基于FieldCare的工厂资产管理系统在电厂中的应用

摘要：本文分析了电厂的现状，提出为了充分发挥厂级SIS与MIS系统的功能和提高系统对现场设备的故障诊断能力，就要使现场设备级实现数字化。介绍了FDT/DTM技术的工作原理和利用FieldCare在Hart与Profibus系统中集成工厂资产管理系统的方法，应用的实践证明此系统能够有效地提高系统的可靠性和现场设备的故障诊断能力，并且明显的降低了现场设备的维护费用。

1 前言
　　随着科技的发展，火电厂的自动控制系统经历了单回路控制器、多回路控制器和集散控制系统（DCS）等几个阶段。目前DCS系统已经广泛应用于电厂的各种控制过程中，DCS应用技术已经基本成熟。但是，由于在DCS系统中，现场仪表仍然采用常规的模拟量仪表，其输出标准的4~20mA模拟信号给DCS的输入模块，操作员根据仪表提供的标准4~20mA模拟信号了解工艺参数的变化和现场设备的运行状态，而现场仪表的参数设置只能在实验室或者在现场就地完成。
　　一般来说，火电厂控制和管理系统分为三级：厂级(SIS、MIS、BPS)、机组(车间)级（DCS、PLC）和现场设备级。二十世纪九十年代，机组(车间)级控制系统已全部实现数字化，控制水平有了飞跃发展。近六七年中，数字化正迅速向厂级发展，新建电厂普遍建立了厂级SIS和MIS的网架，并配置了故障诊断、状态检修及性能优化等监控和管理软件。厂级信息化的要求，很快推动了厂级数字化和网络化的形成。
　　由于现场设备级还仍然采用一对一的模拟量信号或开关量信号传输信息，采用传统现场监控设备，系统采集到的信息很少，仅能满足低水平监控要求。一个电厂有几千台现场监控设备（包括现场仪表、被控阀门和电气开关等），很多现场设备都是智能设备，可以提供故障预测、诊断和远程调试及维护等所需的数据，但是这些数据却无法传输到系统中去。
同时，由于DCS系统的主要功能是对电厂中的各个工艺过程进行监控，达到工艺所要求的性能指标。即使智能现场设备的参数以及故障诊断等数据能够传输到DCS系统中，传统的DCS系统也不能对这些信息进行处理，仍然采用传统的方法对现场设备进行参数设置、故障诊断和维护，造成了系统资源的巨大浪费。
　　本文介绍了FDT/DTM技术的原理和功能，并且详细介绍了利用Endress+Hauser公司先进的基于FDT技术的工厂资产管理软件FieldCare实现对现场设备进行远程参数设置、故障诊断和维护的方法。


2 FDT/DTM（Field Device Tool/ Device Type Manager）技术
　　现在一个典型的工厂都安装有几千台甚至几万台智能现场设备，它们是由很多的设备供应商提供的。在系统集成的时候要了解不同厂家设备的差异，为了保证这些设备具有优化的性能，还必须对其进行参数设置、标定和维护，这些工作一般由相应设备生产厂家提供的调试工具来完成。因此，一个工厂的仪表工程师要熟悉很多厂家的不同工具，这些厂家特定的工具是专门用来调试厂家生产的智能现场设备的。这不但增加了设备生产商和用户的工作量，而且使他们付出更多额外的费用。随着现场设备复杂性的增加，所需的工作量以及发生各种错误的可能性也随之增加。另外，智能现场设备都是以某种通信协议（Hart、Profibus和FF等）向系统传输数据的，因此，相应的调试工具也是基于通信协议的。
　　FDT/DTM技术提供标准的方法来管理现场设备。为了实现先进的设备管理，设备生产商需要研发设备的用户接口。FDT是真正的开放性技术，不用考虑现场总线协议、设备生产商和具体的设备类型，就可以很容易的表示设备数据。基于FDT技术的调试工具为任意生产商生产的任意设备提供相同的操作环境，即使物位仪表和阀门定位器这样复杂的现场设备也能很简单的进行组态和操作。FDT技术使应用与现场之间实现了无缝的数据交换，并且数据交换与设备类型、生产商和通信协议无关。
　　FDT技术包含三个重要的组成部分：FDT框架应用程序、现场设备的设备DTM和通信设备的通信DTM。FDT提供了开放性的标准接口DTM，DTM定义现场设备如何与框架应用程序交换信息。类似于打印机的驱动程序，DTM包含一些设备特有的信息，例如：设备数据和功能等。支持FDT技术的框架应用程序由FDT组织授权的供应商提供。通常情况下，框架应用程序具有相同的格式和表示方法。
2.1 FDT框架应用程序
FDT框架应用程序通过标准的接口与DTM进行通信，它可以是现场设备的参数设置与组态工具、工程工具或者资产管理工具，并且对所有通信协议都是开放的。
2.2 设备DTM
设备DTM是由设备制造商研发的软件，它封装了所有的设备特定数据、功能和管理方法，并且包含图形用户界面。设备DTM提供了对包含高级操作与诊断参数在内的所有设备参数的访问。
2.3 通信DTM
网关、多路转接器等通信设备需要通信DTM将数据在不同协议间进行转换。通信DTM是集成在系统中的标准接口，在系统的任何层次提供对现场设备数据的透明访问。有了通信DTM，就可以在设备组态工具中复制工厂的通信网络结构。


