基于現(xiàn)場總線技術的智能電廠設備管理

安鳳栓， 李曉鵬， 丁 輝， 黃巍利

(1.北京國電智深控制技術有限公司， 北京 1002200； 2.北京市電站自動化工程技術研究中心， 北京 1002200； 3.國電浙能寧東發(fā)電有限公司， 銀川 750408)

當前，在國家戰(zhàn)略及相關政策的引導下，國內各發(fā)電集團加快推進智能電廠建設[1]。2016年大唐集團與GE建立北京國際電力數(shù)據(jù)監(jiān)測診斷中心，用于11臺燃機及2臺燃煤機組的數(shù)據(jù)收集和分析；2017年國電電力首次提出將電廠原有的DCS+SIS+MIS的三層架構，簡化為ICS+ISS兩層架構，通過ICS對電廠全部實時信息進行管控，實現(xiàn)電廠運行控制的能效“大閉環(huán)”與安全“大保障”，通過ISS對電廠非實時信息進行全面管控，實現(xiàn)電廠運營管理的管理決策“大協(xié)同”[2]，并在國電東勝和宿遷電廠進行示范性應用；國華電力對所屬電廠中75類重要設備的全部相關信息集中采集和處理，以實現(xiàn)電廠大數(shù)據(jù)管理。此外，大唐南電電廠、大唐姜堰電廠、京能集團高安屯熱電及十堰熱電廠、江蘇國信集團高郵及儀征燃機電廠、國電大渡河公司、中廣核等均在積極推進智能電廠示范項目[3]。

然而，現(xiàn)階段國內很多發(fā)電廠基礎設備和控制設備的數(shù)字化、智能化程度還不夠，無法滿足大數(shù)據(jù)分析挖掘和智能運行優(yōu)化控制的需求。建設智能電廠的重要任務應首先實現(xiàn)生產(chǎn)底層設備的全面數(shù)字化、智能化，積極推進現(xiàn)場總線技術的應用。只有當最底層有用的數(shù)據(jù)傳送到上級控制、監(jiān)控、管理和決策層時，才能夠使上層的高級應用軟件與各種分析決策技術得到更全面廣泛的應用。現(xiàn)場總線技術能夠擴大數(shù)據(jù)收集的深度和廣度，為智能電廠的實現(xiàn)提供廣泛的數(shù)據(jù)基礎。

國內某大型百萬火電機組2×1 000 MW超超臨界燃煤機組新建工程，全廠采用現(xiàn)場總線技術，接入分散控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線儀表和設備超過4 000臺，構建了智能設備網(wǎng)絡，實現(xiàn)了智能設備高效管理，為下一步智能電廠的建設奠定了堅實的基礎。

本文通過對智能電廠和現(xiàn)場總線技術的討論，重點介紹基于現(xiàn)場總線技術的設備管理應用情況。

1 智能電廠

智能電廠是在數(shù)字化電廠基礎上發(fā)展的新一代電廠技術，是國家推行智能制造和工業(yè)4.0技術在發(fā)電廠領域的具體實施[3-4]。

在中國自動化學會發(fā)電自動化專業(yè)委員會與電力行業(yè)熱工自動化技術委員會在2016年共同發(fā)布的《智能電廠技術發(fā)展綱要》[5]中，將“智能電廠”定義為：“在廣泛采用現(xiàn)代數(shù)字信息處理和通信技術基礎上，集成智能的傳感與執(zhí)行、控制和管理等技術，達到更安全、高效、環(huán)保運行，與智能電網(wǎng)及需求側相互協(xié)調，與社會資源和環(huán)境相互融合的發(fā)電廠”。2018年，中電聯(lián)發(fā)布的《火力發(fā)電廠智能化技術導則》[6]定義“火力發(fā)電廠智能化”為：“火力發(fā)電廠在廣泛采用現(xiàn)代數(shù)字信息處理和通信技術基礎上，集成智能的傳感與執(zhí)行、控制和管理等技術，達到更安全、高效、環(huán)保運行，與智能電網(wǎng)及需求側相互協(xié)調，與社會資源和環(huán)境相互融合的發(fā)展過程”。劉吉臻院士在2019年《數(shù)據(jù)驅動下的智能發(fā)電系統(tǒng)應用架構及關鍵技術》[7]一文中從數(shù)據(jù)應用的角度闡明了智能發(fā)電的五大數(shù)據(jù)化特征，指出“智能發(fā)電的發(fā)展需要經(jīng)歷由初級形態(tài)向高級形態(tài)、由局部應用到系統(tǒng)應用的歷程。由于發(fā)電系統(tǒng)智能化裝備與技術的發(fā)展還不充分，對應用需求的分析和理解還須進一步深化，因此在數(shù)字化電廠框架下的局部智能化將是當前的主要發(fā)展模式”。

