摘要：介紹了一種新型控制系統(tǒng)FCS(fieldbus control system)的基本概念，在火電廠的應(yīng)用、存在的問(wèn)題及前景。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 火電廠 推廣應(yīng)用

　　20世紀(jì)80年代，DCS（數(shù)字式分散控制系統(tǒng)）開(kāi)始進(jìn)入電站自動(dòng)化控制領(lǐng)域，由于其在安全生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益等方面帶來(lái)的正面作用是以往任何一種控制系統(tǒng)無(wú)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(jī)組，無(wú)論是國(guó)產(chǎn)機(jī)組還是引進(jìn)機(jī)組，無(wú)一例外采用DCS，就連200MW、100MW機(jī)組也在使用DCS來(lái)進(jìn)行改造，甚至于一些自備電廠的25MW、12MW的火電機(jī)組也采用DCS系統(tǒng)。

　　那么，作為20世紀(jì)90年代才走向?qū)嵱没模谧詣?dòng)化領(lǐng)域內(nèi)最為新型的控制系統(tǒng)——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(fieldbus control system，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(diǎn)

　　根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC1158定義：安裝在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線。

　　以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS。即：現(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制室系統(tǒng)之間的一種開(kāi)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(gè)大系統(tǒng)，其控制器功能強(qiáng)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(kuò)容難度較大。而FCS功能下放較徹底，信息處理現(xiàn)場(chǎng)化，廣泛采用的數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置使得控制器功能與重要性相對(duì)減弱。因此，F(xiàn)CS系統(tǒng)投資起點(diǎn)低，可以邊用、邊擴(kuò)、邊投運(yùn)。

　　（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(kāi)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(chǎng)總線，達(dá)到最佳的系統(tǒng)集成。

　　（3） DCS系統(tǒng)的信息全都是二進(jìn)制或模擬信號(hào)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(guò)程，對(duì)自身進(jìn)行診斷、維護(hù)和組態(tài)。但是，由于其自身的致命弱點(diǎn)，其I/O信號(hào)采用傳統(tǒng)的模擬量信號(hào)，無(wú)法在DCS工程師站上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表（含變送器、執(zhí)行器等）進(jìn)行遠(yuǎn)方診斷、維護(hù)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(chǎng)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(cè)信息差錯(cuò)的功能。FCS系統(tǒng)采用雙向數(shù)字通信現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)制。因此，它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置（含變送器、執(zhí)行器等）進(jìn)行遠(yuǎn)方診斷、維護(hù)和組態(tài)。FCS系統(tǒng)這點(diǎn)優(yōu)越性是DCS系統(tǒng)無(wú)法比擬的。

　　（6） FCS系統(tǒng)由于信息處理現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(rèn)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(shí)也節(jié)省了設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)費(fèi)用，有專家認(rèn)為可以節(jié)省66％。

　　對(duì)于（6）、（7）兩點(diǎn)應(yīng)補(bǔ)充說(shuō)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(shuō)達(dá)60％～66％，尚有待給出客觀評(píng)價(jià)，盡管這些數(shù)字在多篇文章中出現(xiàn)，筆者認(rèn)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(shí)要慎重。

　　（8） FCS相對(duì)于DCS組態(tài)簡(jiǎn)單，由于結(jié)構(gòu)、性能標(biāo)準(zhǔn)化，便于安裝、運(yùn)行、維護(hù)。

　　（9） 用于過(guò)程控制的FCS設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)要點(diǎn)。這一點(diǎn)并不作為DCS的比較，只是說(shuō)明用于過(guò)程控制或者用于模擬連續(xù)過(guò)程類的FCS在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)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(diǎn)監(jiān)控并不需要很快的電子學(xué)的響應(yīng)時(shí)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(jì)上是有利的。

　　3） 流量、料位、溫度、壓力等參數(shù)的測(cè)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(duì)連續(xù)過(guò)程類及其儀器儀表而開(kāi)發(fā)的FCS系統(tǒng)，應(yīng)側(cè)重于低速總線H1的設(shè)計(jì)完善。

　　
2　FCS在火電廠的實(shí)際應(yīng)用
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS是一個(gè)新型的控制系統(tǒng)，進(jìn)入我國(guó)的時(shí)間還不算長(zhǎng)，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：Cegelec Alspa P320系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）應(yīng)用于我國(guó)華能珞璜電廠（4×360MW）二期工程（2×360MW）機(jī)組的自動(dòng)控制。該系統(tǒng)有31個(gè)雙冗余WorldFIP網(wǎng)絡(luò)，16個(gè)監(jiān)視和控制站，32臺(tái)冗余PLC，處理18000I/O點(diǎn)，50000點(diǎn)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(shí)間為50ms。　

　
　　華能珞璜電廠二期工程是從法國(guó)GEC ALSTOM集團(tuán)全套引進(jìn)的2×360MW燃煤發(fā)電機(jī)組。鍋爐由STEIN公司提供，汽輪機(jī)由STG公司提供，發(fā)電機(jī)由STG公司提供。已于1998年底全部投運(yùn)發(fā)電。

