總線監管系統在百萬二次再熱機組現場總線技術中的管理與提升

華能萊蕪發電有限公司/西安熱工研究院有限公司

楊柏依 儲墨 李曉博 李亞都 邵華標 柯波 李念震 李慎斌 董鵬 丁占鋒 王魯東 鄭峰 陳學峰 趙亮

一、項目介紹

萊蕪電廠百萬二次再熱機組現場總線設備監管系統于2017年5月正式投運，系統對全廠現場總線設備的診斷數據進行二次開發，實現了全廠現場總線設備的智能診斷和實時監控。

根據設計方案，項目建立了現場總線設備監管系統硬件平臺，硬件配置防火墻和網閘，物理上隔離了單元機組控制系統和現場總線設備監管系統，保證了從控制系統以單向采集的方式采集現場總線設備的數據。設備監控管理系統通過3臺OPC接口機分別采集#6機組、#7機組和輔網的總線設備數據，其中 #6機組（含公用系統）共采集約5100個診斷點，#7機組共計采集約4600個診斷點，輔網共計采集約3700個診斷點。根據不同廠家的現場總線設備建立了建立了統一的設備類型文件和計算模型，通過實時采集現場總線設備原始診斷點，并經過運算模型實時計算，完成現場總線設備各種故障、報警信息、維護信息、事件記錄等的運算、預警和保存。最后，系統對計算完成的數據實時存儲到數據庫，支持歷史數據的訪問和查詢，同時通過網絡發布現場總線設備監管系統的客戶端。現場總線設備管理系統以3秒為周期對設備進行分析計算，將設備的運行狀態，是否故障以及故障詳細信息等實時發送到遠程用戶。用戶通過客戶端可以實時查看電廠現場總線設備的運行狀態、診斷信息、事件記錄和維護指導。

萊蕪電廠百萬二次再熱機組現場總線設備監管系統的成功應用，實現了全廠現場總線設備的統一監控和管理。充分發揮了現場總線設備的優勢，對現場總線設備的數據進行挖掘與二次開發，有效地利用了現場總線設備的狀態和診斷數據，變“故障檢修”為“預測檢修”，變“就地巡檢”為“遠程巡檢”，降低了設備的維護成本，提高設備的可靠性和可用率，提高了設備的信息化管理水平，為電廠的安全穩定運行提供了有力的保障，為數字化電廠的建設奠定了基礎。

（一）現場總線設備應用情況

萊蕪電廠百萬二次再熱機組（#6、#7）使用的現場總線設備品牌包括霍尼韋爾、rosemount、EJA、Siemens、AUMA，EMG，ABB，ROTORK、ABB、fisher和金智等。機組的總線設備應用情況如下：

（1）#6機組（#7機組相同）

#6機組共含總線設備1046臺，其中DP設備405臺，FF設備638臺，DP支路47條，FF支路112條。

（2）公用系統

公用系統共含總線設備98臺，其中DP設備22臺，FF設備54臺，DP支路5條，FF支路10條。

（3）輔控

輔控共含總線設備584臺，其中DP設備316臺，FF設備268臺，DP支路41條，FF支路44條。

（二）傳統管理方式

萊蕪電廠在沒有實施現場總線設備監管系統之前，對現場總線設備仍以常規人工巡檢為主，未充分挖掘和利用現場總線設備豐富數據及信息，現場總線技術優勢未能發揮出來。對現場總線設備的日常的管理和維護方面停留在傳統方式，總線設備包含大量的診斷信息，由于診斷和維護信息沒有利用，導致電廠設備管理水平遠遠落后,使得現場總線設備在生產中無法發揮其正常效能。

（1）總線設備包含大量診斷參數，狀態參數、運行參數、是否故障等信息，現有系統對于這些數據沒有采集和使用，僅僅讀取了設備的測量值，無法實現對設備運行狀態進行在線管理，導致現場總線設備工作在亞健康狀態，降低了設備的使用壽命，增加了電廠的經營成本。

（2）區別于傳統設備，現場總線設備在運行中發生故障時，技術人員無法快速定位并排除故障，不能及時恢復設備的正常運行會影響到機組運行和電廠的安全生產。

（3）由于沒有在線的現場總線設備管理技術，無法實時獲取現場總線設備的運行狀態，導致無法對現場總線設備進行針對性的巡檢和維護。

（4）有些總線設備需要根據設備使用規程定期維護、保養，目前無法獲得設備的連續運行時間，啟停次數等信息，所以設備的規范保養非常困難，幾乎不能實現，這樣就間接導致了總線設備的故障頻發，甚至損壞。