由此可見，數(shù)字化是電廠智能化的基礎，智能化電廠應在數(shù)字化電廠基礎上進行進一步的深化和拓展，同時采用云計算、大數(shù)據(jù)技術、物聯(lián)網(wǎng)等技術，使電廠的運行、控制、管理和決策等更加符合現(xiàn)代化電廠的要求[8]。本文認為，可從以下兩個方向推動智能電廠建設。

1)在基礎設備層，可采用成熟的現(xiàn)場總線儀表、執(zhí)行機構、電動機控制器等設備，全方位采集發(fā)電廠相關設備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)設備層實現(xiàn)所有設備的數(shù)字化、智能化。

2)對于電力生產(chǎn)和管理過程中狀態(tài)、設備、位置、環(huán)境等泛在數(shù)據(jù)信息，可利用數(shù)據(jù)處理分析融合技術，與相關業(yè)務流程深度集成，為上層智能應用提供數(shù)據(jù)基礎和驅動力。

通過上述分析可以看出，設備的數(shù)字化、智能化是實現(xiàn)智能電廠的基礎，如何基于現(xiàn)場總線技術進行智能設備管理，如何對現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)進行分析和挖掘，將成為智能電廠重要研究方向之一[9-10]。

2 現(xiàn)場總線技術

近年來，現(xiàn)場總線技術發(fā)展迅猛，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在國內電廠中的應用范圍已不再局限于輔助車間，已經(jīng)在大型火電機組上大規(guī)模應用[11-13]。

現(xiàn)場總線技術采用數(shù)字信號代替模擬量信號以及開關信號的通信，遵循統(tǒng)一的總線協(xié)議，可以雙向數(shù)字通信，具有更加開放、更快部署和更易開發(fā)的特點；現(xiàn)場總線設備具有豐富的狀態(tài)、診斷、參數(shù)信息，多種智能化功能以及現(xiàn)場級的信息處理和控制能力。因此，通過在全廠范圍內構建以現(xiàn)場總線技術為核心、現(xiàn)場智能化設備為基礎、數(shù)字化網(wǎng)絡技術為手段的全廠自動化控制系統(tǒng)[14]，可實現(xiàn)了電廠設備和系統(tǒng)間的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化通信。

然而，很多電廠在應用現(xiàn)場總線技術時，仍以常規(guī)的設備監(jiān)控手段為主，對現(xiàn)場總線豐富的設備信息挖掘較少；有一部分現(xiàn)場總線設備供應商在基礎控制功能的基礎上，僅增加了一些基本的設備管理功能來管理現(xiàn)場總線設備，雖然支持現(xiàn)場總線設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取與組態(tài)、日志記錄和臺賬管理等功能，但是并沒有對這些狀態(tài)信息進行集中的監(jiān)測和分析[15-16]；同時，基于控制效率的考慮，控制系統(tǒng)一般只關心與控制邏輯相關的總線數(shù)據(jù)，大量的狀態(tài)信息都被控制器拋棄不用，無法完全發(fā)揮現(xiàn)場控制系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)優(yōu)勢；現(xiàn)場總線技術帶來的大量設備狀態(tài)信息，未進行深入的開發(fā)應用，極少采用大數(shù)據(jù)技術進行設備運維、狀態(tài)檢修、節(jié)能降耗、經(jīng)營管理等方面的研究，未能發(fā)揮其應有的價值。

