火電廠(chǎng)自動(dòng)化與現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統
點(diǎn)擊次數：3085 更新時(shí)間：2011-07-19
進(jìn)入20世紀90年代，現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS，FieldbusControlSystem）走向實(shí)用化。目前已成為自動(dòng)化技術(shù)中的一個(gè)熱點(diǎn)，已有不少論文和專(zhuān)著(zhù)相繼發(fā)表，對現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統作了專(zhuān)門(mén)介紹?，F在的關(guān)鍵是如何研究、開(kāi)發(fā)、應用，使之在火電廠(chǎng)自動(dòng)化中發(fā)揮效益。
一、FCS系統的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)勢
目前，DCS（DistributedControlSystem）分散控制系統己普遍應用于電站，為什么還要研發(fā)FCS系統，與DCS相比FCS的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)勢在哪里?
l.FCS與DCS的差異要點(diǎn)
從系統的體系結構、信號制、通信協(xié)議、現場(chǎng)裝置、應用范圍等方面，人們可以列出許多項FCS與DCS的系統差異。作為針對技術(shù)、經(jīng)濟比較的系統差異，有下列兩項重點(diǎn):
?。?）信號制。
DCS系統采用的是模擬量、開(kāi)關(guān)量、數字信號混合系統信號制，而且是單向的。FCS系統采用的是全數字、雙向通信現場(chǎng)總線(xiàn)信號制。
?。?）現場(chǎng)裝置。
DCS系統使用的是模擬式單功能儀表、變送器、執行機構。雖然有時(shí)也稱(chēng)為"智能"現場(chǎng)裝置，但主要是指在裝置安裝調試期間的智能功能。
FCS系統使用的是全數字化、智能、多功能現場(chǎng)裝置。帶有控制器功能，除能輸出數字化的工藝參數信號外，還能輸出數字化的狀態(tài)信號。
2.FCS系統的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)勢
?。╨）FCS系統采用的是全數字通信，這本身就是一大優(yōu)勢。我們知道，數字通信是目前技術(shù)發(fā)展的趨勢，在信息時(shí)代的今天尤為突出。
?。?）FCS系統采用全數宇通信，正因為此，就有可能用一對雙線(xiàn)電纜連接分散的智能現場(chǎng)裝置至中央控制室，而模擬信號則無(wú)法做到，具體可參見(jiàn)圖1。
圖l（a）為傳統的過(guò)程控制系統（DCS），每個(gè)現場(chǎng)裝置到控制室都需使用一對的雙絞線(xiàn)，用于傳遞4～2OmA信號;圖l（b）所示為現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，其中每個(gè)現場(chǎng)裝置到接線(xiàn)盒的雙絞線(xiàn)仍然可以使用，但從現場(chǎng)接線(xiàn)盒到中央控制室僅用一根雙絞線(xiàn)完成數宇通信。省去了大量信號電纜。在省去電纜的同時(shí)也就相應省去了大量的電纜橋架及電纜敷設，也節省了設計、安裝和維護的費用。人們還應注意到，信號電纜省去了，相當數量的信號隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜都省掉了，這些設備的占用空間與占地面積也節省了（某電廠(chǎng)DCS電子間約占800m2）。
?。?）FCS系統采用的是全數字、雙向通信現場(chǎng)總線(xiàn)信號制，就能實(shí)現將控制室中央控制器的控制策略直接下載到現場(chǎng)裝置之中，現場(chǎng)裝置中的控制策略、工藝參數信號也能上傳至中央控制器，更有意義的是，現場(chǎng)裝置中所反映的狀態(tài)信號也能上傳至中央控制室，這不僅可以做到變"設備故障檢修"為"設備狀態(tài)維修"，更重要的是，大量的現場(chǎng)實(shí)時(shí)信息，為管理決策提供了基礎。在這方面取得的經(jīng)濟效益，不是用簡(jiǎn)單的數字能表示的。
?。?）FCS系統的現場(chǎng)裝置為全數字化、智能、多功能現場(chǎng)裝置，帶有控制器功能，這樣就可以做到將中央控制器的控制功能（DCS）分散下放到現場(chǎng)裝置之中。減少中央控制器的配置及復雜程度，也省去了大量的設計工作量。據初步設計估算，對于電站，可以下放到現場(chǎng)裝置中的控制系統數約占總線(xiàn)的73%。當然在功能組級檔以上較為復雜的控制系統，目前尚不具備下放至現場(chǎng)裝置的條件。這部分控制功能的實(shí)現，將在下面進(jìn)行敘述。
二、FCS在電站的應用
1.在國內外FCS沒(méi)有應用于大型電站的示例
FCS系統進(jìn)入我國時(shí)，遠比不上DCS系統進(jìn)入我國時(shí)成熟。20世紀80年代末期，DCS系統進(jìn)入我國電站時(shí)，國外己有多個(gè)DCS系統用于大型工程的示例。據調研，到目前為止，FCS系統仍以中、小型工程的示例居多。國內外，在大型火電廠(chǎng)內統一的現場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )的模型全部，即設備層、監控層、遠程監控層上均使用現場(chǎng)總線(xiàn)的范例，還未見(jiàn)報導。
2.PLC聯(lián)網(wǎng)控制
