二次再熱機組現場總線設備監管系統研究

楊柏依，儲 墨，蔣 慧，孫 進

（華能萊蕪發電有限公司，山東 萊蕪 271100）

0 引言

現場總線是一種采用數字化通信技術的新型工業控制規范［1-2］，采用現場總線技術是火電廠數字化和智能化發展的必然趨勢，滿足了設備與控制裝置之間的高速、大容量數據交換需求［3-4］。采用現場總線技術的電廠越來越多，現場總線設備在電廠的應用也越來越廣泛［5-6］。機組的現場總線設備多達幾千臺，面對大量的現場總線設備，日常的檢修和維護工作量巨大，如何科學利用現場總線設備的智能數據來實現現場總線設備的狀態檢修和維護成為電廠熱控人員面臨的首要問題。

1 機組概況和現場總線設備監管系統組成

鍋爐采用百萬級二次再熱超超臨界變壓運行塔式直流鍋爐，汽輪機采用超超臨界二次中間再熱單軸五缸四排汽雙倍壓十級回熱抽氣反動凝汽式汽輪機。DCS系統采用OVATION控制系統，全廠主、輔設備控制網絡一體化，并全面采用現場總線技術，是目前火電機組現場總線設備應用最多，范圍最廣的機組。

機組安裝了大量的現場總線設備為機組的高效運行提供保證，也為建立數字化和智能化的火電機組提供了基礎。現場總線設備采用兩種總線協議，分別為Profibus DP現場總線和FF基金會現場總線。Profibus DP（以下簡稱DP）設備包括電動執行機構和電機控制器；FF設備包括閥門定位器、壓力（差壓）變送器、各種測量儀表。現場總線設備類型包括：霍尼韋爾變送器、Rosemount變送器、EJA變送器、Siemens變送器、AUMA電動執行機構、EMG電動執行機構、ABB電動執行機構、ROTORK電動執行機構、Siemens閥門定位器、ABB閥門定位器、Fisher閥門定位器和金智馬達保護器等。全廠現場總線設備共計2774臺：單元機組（6號、7號）各含總線設備1046臺，其中DP設備405臺，FF設備638臺，DP支路47條，FF支路112條；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；輔網共含總線設備584臺，其中DP設備316臺，FF設備268臺，DP支路41條，FF支路44條。

機組現場總線設備監管系統包括數據采集、運算、發布和安全4個功能模塊。數據采集模塊包括6號機組接口機、7號機組接口機和輔網接口機，接口機通過以太網連接機組控制系統OPC服務器，將現場總線設備的診斷信息實時讀取并發送服務器，運算模塊包括1臺運算服務器，該服務器實時接收來自接口機的設備診斷數據，根據預先生成的設備類型文件進行實時運算。發布模塊將運算的結果數據通過以太網發布到管理機和廠網的終端，供管理人員在線管理和維護現場總線設備；發布模塊也可以將設備監管數據通過廣域網發布到區域監控中心。安全模塊包括防火墻和單向隔離網閘，防火墻和單向隔離網閘安裝在服務器的前端，接口機之后，隔離了廠級網或者廣域網對控制網絡的任何安全威脅，由于數據采用單向傳輸，保證了控制系統安全不受威脅。

圖1為機組現場總線設備監管系統硬件體系結構。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廠級網。該設計方案通過以太網連接控制系統和廠級網，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。

圖1 現場總線設備監管系統

2 現場總線設備監管系統的設計

為解決大量現場總線設備的管理和檢修，開發現場總線監管系統，并在機組的現場總線設備成功應用，為總線設備的日常管理維護、狀態檢修工作提供了大數據和技術支持。

2.1 設備的組態

現場總線設備包括執行機構、測量儀表、電機、網關設備、分析儀表等。總線監管平臺按照設備的類別對現場總線設備進行了統計和歸類，機組按照鍋爐、汽機、脫硫和公用進行歸類統計。現場總線設備監管系統軟硬件經過兩個多月的調試和開發，系統于2017年5月正式運行，為設備的狀態檢修提供依據，保障全廠總線設備的穩定運行。

現場總線設備監管系統采集現場總線設備信息，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，提供設備實時監視、故障診斷、設備檢修（維護）指導、設備缺陷單的管理、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，將定期檢修變為了狀態檢修，從而提升設備使用壽命，降低生產維護成本，確保機組安全穩定運行；維護人員可合理的安排檢修時間和檢修項目，減少維護人員現場往返次數，減少巡檢時間，從而提高維護工作的效率，保證設備安全經濟運行。

現場總線設備是數字化設備，相比傳統設備包含了大量的設備參數和信息，通過對這些數據的提取、分析和利用，可以為設備運用、檢修和維護提供科學的依據，實現電廠的安全運行和設備的智能維護［7-8］。