本文依托國內某大型百萬火電機組2×1 000 MW超超臨界燃煤機組新建智能電廠建設工程，研發(fā)并應用了基于現(xiàn)場總線技術的智能電廠設備管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了總線設備的實時監(jiān)視、分析、預測、評估和故障診斷等功能，真正發(fā)揮了現(xiàn)場總線設備信息豐富的優(yōu)勢，完成了全廠總線設備的集中管理與監(jiān)控，使得傳統(tǒng)的電廠設備由計劃檢修向狀態(tài)檢修成為可能，具有一定的行業(yè)市場推廣價值。

3 基于現(xiàn)場總線技術的智能電廠設備管理的應用

該工程DCS及現(xiàn)場總線卡件均采用北京國電智深控制技術有限公司EDPF-NT+產(chǎn)品，主機單元側配有DPU40對、主機公用4對，脫硫7對，其余輔控DPU共計34對。輔網(wǎng)方面幾乎囊括了火力發(fā)電廠涉及的所有輔助控制：除了常規(guī)的水島、精處理、除灰、輸煤、脫硫脫硝氨區(qū)外，還包括采暖加熱、制冷通風、制氫站、綜合給排水、中水泵房、電除塵、燃料管控部分，全廠幾乎沒有PLC，全部納入DCS控制，是真正意義上的全廠主輔一體化DCS項目。

除涉及到安全停爐停機及高壓電氣設備外，整個電廠全面采用現(xiàn)場總線智能設備以滿足智能化電廠建設的需要，接入EDPF-NT+系統(tǒng)的現(xiàn)場總線設備超過4 000臺，其中：變送器1 071個、閥門1 959個、馬達760個、分析儀表87個、智能采集箱310個，配置的EDPF-PB卡達324塊。需有快速巡回檢測和快速控制的能力的設備，例如電動執(zhí)行機構、馬達控制器、變頻器等均采用PROFIBUS-DP通信協(xié)議?；緶y控對象壓力、溫度、液位、流量、氣動閥門定位器等變化緩慢，不要求快速響應時間，但要求復雜的模擬量處理能力的設備采用PROFIBUS-PA通信協(xié)議，總線設備總體覆蓋率達到75%以上。這些現(xiàn)場總線設備在常規(guī)I/O點基礎上，擴展了設備診斷、狀態(tài)及內部參數(shù)等數(shù)據(jù)點，為智能化功能的開發(fā)和應用提供了強大的數(shù)據(jù)基礎。

本工程在該廠智能發(fā)電平臺上，融合現(xiàn)場總線、大數(shù)據(jù)分析、機器學習等技術，集成AMS現(xiàn)場總線管理軟件，建立了基于現(xiàn)場總線技術的設備管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)現(xiàn)場總線設備狀態(tài)監(jiān)測、系統(tǒng)故障統(tǒng)計分析、健康評估、預測檢修。具體功能如下：

3.1 現(xiàn)場總線設備狀態(tài)監(jiān)測

國電智深現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的通信主站除了可以完成對智能設備的基本控制和數(shù)據(jù)采集外，還能實時解析設備的周期性數(shù)據(jù)，現(xiàn)場總線設備的周期性數(shù)據(jù)除包含設備正常狀態(tài)信息外，還包含一些報警診斷信息。比如電動執(zhí)行機構除了對設備進行開關控制還能進行過力矩、電機過熱、電機電源故障等報警診斷信息，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。通過解析的信息，結合現(xiàn)場總線實際的設計和施工情況，可制作現(xiàn)場總線拓撲結構及設備狀態(tài)信息的解析界面，布置在DCS實時監(jiān)控畫面上，可供熱控和運行人員直觀、實時了解到設備目前的通信狀態(tài)及運行情況。如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場總線拓撲結構及設備狀態(tài)信息解析圖

在DCS畫面上，以拓撲圖的形式對控制器、IO模塊、通訊主站卡、光口、從站設備的運行狀態(tài)、通訊狀態(tài)進行集中監(jiān)測；同時，對從站設備的通訊地址、狀態(tài)信息、品牌型號信息、各通訊柜物理安裝地址、PA分線盒的物理安裝位置及PA設備接線端子圖等信息進行直觀展示，可幫助熱控人員進行設備維護管理。