FCS系統在火電廠(chǎng)已有局部使用，其中有一例是成功的。即四川廣安電廠(chǎng)，采用遵循Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的L2-DP網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，將該廠(chǎng)的鍋爐補給水與凝結水精處理控制系統等輔助車(chē)間控制系統聯(lián)網(wǎng)，提高了火電廠(chǎng)輔助車(chē)間控制的勞動(dòng)生產(chǎn)率及系統可靠性。
3.FDCS的應用
我們將在通信和數據傳輸方面遵循現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的數字式分散控制系統稱(chēng)之為FDCS控制系統。該類(lèi)系統在對外的功能及本身的體系結構，與DCS系統并無(wú)多少差別，但在通信和數據傳輸方面遵循現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議標準。
該類(lèi)型系統目前國內有兩種，具體如下:
?。?）*種系統為ALSPAP320控制系統，應用于華能珞璜電廠(chǎng)二期工程。
AISSPAP320有三大網(wǎng)絡(luò ):LOCVTAFIP現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，遵循WorldFIP標準;F900數據總線(xiàn)，遵循WorldFIP標準;CONTRONET控制網(wǎng)，使用以太網(wǎng)技術(shù)。
?。?）第二種系統為SimatiCPCS7控制系統，應用于楊凌燃機熱電廠(chǎng)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組。
每一對冗余控制器均通過(guò)冗余的現場(chǎng)總線(xiàn)Pro-fibus-DP（zui高數據傳輸速率可達12Mbit/s）帶一定數量的遠程I/O擴展機架ET2OOM及I/O模件;控制器與控制器之間、控制器與服務(wù)器之間的數據通信是通過(guò)冗余的環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)完成的。網(wǎng)絡(luò )速率1OOMbit/s。
4.擬采用FCS系統的企業(yè)自備電廠(chǎng)
山東濱州化工廠(chǎng)自備電廠(chǎng)35t/h鍋爐與邯鄲鋼鐵廠(chǎng)75t/h循環(huán)流化床鍋爐控制，擬采用遵循FF現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議技術(shù)的SmarSystem320控制系統實(shí)施控制。
該項目的工程實(shí)踐，是一個(gè)比較完整的FCS控制系統。有關(guān)鍋爐閉環(huán)控制框圖參見(jiàn)圖2，從圖中可以看出，要實(shí)現一個(gè)閉環(huán)控制系統，需在多臺數字智能現場(chǎng)裝置之間進(jìn)行信息交換?，F場(chǎng)的執行機構與變送器皆采用附有控制器功能的數字式智能現場(chǎng)裝置，用以實(shí)現閉環(huán)控制功能，做到了"信息處理現場(chǎng)化"。部分順序控制功能由可編程序邏輯控制器PLC（圖2中的MA18、MA19）來(lái)實(shí)現，并與現場(chǎng)附有控制器功能的數字智能現場(chǎng)裝置進(jìn)行信息交換。
5.FCS系統在電站應用評述
?。?）電站中，以PLC為硬件的順序控制系統，用FCS總線(xiàn)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制，是一個(gè)很好的選擇，并可取得良好的效果。
?。?）FDCS系統雖算不上完整、典型的FCS系統，但它的成功使用，是現場(chǎng)總線(xiàn)在火電廠(chǎng)大型機組控制系統應用的很好嘗試。
?。?）SmarSystem320控制系統在火電廠(chǎng)中小型機組鍋爐控制中的應用，可以作為FCS系統在大型火電機組上應用很好的借鑒。
?。?）電站中較為復雜的控制系統，以及實(shí)時(shí)性要求較高的控制系統，以目前FCS系統的技術(shù)水平來(lái)實(shí)施，還有一定的難度。有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研究。
?。?）FCS是電火電廠(chǎng)實(shí)現現代化管埋和運營(yíng)的必然選擇。
1）廠(chǎng)網(wǎng)分開(kāi)將促進(jìn)火電廠(chǎng)實(shí)現企業(yè)綜合自動(dòng)化:廠(chǎng)網(wǎng)分開(kāi)體制改革實(shí)現后，電廠(chǎng)將相對獨立地參與市場(chǎng)競爭。實(shí)現包括基礎自動(dòng)化、管埋自動(dòng)化和決策自動(dòng)化的高層次綜合自動(dòng)化是電廠(chǎng)的必然選擇。
2）FCS是消滅火電廠(chǎng)"信息孤島"的武器:FCS的現場(chǎng)智能設備能將大量現場(chǎng)信息送上通信網(wǎng)絡(luò )，這是DCS、PLC無(wú)法實(shí)現的。這些實(shí)時(shí)信息為企業(yè)綜合自動(dòng)化所必需，也是發(fā)電集團企業(yè)信息集成的基礎。
3）電廠(chǎng)對綜合經(jīng)濟性的重視將青睬于FCS:FCS在提供高層次控制、管埋性能的同時(shí)，使系統在其生命周期中的投資大大低于DCS。電廠(chǎng)在重視長(cháng)期的綜合經(jīng)濟性和效益時(shí)，FCS的價(jià)格優(yōu)勢就明顯了。
三、目前電廠(chǎng)應用FCS的障礙
l.FCS的效益是綜合的、長(cháng)期的
FCS只有和全廠(chǎng)的管理自動(dòng)化與決策自動(dòng)化等高層次綜合自動(dòng)化相結合，才能更好地發(fā)揮其效益。且時(shí)間越長(cháng)效益越明顯。
2.智能現場(chǎng)裝置可選品種大少
