和利时现场总线控制系统在大唐三门峡火电厂三期扩建工程项目的应用--控制网


和利时现场总线控制系统在大唐三门峡火电厂三期扩建工程项目的应用
企业:杭州和利时自动化有限公司 日期:2019-07-29
领域:现场总线 点击数:73

1 项目背景

三门峡火电厂位于河南省三门峡市陕县大营乡,由华北电力设计院进行设计。锅炉采用哈尔滨锅炉厂的超超临界参数变压运行直流炉,超超临界参数、变压直流炉、单炉膛、一次再热、平衡通风、露天岛式布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、切圆燃烧方式,Π型锅炉。同步建设脱硝装置。汽轮机采用上海汽轮机厂的超超临界、一次中间再热、四缸、四排汽、单轴、凝汽式汽轮机。机组的铭牌出力(TRL)为1000MW(扣除静态励磁和非同轴驱动的主油泵、氢密封油泵所消耗的功率)。发电机采用上海发电机厂的1000MW水氢氢冷却、自并励静止励磁发电机。

该项目DCS控制系统应用于单元机组、公用、辅网、脱硫、脱硝、输煤、MEH等全厂工艺系统。采用全厂一体化现场总线控制技术,系统规模如下:

(1)主机配置测点数量:常规测点10635点,其中锅炉侧:3561点,汽机侧749,电气侧980点,远程I/O炉侧2158点,远程I/O机侧162点;

(2)主机配置硬件规模:操作员6台,工程师2台,历史站2台,控制站35台,锅炉侧现场总线柜20个(DP网段69,PA网段40),汽机侧现场总线柜12个(DP网段35,PA网段27);

(3)主机配置总线设备数量:总线设备共1202台,其中锅炉侧DP设备432台,汽机侧DP设备220台,锅炉侧PA设备379台,汽机侧PA设备172台。

该项目为国内电力行业百万机组采用国产现场总线技术应用规模最大,Hart及Profibus协议的智能设备单台机组3402台,其中Hart设备1815台,Profibus设备1587台,全厂两台机组近7000台设备,并且是首次采用国产软件系统实现多种不同协议在同一软件平台的设备管理,具有里程碑意义,为后来百万机组应用现场总线技术和设备管理提供了应用典范。

2 和利时现场总线控制系统

和利时现场总线控制系统是基于先进自动化技术开发的集成工业自动化系统。它用一个开放的系统软件平台,将和利时多年开发的各种自动化系统和设备进行有机结合,可根据不同行业的自动化控制需求,提供专业解决方案。其子系统覆盖了企业经营管理层、企业成产管理层和装置与过程控制层。图1为系统架构图。

图1 系统架构图

系统在信息化和集成化方面采用了开放式实时关系数据库,在其基础上实现了多个管理子系统,并集成了多种满足不同行业用户需求的控制系统和设备。控制器组态符合IEC61131-3标准,不仅拥有平台的高性能通用控制算法,同时可以集成各种层次的控制功能。系统通过多种现场总线(特别是Profibus-DP),支持多种分布式主控单元和智能仪表。同时,监视平台可提供高效的集中管理。通过开放的数据库和网络接口、协议以及总线,可在各个层面上与第三方系统或设备连接。本系统集成火电、化工等各行业的先进控制算法平台,为工厂自动控制和企业管理提供全面专业的解决方案。

3 现场总线技术的成功应用

3.1 大唐三门峡火电厂三期扩建工程

大唐三门峡火电厂三期扩建工程FCS控制系统采用和利时KM系列现场总线控制系统,现场总线协议为Profibus-DP和PA,相对应的传输技术(物理层)分别是RS485和MBP。全厂工艺系统的控制均采用现场总线技术,对现场智能仪表、气动定位器、电动执行机构、液位计进行监控。DCS能够满足常规控制方式与现场总线ProfibusDP/PA的无缝结合。现场总线设备应用范围超过60%,处于国内先进水平。现场总线通信电缆敷设严格按照火电行业施工标准,全厂现场总线电缆全部单独布线,保证了设备通信的安全稳定。