3.2 現(xiàn)場總線系統(tǒng)故障統(tǒng)計分析

現(xiàn)場總線系統(tǒng)故障類型包含控制器故障、通訊主站卡故障、從站設備故障三種。

控制器故障監(jiān)測主要監(jiān)視控制器運行狀態(tài)、網(wǎng)絡狀態(tài)及主備狀態(tài)。當出現(xiàn)非人為操作切換至備用時，判斷為故障狀態(tài)，DCS畫面提示控制器已切換需檢查系統(tǒng)；冗余A/B網(wǎng)絡狀態(tài)及IO卡監(jiān)測點狀態(tài)出現(xiàn)跳變時，DCS畫面提示網(wǎng)絡異常及IO卡件異常。

通訊主站卡故障監(jiān)測主要監(jiān)視通訊主站卡的運行故障狀態(tài)、光口運行故障狀態(tài)。由于通訊故障、設備故障、網(wǎng)絡故障都會造成PB卡的主備切換，通過對PB卡狀態(tài)進行檢查，來輔助判斷故障信息。

從站設備故障監(jiān)測統(tǒng)計系統(tǒng)按照同廠家同類型設備分類統(tǒng)計，以上三種類型數(shù)據(jù)送至設備管理系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)模型進行全面統(tǒng)計分析，給維護人員及管理人員提供檢修決策信息。

現(xiàn)場總線系統(tǒng)故障統(tǒng)計畫面，如圖2所示。

3.3 現(xiàn)場總線設備健康檔案

通過全面對現(xiàn)場總線設備的狀態(tài)信息、故障診斷信息、報警信息、維護信息等數(shù)據(jù)進行收集，結合現(xiàn)場總線設備的品牌、所在工藝系統(tǒng)、設備的報警類型等多維度數(shù)據(jù)，并利用大數(shù)據(jù)分析技術，建立設備健康狀態(tài)評價模型，實現(xiàn)對設備健康情況評估，生成總線設備的健康檔案，如圖3所示。

圖2 現(xiàn)場總線系統(tǒng)故障統(tǒng)計圖

設備健康檔案以列表的形式對設備信息進行全面展示，同時包括品牌屬性管理、設備屬性管理、設備報警查詢等功能。品牌屬性管理展示各品牌設備的參數(shù)情況及GSD類型，方便在檢修過程中快速查找設備對應的GSD文件，提高檢修效率。設備屬性管理將所有總線設備的名稱、地址、就地柜、系統(tǒng)、DPU編號和端口等情況統(tǒng)一呈現(xiàn)，支持按照機組、系統(tǒng)、就地柜等分類，進行模糊查詢，方便快速鎖定故障設備。設備報警查詢可以按照機組、系統(tǒng)、品牌類型，分時段檢索所需要的報警信息。

圖3 現(xiàn)場總線設備健康檔案

3.4 現(xiàn)場總線設備管理軟件(AMS)

該工程采用國電智深公司EDPF-AMS現(xiàn)場總線設備管理軟件，EDPF-AMS基于PROFIBUS、HART等總線協(xié)議、EDDL規(guī)范及技術，可與EDPF NT+深度融合使用，也可獨立配合PB卡等主站使用，AMS集設備管理、監(jiān)視功能等于一體，主要功能如下：

1)具備遠程設備參數(shù)查看和組態(tài)功能，可對大量智能總線設備進行集中管理，完全替代了傳統(tǒng)的手操器的功能，提高了設備檢修和維護效率。

2)可進行設備的狀態(tài)監(jiān)測和診斷，無需進入現(xiàn)場或拆下儀表，在線可實時查看設備診斷狀況，快速定位儀表故障，為設備維修提供依據(jù)，大大降低設備的維護成本。

3)可設定設備校驗計劃、制定校驗方案及跟蹤校驗過程，生成校驗報告，設備健康狀況報告，實現(xiàn)主動性維護和預測性維護?，F(xiàn)場總線設備管理軟件校驗管理界面，如圖4所示。

4)可提供深度設備報警簡報功能，精確監(jiān)控設備狀態(tài)；提供豐富歷史記錄包含操作記錄，參數(shù)記錄，報警記錄等。

5)采用開放的設備集成技術和規(guī)范，能夠兼容不同廠家各種類型的智能儀表，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。