目前，遵循現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的數字智能現場(chǎng)裝置，其協(xié)議標準很多，但其品種規格供選擇的卻明顯不足，例如，FF的Hl開(kāi)發(fā)已10多年了，但到2001年5月31日為止，還只有30余種、83個(gè)規格的產(chǎn)品正式注冊可供正式選用。83個(gè)產(chǎn)品中還包括同一規格不同廠(chǎng)商、公司的產(chǎn)品，在30余種中包括光纖壓力變送器、光纖溫度變送器、模擬工具、記錄儀這些不常用的在內。而且目前注冊過(guò)的產(chǎn)品，我國國產(chǎn)的極少。目前在FF組織的上僅檢索到北京華控公司有一種（溫度變送器）通過(guò)注冊，在ProfibuS組織的上未檢索到中國產(chǎn)品。
3.電站特殊工藝要求
在電站的某些熱工過(guò)程控制系統中需要高速的開(kāi)關(guān)量或模擬量控制系統。例如:事件順序記錄系統（SOE）、汽輪機數字式電液控制系統以及順序控制系統與保護系統中的快關(guān)、快開(kāi)控制等。事件順序記錄系統等需要1～2ms的分辨率，而汽輪機數字式電液控制系統等需要lOms左右的控制周期。以目前FCS系統的體系結構與通信技術(shù)，滿(mǎn)足不了上述控制系統的功能要求。
4.復雜系統控制
FCS系統，對于簡(jiǎn)單的控制系統，可以現場(chǎng)解決，參見(jiàn)圖3。而對于復雜系統則需要在多臺智能裝置之間進(jìn)行信息交換，系統可靠性降低。
四、研發(fā)FCS路徑的探討
l.FCS系統工程應用研究
雖然FCS系統現有的技術(shù)在大型火電機組上全面應用還存在一些難點(diǎn)，但是，利用FCS系統的現有技術(shù)，積極開(kāi)展FCS系統在大型火電機組局部控制領(lǐng)域的應用，不僅大有可為，而且十分重要。它可以讓我們更深入地掌握FCS系統的技術(shù)，這主要是因為理論上的認知深度遠比不上工程實(shí)踐理解的深度。
2.電站輔助車(chē)間FCS的構建和信息系統研究
火電廠(chǎng)輔助車(chē)間適度集中控制，是目前在電站內達到減員增效十分有效的措施，將電站內數十個(gè)輔助車(chē)間，適度集中為水、煤、灰等3～4個(gè)控制中心，運行人員可大幅度減少，現階段正在推廣之中。而FCS系統技術(shù)在這方面能充分發(fā)揮其功能效益，因為該種配置*符合FCS的設計思想。當然也有其他一些研究課題。
3.SCS與MCS混合控制系統研究
今天的PLC已十分成熟與完善，更重要的是，它不斷向DCS系統"滲透"，開(kāi)發(fā)了諸多的模擬量閉環(huán)控制功能。從一定程度上講，PLC集開(kāi)關(guān)量順序控制與模擬量閉環(huán)控制于一身。當然，處理開(kāi)關(guān)量順序控制仍舊是PLC的特點(diǎn)。電站中某些較為復雜的功能組級檔以上的MCS系統，而且又是與電站中SCS系統，在工藝上有密切關(guān)連的那些MCS系統，由PLC來(lái)實(shí)現其控制功能。
4.用于電站的智能現場(chǎng)裝置研究
對于電站而言，供選擇的智能現場(chǎng)裝置品種規格太少。而數字智能現場(chǎng)裝置是現場(chǎng)總線(xiàn)的基礎，與DCS不同，采用現場(chǎng)總線(xiàn)后，由于現場(chǎng)設備運行的實(shí)時(shí)信息可通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)與控制系統進(jìn)行交互，所以各級用戶(hù)都可以隨時(shí)查詢(xún)數字智能現場(chǎng)裝置用網(wǎng)絡(luò )的運行狀態(tài)，還可以在線(xiàn)標定、校準、修改各種設備的性能參數和運行參數，從根本上解決了控制系統中zui基本的測控信息的實(shí)時(shí)傳遞，對現場(chǎng)設備實(shí)現遠程監控、故障診斷和狀態(tài)維修提供了技術(shù)支撐。所以，沒(méi)有數字智能現場(chǎng)裝置，FCS系統的許多*性無(wú)法發(fā)揮，也就失去了使用FCS系統技術(shù)的真正意義。
5.電站特殊工藝要求的FCS系統研究
高可靠性的具有毫秒級時(shí)間同步的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究，是將FCS系統技術(shù)用于大型火電機組控制中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
6.網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋控制器研究
參見(jiàn)圖4。如果我們能擴大、增強網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋控制器的控制功能，以此來(lái)實(shí)現電站中功能組級檔以上控制系統的控制功能，這也是擴大FCS系統技術(shù)在大型火電機組中應用的一個(gè)可行方案。這就相當于在系統體系結構中增加一層中層控制器。
7.FCS與DCS網(wǎng)絡(luò )集成的開(kāi)發(fā)研究
FCS與DCS網(wǎng)絡(luò )集成方案有兩種：一種方案，即DCS主機為一個(gè)普通節點(diǎn)，采用網(wǎng)關(guān)將DCS網(wǎng)絡(luò )掛接到高速網(wǎng)絡(luò )上。另一種方案，即將DCS系統視為主體，將現場(chǎng)總線(xiàn)系統掛接在DCS系統的網(wǎng)絡(luò )上。
8.研發(fā)FCS系統的切入點(diǎn)
研發(fā)FCS系統，以從研發(fā)電站輔助車(chē)間FCS監控和信息系統作為突破口。進(jìn)一步分析論證，又以電站的化學(xué)水車(chē)間作為切入點(diǎn)。其理由如下：
