火电厂自动化与现场总线控制系统

　　进入20世纪90年代，现场总线控制系统（FCS，FieldbusControlSystem）走向实用化。目前已成为自动化技术中的一个热点，已有不少论文和专著相继发表，对现场总线控制系统作了专门介绍。现在的关键是如何研究、开发、应用，使之在火电厂自动化中发挥效益。
　　
　　一、FCS系统的技术、经济优势
　　
　　目前，DCS（DistributedControlSystem）分散控制系统己普遍应用于电站，为什么还要研发FCS系统，与DCS相比FCS的技术、经济优势在哪里?
　　
　　l.FCS与DCS的差异要点
　　
　　从系统的体系结构、信号制、通信协议、现场装置、应用范围等方面，人们可以列出许多项FCS与DCS的系统差异。作为针对技术、经济比较的系统差异，有下列两项重点:
　　
　　（1）信号制。
　　
　　DCS系统采用的是模拟量、开关量、数字信号混合系统信号制，而且是单向的。FCS系统采用的是全数字、双向通信现场总线信号制。
　　
　　（2）现场装置。
　　
　　DCS系统使用的是模拟式单功能仪表、变送器、执行机构。虽然有时也称为"智能"现场装置，但主要是指在装置安装调试期间的智能功能。
　　
　　FCS系统使用的是全数字化、智能、多功能现场装置。带有控制器功能，除能输出数字化的工艺参数信号外，还能输出数字化的状态信号。
　　
　　2.FCS系统的技术、经济优势
　　
　　（l）FCS系统采用的是全数字通信，这本身就是一大优势。我们知道，数字通信是目前技术发展的趋势，在信息时代的今天尤为突出。
　　
　　（2）FCS系统采用全数宇通信，正因为此，就有可能用一对双线电缆连接分散的智能现场装置至中央控制室，而模拟信号则无法做到，具体可参见图1。
　　
　　图l（a）为传统的过程控制系统（DCS），每个现场装置到控制室都需使用一对的双绞线，用于传递4～2OmA信号;图l（b）所示为现场总线控制系统，其中每个现场装置到接线盒的双绞线仍然可以使用，但从现场接线盒到中央控制室仅用一根双绞线完成数宇通信。省去了大量信号电缆。在省去电缆的同时也就相应省去了大量的电缆桥架及电缆敷设，也节省了设计、安装和维护的费用。人们还应注意到，信号电缆省去了，相当数量的信号隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜都省掉了，这些设备的占用空间与占地面积也节省了（某电厂DCS电子间约占800m2）。
　　
　　（3）FCS系统采用的是全数字、双向通信现场总线信号制，就能实现将控制室中央控制器的控制策略直接下载到现场装置之中，现场装置中的控制策略、工艺参数信号也能上传至中央控制器，更有意义的是，现场装置中所反映的状态信号也能上传至中央控制室，这不仅可以做到变"设备故障检修"为"设备状态维修"，更重要的是，大量的现场实时信息，为管理决策提供了基础。在这方面取得的经济效益，不是用简单的数字能表示的。
　　
　　（4）FCS系统的现场装置为全数字化、智能、多功能现场装置，带有控制器功能，这样就可以做到将中央控制器的控制功能（DCS）分散下放到现场装置之中。减少中央控制器的配置及复杂程度，也省去了大量的设计工作量。据初步设计估算，对于电站，可以下放到现场装置中的控制系统数约占总线的73%。当然在功能组级档以上较为复杂的控制系统，目前尚不具备下放至现场装置的条件。这部分控制功能的实现，将在下面进行叙述。
　　
　　二、FCS在电站的应用
　　
　　1.在国内外FCS没有应用于大型电站的示例
　　
　　FCS系统进入我国时，远比不上DCS系统进入我国时成熟。20世纪80年代末期，DCS系统进入我国电站时，国外己有多个DCS系统用于大型工程的示例。据调研，到目前为止，FCS系统仍以中、小型工程的示例居多。国内外，在大型火电厂内统一的现场总线控制网络的模型全部，即设备层、监控层、远程监控层上均使用现场总线的范例，还未见报导。