3 FDT技术的工作原理
　　系统供应商生产FDT框架应用程序，在FDT框架应用中，可以打开设备DTM，它是由设备供应商提供的插件程序。图1是一个FDT框架应用实例。

图1　FDT框架应用
　　FDT框架应用有菜单栏、工具栏和导航树，设备DTM的视图镶嵌在FDT框架应用中，见图2。导航树是设备位号的列表，用户可以通过鼠标点击一个设备位号的方式在FDT框架应用中打开这个设备的DTM。

图2　FDT中打开的DTM

图3　仪表的DTM

　　设备DTM让用户以多种不同的方法与现场设备交互，设备DTM供应商创建良好的图形用户界面，很多操作都可以在高级Windows PC 类型的接口中实现。图3是一个典型的设备DTM，用户接口中使用了在Windows中常用的图形。
　　基于第三方技术的通信DTM，在计算机中提供标准的通信应用程序接口（API），用以连接设备DTM和主机系统特定的驱动程序。主机系统特定的驱动程序负责从PC机到现场总线接口卡的通信。
　　FDT框架应用程序供应商提供其所支持的现场总线协议的通信DTM，这样可以保证计算机、网络、接口卡和主机系统的通信协议对现场设备DTM来说是透明的。


4 工厂资产管理系统FieldCare在电厂中的应用
　　FieldCare软件是Endress+Hauser公司基于FDT/DTM技术的工厂资产管理系统，可以对现场仪表、执行机构、驱动设备、网关、远程I/O和控制器等工厂资产实行组态与参数设置、故障诊断和前瞻性维护。FieldCare可以通过设备DTM读取现场设备中的所有信息，然后根据现场需求对设备进行相应的组态和参数设置。读取现场设备的状态信息，可以检查设备的使用情况，FieldCare的状态监控（Condition Monitoring）功能可以显示现场设备的状态，并且能够定位故障测量点，给出现场设备的详细故障诊断信息，还可以将故障诊断信息以电子邮件的方式传送。总线扫描功能可以自动扫描连接在网络上的所有智能设备，自动给现场设备分配相应的DTM，并且可以判断设备与分配的设备DTM的匹配程度。
　　虽然目前电厂的现场设备级还没有实现数字化，现场设备仍然以模拟量的形式向控制器传送测量值，但是由于现场仪表都是具有Hart通信协议的智能仪表，因此仍然可以通过Hart通信协议集成独立的工厂资产管理系统。具体集成方法如图4。

图4　基于Hart通信协议的工厂资产管理系统

　　对于现场总线系统，仪表与系统采用数字信号交换信息，使运行人员在控制室就可以很容易地完成现场智能仪表的参数设定、状态监控和故障诊断，保证了系统的安全可靠运行。适应了现代化管理的要求，能够有效减少运行维护成本，降低工程费用，因此，电厂数字化对电力企业追求投资效益最大化具有重要意义。使用FieldCare在Profibus总线系统中集成工厂资产管理系统的方法见图5。

图5　基于Profibus总线的工厂资产管理系统　　

　　从图4和图5可以看出，独立于控制系统的工作站，可以单独集成一个工厂资产管理工作站，此工作站中的FieldCare可以通过通信设备与现场设备通信，读取现场设备的数据，并对之进行有效的管理。控制和管理功能分别由不同的工作站实现，互不干扰，从而使控制和管理的性能更加优化。



5 结论
　　本文首先分析了电厂中自动控制系统的现状以及发展趋势，如果要充分发挥厂级SIS和MIS系统的功能，提高系统的可靠性和故障诊断能力，现场设备级就要实现数字化。详细介绍了FDT/DTM技术的工作原理以及基于Endress+Hauser公司FieldCare的工厂资产管理系统的特点、功能和集成方法，此管理系统已经成功应用于国内外很多工厂中，应用的实践证明它能够有效地提高系统的可靠性和故障诊断能力，并且明显的降低了维护费用。


参考文献：
1 侯子良，推广应用现场总线，全面实现火电厂数字化[J]。中国电力，2004，37(3):72-75
2 孟丽，现场总线技术在电厂中的应用，全国先进控制技术与仪表装置应用学术交流会论文集，2004,75-80
3 User Guide, FDT: Open access to device intelligence, FDT Group, 2005


作者：窦连旺博士，上海恩德斯豪斯自动化设备有限公司市场部产品经理、项目经理。