?。?）電站輔助車(chē)間的布局比較接近石化等行業(yè)的狀況，即地域分布較廣，設備較為分散，有利于FCS系統優(yōu)勢的發(fā)揮與體現。也可利用FCS系統成功應用于石化行業(yè)的工程點(diǎn)作為借鑒。
?。?）電站輔助車(chē)間的自動(dòng)化水平近幾年雖有提高，但相對于電站主廠(chǎng)房?jì)葯C組自動(dòng)化水平仍有較大差距。FCS系統在該領(lǐng)域的研發(fā)與實(shí)施，有利于自動(dòng)化水平提高后效果的體現。
?。?）電站輔助車(chē)間控制系統的規模，相對于主廠(chǎng)房?jì)葯C組的控制系統要小，投資規模相對也小，相對而言，資金投入的風(fēng)險也小。
?。?）電站輔助車(chē)間規模相對雖小，但是，其設備品種繁多，在該領(lǐng)域FCS系統的研發(fā)與應用，有利于取得全面研發(fā)FCS的經(jīng)驗，進(jìn)一步明確電站用FCS系統的研發(fā)方向與項目?jì)热?。也增加電站行業(yè)對FCS系統的認識與了解。
?。?）電站化學(xué)水系統是電廠(chǎng)重要的輔助車(chē)間和輔助系統，由于電廠(chǎng)化學(xué)系統對于整個(gè)電廠(chǎng)而言是一個(gè)相對獨立的系統，與其他主體專(zhuān)業(yè)相關(guān)性不是很強，同時(shí)，電廠(chǎng)化學(xué)水系統因為監視控制點(diǎn)比較分散，難以納入傳統DCS控制系統中進(jìn)行系統化改造，致使化學(xué)專(zhuān)業(yè)自動(dòng)化水平、信息集成化水平相對落后。
目前大部分新建、擴建的大容量電廠(chǎng)的化學(xué)水處理系統多采用PLC程控方式對該系統進(jìn)行監視控制。由于機組容量的增加，化學(xué)水處理等輔機容量亦相應增大，造成PLC控制系統I/O測點(diǎn)的增加，各類(lèi)模件增加，機柜數量龐大，系統復雜。
針對目前火力發(fā)電廠(chǎng)化學(xué)水系統設備布置分散，汽水取樣、自動(dòng)加藥、繁多的常規測點(diǎn)等現狀，FCS系統的全數字、雙向通信現場(chǎng)總線(xiàn)信號制，特別適合于化學(xué)水處理系統的現狀。簡(jiǎn)單地講，以現場(chǎng)總線(xiàn)為鏈，把單個(gè)分散的化學(xué)水處理系統測量、控制設備變成網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，進(jìn)行信息互換，組成網(wǎng)絡(luò )系統，實(shí)現汽水取樣、自動(dòng)加藥、水處理等各項監控系統功能一體化。
9.實(shí)施步驟
為了實(shí)現全數字、雙向通信，必須將網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上各種設備的輸入、輸出信號全部變?yōu)閿底中盘?，各現場(chǎng)裝置必須達到現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統數字智能現場(chǎng)裝置的要求。為此，必須開(kāi)發(fā)相應的功能模塊?；瘜W(xué)水監控系統相對于主廠(chǎng)內的機組監控系統，其系統規模要小得多，但其設備品種，可謂是"麻雀雖小，五臟俱全"。因此，要*達到FCS系統典型配置的水平，研發(fā)工作量相當大，時(shí)間周期長(cháng)，投資規模大，風(fēng)險也大。所以，以分步實(shí)施為宜。
?。?）*步——聯(lián)網(wǎng)控制。
將化學(xué)水車(chē)間的化學(xué)水監測、化學(xué)水程控，自動(dòng)加藥等幾大部分工藝系統，分別納入各自的PLC控制范圍之內，再將這些符合現場(chǎng)總線(xiàn)信號制的PLC進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制，形成初級的綜合監控管理系統。
?。?）第二步——重點(diǎn)設備信號制改造。
也就是進(jìn)行信號制改造，即進(jìn)入真正的現場(chǎng)總線(xiàn)信號制階段。由于要研發(fā)的品種太多，資金投入量大，所以只能從個(gè)別重點(diǎn)設備開(kāi)始進(jìn)行改制。百先采用數字智能化學(xué)水監測儀表。以引入其狀態(tài)信號，改善監控系統管理水平。
?。?）第三步——各品種模塊的研發(fā)。
為了達到真正的典型FCS系統的體系結構，必須做到關(guān)鍵模塊品種齊全，包括硬件與軟件的同時(shí)開(kāi)發(fā)。
?。?）第四步——FCS系統技術(shù)應用于化學(xué)水車(chē)間。
將各功能模塊植入化學(xué)水系統所有相關(guān)設備之中，全數字、雙向通信現場(chǎng)總線(xiàn)信號制網(wǎng)絡(luò )監控系統形成。此時(shí)，我們就可能全面的評價(jià)FCS系統技術(shù)所帶來(lái)的技術(shù)與經(jīng)濟效益，為FCS系統技術(shù)應用于電站內所有監控系統打下堅實(shí)的基礎。
?。?）第五步——FCS系統技術(shù)應用于電站。
在對化學(xué)水車(chē)間應用FCS系統技術(shù)總結分析的基礎上，就可以更為細致與確切地知道FCS系統技術(shù)應用于電站的關(guān)鍵技術(shù)、研發(fā)方向與項目?jì)热?，確定下一步研發(fā)重點(diǎn)，為FCS系統技術(shù)全面應用于電站鋪開(kāi)道路。
一、FCS系統的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)勢
目前，DCS（DistributedControlSystem）分散控制系統己普遍應用于電站，為什么還要研發(fā)FCS系統，與DCS相比FCS的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)勢在哪里?