（5）現有系統無設備的歷史數據管理功能，也就無法對總線設備的診斷、是否故障、故障信息、維護信息等相關參數進行記錄和保存，后續對設備的檢修只能憑借經驗進行，沒有量化的設備運行數據進行科學決策。

（6）現有系統無法統計各種現場總線設備在一定的時間段內的故障頻率，故障次數等信息，無法對設備采購和更換提供科學的決策依據。

（三）二次再熱機組現場總線設備監管系統

為了發揮現場總線智能設備的優勢，對現場總線設備數據進行挖掘與二次開發，提高萊蕪電廠現場總線設備的信息化管理水平以及提高設備的可靠性和可用率，萊蕪電廠主持實施現場總線設備監管系統的研發和實施。該系統于2017年8月投入運行。

萊蕪電廠百萬二次再熱機組現場總線設備監管系統采集現場總線設備豐富的信息，以數據挖掘技術為核心，建立設備運行數據算法模型，通過實時數據處理，為用戶提供設備實時監視、故障診斷、設備檢修（維護）指導、設備工作單的管理、設備運行狀況的統計分析、歷史數據管理分析等功能；根據現場總線設備的健康狀態、故障分析和遠程診斷，將日常維護變為預測維護，降低了生產維護成本，維護人員可合理的安排檢修時間和檢修項目，從而提高維護工作的效率。系統的成功應用充分發揮現場總線技術的優勢，利用現場總線設備豐富的診斷數據，保證現場總線設備穩定運行，提高萊蕪電廠機組運行的可靠性與經濟性，為數字化電廠的建設奠定了基礎。

二、技術方案及創新成果

（一）系統硬件設計

現場總線設備監管系統（FDMS）硬件架構圖為：現場總線設備監管系統采用分散式網絡布置，將OPC客戶端程序布置在接口機上，接口機通過以太網與DCS系統OPC服務器連接，一端通過防火墻、網閘和服務器進行網絡連接。如圖1所示。

圖1 現場總線設備監管系統拓撲圖

系統是通過以太網連接控制系統和MIS網，利用防火墻和單向網閘，使得數據自下而上單向傳輸，充分保證了控制系統的安全。系統獲取現場設備狀態信息，進行現場總線設備管理；同時能夠通過基于服務器/客戶端的訪問機制，延伸到廠級MIS網絡，實現檢修人員在辦公室監控設備和為管理者提供生產決策信息。

接口機位于防火墻與控制系統之間，用于數據的采集、轉發，以及歷史數據備份。服務器位于網閘之后，完成現場總線設備數據的運算和處理，并將設備的運行信息實時發布到MIS網。

（二）系統功能及創新性

（1）數據采集。連接控制系統，通過OPC協議獲得控制系統的數據。

（2）設備類型定義。通過此功能生成設備類型文件，定義設備的數據格式，故障和事件信息，當設備進行升級時，可利用此功能生成新的設備類型文件，并為現場總線設備監管系統更新，使整個系統易于擴展。

（3）設備組態。通過繪制現場總線設備的拓撲圖進行設備組態。可以輕松將設備類型、設備的診斷點、設備的運算模型進行映射和關聯。

（4）歷史數據保存。對實時數據和設備發生的故障事件進行保存。

（5）用戶管理。現場總線設備監管系統擁有兩種用戶權限：管理員權限和操作員權限。管理員權限可進行設備組態和設備狀態監控等操作，而操作員權限無法進行設備組態。

（6）設備狀態監控。通過此功能可對全廠現場總線設備進行實時監控，現場總線設備根據設備用途和總線協議類型進行分類，通過表格的形式，使用圖標來顯示設備的狀態和診斷信息。現場總線設備監控管理程序通過表格的形式，對設備狀態信息以圖標的形式進行顯示，使得現場總線設備的狀態一目了然。

通過不同形式的圖標，非常直觀地表現設備是否發生故障，以及設備故障后是否經過確認，如圖2所示設備管理和故障診斷的提示圖標。

圖2 設備故障診斷的提示信息

由于顯示器界面有限，而設備數據量非常大，所以將大量的設備信息隱藏在了實時監控表格中，如圖所示：當光標停留在設備名稱上時，會彈出設備的KKS、地址、工位等詳細信息；當光標停留在故障圖標上時，將會彈出設備具體故障的詳細信息，如圖3所示。