3.2 现场总线技术应用

大唐三门峡火电厂三期扩建工程为国内电力行业百万机组采用国产现场总线技术应用规模最大的项目,Hart及Profibus协议的智能设备单台机组3402台,其中Hart设备1815台,Profibus设备1587台,全厂两台机组近7000台设备,并且是首次采用国产软件系统实现多种不同协议在同一软件平台的设备管理,具有里程碑意义,为后来百万机组应用现场总线技术和设备管理提供了典范。项目中DP设备包括电动执行机构、马达控制器、变频器等,PA设备包括压力变送器、流量计、气动定位器及液位计等。冗余PROFIBUS网络覆盖整个单元机组的锅炉房、汽机房。为了提高总线控制的可靠性,采取了DP冗余总线配置方案,现场主机的DP设备选用DP双冗余接口。图2为现场总线系统网络结构。

图2 现场总线系统网络结构

3.3 现场总线设备组态

和利时系统对标准的现场总线设备组态,可先利用GSD文件进行设备的添加,然后通过集成的硬件代理块,实现设备所有的控制及状态信息显示,组态方便不易出错。图3为在系统中添加现场总线设备,图4为设备的硬件代理块。

图3 系统中添加现场总线设备

图4 设备的硬件代理块

3.4 现场总线设备信息的开发和应用

现场总线技术的关键优点在于突破了传统DCS对现场信号“点对点”的单向传输模式,使现场仪表、设备能够与通信主站和控制系统实现双向数据传输。丰富的实时数据需要开发软件,进行处理、分析和综合,使之成为有用信息,实现高层次的设备诊断、管理和优化功能。

和利时现场总线控制系统的通信主站除了可以完成对智能型设备的基本控制和数据采集外,还能读取设备的状态信息和诊断信息帮助热工检修人员进行设备维护,另外通过FDT/DTM设备管理技术实现对设备远程修改参数和读取相关的产品及维护信息。

3.4.1 现场总线设备周期性数据的采集和利用

现场总线设备的周期性数据中除了包含设备的过程控制信息以及常用的设备报警信息,如变送器除了包含过程测量值之外,还能进行传感器故障、量程越限等报警;电动执行机构除了对设备进行开关控制之外,还能进行过力矩、电机过热、电机堵转等报警信息。在三门峡电厂,和利时系统通过解析设备的周期性数据,制作了现场总线设备拓扑结构图及设备状态信息的解析界面,可让用户直观了解到设备目前的通信状态及运行情况,并且可对设备的故障历史状态进行统计分析。图5为现场总线拓扑结构图,图6为电动执行机构状态信息解析界面。

图5 现场总线拓扑结构图

图6 电动执行机构状态信息解析界面

3.4.2 现场总线设备管理系统

HOLLiAS AMS设备管理系统(以下简称为HAMS)是和利时对于工业现场智能设备管理的解决方案,集数据采集和数据分析于一体,提供针对现场仪表、调节阀等智能设备进行维护、校验和故障诊断的统一管理平台,是全厂性的智能仪表维护和故障诊断系统的重要组成部分,用来实现对各种类型智能仪表的远程数据读取与组态、状态诊断及监测、维护分析管理和自动日志记录等,同时对设备故障进行统计分析和评估并提供维修策略依据,从而使得智能设备发挥最大效益,减少仪表的损耗并降低维护和运营成本,大幅提高工厂设备的可用性。

HAMS系统支持对现场安装的智能仪表实现数据读取与组态、故障诊断及监测、维护流程管理、动态台账管理和日志记录等功能,提供的主要功能描述如下:

·远程配置。足不出户,在控制室或仪表车间实现仪表量程上下限、单位等各种智能化参数的配置和组态;