l.FCS與DCS的差異要點(diǎn)
從系統的體系結構、信號制、通信協(xié)議、現場(chǎng)裝置、應用范圍等方面，人們可以列出許多項FCS與DCS的系統差異。作為針對技術(shù)、經(jīng)濟比較的系統差異，有下列兩項重點(diǎn):
?。?）信號制。
DCS系統采用的是模擬量、開(kāi)關(guān)量、數字信號混合系統信號制，而且是單向的。FCS系統采用的是全數字、雙向通信現場(chǎng)總線(xiàn)信號制。
?。?）現場(chǎng)裝置。
DCS系統使用的是模擬式單功能儀表、變送器、執行機構。雖然有時(shí)也稱(chēng)為"智能"現場(chǎng)裝置，但主要是指在裝置安裝調試期間的智能功能。
FCS系統使用的是全數字化、智能、多功能現場(chǎng)裝置。帶有控制器功能，除能輸出數字化的工藝參數信號外，還能輸出數字化的狀態(tài)信號。
2.FCS系統的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)勢
?。╨）FCS系統采用的是全數字通信，這本身就是一大優(yōu)勢。我們知道，數字通信是目前技術(shù)發(fā)展的趨勢，在信息時(shí)代的今天尤為突出。
?。?）FCS系統采用全數宇通信，正因為此，就有可能用一對雙線(xiàn)電纜連接分散的智能現場(chǎng)裝置至中央控制室，而模擬信號則無(wú)法做到，具體可參見(jiàn)圖1。
圖l（a）為傳統的過(guò)程控制系統（DCS），每個(gè)現場(chǎng)裝置到控制室都需使用一對的雙絞線(xiàn)，用于傳遞4～2OmA信號;圖l（b）所示為現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，其中每個(gè)現場(chǎng)裝置到接線(xiàn)盒的雙絞線(xiàn)仍然可以使用，但從現場(chǎng)接線(xiàn)盒到中央控制室僅用一根雙絞線(xiàn)完成數宇通信。省去了大量信號電纜。在省去電纜的同時(shí)也就相應省去了大量的電纜橋架及電纜敷設，也節省了設計、安裝和維護的費用。人們還應注意到，信號電纜省去了，相當數量的信號隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜都省掉了，這些設備的占用空間與占地面積也節省了（某電廠(chǎng)DCS電子間約占800m2）。
?。?）FCS系統采用的是全數字、雙向通信現場(chǎng)總線(xiàn)信號制，就能實(shí)現將控制室中央控制器的控制策略直接下載到現場(chǎng)裝置之中，現場(chǎng)裝置中的控制策略、工藝參數信號也能上傳至中央控制器，更有意義的是，現場(chǎng)裝置中所反映的狀態(tài)信號也能上傳至中央控制室，這不僅可以做到變"設備故障檢修"為"設備狀態(tài)維修"，更重要的是，大量的現場(chǎng)實(shí)時(shí)信息，為管理決策提供了基礎。在這方面取得的經(jīng)濟效益，不是用簡(jiǎn)單的數字能表示的。
?。?）FCS系統的現場(chǎng)裝置為全數字化、智能、多功能現場(chǎng)裝置，帶有控制器功能，這樣就可以做到將中央控制器的控制功能（DCS）分散下放到現場(chǎng)裝置之中。減少中央控制器的配置及復雜程度，也省去了大量的設計工作量。據初步設計估算，對于電站，可以下放到現場(chǎng)裝置中的控制系統數約占總線(xiàn)的73%。當然在功能組級檔以上較為復雜的控制系統，目前尚不具備下放至現場(chǎng)裝置的條件。這部分控制功能的實(shí)現，將在下面進(jìn)行敘述。
二、FCS在電站的應用
1.在國內外FCS沒(méi)有應用于大型電站的示例
FCS系統進(jìn)入我國時(shí)，遠比不上DCS系統進(jìn)入我國時(shí)成熟。20世紀80年代末期，DCS系統進(jìn)入我國電站時(shí)，國外己有多個(gè)DCS系統用于大型工程的示例。據調研，到目前為止，FCS系統仍以中、小型工程的示例居多。國內外，在大型火電廠(chǎng)內統一的現場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )的模型全部，即設備層、監控層、遠程監控層上均使用現場(chǎng)總線(xiàn)的范例，還未見(jiàn)報導。
2.PLC聯(lián)網(wǎng)控制
FCS系統在火電廠(chǎng)已有局部使用，其中有一例是成功的。即四川廣安電廠(chǎng)，采用遵循Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的L2-DP網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，將該廠(chǎng)的鍋爐補給水與凝結水精處理控制系統等輔助車(chē)間控制系統聯(lián)網(wǎng)，提高了火電廠(chǎng)輔助車(chē)間控制的勞動(dòng)生產(chǎn)率及系統可靠性。
3.FDCS的應用
我們將在通信和數據傳輸方面遵循現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的數字式分散控制系統稱(chēng)之為FDCS控制系統。該類(lèi)系統在對外的功能及本身的體系結構，與DCS系統并無(wú)多少差別，但在通信和數據傳輸方面遵循現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議標準。
該類(lèi)型系統目前國內有兩種，具體如下:
?。?）*種系統為ALSPAP320控制系統，應用于華能珞璜電廠(chǎng)二期工程。
AISSPAP320有三大網(wǎng)絡(luò ):LOCVTAFIP現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，遵循WorldFIP標準;F900數據總線(xiàn)，遵循WorldFIP標準;CONTRONET控制網(wǎng)，使用以太網(wǎng)技術(shù)。
?。?）第二種系統為SimatiCPCS7控制系統，應用于楊凌燃機熱電廠(chǎng)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組。
每一對冗余控制器均通過(guò)冗余的現場(chǎng)總線(xiàn)Pro-fibus-DP（zui高數據傳輸速率可達12Mbit/s）帶一定數量的遠程I/O擴展機架ET2OOM及I/O模件;控制器與控制器之間、控制器與服務(wù)器之間的數據通信是通過(guò)冗余的環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)完成的。網(wǎng)絡(luò )速率1OOMbit/s。
4.擬采用FCS系統的企業(yè)自備電廠(chǎng)
山東濱州化工廠(chǎng)自備電廠(chǎng)35t/h鍋爐與邯鄲鋼鐵廠(chǎng)75t/h循環(huán)流化床鍋爐控制，擬采用遵循FF現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議技術(shù)的SmarSystem320控制系統實(shí)施控制。
該項目的工程實(shí)踐，是一個(gè)比較完整的FCS控制系統。有關(guān)鍋爐閉環(huán)控制框圖參見(jiàn)圖2，從圖中可以看出，要實(shí)現一個(gè)閉環(huán)控制系統，需在多臺數字智能現場(chǎng)裝置之間進(jìn)行信息交換?，F場(chǎng)的執行機構與變送器皆采用附有控制器功能的數字式智能現場(chǎng)裝置，用以實(shí)現閉環(huán)控制功能，做到了"信息處理現場(chǎng)化"。部分順序控制功能由可編程序邏輯控制器PLC（圖2中的MA18、MA19）來(lái)實(shí)現，并與現場(chǎng)附有控制器功能的數字智能現場(chǎng)裝置進(jìn)行信息交換。
5.FCS系統在電站應用評述
?。?）電站中，以PLC為硬件的順序控制系統，用FCS總線(xiàn)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制，是一個(gè)很好的選擇，并可取得良好的效果。
?。?）FDCS系統雖算不上完整、典型的FCS系統，但它的成功使用，是現場(chǎng)總線(xiàn)在火電廠(chǎng)大型機組控制系統應用的很好嘗試。
?。?）SmarSystem320控制系統在火電廠(chǎng)中小型機組鍋爐控制中的應用，可以作為FCS系統在大型火電機組上應用很好的借鑒。
?。?）電站中較為復雜的控制系統，以及實(shí)時(shí)性要求較高的控制系統，以目前FCS系統的技術(shù)水平來(lái)實(shí)施，還有一定的難度。有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研究。
?。?）FCS是電火電廠(chǎng)實(shí)現現代化管埋和運營(yíng)的必然選擇。
1）廠(chǎng)網(wǎng)分開(kāi)將促進(jìn)火電廠(chǎng)實(shí)現企業(yè)綜合自動(dòng)化:廠(chǎng)網(wǎng)分開(kāi)體制改革實(shí)現后，電廠(chǎng)將相對獨立地參與市場(chǎng)競爭。實(shí)現包括基礎自動(dòng)化、管埋自動(dòng)化和決策自動(dòng)化的高層次綜合自動(dòng)化是電廠(chǎng)的必然選擇。
2）FCS是消滅火電廠(chǎng)"信息孤島"的武器:FCS的現場(chǎng)智能設備能將大量現場(chǎng)信息送上通信網(wǎng)絡(luò )，這是DCS、PLC無(wú)法實(shí)現的。這些實(shí)時(shí)信息為企業(yè)綜合自動(dòng)化所必需，也是發(fā)電集團企業(yè)信息集成的基礎。
3）電廠(chǎng)對綜合經(jīng)濟性的重視將青睬于FCS:FCS在提供高層次控制、管埋性能的同時(shí)，使系統在其生命周期中的投資大大低于DCS。電廠(chǎng)在重視長(cháng)期的綜合經(jīng)濟性和效益時(shí)，FCS的價(jià)格優(yōu)勢就明顯了。
三、目前電廠(chǎng)應用FCS的障礙
l.FCS的效益是綜合的、長(cháng)期的
FCS只有和全廠(chǎng)的管理自動(dòng)化與決策自動(dòng)化等高層次綜合自動(dòng)化相結合，才能更好地發(fā)揮其效益。且時(shí)間越長(cháng)效益越明顯。
2.智能現場(chǎng)裝置可選品種大少
目前，遵循現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的數字智能現場(chǎng)裝置，其協(xié)議標準很多，但其品種規格供選擇的卻明顯不足，例如，FF的Hl開(kāi)發(fā)已10多年了，但到2001年5月31日為止，還只有30余種、83個(gè)規格的產(chǎn)品正式注冊可供正式選用。83個(gè)產(chǎn)品中還包括同一規格不同廠(chǎng)商、公司的產(chǎn)品，在30余種中包括光纖壓力變送器、光纖溫度變送器、模擬工具、記錄儀這些不常用的在內。而且目前注冊過(guò)的產(chǎn)品，我國國產(chǎn)的極少。目前在FF組織的上僅檢索到北京華控公司有一種（溫度變送器）通過(guò)注冊，在ProfibuS組織的上未檢索到中國產(chǎn)品。
