FCS系統(tǒng)的特點優(yōu)勢及在火電廠的應(yīng)用與發(fā)展前景分析

20世紀80年代，DCS（數(shù)字式分散控制系統(tǒng)）開始進入電站自動化控制領(lǐng)域，由于其在安全生產(chǎn)與經(jīng)濟效益等方面帶來的正面作用是以往任何一種控制系統(tǒng)無法與其相提并論的，因此，DCS在電站被廣泛使用。

目前300MW以上機組，無論是國產(chǎn)機組還是引進機組，無一例外采用DCS，就連200MW、100MW機組也在使用DCS來進行改造，甚至于一些自備電廠的25MW、12MW的火電機組也采用DCS系統(tǒng)。

那么，作為20世紀90年代才走向?qū)嵱没?，在自動化領(lǐng)域內(nèi)最為新型的控制系統(tǒng)——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（fieldbuscontrolsystem，F(xiàn)CS），能否也像DCS系統(tǒng)一樣被電站接受并廣為推廣使用？

1、FCS與DCS相比較最顯著的特點

根據(jù)國際電工委員會IEC1158定義：安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。

以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS。即：現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制室系統(tǒng)之間的一種開放、全數(shù)字化、雙向通信與多站的通信系統(tǒng)。

DCS與FCS的具體比較如下：

（1）DCS系統(tǒng)是個大系統(tǒng)，其控制器功能強而且在系統(tǒng)中的作用十分重要，數(shù)據(jù)公路更是系統(tǒng)的關(guān)鍵，所以必須整體投資一步到位，事后擴容難度較大。而FCS功能下放較徹底，信息處理現(xiàn)場化，廣泛采用的數(shù)字智能現(xiàn)場裝置使得控制器功能與重要性相對減弱。因此，F(xiàn)CS系統(tǒng)投資起點低，可以邊用、邊擴、邊投運。

（2）DCS系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng)，各公司產(chǎn)品基本互不兼容。而FCS系統(tǒng)是開放式系統(tǒng)，用戶可以選擇不同廠商、不同品牌的各種設(shè)備連入現(xiàn)場總線，達到最佳的系統(tǒng)集成。

（3）DCS系統(tǒng)的信息全都是二進制或模擬信號形成的，必須有D/A與A/D轉(zhuǎn)換。而FCS系統(tǒng)是全數(shù)字化，免去了D/A與A/D變換，高集成化高性能，使精度可以從±0.5%提高到±0.1%。

（4）FCS系統(tǒng)可以將PID閉環(huán)控制功能裝入變送器或執(zhí)行器中，縮短了控制周期，目前可以從DCS的2～5次/s，提高到FCS的10～20次/s，從而改善調(diào)節(jié)性能。

（5）DCS系統(tǒng)可以控制和監(jiān)視工藝全過程，對自身進行診斷、維護和組態(tài)。但是，由于其自身的致命弱點，其I/O信號采用傳統(tǒng)的模擬量信號，無法在DCS工程師站上對現(xiàn)場儀表（含變送器、執(zhí)行器等）進行遠方診斷、維護和組態(tài)。FCS系統(tǒng)采用全數(shù)字化技術(shù)，數(shù)字智能現(xiàn)場裝置發(fā)送多變量信息，而不僅僅是單變量信息，并且還具備檢測信息差錯的功能。FCS系統(tǒng)采用雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制。因此，它可以對現(xiàn)場裝置（含變送器、執(zhí)行器等）進行遠方診斷、維護和組態(tài)。FCS系統(tǒng)這點優(yōu)越性是DCS系統(tǒng)無法比擬的。

（6）FCS系統(tǒng)由于信息處理現(xiàn)場化，與DCS系統(tǒng)相比，可以省去相當(dāng)數(shù)量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同時也節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積，有專家認為可以節(jié)省60%。

（7）與（6）同樣的理由，F(xiàn)CS系統(tǒng)可以減少大量電纜與敷設(shè)電纜用的橋架等，同時也節(jié)省了設(shè)計、安裝和維護費用，有專家認為可以節(jié)省66%。

對于（6）、（7）兩點應(yīng)補充說明的是，采用FCS系統(tǒng)，節(jié)省投資的效果是勿庸置疑的，但是否如有的專家所說達60%～66%，尚有待給出客觀評價，盡管這些數(shù)字在多篇文章中出現(xiàn)，筆者認為這是相互轉(zhuǎn)摘的結(jié)果，目前還未找到這些數(shù)字的原始出處。因此，讀者在引用這些數(shù)字時要慎重。

（8）FCS相對于DCS組態(tài)簡單，由于結(jié)構(gòu)、性能標準化，便于安裝、運行、維護。

（9）用于過程控制的FCS設(shè)計開發(fā)要點。這一點并不作為DCS的比較，只是說明用于過程控制或者用于模擬連續(xù)過程類的FCS在設(shè)計開發(fā)中應(yīng)重點考慮的問題。

