基于FieldCare的工廠資產(chǎn)管理系統(tǒng)在電廠中的應(yīng)用

摘要：本文分析了電廠的現(xiàn)狀，提出為了充分發(fā)揮廠級(jí)SIS與MIS系統(tǒng)的功能和提高系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障診斷能力，就要使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。介紹了FDT/DTM技術(shù)的工作原理和利用FieldCare在Hart與Profibus系統(tǒng)中集成工廠資產(chǎn)管理系統(tǒng)的方法，應(yīng)用的實(shí)踐證明此系統(tǒng)能夠有效地提高系統(tǒng)的可靠性和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障診斷能力，并且明顯的降低了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。

1 前言
　　隨著科技的發(fā)展，火電廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了單回路控制器、多回路控制器和集散控制系統(tǒng)（DCS）等幾個(gè)階段。目前DCS系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電廠的各種控制過程中，DCS應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)基本成熟。但是，由于在DCS系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)儀表仍然采用常規(guī)的模擬量?jī)x表，其輸出標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA模擬信號(hào)給DCS的輸入模塊，操作員根據(jù)儀表提供的標(biāo)準(zhǔn)4~20mA模擬信號(hào)了解工藝參數(shù)的變化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，而現(xiàn)場(chǎng)儀表的參數(shù)設(shè)置只能在實(shí)驗(yàn)室或者在現(xiàn)場(chǎng)就地完成。
　　一般來說，火電廠控制和管理系統(tǒng)分為三級(jí)：廠級(jí)(SIS、MIS、BPS)、機(jī)組(車間)級(jí)（DCS、PLC）和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)。二十世紀(jì)九十年代，機(jī)組(車間)級(jí)控制系統(tǒng)已全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，控制水平有了飛躍發(fā)展。近六七年中，數(shù)字化正迅速向廠級(jí)發(fā)展，新建電廠普遍建立了廠級(jí)SIS和MIS的網(wǎng)架，并配置了故障診斷、狀態(tài)檢修及性能優(yōu)化等監(jiān)控和管理軟件。廠級(jí)信息化的要求，很快推動(dòng)了廠級(jí)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的形成。
　　由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)還仍然采用一對(duì)一的模擬量信號(hào)或開關(guān)量信號(hào)傳輸信息，采用傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備，系統(tǒng)采集到的信息很少，僅能滿足低水平監(jiān)控要求。一個(gè)電廠有幾千臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備（包括現(xiàn)場(chǎng)儀表、被控閥門和電氣開關(guān)等），很多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都是智能設(shè)備，可以提供故障預(yù)測(cè)、診斷和遠(yuǎn)程調(diào)試及維護(hù)等所需的數(shù)據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)卻無法傳輸?shù)较到y(tǒng)中去。
同時(shí)，由于DCS系統(tǒng)的主要功能是對(duì)電廠中的各個(gè)工藝過程進(jìn)行監(jiān)控，達(dá)到工藝所要求的性能指標(biāo)。即使智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù)以及故障診斷等數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)紻CS系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)也不能對(duì)這些信息進(jìn)行處理，仍然采用傳統(tǒng)的方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、故障診斷和維護(hù)，造成了系統(tǒng)資源的巨大浪費(fèi)。
　　本文介紹了FDT/DTM技術(shù)的原理和功能，并且詳細(xì)介紹了利用Endress+Hauser公司先進(jìn)的基于FDT技術(shù)的工廠資產(chǎn)管理軟件FieldCare實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、故障診斷和維護(hù)的方法。