　　
　　2.PLC联网控制
　　
　　FCS系统在火电厂已有局部使用，其中有一例是成功的。即四川广安电厂，采用遵循Profibus现场总线协议的L2-DP网络技术，将该厂的锅炉补给水与凝结水精处理控制系统等辅助车间控制系统联网，提高了火电厂辅助车间控制的劳动生产率及系统可靠性。
　　
　　3.FDCS的应用
　　
　　我们将在通信和数据传输方面遵循现场总线协议的数字式分散控制系统称之为FDCS控制系统。该类系统在对外的功能及本身的体系结构，与DCS系统并无多少差别，但在通信和数据传输方面遵循现场总线协议标准。
　　
　　该类型系统目前国内有两种，具体如下:
　　
　　（1）*种系统为ALSPAP320控制系统，应用于华能珞璜电厂二期工程。
　　
　　AISSPAP320有三大网络:LOCVTAFIP现场总线网络，遵循WorldFIP标准;F900数据总线，遵循WorldFIP标准;CONTRONET控制网，使用以太网技术。
　　
　　（2）第二种系统为SimatiCPCS7控制系统，应用于杨凌燃机热电厂燃气-蒸汽联合循环发电机组。
　　
　　每一对冗余控制器均通过冗余的现场总线Pro-fibus-DP（zui高数据传输速率可达12Mbit/s）带一定数量的远程I/O扩展机架ET2OOM及I/O模件;控制器与控制器之间、控制器与服务器之间的数据通信是通过冗余的环型工业以太网来完成的。网络速率1OOMbit/s。
　　
　　4.拟采用FCS系统的企业自备电厂
　　
　　山东滨州化工厂自备电厂35t/h锅炉与邯郸钢铁厂75t/h循环流化床锅炉控制，拟采用遵循FF现场总线协议技术的SmarSystem320控制系统实施控制。
　　
　　该项目的工程实践，是一个比较完整的FCS控制系统。有关锅炉闭环控制框图参见图2，从图中可以看出，要实现一个闭环控制系统，需在多台数字智能现场装置之间进行信息交换。现场的执行机构与变送器皆采用附有控制器功能的数字式智能现场装置，用以实现闭环控制功能，做到了"信息处理现场化"。部分顺序控制功能由可编程序逻辑控制器PLC（图2中的MA18、MA19）来实现，并与现场附有控制器功能的数字智能现场装置进行信息交换。
　　
　　5.FCS系统在电站应用评述
　　
　　（1）电站中，以PLC为硬件的顺序控制系统，用FCS总线进行联网控制，是一个很好的选择，并可取得良好的效果。
　　
　　（2）FDCS系统虽算不上完整、典型的FCS系统，但它的成功使用，是现场总线在火电厂大型机组控制系统应用的很好尝试。
　　
　　（3）SmarSystem320控制系统在火电厂中小型机组锅炉控制中的应用，可以作为FCS系统在大型火电机组上应用很好的借鉴。
　　
　　（4）电站中较为复杂的控制系统，以及实时性要求较高的控制系统，以目前FCS系统的技术水平来实施，还有一定的难度。有待进一步开发研究。
　　
　　（5）FCS是电火电厂实现现代化管埋和运营的必然选择。
　　
　　1）厂网分开将促进火电厂实现企业综合自动化:厂网分开体制改革实现后，电厂将相对独立地参与市场竞争。实现包括基础自动化、管埋自动化和决策自动化的高层次综合自动化是电厂的必然选择。
　　
　　2）FCS是消灭火电厂"信息孤岛"的武器:FCS的现场智能设备能将大量现场信息送上通信网络，这是DCS、PLC无法实现的。这些实时信息为企业综合自动化所必需，也是发电集团企业信息集成的基础。
　　
　　3）电厂对综合经济性的重视将青睬于FCS:FCS在提供高层次控制、管埋性能的同时，使系统在其生命周期中的投资大大低于DCS。电厂在重视长期的综合经济性和效益时，FCS的价格优势就明显了。
　　
　　三、目前电厂应用FCS的障碍
　　
　　l.FCS的效益是综合的、长期的
　　
　　FCS只有和全厂的管理自动化与决策自动化等高层次综合自动化相结合，才能更好地发挥其效益。且时间越长效益越明显。
　　
　　2.智能现场装置可选品种大少
　　
