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備信息，以數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為核心，建立設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)算法模型，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，提供設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)視、故障診斷、設(shè)備檢修（維護(hù)）指導(dǎo)、設(shè)備缺陷單的管理、設(shè)備運(yùn)行狀況的統(tǒng)計(jì)分析、歷史數(shù)據(jù)管理分析等功能；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的健康狀態(tài)、故障分析和遠(yuǎn)程診斷，將日常維護(hù)變?yōu)轭A(yù)測(cè)維護(hù)，將定期檢修變?yōu)榱藸顟B(tài)檢修，從而提升設(shè)備使用壽命，降低生產(chǎn)維護(hù)成本，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行；維護(hù)人員可合理的安排檢修時(shí)間和檢修項(xiàng)目，減少維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)往返次數(shù)，減少巡檢時(shí)間，從而提高維護(hù)工作的效率，保證設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備是數(shù)字化設(shè)備，相比傳統(tǒng)設(shè)備包含了大量的設(shè)備參數(shù)和信息，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的提取、分析和利用，可以為設(shè)備運(yùn)用、檢修和維護(hù)提供科學(xué)的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)電廠的安全運(yùn)行和設(shè)備的智能維護(hù)［7-8］。

在Ovation系統(tǒng)中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備中的數(shù)據(jù)使用較少，變送器只使用了設(shè)備的測(cè)量值；執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用了閥位和少量的開關(guān)量反饋，如已開/已關(guān)信號(hào)、遠(yuǎn)程/就地信號(hào)等；定位器使用了閥位反饋信號(hào)；馬達(dá)保護(hù)器使用了電流/電壓信號(hào)、遠(yuǎn)程/就地信號(hào)等?？偩€設(shè)備大量的診斷信息未使用。為了對(duì)總線設(shè)備的診斷信息進(jìn)行有效利用，需要在控制系統(tǒng)中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的組態(tài)進(jìn)行調(diào)整。進(jìn)行的工作包括兩方面，其一需要根據(jù)不同的設(shè)備類型選擇合適的功能模塊，其二根據(jù)選定的功能模塊優(yōu)化設(shè)備的引入點(diǎn)，對(duì)引入點(diǎn)采用打包點(diǎn)的形式進(jìn)行拆分。以ROTORK電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例，結(jié)合機(jī)組的應(yīng)用，對(duì)設(shè)備的模塊選擇和打包點(diǎn)優(yōu)化進(jìn)行說(shuō)明。7號(hào)機(jī)組引風(fēng)機(jī)A入口電動(dòng)閥門，KKS為 70HNA10AA001，采用 ROTORK電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，型號(hào)為ROTORK DP_V1 Simple Dual Device，選擇12字節(jié)輸入，4字節(jié)輸出的模塊Config1，在組態(tài)中的打包點(diǎn)及含義如表1所示。

表1 ROTORK的部分診斷點(diǎn)表

打包點(diǎn) 字節(jié) 位 信號(hào)2 8 低速模式2 9 GSD配置允許2 10 保留2 11 控制之爭(zhēng)2 12 進(jìn)行中的部分行程2 13 部分行程錯(cuò)誤2 14 從或主通道2 15 1或2個(gè)通道可用2 16 SR或FR模式70HNA10AA001_INPUT_03 3 0 力矩值70HNA10AA001_INPUT_04 4 0 閥位70HNA10AA001_INPUT_05 5 0 溫度70HNA10AA001_INPUT_06 6 Aux_Anolog 0

2.2 系統(tǒng)工作流程

設(shè)計(jì)設(shè)備類型文件。設(shè)備類型文件是運(yùn)算服務(wù)器運(yùn)算的依據(jù)，它建立了現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的設(shè)備模型。設(shè)備類型文件不僅給出了設(shè)備的參數(shù)如何進(jìn)行拆分，每個(gè)細(xì)分參數(shù)的含義、類型、單位和參數(shù)的詳細(xì)描述。每種類型的設(shè)備生成一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備類型文件，設(shè)備類型文件同時(shí)記錄了設(shè)備的廠家、型號(hào)、規(guī)格、協(xié)議種類等。

設(shè)備組態(tài)和打包點(diǎn)優(yōu)化。在控制系統(tǒng)中為每種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備根據(jù)設(shè)備提供的信息選擇合適的功能模塊，功能模塊選擇完成后，在設(shè)備組態(tài)時(shí)以打包點(diǎn)的形式對(duì)設(shè)備的引入點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

生成映射文件。映射文件建立了控制系統(tǒng)設(shè)備打包點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)映射文件可以將設(shè)備的數(shù)據(jù)點(diǎn)引入到設(shè)備模型中。