·故障诊断。无需进入现场或拆下仪表,就可以查看仪表的诊断状况,快速定位仪表故障,为仪表维修提供依据;

·标定管理。轻松设计标定方案,自动生成标定报告和标定趋势曲线,从而判断仪表的老化程度;

·维护计划。对仪表进行在线监测和诊断,自动编制维护计划,避免不合理的维护导致的资源和人力浪费;

·日志记录。自动记录所有组态变化和操作,可随时追溯历史操作和影响,避免人为误操作;

·统一平台。各个厂家、各种类型的智能仪表具有统一的维护和管理平台,操作简单、升级方便;

·资产优化。实现设备台账、库存和工作单等资产管理的优化策略,减少浪费,提高设备利用率。

HAMS系统采用开放的设备集成技术和规范,能够兼容不同厂家各种类型的智能仪表(标准Profibus协议的主流智能仪表),可避免使用多种组态配置工具和软件,具有统一的操作方式和用户界面。

4 项目应用的关键技术与创新点

(1)通过对动态规划资源最优分配算法、多种智能设备数据描述语言的研究,采用了优先级分级的数据传输机制,创新性提出了“一种现场总线设备管理及诊断方法和系统”与“一种智能仪表设备管理方法、系统及装置”,建立了智能设备信息框架,解决了多种不同品牌智能设备的非周期性数据参数量大、寻址格式不一致、设备数据描述语言不同,所导致的数据提取及应用复杂困难的问题。

(2)通过对多种不同品牌智能设备周期性数据特征的研究,建立了数据诊断及解析模型,实现了智能设备“即插即用”的模块化周期性数据解析,解决了多种不同品牌智能设备的周期性数据参数格式不一致所导致的数据提取及应用复杂困难的问题。

(3)通过对智能设备冗余技术、设备数据传输时序以及可靠性相关技术的研究,采取了数据同步校验及动态筛选的冗余机制、数据时序在线可调以及在通信模块上增加特殊隔离机制的技术,解决了DCS控制系统在同一通信主站下连接多种不同品牌的国内外冗余通信口智能设备兼容性差、难以配置的问题,提高了智能设备数据传输的稳定性及可靠性。

5 应用效益

大唐三门峡火电厂三期扩建工程项目竣工后,主辅机控制系统DCS一体化,设备层配套PROFIBUS-DP现场总线网络,总线设备覆盖率达到60%以上。机组自2017年1月份投产以来,系统整体运行稳定,控制有效,未发生任何安全事件。

生产期应用过程中,人机界面友好,功能性能优良,系统实时性、准确性及可靠性高。保护动作正常,调节系统控制精准有效。

通过DCS及现场总线系统管理平台HAMS,维护人员能够最大程度地挖掘设备内部诊断及维护信息,基本上实现了远程维护、诊断及维护。许多安装位置处于高空、危险区域的仪表设备,日常维护过程中,通过维护工程师在工程师站,使用HAMS调取相关设备信息,可远程进行故障诊断,并通过调整相关数据参数完成故障处理及维护工作。

DCS控制系统实现了与智能设备的互联互通,除了能够实时稳定地读取设备的状态信息,及时有效地执行控制系统发出的指令外。对智能设备的状态、报警及诊断数据等其他有效数据的挖掘,也为今后大数据分析、数据挖掘及二次应用都打下了坚实的基础。

6 结论

数字化电厂是要实现数字化管理,从而实现企业经济效益的最大化。而生产过程数字化是上层结构的基础,所以首先要通过现场总线技术提供设备运行的实时信息和基础数据,建立完善的数字化信息平台。大唐三门峡火电厂三期扩建工程项目2×1000MW超超临界工程机组的投产,和现场总线设备管理功能的成功应用,标志着国产现场总线系统的功能和性能满足主机运行要求、系统可靠。同时为智能化设备的管理,及大数据系统性分析的应用有着推动性作用。

摘自《自动化博览》2019年7月刊

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