1）要求總線本安防爆功能，而且是頭等重要的。

2）基本監(jiān)控如流量、料位、溫度、壓力等的變化是緩慢的，而且還有滯后效應(yīng)，因此，節(jié)點監(jiān)控并不需要很快的電子學(xué)的響應(yīng)時間，但要求有復(fù)雜的模擬量處理能力。這一物理特征決定了系統(tǒng)基本上多采用主-從之間的集中輪詢制，這在技術(shù)上是合理的，在經(jīng)濟上是有利的。

3）流量、料位、溫度、壓力等參數(shù)的測量，其物理原理是古典的，但傳感器、變送器及控制器應(yīng)向數(shù)字智能化發(fā)展。

4）作為針對連續(xù)過程類及其儀器儀表而開發(fā)的FCS系統(tǒng)，應(yīng)側(cè)重于低速總線H1的設(shè)計完善。

2FCS在火電廠的實際應(yīng)用

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是一個新型的控制系統(tǒng)，進入我國的時間還不算長，目前在火電廠的應(yīng)用還處于局部領(lǐng)域使用的階段。

例1:CegelecAlspaP320系統(tǒng)（見圖1）應(yīng)用于我國華能珞璜電廠（4×360MW）二期工程（2×360MW）機組的自動控制。該系統(tǒng)有31個雙冗余WorldFIP網(wǎng)絡(luò)，16個監(jiān)視和控制站，32臺冗余PLC，處理18000I/O點，50000點控制數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用雙絞線媒體，操作站冗余并有后備站，系統(tǒng)典型的響應(yīng)時間為50ms。

華能珞璜電廠二期工程是從法國GECALSTOM集團全套引進的2×360？MW燃煤發(fā)電機組。鍋爐由STEIN公司提供，汽輪機由STG公司提供，發(fā)電機由STG公司提供。已于1998年底全部投運發(fā)電控制系統(tǒng)是法國CEGELCE公司提供的、20世紀90年代中期開發(fā)推出的ALSPAP320控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了機組的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、閉環(huán)控制系統(tǒng)（MCS）、順序控制系統(tǒng)（SCS）與燃燒器管理系統(tǒng)（BMS）等主要功能。汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）采用法國GECALSTOMSTG公司提供的MICROREC控制系統(tǒng)。

ALSPAP320控制系統(tǒng)各部分通過標準網(wǎng)絡(luò)來相互通信，與其他控制部件可以方便地進行通信。ALSPAP320有三大網(wǎng)絡(luò)：

LOCAFIP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)（WorldFIP），采用FIP標準（UTEC64＋601607），用于鏈接輸入輸出模板到P320的C370控制器。

F900數(shù)據(jù)總線（WordlFIP），用于C370控制器之間的數(shù)據(jù)交換和C370控制器與CENTRALOG通信。F900是一種快速的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，基于IEEE的FIP標準（UTEC64＋601607）的工業(yè)局域網(wǎng)。

CONTRONET控制網(wǎng)使用以太網(wǎng)技術(shù)，用于集中控制層CENTRALOG數(shù)據(jù)庫與操作員工作站之間的數(shù)據(jù)交換。CONTRONET遵照IEEE803.3局域網(wǎng)標準。通過INTERENT標準協(xié)議，P320可進行長距離通信，進行遠程維護和大型電網(wǎng)控制?！?/p>

例2：陜西省楊凌燃機熱電廠位于陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，采用德國Siemens公司生產(chǎn)的遵循Profibus現(xiàn)場總線協(xié)議的SimaticPCS7控制系統(tǒng)作為機、爐、電的集中控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)配置圖如圖2所示。

該系統(tǒng)共配置3對冗余CPU－41H控制器。每一對冗余控制器均通過冗余的現(xiàn)場總線Profibus－DP（最新數(shù)據(jù)傳輸速率可達12Mbit/s）帶一定數(shù)量的遠程I/O擴展機架ET200M及I/O模件。由遠程I/O擴展機架和模件組成的遠程I/O站均放置于現(xiàn)場附近，通過Profibus－DP總線與放置在主控樓的冗余控制器通信

該系統(tǒng)共配置32個ET200M遠程機架，按工藝流程分成8個遠程I/O站，放置在全廠8個不同位置，最遠的一個遠程I/O站——深井泵房遠程I/O站距主廠區(qū)3.4？km左右，其他的遠程I/O站間距離在200？m以內(nèi)?？刂破髋c各遠程I/O站間的通信是通過Profibus-DP現(xiàn)場總線完成的，主廠區(qū)內(nèi)Profibus-DP現(xiàn)場總線傳輸介質(zhì)為雙絞線，深井泵房遠程I/O站與主廠區(qū)間的？數(shù)據(jù)通信采用光纖作為傳輸介質(zhì)，兩端？通過光電轉(zhuǎn)？換接口，與Profibus-DP現(xiàn)場總線相接。