　　控制系統(tǒng)是法國(guó)CEGELCE公司提供的、20世紀(jì)90年代中期開(kāi)發(fā)推出的ALSPA P320控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了機(jī)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(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）采用法國(guó)GEC ALSTOM STG公司提供的MICROREC控制系統(tǒng)。

　　
　　ALSPA P320控制系統(tǒng)各部分通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)來(lái)相互通信，與其他控制部件可以方便地進(jìn)行通信。ALSPA P320有三大網(wǎng)絡(luò)：

　　LOCAFIP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)（WorldFIP），采用FIP標(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)準(zhǔn)（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(kù)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(biāo)準(zhǔn)。


　　通過(guò)INTERENT標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，P320可進(jìn)行長(zhǎng)距離通信，進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和大型電網(wǎng)控制。
　　例2：陜西省楊凌燃機(jī)熱電廠位于陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，采用德國(guó)Siemens公司生產(chǎn)的遵循Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的Simatic PCS7控制系統(tǒng)作為機(jī)、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(duì)冗余CPU－41H控制器。每一對(duì)冗余控制器均通過(guò)冗余的現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus－DP（最新數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)12Mbit/s）帶一定數(shù)量的遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展機(jī)架ET200M及I/O模件。由遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展機(jī)架和模件組成的遠(yuǎn)程I/O站均放置于現(xiàn)場(chǎng)附近，通過(guò)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(gè)ET200M遠(yuǎn)程機(jī)架，按工藝流程分成8個(gè)遠(yuǎn)程I/O站，放置在全廠8個(gè)不同位置，最遠(yuǎn)的一個(gè)遠(yuǎn)程I/O站——深井泵房遠(yuǎn)程I/O站距主廠區(qū)3.4km左右，其他的遠(yuǎn)程I/O站間距離在200m以內(nèi)。控制器與各遠(yuǎn)程I/O站間的通信是通過(guò)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線完成的，主廠區(qū)內(nèi)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸介質(zhì)為雙絞線，深井泵房遠(yuǎn)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(guò)光電轉(zhuǎn)換接口，與Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線相接。　

　　由于使用了Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)布置I/O機(jī)柜，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃機(jī)外圍設(shè)備、余熱鍋爐、汽機(jī)輔機(jī)、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(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了全廠各系統(tǒng)的集中監(jiān)控。自動(dòng)系統(tǒng)投入率達(dá)到100％，2001年8月系統(tǒng)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

　　例3：四川廣安電廠，采用遵循Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的L2-DP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，成功地將鍋爐補(bǔ)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(dòng)生產(chǎn)率及系統(tǒng)可靠性。

 3　FCS在火電廠局部應(yīng)用效果

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　　首先明確FCS的3個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)：

　　(1) 核心：FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，即總線標(biāo)準(zhǔn)。也就是說(shuō)，只有遵循現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的控制系統(tǒng)，才能稱為現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)裝置。數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)化。這是FCS系統(tǒng)效能的體現(xiàn)。

　　再來(lái)分析前面提到的火電廠應(yīng)用FCS的幾個(gè)例子。


　　在例1中，華能珞璜電廠的ALSPA 320控制系統(tǒng)，它的Loca Fip網(wǎng)絡(luò)與F900網(wǎng)絡(luò)均遵循WorldFip現(xiàn)場(chǎng)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(gè)非常典型的現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)。

　　在例2中，楊凌燃機(jī)熱電廠的Simaeic PCS7控制系統(tǒng)，控制器與各遠(yuǎn)程I/O間的通信是通過(guò)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)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(guò)冗余的環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)完成。

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

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

4　FCS在火電廠的應(yīng)用前景

　　（1） 現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算機(jī)、全數(shù)字、雙向通信的新型控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)給自動(dòng)化領(lǐng)域帶來(lái)了一場(chǎng)革命，代表了自動(dòng)化的發(fā)展方向。數(shù)字通信是一種趨勢(shì)，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(chǎng)總線信號(hào)制技術(shù)必將會(huì)給火電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及提高管理水平帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的效益。這是過(guò)去在電站中使用過(guò)的任何控制系統(tǒng)所無(wú)法與之相比擬的。

　　（2） 作為現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)行，這不僅消除了人們以前存有的許多疑團(tuán)，也為現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(jiàn)例3)。PLC作為一個(gè)站掛在高速總線上，充分發(fā)揮PLC在處理開(kāi)關(guān)量方向的優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間內(nèi)火電廠輔助車間適度集中控制方針得以實(shí)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(chǎng)裝置的品種還很少，理論上的現(xiàn)場(chǎng)總線效益還不能充分發(fā)揮。因此，在大型機(jī)組上全面采用典型的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的時(shí)機(jī)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(guò)渡性的控制系統(tǒng)，它既保留了DCS系統(tǒng)中功能很強(qiáng)的控制器及I/O模件，同時(shí)在通信網(wǎng)絡(luò)又遵循現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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。

5　參考文獻(xiàn)

　　［1］　周明.現(xiàn)場(chǎng)總線控制. 北京：中國(guó)電力出版社，2002.