火电厂与现场总线控制系统FCS

　　一、前言
　　
　　发电厂是一个大型、复杂、快速而又相当精密的控制对象，例如汽轮机虽如此庞大，但对其制造精度的要求一点也不低于对世界上zui为精密的瑞士机械手表的精度要求，发电厂许多设备的响应速度都是以毫秒级单位来计算的……。正因为如此，电站对新型控制系统及新技术有着强烈的渴望。早在五十至六十年代，发电厂的自动化程度就是国民经济各行各业中zui高的，它当时采用的新型仪表与的闭环控制系统，是在其它行业里见不到的。
　　
　　但是，由于电站运行的特殊机理及在国民经济中的特殊地位，使得它在对待新型控制系统的采用上存在着复杂的矛盾状态。一方面是对新型控制系统的渴望，尤其是对于大容量、高参数的发电机组，若没有热工自动化，已到了无法运行的地步；但又因为对运行可靠性的特殊要求，使得发电厂在采用新型控制系统方面又显得十分的谨慎，有时甚至十分保守。我们是否可以得出这样一种印象，即在九十年代才走向实用化的新型控制系统FCS，短期内在电站被广泛采用似乎是不可能的。现在需要补充说明的是，十余年前DCS系统在电站的应用情况大家应当记亿犹新。当初明文规定，只准在300MW以上火电机组上试点采用DCS，但是行文的油墨末干，DCS系统在电站已被广泛采用。目前，300MW以上的火电机组，不论是国产机组还是引进机组，都无一例外的采用DCS，就连200MW、100MW机组也在使用
　　
　　DCS来进行改造，甚至于一些自备电厂的25MW、12MW的火电机组也采用了DCS系统。这主要是由于DCS系统给电站安全生产与经济效益等方面带来的正面作用，是以往任何控制系统无法与其相提并论的。那么，FCS系统又会怎样呢?’
　　
　　在论坛、讲座及技术交流会上，FCS系统组织或公司的发言人在他们的发言中谈及他们开发的FCS时，我们可能会听到这样的话，即他们开发的FCS系统适用于电站，或者说该系统的应用领域包含电站。但是，在他们的产品说明书或正式文本中是找不到上述内容的，是不会将电站写到他们开发的FCS系统的应用范围之内的。到目前为止，还未发现有哪一种FCS的说明书，将电站写入他们的控制对象中。在DCS的早期文件中，曾发现有这样一段话：本系统适用领域只限于石油化工厂之类的加工工业。事实上，该系统在电站应用后，效果也很理想。为什么会出现这样的现象呢?当初，DCS系统的比照方是电子模拟式系统，后者在发电厂已运行多年，经过不断的改进和完善，其形式和应用已十分明确。但是，DCS系统是针对工业过程控制而开发的，它有许多种不同的形式，而电站只是过程控制中的一大
　　
　　类，因此DCS系统的有些形式并不适用于电站，或者说，DCS系统的有些形式要经过针对电站的改变，才能很好的发挥效益。
　　
　　今天的FCS系统比照DCS系统，与当年的DCS系统比照电子模拟式系统的情况有许多相似之处。不过，今天的FCS系统，就其总体而言，它的适用范围要比DCS系统宽得多。但就每一种FCS系统，又都有其特定的适用领域。就算那些针对过程控制而开发的F．CS系统，其开发商也不会冒然将其适用领域随便扩展到电站这个特殊的用户上。对电站而言，在FCS系统的应用上，拟定严格而具体的要求，确定正确的使用方法，就显得尤为重要。·
　　
　　二、电站的I／O特点
　　
　　发电厂在主厂房以内的设备布局存在下列特点，即测点密集、现场装置密集、设备立体布置，它的厂域比起石油化工企业要小得多。现场总线技术适合于分散的、具有通信接口的现场受控设备的系统。现场总线技术的FCS系统的重要优势之一，就是能节省大量的现场布线成本。而对于具有集中I／O的单机控制系统，FCS系统在这方面没有明显优势，发电厂就是属于这种具有集中FO的单机控制系统。因此作者认为，在发电厂采用FCS以后，在布线成本的节省方面，不会像有的专家所说可达到60~66％的程度。
　　
　　目前，发电厂正在进行辅助车间和系统适度集中控制的工作，对此项工作，FCS也许可以发挥其优势。因为FCS系统的另一优势是，它执行的是双向数字通信现场总线信号制，可以实现远程诊断。而电厂的辅助车间相距较远，FCS系统所具有的节省布线成本、远程诊断的优势可以得到充分发挥。
　　
　　三、控制系统的复杂性
　　
　　火电厂自动化监控系统主要有四大内容
　　
　　（1）数据采集系统（DAS）
　　
　　（2）模拟量控制系统（MCS）
　　
　　（3）Jl顷序控制系统（SCS）
　　
　　（4）报警保护系统（APS）
　　
　　作为DAS系统，主要采集全厂信息。对于地域分散的各个点的信息采集，FCS可以发挥其*性，即便对于信息相对集中的测点，也可采取区域集中采集方式，再通过网桥挂到高速总线上去。而对于MCS、SCS、APS等系统，由于系统复杂程度各异，FCS系统的*性体现也就有所不同。
　　