2 FDT/DTM（Field Device Tool/ Device Type Manager）技術(shù)
　　現(xiàn)在一個(gè)典型的工廠都安裝有幾千臺(tái)甚至幾萬臺(tái)智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，它們是由很多的設(shè)備供應(yīng)商提供的。在系統(tǒng)集成的時(shí)候要了解不同廠家設(shè)備的差異，為了保證這些設(shè)備具有優(yōu)化的性能，還必須對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、標(biāo)定和維護(hù)，這些工作一般由相應(yīng)設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的調(diào)試工具來完成。因此，一個(gè)工廠的儀表工程師要熟悉很多廠家的不同工具，這些廠家特定的工具是專門用來調(diào)試廠家生產(chǎn)的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的。這不但增加了設(shè)備生產(chǎn)商和用戶的工作量，而且使他們付出更多額外的費(fèi)用。隨著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備復(fù)雜性的增加，所需的工作量以及發(fā)生各種錯(cuò)誤的可能性也隨之增加。另外，智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都是以某種通信協(xié)議（Hart、Profibus和FF等）向系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的，因此，相應(yīng)的調(diào)試工具也是基于通信協(xié)議的。
　　FDT/DTM技術(shù)提供標(biāo)準(zhǔn)的方法來管理現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的設(shè)備管理，設(shè)備生產(chǎn)商需要研發(fā)設(shè)備的用戶接口。FDT是真正的開放性技術(shù)，不用考慮現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議、設(shè)備生產(chǎn)商和具體的設(shè)備類型，就可以很容易的表示設(shè)備數(shù)據(jù)。基于FDT技術(shù)的調(diào)試工具為任意生產(chǎn)商生產(chǎn)的任意設(shè)備提供相同的操作環(huán)境，即使物位儀表和閥門定位器這樣復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備也能很簡(jiǎn)單的進(jìn)行組態(tài)和操作。FDT技術(shù)使應(yīng)用與現(xiàn)場(chǎng)之間實(shí)現(xiàn)了無縫的數(shù)據(jù)交換，并且數(shù)據(jù)交換與設(shè)備類型、生產(chǎn)商和通信協(xié)議無關(guān)。
　　FDT技術(shù)包含三個(gè)重要的組成部分：FDT框架應(yīng)用程序、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的設(shè)備DTM和通信設(shè)備的通信DTM。FDT提供了開放性的標(biāo)準(zhǔn)接口DTM，DTM定義現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如何與框架應(yīng)用程序交換信息。類似于打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序，DTM包含一些設(shè)備特有的信息，例如：設(shè)備數(shù)據(jù)和功能等。支持FDT技術(shù)的框架應(yīng)用程序由FDT組織授權(quán)的供應(yīng)商提供。通常情況下，框架應(yīng)用程序具有相同的格式和表示方法。
2.1 FDT框架應(yīng)用程序
FDT框架應(yīng)用程序通過標(biāo)準(zhǔn)的接口與DTM進(jìn)行通信，它可以是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù)設(shè)置與組態(tài)工具、工程工具或者資產(chǎn)管理工具，并且對(duì)所有通信協(xié)議都是開放的。
2.2 設(shè)備DTM
設(shè)備DTM是由設(shè)備制造商研發(fā)的軟件，它封裝了所有的設(shè)備特定數(shù)據(jù)、功能和管理方法，并且包含圖形用戶界面。設(shè)備DTM提供了對(duì)包含高級(jí)操作與診斷參數(shù)在內(nèi)的所有設(shè)備參數(shù)的訪問。
2.3 通信DTM
網(wǎng)關(guān)、多路轉(zhuǎn)接器等通信設(shè)備需要通信DTM將數(shù)據(jù)在不同協(xié)議間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通信DTM是集成在系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)接口，在系統(tǒng)的任何層次提供對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的透明訪問。有了通信DTM，就可以在設(shè)備組態(tài)工具中復(fù)制工廠的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。


3 FDT技術(shù)的工作原理
　　系統(tǒng)供應(yīng)商生產(chǎn)FDT框架應(yīng)用程序，在FDT框架應(yīng)用中，可以打開設(shè)備DTM，它是由設(shè)備供應(yīng)商提供的插件程序。圖1是一個(gè)FDT框架應(yīng)用實(shí)例。

圖1　FDT框架應(yīng)用
　　FDT框架應(yīng)用有菜單欄、工具欄和導(dǎo)航樹，設(shè)備DTM的視圖鑲嵌在FDT框架應(yīng)用中，見圖2。導(dǎo)航樹是設(shè)備位號(hào)的列表，用戶可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊一個(gè)設(shè)備位號(hào)的方式在FDT框架應(yīng)用中打開這個(gè)設(shè)備的DTM。