　　目前，遵循现场总线协议的数字智能现场装置，其协议标准很多，但其品种规格供选择的却明显不足，例如，FF的Hl开发已10多年了，但到2001年5月31日为止，还只有30余种、83个规格的产品正式注册可供正式选用。83个产品中还包括同一规格不同厂商、公司的产品，在30余种中包括光纤压力变送器、光纤温度变送器、模拟工具、记录仪这些不常用的在内。而且目前注册过的产品，我国国产的极少。目前在FF组织的上仅检索到北京华控公司有一种（温度变送器）通过注册，在ProfibuS组织的上未检索到中国产品。
　　
　　3.电站特殊工艺要求
　　
　　在电站的某些热工过程控制系统中需要高速的开关量或模拟量控制系统。例如:事件顺序记录系统（SOE）、汽轮机数字式电液控制系统以及顺序控制系统与保护系统中的快关、快开控制等。事件顺序记录系统等需要1～2ms的分辨率，而汽轮机数字式电液控制系统等需要lOms左右的控制周期。以目前FCS系统的体系结构与通信技术，满足不了上述控制系统的功能要求。
　　
　　4.复杂系统控制
　　
　　FCS系统，对于简单的控制系统，可以现场解决，参见图3。而对于复杂系统则需要在多台智能装置之间进行信息交换，系统可靠性降低。
　　
　　四、研发FCS路径的探讨
　　
　　l.FCS系统工程应用研究
　　
　　虽然FCS系统现有的技术在大型火电机组上全面应用还存在一些难点，但是，利用FCS系统的现有技术，积极开展FCS系统在大型火电机组局部控制领域的应用，不仅大有可为，而且十分重要。它可以让我们更深入地掌握FCS系统的技术，这主要是因为理论上的认知深度远比不上工程实践理解的深度。
　　
　　2.电站辅助车间FCS的构建和信息系统研究
　　
　　火电厂辅助车间适度集中控制，是目前在电站内达到减员增效十分有效的措施，将电站内数十个辅助车间，适度集中为水、煤、灰等3～4个控制中心，运行人员可大幅度减少，现阶段正在推广之中。而FCS系统技术在这方面能充分发挥其功能效益，因为该种配置*符合FCS的设计思想。当然也有其他一些研究课题。
　　
　　3.SCS与MCS混合控制系统研究
　　
　　今天的PLC已十分成熟与完善，更重要的是，它不断向DCS系统"渗透"，开发了诸多的模拟量闭环控制功能。从一定程度上讲，PLC集开关量顺序控制与模拟量闭环控制于一身。当然，处理开关量顺序控制仍旧是PLC的特点。电站中某些较为复杂的功能组级档以上的MCS系统，而且又是与电站中SCS系统，在工艺上有密切关连的那些MCS系统，由PLC来实现其控制功能。
　　
　　4.用于电站的智能现场装置研究
　　
　　对于电站而言，供选择的智能现场装置品种规格太少。而数字智能现场装置是现场总线的基础，与DCS不同，采用现场总线后，由于现场设备运行的实时信息可通过现场总线与控制系统进行交互，所以各级用户都可以随时查询数字智能现场装置用网络的运行状态，还可以在线标定、校准、修改各种设备的性能参数和运行参数，从根本上解决了控制系统中zui基本的测控信息的实时传递，对现场设备实现远程监控、故障诊断和状态维修提供了技术支撑。所以，没有数字智能现场装置，FCS系统的许多优越性无法发挥，也就失去了使用FCS系统技术的真正意义。
　　
　　5.电站特殊工艺要求的FCS系统研究
　　
　　高可靠性的具有毫秒级时间同步的现场总线技术的开发研究，是将FCS系统技术用于大型火电机组控制中的关键技术之一。
　　
　　6.网关、网桥控制器研究
　　
　　参见图4。如果我们能扩大、增强网关、网桥控制器的控制功能，以此来实现电站中功能组级档以上控制系统的控制功能，这也是扩大FCS系统技术在大型火电机组中应用的一个可行方案。这就相当于在系统体系结构中增加一层中层控制器。
　　
　　7.FCS与DCS网络集成的开发研究
　　
　　FCS与DCS网络集成方案有两种：一种方案，即DCS主机为一个普通节点，采用网关将DCS网络挂接到高速网络上。另一种方案，即将DCS系统视为主体，将现场总线系统挂接在DCS系统的网络上。