3.電站特殊工藝要求
在電站的某些熱工過(guò)程控制系統中需要高速的開(kāi)關(guān)量或模擬量控制系統。例如:事件順序記錄系統（SOE）、汽輪機數字式電液控制系統以及順序控制系統與保護系統中的快關(guān)、快開(kāi)控制等。事件順序記錄系統等需要1～2ms的分辨率，而汽輪機數字式電液控制系統等需要lOms左右的控制周期。以目前FCS系統的體系結構與通信技術(shù)，滿(mǎn)足不了上述控制系統的功能要求。
4.復雜系統控制
FCS系統，對于簡(jiǎn)單的控制系統，可以現場(chǎng)解決，參見(jiàn)圖3。而對于復雜系統則需要在多臺智能裝置之間進(jìn)行信息交換，系統可靠性降低。
四、研發(fā)FCS路徑的探討
l.FCS系統工程應用研究
雖然FCS系統現有的技術(shù)在大型火電機組上全面應用還存在一些難點(diǎn)，但是，利用FCS系統的現有技術(shù)，積極開(kāi)展FCS系統在大型火電機組局部控制領(lǐng)域的應用，不僅大有可為，而且十分重要。它可以讓我們更深入地掌握FCS系統的技術(shù)，這主要是因為理論上的認知深度遠比不上工程實(shí)踐理解的深度。
2.電站輔助車(chē)間FCS的構建和信息系統研究
火電廠(chǎng)輔助車(chē)間適度集中控制，是目前在電站內達到減員增效十分有效的措施，將電站內數十個(gè)輔助車(chē)間，適度集中為水、煤、灰等3～4個(gè)控制中心，運行人員可大幅度減少，現階段正在推廣之中。而FCS系統技術(shù)在這方面能充分發(fā)揮其功能效益，因為該種配置*符合FCS的設計思想。當然也有其他一些研究課題。
3.SCS與MCS混合控制系統研究
今天的PLC已十分成熟與完善，更重要的是，它不斷向DCS系統"滲透"，開(kāi)發(fā)了諸多的模擬量閉環(huán)控制功能。從一定程度上講，PLC集開(kāi)關(guān)量順序控制與模擬量閉環(huán)控制于一身。當然，處理開(kāi)關(guān)量順序控制仍舊是PLC的特點(diǎn)。電站中某些較為復雜的功能組級檔以上的MCS系統，而且又是與電站中SCS系統，在工藝上有密切關(guān)連的那些MCS系統，由PLC來(lái)實(shí)現其控制功能。
4.用于電站的智能現場(chǎng)裝置研究
對于電站而言，供選擇的智能現場(chǎng)裝置品種規格太少。而數字智能現場(chǎng)裝置是現場(chǎng)總線(xiàn)的基礎，與DCS不同，采用現場(chǎng)總線(xiàn)后，由于現場(chǎng)設備運行的實(shí)時(shí)信息可通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)與控制系統進(jìn)行交互，所以各級用戶(hù)都可以隨時(shí)查詢(xún)數字智能現場(chǎng)裝置用網(wǎng)絡(luò )的運行狀態(tài)，還可以在線(xiàn)標定、校準、修改各種設備的性能參數和運行參數，從根本上解決了控制系統中zui基本的測控信息的實(shí)時(shí)傳遞，對現場(chǎng)設備實(shí)現遠程監控、故障診斷和狀態(tài)維修提供了技術(shù)支撐。所以，沒(méi)有數字智能現場(chǎng)裝置，FCS系統的許多*性無(wú)法發(fā)揮，也就失去了使用FCS系統技術(shù)的真正意義。
5.電站特殊工藝要求的FCS系統研究
高可靠性的具有毫秒級時(shí)間同步的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究，是將FCS系統技術(shù)用于大型火電機組控制中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
6.網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋控制器研究
參見(jiàn)圖4。如果我們能擴大、增強網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋控制器的控制功能，以此來(lái)實(shí)現電站中功能組級檔以上控制系統的控制功能，這也是擴大FCS系統技術(shù)在大型火電機組中應用的一個(gè)可行方案。這就相當于在系統體系結構中增加一層中層控制器。
7.FCS與DCS網(wǎng)絡(luò )集成的開(kāi)發(fā)研究
FCS與DCS網(wǎng)絡(luò )集成方案有兩種：一種方案，即DCS主機為一個(gè)普通節點(diǎn)，采用網(wǎng)關(guān)將DCS網(wǎng)絡(luò )掛接到高速網(wǎng)絡(luò )上。另一種方案，即將DCS系統視為主體，將現場(chǎng)總線(xiàn)系統掛接在DCS系統的網(wǎng)絡(luò )上。
8.研發(fā)FCS系統的切入點(diǎn)
研發(fā)FCS系統，以從研發(fā)電站輔助車(chē)間FCS監控和信息系統作為突破口。進(jìn)一步分析論證，又以電站的化學(xué)水車(chē)間作為切入點(diǎn)。其理由如下：