圖2　FDT中打開的DTM

圖3　儀表的DTM

　　設(shè)備DTM讓用戶以多種不同的方法與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備交互，設(shè)備DTM供應(yīng)商創(chuàng)建良好的圖形用戶界面，很多操作都可以在高級(jí)Windows PC 類型的接口中實(shí)現(xiàn)。圖3是一個(gè)典型的設(shè)備DTM，用戶接口中使用了在Windows中常用的圖形。
　　基于第三方技術(shù)的通信DTM，在計(jì)算機(jī)中提供標(biāo)準(zhǔn)的通信應(yīng)用程序接口（API），用以連接設(shè)備DTM和主機(jī)系統(tǒng)特定的驅(qū)動(dòng)程序。主機(jī)系統(tǒng)特定的驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)從PC機(jī)到現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡的通信。
　　FDT框架應(yīng)用程序供應(yīng)商提供其所支持的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的通信DTM，這樣可以保證計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、接口卡和主機(jī)系統(tǒng)的通信協(xié)議對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備DTM來說是透明的。


4 工廠資產(chǎn)管理系統(tǒng)FieldCare在電廠中的應(yīng)用
　　FieldCare軟件是Endress+Hauser公司基于FDT/DTM技術(shù)的工廠資產(chǎn)管理系統(tǒng)，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程I/O和控制器等工廠資產(chǎn)實(shí)行組態(tài)與參數(shù)設(shè)置、故障診斷和前瞻性維護(hù)。FieldCare可以通過設(shè)備DTM讀取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的所有信息，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的組態(tài)和參數(shù)設(shè)置。讀取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)信息，可以檢查設(shè)備的使用情況，F(xiàn)ieldCare的狀態(tài)監(jiān)控（Condition Monitoring）功能可以顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)，并且能夠定位故障測(cè)量點(diǎn)，給出現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的詳細(xì)故障診斷信息，還可以將故障診斷信息以電子郵件的方式傳送?？偩€掃描功能可以自動(dòng)掃描連接在網(wǎng)絡(luò)上的所有智能設(shè)備，自動(dòng)給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分配相應(yīng)的DTM，并且可以判斷設(shè)備與分配的設(shè)備DTM的匹配程度。
　　雖然目前電廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)還沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備仍然以模擬量的形式向控制器傳送測(cè)量值，但是由于現(xiàn)場(chǎng)儀表都是具有Hart通信協(xié)議的智能儀表，因此仍然可以通過Hart通信協(xié)議集成獨(dú)立的工廠資產(chǎn)管理系統(tǒng)。具體集成方法如圖4。

圖4　基于Hart通信協(xié)議的工廠資產(chǎn)管理系統(tǒng)

　　對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，儀表與系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)交換信息，使運(yùn)行人員在控制室就可以很容易地完成現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷，保證了系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。適應(yīng)了現(xiàn)代化管理的要求，能夠有效減少運(yùn)行維護(hù)成本，降低工程費(fèi)用，因此，電廠數(shù)字化對(duì)電力企業(yè)追求投資效益最大化具有重要意義。使用FieldCare在Profibus總線系統(tǒng)中集成工廠資產(chǎn)管理系統(tǒng)的方法見圖5。

圖5　基于Profibus總線的工廠資產(chǎn)管理系統(tǒng)　　

　　從圖4和圖5可以看出，獨(dú)立于控制系統(tǒng)的工作站，可以單獨(dú)集成一個(gè)工廠資產(chǎn)管理工作站，此工作站中的FieldCare可以通過通信設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信，讀取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)，并對(duì)之進(jìn)行有效的管理?？刂坪凸芾砉δ芊謩e由不同的工作站實(shí)現(xiàn)，互不干擾，從而使控制和管理的性能更加優(yōu)化。



5 結(jié)論
　　本文首先分析了電廠中自動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)，如果要充分發(fā)揮廠級(jí)SIS和MIS系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)的可靠性和故障診斷能力，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)就要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。詳細(xì)介紹了FDT/DTM技術(shù)的工作原理以及基于Endress+Hauser公司FieldCare的工廠資產(chǎn)管理系統(tǒng)的特點(diǎn)、功能和集成方法，此管理系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外很多工廠中，應(yīng)用的實(shí)踐證明它能夠有效地提高系統(tǒng)的可靠性和故障診斷能力，并且明顯的降低了維護(hù)費(fèi)用。


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3 User Guide, FDT: Open access to device intelligence, FDT Group, 2005


作者：竇連旺博士，上海恩德斯豪斯自動(dòng)化設(shè)備有限公司市場(chǎng)部產(chǎn)品經(jīng)理、項(xiàng)目經(jīng)理。