圖3 設備故障的詳細信息提示

（7）歷史數據查詢。現場總線設備監管系統從歷史數據文件中讀取設備的原始數據，通過對原始歷史數據的分析，可還原設備的歷史狀態。

（8）設備狀態查詢。現場總線設備監管系統從關系型數據庫中讀取設備的故障和事件信息，其中包括事件名稱、事件發生的事件、事件是否被確認、確認事件的用戶等。

（9）事件統計。事件統計是通過對關系型數據庫的查詢，統計某個設備或某一類型設備在一段時間內的狀態。通過事件統計功能，也可對比不同類型設備之間的故障率，分析故障原因，幫助用戶對未來可能出現的故障進行預判。

通過現場總線設備監管系統的故障統計功能，統計不同類型總線設備每個月的故障信息，通過折線圖的方式顯示故障發生的趨勢，通過表格的方式顯示詳細的故障信息和故障發生的時間，如圖7所示。在故障統計界面中，分別通過設備類型之間的橫向比較和同一類型一年之間的縱向比較，對設備故障數量進行了統計，維護人員可以總結出設備故障發生的規律，為可能出現的同類型故障做出預測；管理人員可以根據故障的預測，制定維修與維護計劃，同時根據設備故障率，制定備品備件的采購計劃。

（10）設備說明書。現場總線設備監管系統為每一類設備提供了設備使用說明書，通過設備監控界面，可直接打開說明書，方便用戶隨時查詢。

（11）設備維護指導。現場總線設備監管系統為每一類設備提供了維護指導，維護指導針對此類設備的每一個故障進行說明，并提出維護或維修的建議，幫助用戶快速定位問題和解決問題。

維護指導以表格的方式，對每種類型的故障進行了分析總結，指出設備發生故障的原因，為用戶提供設備維護的參考。維護指導如圖4所示：

圖4 現場總線設備監管系統設備維護指導

維護指導由經驗豐富的現場總線工程師編寫，以表格的方式，對設備中每一個故障進行解釋，并由提供了對故障的維護建議。用戶可根據現場設備新的維護經驗對維護指導進行擴展，并將新的維護指導保存至故障庫中，做到知識和經驗的積累，為以后出現的故障提供維護參考。現場總線設備監管系統根據電廠管理的特點，為電廠設計了設備缺陷單。設備缺陷單中包含了設備的詳細信息，以及詳細的故障信息和故障發生的時間，并且可根據不同電廠的需求進行修改。設備缺陷單的使用，為電廠提供了另外一種保存設備故障信息和維護信息的方式，通過打印可形成書面資料，使管理人員更加方便快捷的對設備維護進行管理。

（12）缺陷單管理。當設備發生故障后，可對發生故障的設備生成Excel格式的缺陷單。缺陷單的格式可以根據電廠的要求定制。

（13）拓撲圖顯示。現場總線設備監管系統可以通過拓撲圖的方式，使用戶直觀的對現場總線設備進行監控。拓撲圖以表格的形式按順序顯示一條總線上所有的現場總線設備，維護人員可獲得設備的位置信息；通過拓撲圖實時監控功能，直接顯示故障設備；通過拓撲圖跳轉功能，直接跳轉至設備詳細狀態信息處。

（14）故障信息報警。當整個系統中存在故障設備時，將在監控界面上單擊事件記錄按鈕，保證用戶隨時了解當前有設備發生故障。

（15）維護信息報警。與故障信息報警相同，單用戶單擊工具欄維護信息按鈕，用戶可以隨時了解當前設備的維護信息。

（16）數據發布。現場總線設備監管系統運算服務器將數據實時發布至MIS網，用戶可以通過MIS網實時查看設備的運行狀態。

三、技術性能指標

萊蕪電廠百萬二次再熱機組現場總線設備監管系統的主要技術性能指標：

（1） 通過OPC客戶端接受來自控制系統（DCS/FCS/PLC）系統的現場總線設備狀態及診斷數據，數據點數最大100000點；同時能夠通過內嵌的OPC服務器功能把設備診斷數據發送第三方應用；

（2） 實時數據庫能夠實時管理 10000臺設備（或者500000設備數據點）；

（3） OPC Client接收數據的最低刷新周期最低3秒鐘；

（4） OPC Server發送數據的最低刷新周期為3秒鐘；

（5） 實時數據庫對數據存儲的刷新周期最低為3秒鐘；

（6） 現場總線設備實時監控的刷新周期最低為3秒鐘；

（7） 歷史數據保存的周期為3秒鐘；

（8） 查詢模擬量歷史數據，單個設備1天以內的歷史數據查詢在1s以內；

（9）查詢開關量歷史數據，單個設備1天以內的歷史數據查詢在1s以內；

（10）查詢歷史事件，單個設備1個月以內的歷史事件查詢在1s以內。

四、與國內外同類研究技術的比較

國外現場總線設備監管技術發展比較迅速，目前具有代表性的產品有艾默生的AMS資產管理系統和西門子的PDM系統，這兩種系統不僅價格昂貴，而且具有共同的特點：僅能和本公司的控制系統配合使用，且不是專門針對電廠開發，部分功能不能滿足電廠需求。