由于使用了Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)，現(xiàn)場布置I/O機柜，實現(xiàn)了對燃機外圍設(shè)備、余熱鍋爐、汽機輔機、循環(huán)水泵房、綜合水泵房、深井泵房、廠用電氣系統(tǒng)、110？kV升壓站等系統(tǒng)與主控環(huán)的服務(wù)器進行雙向數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了全廠各系統(tǒng)的集中監(jiān)控。自動系統(tǒng)投入率達到100％，2001年8月系統(tǒng)投入商業(yè)運營。

例3：四川廣安電廠，采用遵循Profibus現(xiàn)場總線協(xié)議的L2-DP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，成功地將鍋爐補給水控制系統(tǒng)與凝結(jié)水精處理控制系統(tǒng)控制等輔助車間控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，提高了火電廠輔助車間控制的勞動生產(chǎn)率及系統(tǒng)可靠性。

3FCS在火電廠局部應(yīng)用效果

首先明確FCS的3個關(guān)鍵要點：

（1）核心：FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，即總線標準。也就是說，只有遵循現(xiàn)場總線協(xié)議的控制系統(tǒng)，才能稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

（2）基礎(chǔ)：FCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置。數(shù)字智能現(xiàn)場裝置是FCS系統(tǒng)的硬件支撐。

（3）本質(zhì)：FCS系統(tǒng)的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化。這是FCS系統(tǒng)效能的體現(xiàn)。

再來分析前面提到的火電廠應(yīng)用FCS的幾個例子。

在例1中，華能珞璜電廠的ALSPA320控制系統(tǒng)，它的LocaFip網(wǎng)絡(luò)與F900網(wǎng)絡(luò)均遵循WorldFip現(xiàn)場總線的總線協(xié)議，CONTRONET控制網(wǎng)采用以太網(wǎng)技術(shù)。這是一個非常典型的現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)。

在例2中，楊凌燃機熱電廠的SimaeicPCS7控制系統(tǒng)，控制器與各遠程I/O間的通信是通過Profibus-DP現(xiàn)場總線來完成。控制器與控制器之間、控制器與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信是通過冗余的環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)來完成。

上述兩例子中，在通信網(wǎng)絡(luò)方面均遵循現(xiàn)場總線協(xié)議，即都含有做為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的核心部分，但另一個共同特點是都沒有采用數(shù)字智能現(xiàn)場裝置，仍采用模擬量的測量元件和執(zhí)行機構(gòu)，不具備現(xiàn)場控制功能。失去了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的硬件支撐，信息處理現(xiàn)場化就不能實現(xiàn)，也就是說現(xiàn)場總線的突出特點——降低系統(tǒng)投資成本、減少運行費用和提高運行和管理水平等，未能充分發(fā)揮出來。

例3則是目前現(xiàn)場總線在火電廠局部應(yīng)用中的一個成功典型。

4FCS在火電廠的應(yīng)用前景

（1）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是目前最新型的控制系統(tǒng)，它是一種全計算機、全數(shù)字、雙向通信的新型控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線技術(shù)給自動化領(lǐng)域帶來了一場革命，代表了自動化的發(fā)展方向。數(shù)字通信是一種趨勢，也是技術(shù)發(fā)展的必然。從理論上講，雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制技術(shù)必將會給火電廠安全經(jīng)濟運行及提高管理水平帶來實實在在的效益。這是過去在電站中使用過的任何控制系統(tǒng)所無法與之相比擬的。

（2）作為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的核心部分——總線協(xié)議，已經(jīng)在火電廠控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)中成功運行，這不僅消除了人們以前存有的許多疑團，也為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在火電廠推廣應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

（3）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，在以順序控制為主，以PLC（可編程邏輯控制器）為硬件的火電廠輔助車間控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)控制中，可以發(fā)揮最大效益（見例3）。PLC作為一個站掛在高速總線上，充分發(fā)揮PLC在處理開關(guān)量方向的優(yōu)勢。現(xiàn)場總線在該領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得成功，這將是今后一段時間內(nèi)火電廠輔助車間適度集中控制方針得以實現(xiàn)的一種優(yōu)選方案。

（4）由于目前能滿足火電廠控制要求的數(shù)字式智能現(xiàn)場裝置的品種還很少，理論上的現(xiàn)場總線效益還不能充分發(fā)揮。因此，在大型機組上全面采用典型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的時機尚未成熟。

（5）目前，像例1、例2的控制系統(tǒng)不失是一種向FCS過渡性的控制系統(tǒng)，它既保留了DCS系統(tǒng)中功能很強的控制器及I/O模件，同時在通信網(wǎng)絡(luò)又遵循現(xiàn)場總線協(xié)議。我們將該系統(tǒng)稱之為在通信和數(shù)據(jù)傳輸方向遵循現(xiàn)場總線協(xié)議的數(shù)字式分散控制系統(tǒng)，暫稱該系統(tǒng)為FDCS。

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