　　
　　8.研发FCS系统的切入点
　　
　　研发FCS系统，以从研发电站辅助车间FCS监控和信息系统作为突破口。进一步分析论证，又以电站的化学水车间作为切入点。其理由如下：
　　
　　（1）电站辅助车间的布局比较接近石化等行业的状况，即地域分布较广，设备较为分散，有利于FCS系统优势的发挥与体现。也可利用FCS系统成功应用于石化行业的工程点作为借鉴。
　　
　　（2）电站辅助车间的自动化水平近几年虽有提高，但相对于电站主厂房内机组自动化水平仍有较大差距。FCS系统在该领域的研发与实施，有利于自动化水平提高后效果的体现。
　　
　　（3）电站辅助车间控制系统的规模，相对于主厂房内机组的控制系统要小，投资规模相对也小，相对而言，资金投入的风险也小。
　　
　　（4）电站辅助车间规模相对虽小，但是，其设备品种繁多，在该领域FCS系统的研发与应用，有利于取得全面研发FCS的经验，进一步明确电站用FCS系统的研发方向与项目内容。也增加电站行业对FCS系统的认识与了解。
　　
　　（5）电站化学水系统是电厂重要的辅助车间和辅助系统，由于电厂化学系统对于整个电厂而言是一个相对独立的系统，与其他主体专业相关性不是很强，同时，电厂化学水系统因为监视控制点比较分散，难以纳入传统DCS控制系统中进行系统化改造，致使化学专业自动化水平、信息集成化水平相对落后。
　　
　　目前大部分新建、扩建的大容量电厂的化学水处理系统多采用PLC程控方式对该系统进行监视控制。由于机组容量的增加，化学水处理等辅机容量亦相应增大，造成PLC控制系统I/O测点的增加，各类模件增加，机柜数量庞大，系统复杂。
　　
　　针对目前火力发电厂化学水系统设备布置分散，汽水取样、自动加药、繁多的常规测点等现状，FCS系统的全数字、双向通信现场总线信号制，特别适合于化学水处理系统的现状。简单地讲，以现场总线为链，把单个分散的化学水处理系统测量、控制设备变成网络节点，进行信息互换，组成网络系统，实现汽水取样、自动加药、水处理等各项监控系统功能一体化。
　　
　　9.实施步骤
　　
　　为了实现全数字、双向通信，必须将网络节点上各种设备的输入、输出信号全部变为数字信号，各现场装置必须达到现场总线控制系统数字智能现场装置的要求。为此，必须开发相应的功能模块。化学水监控系统相对于主厂内的机组监控系统，其系统规模要小得多，但其设备品种，可谓是"麻雀虽小，五脏俱全"。因此，要*达到FCS系统典型配置的水平，研发工作量相当大，时间周期长，投资规模大，风险也大。所以，以分步实施为宜。
　　
　　（1）*步——联网控制。
　　
　　将化学水车间的化学水监测、化学水程控，自动加药等几大部分工艺系统，分别纳入各自的PLC控制范围之内，再将这些符合现场总线信号制的PLC进行联网控制，形成初级的综合监控管理系统。
　　
　　（2）第二步——重点设备信号制改造。
　　
　　也就是进行信号制改造，即进入真正的现场总线信号制阶段。由于要研发的品种太多，资金投入量大，所以只能从个别重点设备开始进行改制。百先采用数字智能化学水监测仪表。以引入其状态信号，改善监控系统管理水平。
　　
　　（3）第三步——各品种模块的研发。
　　
　　为了达到真正的典型FCS系统的体系结构，必须做到关键模块品种齐全，包括硬件与软件的同时开发。
　　
　　（4）第四步——FCS系统技术应用于化学水车间。
　　
　　将各功能模块植入化学水系统所有相关设备之中，全数字、双向通信现场总线信号制网络监控系统形成。此时，我们就可能全面的评价FCS系统技术所带来的技术与经济效益，为FCS系统技术应用于电站内所有监控系统打下坚实的基础。
　　
　　（5）第五步——FCS系统技术应用于电站。
　　
　　在对化学水车间应用FCS系统技术总结分析的基础上，就可以更为细致与确切地知道FCS系统技术应用于电站的关键技术、研发方向与项目内容，确定下一步研发重点，为FCS系统技术全面应用于电站铺开道路。