?。?）電站輔助車(chē)間的布局比較接近石化等行業(yè)的狀況，即地域分布較廣，設備較為分散，有利于FCS系統優(yōu)勢的發(fā)揮與體現。也可利用FCS系統成功應用于石化行業(yè)的工程點(diǎn)作為借鑒。
?。?）電站輔助車(chē)間的自動(dòng)化水平近幾年雖有提高，但相對于電站主廠(chǎng)房?jì)葯C組自動(dòng)化水平仍有較大差距。FCS系統在該領(lǐng)域的研發(fā)與實(shí)施，有利于自動(dòng)化水平提高后效果的體現。
?。?）電站輔助車(chē)間控制系統的規模，相對于主廠(chǎng)房?jì)葯C組的控制系統要小，投資規模相對也小，相對而言，資金投入的風(fēng)險也小。
?。?）電站輔助車(chē)間規模相對雖小，但是，其設備品種繁多，在該領(lǐng)域FCS系統的研發(fā)與應用，有利于取得全面研發(fā)FCS的經(jīng)驗，進(jìn)一步明確電站用FCS系統的研發(fā)方向與項目?jì)热?。也增加電站行業(yè)對FCS系統的認識與了解。
?。?）電站化學(xué)水系統是電廠(chǎng)重要的輔助車(chē)間和輔助系統，由于電廠(chǎng)化學(xué)系統對于整個(gè)電廠(chǎng)而言是一個(gè)相對獨立的系統，與其他主體專(zhuān)業(yè)相關(guān)性不是很強，同時(shí)，電廠(chǎng)化學(xué)水系統因為監視控制點(diǎn)比較分散，難以納入傳統DCS控制系統中進(jìn)行系統化改造，致使化學(xué)專(zhuān)業(yè)自動(dòng)化水平、信息集成化水平相對落后。
目前大部分新建、擴建的大容量電廠(chǎng)的化學(xué)水處理系統多采用PLC程控方式對該系統進(jìn)行監視控制。由于機組容量的增加，化學(xué)水處理等輔機容量亦相應增大，造成PLC控制系統I/O測點(diǎn)的增加，各類(lèi)模件增加，機柜數量龐大，系統復雜。
針對目前火力發(fā)電廠(chǎng)化學(xué)水系統設備布置分散，汽水取樣、自動(dòng)加藥、繁多的常規測點(diǎn)等現狀，FCS系統的全數字、雙向通信現場(chǎng)總線(xiàn)信號制，特別適合于化學(xué)水處理系統的現狀。簡(jiǎn)單地講，以現場(chǎng)總線(xiàn)為鏈，把單個(gè)分散的化學(xué)水處理系統測量、控制設備變成網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，進(jìn)行信息互換，組成網(wǎng)絡(luò )系統，實(shí)現汽水取樣、自動(dòng)加藥、水處理等各項監控系統功能一體化。
9.實(shí)施步驟
為了實(shí)現全數字、雙向通信，必須將網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上各種設備的輸入、輸出信號全部變?yōu)閿底中盘?，各現場(chǎng)裝置必須達到現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統數字智能現場(chǎng)裝置的要求。為此，必須開(kāi)發(fā)相應的功能模塊?；瘜W(xué)水監控系統相對于主廠(chǎng)內的機組監控系統，其系統規模要小得多，但其設備品種，可謂是"麻雀雖小，五臟俱全"。因此，要*達到FCS系統典型配置的水平，研發(fā)工作量相當大，時(shí)間周期長(cháng)，投資規模大，風(fēng)險也大。所以，以分步實(shí)施為宜。
?。?）*步——聯(lián)網(wǎng)控制。
將化學(xué)水車(chē)間的化學(xué)水監測、化學(xué)水程控，自動(dòng)加藥等幾大部分工藝系統，分別納入各自的PLC控制范圍之內，再將這些符合現場(chǎng)總線(xiàn)信號制的PLC進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制，形成初級的綜合監控管理系統。
?。?）第二步——重點(diǎn)設備信號制改造。
也就是進(jìn)行信號制改造，即進(jìn)入真正的現場(chǎng)總線(xiàn)信號制階段。由于要研發(fā)的品種太多，資金投入量大，所以只能從個(gè)別重點(diǎn)設備開(kāi)始進(jìn)行改制。百先采用數字智能化學(xué)水監測儀表。以引入其狀態(tài)信號，改善監控系統管理水平。
?。?）第三步——各品種模塊的研發(fā)。
為了達到真正的典型FCS系統的體系結構，必須做到關(guān)鍵模塊品種齊全，包括硬件與軟件的同時(shí)開(kāi)發(fā)。
?。?）第四步——FCS系統技術(shù)應用于化學(xué)水車(chē)間。
將各功能模塊植入化學(xué)水系統所有相關(guān)設備之中，全數字、雙向通信現場(chǎng)總線(xiàn)信號制網(wǎng)絡(luò )監控系統形成。此時(shí)，我們就可能全面的評價(jià)FCS系統技術(shù)所帶來(lái)的技術(shù)與經(jīng)濟效益，為FCS系統技術(shù)應用于電站內所有監控系統打下堅實(shí)的基礎。
?。?）第五步——FCS系統技術(shù)應用于電站。
在對化學(xué)水車(chē)間應用FCS系統技術(shù)總結分析的基礎上，就可以更為細致與確切地知道FCS系統技術(shù)應用于電站的關(guān)鍵技術(shù)、研發(fā)方向與項目?jì)热?，確定下一步研發(fā)重點(diǎn)，為FCS系統技術(shù)全面應用于電站鋪開(kāi)道路。