根據(jù)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備配置進(jìn)行工程組態(tài)。工程組態(tài)時(shí)需要根據(jù)控制器及總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行畫圖，圖形文件中添加現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的屬性，包括所屬的網(wǎng)段、地址、設(shè)備類型和引入點(diǎn)。

啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)服務(wù)器運(yùn)算平臺(tái)軟件。運(yùn)算平臺(tái)軟件的運(yùn)算周期為3 s，每個(gè)運(yùn)算周期的運(yùn)算流程如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)運(yùn)算流程

表2 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)的功能

3 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)的功能

現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障實(shí)時(shí)報(bào)警、設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、故障維護(hù)指導(dǎo)、數(shù)據(jù)發(fā)布功能等，可向電廠管理信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)和計(jì)算、分析結(jié)果，滿足維護(hù)人員對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理需求和總線設(shè)備狀態(tài)檢修的需求，確保機(jī)組安全、高效的運(yùn)行。 具體功能如表2所述。

4 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的狀態(tài)檢修應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)熱控設(shè)備的定期檢修、試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，通過(guò)總線監(jiān)管系統(tǒng)，將全部總線設(shè)備的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行了提取，分析和診斷，形成設(shè)備報(bào)警顯示、提醒，并能針對(duì)不同類報(bào)警提供處理建議，形成狀態(tài)檢修報(bào)告。

圖3 ROTORK執(zhí)行機(jī)構(gòu)的部分報(bào)警顯示

圖3 是某臺(tái)機(jī)組ROTORK執(zhí)行機(jī)構(gòu)的報(bào)警狀態(tài)顯示畫面：ROTORK電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)137臺(tái)，其中故障3臺(tái)，需要維護(hù)0臺(tái)。3臺(tái)故障執(zhí)行機(jī)構(gòu)在畫面中顯示，其中1臺(tái)為五抽至B小機(jī)電動(dòng)門，故障報(bào)警為繼電器動(dòng)作，顯示瞬時(shí)力矩為4608，機(jī)務(wù)檢查處理閥門后故障消除。

圖4 ROTORK執(zhí)行機(jī)構(gòu)的部分報(bào)警顯示及故障原因

圖4 是巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)的大量閥門“閥門阻塞”報(bào)警，通過(guò)原因查詢，初步判斷低溫放水時(shí)，管路結(jié)冰，造成堵塞，機(jī)務(wù)處理后正常。

圖5 EMG執(zhí)行機(jī)構(gòu)的部分報(bào)警顯示及故障原因

圖5 是巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)EMG執(zhí)行機(jī)構(gòu)A側(cè)高壓低溫省煤器入口煙氣調(diào)門3報(bào)“系統(tǒng)檢查錯(cuò)誤”，對(duì)照檢修指導(dǎo)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)位多次，故障未消除。對(duì)控制主板更換后正常。故障及時(shí)處理，未影響到機(jī)組正常運(yùn)行。

總線設(shè)備的報(bào)警統(tǒng)計(jì)如圖6所示。通過(guò)和各設(shè)備的報(bào)警清單，熱控專業(yè)在2018年春節(jié)百萬(wàn)機(jī)組調(diào)停期間根據(jù)總線設(shè)備運(yùn)行狀況形成了總線設(shè)備狀態(tài)檢修計(jì)劃和項(xiàng)目，重點(diǎn)對(duì)存在問(wèn)題的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測(cè)量?jī)x表、網(wǎng)絡(luò)通信等故障進(jìn)行了處理。在總線監(jiān)管系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，本次停機(jī)備用消缺的處理目標(biāo)明確，措施有的放矢，從根本上解決了一大批總線設(shè)備的安全隱患和設(shè)備缺陷。為機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

圖6 總線設(shè)備的報(bào)警歷史統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)采集現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備信息，以數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為核心，建立設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)算法模型，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，提供設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)視、故障診斷、設(shè)備檢修（維護(hù)）指導(dǎo)、設(shè)備缺陷單的管理、設(shè)備運(yùn)行狀況的統(tǒng)計(jì)分析、歷史數(shù)據(jù)管理分析等功能；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的健康狀態(tài)、故障分析和遠(yuǎn)程診斷，將日常維護(hù)變?yōu)轭A(yù)測(cè)維護(hù)，將定期檢修變?yōu)榱藸顟B(tài)檢修，從而提升設(shè)備使用壽命，降低生產(chǎn)維護(hù)成本，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行；維護(hù)人員可合理的安排檢修時(shí)間和檢修項(xiàng)目，減少維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)的往返次數(shù)，減少巡檢時(shí)間，提高了維護(hù)工作的效率，保證設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

總線設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)的成功應(yīng)用，能在線、實(shí)時(shí)反饋總線設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警等，還能夠進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成月度報(bào)表，提出檢修維護(hù)指導(dǎo)意見(jiàn)，為總線設(shè)備的狀態(tài)檢修提供依據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。