萊蕪電廠百萬二次再熱機組現場總線監管系統的成功應用，具有以下技術優勢：與控制系統完全隔離，保證對控制系統的零干擾；構架靈活，即可單機運行，也可使用C/S構架，通過客戶端遠程瀏覽，為用戶提供了多種實現方式；組態靈活，針對不同的現場總線設備類型開發了內容豐富的設備類型庫，組態過程中只需調用相應的設備類型文件，即可滿足工程需求；專門針對電廠開發，加入了設備缺陷單機制，更好地融入到電廠的管理制度中；全中文操作界面，便捷友好，易于掌握，使用方便。

五、實施應用情況

現場總線設備監管系統于2017年8月在華能萊蕪發電有限公司2＊1000MW二次再熱機組投運至今。系統運行穩定可靠、兼容性強，能遠程快速定位設備故障、提供維護指導，提高了機組運行的可靠性，降低了設備維護的成本。

該系統通過采集和處理所有現場總線設備的實用信息，對全部現場總線設備的運行狀況進行實時監視、管理和統計分析，并可在線監控現場總線設備的運行狀態，幫助維護人員快速的定位問題和解決問題，將維護人員的巡檢維護轉變為有目的維護，改變了維護人員的工作方式，提高了工作效率，降低了運營成本。現場總線設備監管系統運行穩定可靠，充分發揮了電廠全面采用現場總線技術的優勢，提高了運行維護效率和設備的可靠性，同時降低了設備維護成本。系統的成功應用，實現了全廠現場總線設備的統一監控和管理，有效地利用了現場總線設備的狀態和診斷數據，進行設備故障預測，并提出維護/維修指導，變“故障檢修”為“預測檢修”，變“就地巡檢”為“遠程巡檢”，降低了設備的維護成本，提高了設備的可用率，為電廠的安全穩定運行提供了有力的保障。

六、可推廣性

根據市場調研，目前國內已投運和在建的火電機組有數十臺已采用現場總線技術，還有60余臺新建火力發電機組已有采用現場總線技術的意向。現場總線設備監管系統專門針對電廠開發，通過專業的技術優勢，以及明顯的價格優勢，必將占領較大的市場份額。此外，在市政、水泥、石化、水電、交通等行業，其工業控制系統也越來越多地采用現場總線技術，現場總線設備監控管理系統同樣具有應用價值。因此，現場總線設備監管系統具有良好的市場前景。

七、經濟社會效益

（1）經濟效益

萊蕪電廠百萬二次再熱機組現場總線設備監管系統實時監控全廠現場總線設備的運行狀態，維護人員在辦公室中通過瀏覽器監視每一臺設備的運行狀況，將傳統的現場“就地巡檢”方式轉變為“遠程監檢”方式；利用系統豐富的診斷信息，快速定位現場設備故障，根據設備故障信息，系統給出維修指導，幫助維護人員快速地解決設備故障問題，縮短故障處理時間，提高系統的可用率；同時對設備的歷史事件和當前的事件、設備健康狀態和工藝流程數據，通過在線數據挖掘、事件概率和診斷分析，預測現場總線設備在未來一段時間可能出現的故障，變“故障檢修”為“預測維護”，從而確保了機組的安全穩定運行。現場總線設備監管系統提供的大量信息為設備的優化管理和檢修創造了條件，有效降低設備的故障率和節省人力，大幅降低設備在整個生命周期的使用和維護費用，為用戶產生巨大的間接經濟效益。

（2）社會效益

萊蕪電廠百萬二次再熱機組現場總線設備監管系統可大幅度地提高機組的信息化水平，降低機組整個生命周期的生產和維護成本，為數字化和智能電廠的建設奠定了基礎。充分利用了現場總線設備豐富的診斷信息，有效提高設備的可用率，確保機組更加安全穩定地運行，從而有效減少機組的“非停”事故，為提供高品質、連續穩定的電能和維護電力企業良好的外部形象提供保障，產生了巨大的社會效益。