圖4 現(xiàn)場總線設備管理軟件校驗管理界面

3.5 現(xiàn)場總線設備預測檢修

該工程通過對現(xiàn)場總線設備海量的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析挖掘，統(tǒng)計分析設備的故障情況，預知設備的運行變化趨勢，診斷設備故障，并給出常見的故障解決辦法，從而幫助檢修人員有針對性和預防性的開展檢修工作。

1)通過對不同設備的不同故障信息匯總分析，統(tǒng)計出設備的故障率、分布情況，來判斷設備的故障多發(fā)位置及原因，方便制定合理的檢修方案，快速高效的消除設備故障點；同時，還可以通過某類設備的故障發(fā)生頻率、故障集中度及故障分布來對此類品牌或同批次生產(chǎn)的設備進行運行穩(wěn)定度評估。通過安裝、運行時間、維護相關活動進行設備生命周期管理。如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場總線設備故障率統(tǒng)計圖

2)采用數(shù)據(jù)分析相關算法，對現(xiàn)場總線設備長周期的歷史數(shù)據(jù)樣本進行學習和統(tǒng)計分析，分析設備劣化趨勢，同時采用如BP、LSTM等機器學習方法，對設備相關的歷史數(shù)據(jù)進行學習，構建不同工況下的設備運行模型，將設備實際運行參數(shù)與模型輸出進行多維比對，生成現(xiàn)場總線設備趨勢分析圖，實現(xiàn)設備故障早期預警。如圖7所示。

3)建立基于多種典型性工況下的總線設備特征模型，利用故障所對應的征兆，實現(xiàn)對異常工作狀態(tài)的快速診斷，對運行設備進行全方位的診斷管理。同時將運行專家的專業(yè)知識和經(jīng)驗、運行規(guī)程、設備設計資料等表達和固化為專家知識庫，專家故障知識庫豐富的故障識別規(guī)則，可保證各種故障類型判斷的準確度，最后通過推理分析方法，進行設備故障識別診斷，并給故障解決方法和建議。

圖6 現(xiàn)場總線設備趨勢分析圖

4 應用效益

該工程通過基于現(xiàn)場總線技術的設備管理系統(tǒng)，可直接管理全廠4 000多臺總線設備。投入運行一年來，通過現(xiàn)場總線設備的狀態(tài)實時監(jiān)測及AMS管理軟件，大大提高了熱工檢修人員日常巡檢效率，每天熱控班值可節(jié)省3小時故障巡檢時間，全年節(jié)省約1 000小時，節(jié)省的人力成本可以再投入到精密點檢中；通過對設備故障的預警和診斷功能，及時提醒和指導運行人員做好應急處置操作，防止事故的發(fā)生或事故處理過程中的擴大，提高檢修人員消缺的快速性、正確性、安全性，從而提升了設備的可用率，保證設備安全運行；通過對設備故障概率、故障類型的統(tǒng)計分析，優(yōu)化了設備備件庫存，減少備件資金使用率，年節(jié)約備件采購成本約100萬元；利用大數(shù)據(jù)分析技術，對全廠總線設備故障進行全面統(tǒng)計分析評估，為電廠制定合理的檢修計劃和相關措施，提供了有針對性的指導，節(jié)約了大量的檢修成本。

5 結論

本文依托現(xiàn)場總線技術提供的豐富設備相關數(shù)據(jù)，融合大數(shù)據(jù)、機器學習等先進技術，建立設備管理系統(tǒng)，使得傳統(tǒng)的電廠設備由計劃檢修向狀態(tài)檢修成為可能，將有助于全面提升企業(yè)的內控質量和市場競爭力。

現(xiàn)場總線技術的應用實現(xiàn)了全廠生產(chǎn)底層設備的數(shù)字化、智能化管理，是建設智能電廠的基礎和前提，雖然傳統(tǒng)控制思維及配套設備局限性的影響，但由于現(xiàn)場總線技術能夠最大化提升現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和設備管理效率，有效的降低控制系統(tǒng)的成本，實現(xiàn)大范圍的信息共享與交互，預計在不久的將來，后續(xù)的大規(guī)模應用將是必然趨勢，這也是未來智能電廠技術發(fā)展的方向。