在Ovation系統中對現場總線設備中的數據使用較少，變送器只使用了設備的測量值；執行機構使用了閥位和少量的開關量反饋，如已開/已關信號、遠程/就地信號等；定位器使用了閥位反饋信號；馬達保護器使用了電流/電壓信號、遠程/就地信號等。總線設備大量的診斷信息未使用。為了對總線設備的診斷信息進行有效利用，需要在控制系統中對現場總線設備的組態進行調整。進行的工作包括兩方面，其一需要根據不同的設備類型選擇合適的功能模塊，其二根據選定的功能模塊優化設備的引入點，對引入點采用打包點的形式進行拆分。以ROTORK電動執行機構為例，結合機組的應用，對設備的模塊選擇和打包點優化進行說明。7號機組引風機A入口電動閥門，KKS為 70HNA10AA001，采用 ROTORK電動執行機構，型號為ROTORK DP_V1 Simple Dual Device，選擇12字節輸入，4字節輸出的模塊Config1，在組態中的打包點及含義如表1所示。

表1 ROTORK的部分診斷點表

打包點 字節 位 信號2 8 低速模式2 9 GSD配置允許2 10 保留2 11 控制之爭2 12 進行中的部分行程2 13 部分行程錯誤2 14 從或主通道2 15 1或2個通道可用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 系統工作流程

設計設備類型文件。設備類型文件是運算服務器運算的依據，它建立了現場總線設備的設備模型。設備類型文件不僅給出了設備的參數如何進行拆分，每個細分參數的含義、類型、單位和參數的詳細描述。每種類型的設備生成一個獨立的設備類型文件，設備類型文件同時記錄了設備的廠家、型號、規格、協議種類等。

設備組態和打包點優化。在控制系統中為每種類型的現場總線設備根據設備提供的信息選擇合適的功能模塊，功能模塊選擇完成后，在設備組態時以打包點的形式對設備的引入點進行優化。

生成映射文件。映射文件建立了控制系統設備打包點和現場總線設備監管系統中現場總線設備的對應關系，通過映射文件可以將設備的數據點引入到設備模型中。

根據機組現場總線設備配置進行工程組態。工程組態時需要根據控制器及總線拓撲結構進行畫圖，圖形文件中添加現場總線設備的屬性，包括所屬的網段、地址、設備類型和引入點。

啟動現場總線設備監管系統服務器運算平臺軟件。運算平臺軟件的運算周期為3 s，每個運算周期的運算流程如圖2所示。

圖2 現場總線設備監管系統運算流程

表2 現場總線設備監管系統的功能

3 現場總線設備監管系統的功能

現場總線監管系統實現了現場總線設備實時監控、故障實時報警、設備的歷史數據統計分析、故障維護指導、數據發布功能等，可向電廠管理信息系統提供數據和計算、分析結果，滿足維護人員對于現場總線設備管理需求和總線設備狀態檢修的需求，確保機組安全、高效的運行。 具體功能如表2所述。

4 現場總線設備的狀態檢修應用

現場總線技術的應用，打破了傳統熱控設備的定期檢修、試驗模式，通過總線監管系統，將全部總線設備的所有數據進行了提取，分析和診斷，形成設備報警顯示、提醒，并能針對不同類報警提供處理建議，形成狀態檢修報告。

圖3 ROTORK執行機構的部分報警顯示

圖3 是某臺機組ROTORK執行機構的報警狀態顯示畫面：ROTORK電動執行機構137臺，其中故障3臺，需要維護0臺。3臺故障執行機構在畫面中顯示，其中1臺為五抽至B小機電動門，故障報警為繼電器動作，顯示瞬時力矩為4608，機務檢查處理閥門后故障消除。

圖4 ROTORK執行機構的部分報警顯示及故障原因

圖4 是巡檢時發現的大量閥門“閥門阻塞”報警，通過原因查詢，初步判斷低溫放水時，管路結冰，造成堵塞，機務處理后正常。

圖5 EMG執行機構的部分報警顯示及故障原因

圖5 是巡檢時發現EMG執行機構A側高壓低溫省煤器入口煙氣調門3報“系統檢查錯誤”，對照檢修指導，對執行機構復位多次，故障未消除。對控制主板更換后正常。故障及時處理，未影響到機組正常運行。

總線設備的報警統計如圖6所示。通過和各設備的報警清單，熱控專業在2018年春節百萬機組調停期間根據總線設備運行狀況形成了總線設備狀態檢修計劃和項目，重點對存在問題的執行機構、測量儀表、網絡通信等故障進行了處理。在總線監管系統的大數據基礎上，本次停機備用消缺的處理目標明確，措施有的放矢，從根本上解決了一大批總線設備的安全隱患和設備缺陷。為機組安全穩定運行提供了保障。

圖6 總線設備的報警歷史統計

5 結語

現場總線設備監管系統采集現場總線設備信息，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，提供設備實時監視、故障診斷、設備檢修（維護）指導、設備缺陷單的管理、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，將定期檢修變為了狀態檢修，從而提升設備使用壽命，降低生產維護成本，確保機組安全穩定運行；維護人員可合理的安排檢修時間和檢修項目，減少維護人員到現場的往返次數，減少巡檢時間，提高了維護工作的效率，保證設備安全經濟運行。

總線設備監管系統的成功應用，能在線、實時反饋總線設備的運行狀態、故障報警等，還能夠進行統計分析，形成月度報表，提出檢修維護指導意見，為總線設備的狀態檢修提供依據，真正實現了現場總線技術的應用價值。