　　对于火电厂的MCS系统，以300MW火电机组为例，不分难易复杂程度，每台机组约有110套模拟量闭环控制系统。在这些MCS系统中，作为执行级一级的MCS系统，多数为只有一个被调量（输出）和一个调节量（控制输入）的单变量调节对象，而单回路反馈系统是实现单变量调节对象自动调节的zui简单系统。对于这类单冲量、单回路调节系统，FCSzui能发挥其优势。作为功能组一级的MCS系统，其复杂程度有所增加，有时为了改善调节品质加入一些前馈信号、反馈信号、校正信号等，构成复合调节系统。像这样多冲量控制系统或多执行器控制系统，FCS是否适宜此类MCS系统，FCS的优势能否充分发挥，要针对各个系统具体分析，不宜一概而论。作为协调级一级的MCS系统，复杂程度zui高。在火电厂生产过程中存在若干生产设备紧密地在一起成为关系密切的复合对象，自动控制系统必须考虑联合运行的持点，使各生产设备协调一致地参加运行。例如，火电厂中锅炉—汽轮发电机
　　
　　单元机组就是这一类复合对象，与其对应的模拟量控制系统称之为协调控制系统。这个大而复杂的控制系统含负荷控制、主汽压力控制、主汽温度控制及汽包水位控制等控制内容，它的输入、输出将涉及数十台设备的状态，这些设备的物理位置分散在整个厂域的各个地方。对如此复杂的MCS系统，FCS的优势就显得很不明显。如果按照FCS的典型做法，将控制和处理功能分散到数字智能现场装置上，而不是采用传统做法，即通过I／O模件送入高一级控制器内进行处理运算，加么由于控制功能分散，对于一个控制系统而言，显然是增加7故障点。再则，为实现复杂控制系统的控制功能，必然要在FCS系统的低速与高速两层通讯网络内频繁的更换信息，大大增加了控制系统的处理周期。
　　
　　对于火电厂的SCS、APS系统，凡是只针对单台设备或单个执行器的，现场总线技术的典型系统是采用小型PLC来实现，再将该小型PLC挂在高速总线上。而对于处于协调级的SCS与APS系统，其SCS是控制机组自启停，而APS是全厂大联锁，像这样的SCS与APC系统在使用FCS时所遇到的问题，与处在协调级一级的MCS系统所遇到的问题十分相似。
　　
　　目前电力系统“厂网分开、竞价上网”的呼声很高，各火电厂为加强管理纷纷建立管理网络，例如建立全厂MIS网络。现场总线技术适合对数据集成有较高要求的系统，如目前火电厂要建立的车间监控系统、全厂MIS系统。在底层使用现场总线技术，可将大量丰富的设备状态及生产运行数据集成到管理层，为实现全厂的信息系统提供重要的基础数据。
　　
　　四、火电厂应用现场总线技术之一例
　　
　　我国目前采用FCS系统的工程还不太多，在火电厂使用的例子就更少，FCS在火电／只有些局部的使用。例如：四川广安电厂，采用西门子SIMATICS7PLC组成L：一DP网络，遵循PROFIBUS协议标准；又如常熟电厂，FOXBORO公司I／ADCSFO模件（现场总线模件FBM）之间遵循IEElll8协议标准
　　
　　下面介绍的例子，是一个应用于华能珞璜电厂的遵循现场总线协议的控制系统
　　
　　的控制系统为ALSPA—P320，该系统采用WorldFIP现场总线技术。
　　
　　1．概述
　　
　　它采用
　　
　　华能珞璜电厂二期工程是从法国GECALSTOM集团全套引进的2台360MW燃煤发电机组。锅炉由STEIN公司提供，汽轮机由STG公司提供，发电机由STG公司提供。2十1998年底全部投运发电。
　　
　　控制系统是法国CEGELEC公司提供的、九十年代中期开发推出的ALSPAP320控制系统。ALSPAP320控制系统实现了机组的数据采集系统（DAS）、闭环控制系统（MCS）、顺序控制系统（SCS）和燃烧器管理系统（BMS）等主要功能。汽轮机数字电液控制系统（DEH）采用法国GECALSTOMSTG公司提供的MICROREC控制系统。
　　
　　2．ALSPAP320控制系统
　　
　　ALSPAP320系统是两级控制结构：CENTRALOG控制级和CONTROBLOC控制级。ALSPAP320系统由集中控制层、单元控制层和通讯网络三部分组成，见图1。
　　
　　集中控制层就是CENTRALOG控制级，是控制系统中的重要部分。CENTRALOG控制级能采集处理机组运行管理的全部数据，并且进行数据显示、记录，通过通讯系统向运行操作员提供准确的信息。CENTRALOG与其它控制系统、仪表及控制设备构成完整的协调的信息和控制中心。
　　
　　单元控制层主要由CONTROBLOC控制级组成。CONTROBLOC根据机组设备和装置功能的需要进行设计和配备；通过网络与集中控制层通讯。它直接和过程设备连接。
　　
　　CONTROBLOC实现顺序控制、单独控制、闭环控制、报警、联锁和保护，以及逻辑和模拟数据采集等功能。
　　
　　ALSPAP320控制系统各部分通过标准网络来相互通讯，与其它控制部件可以方便地进行通讯。A13PAP320有三大网络：：
　　
　　．LOCAFIP现场总线网络（WorldFIP），采用FIP标准（UTEC64+601607），用于连接输入输出模板到P320的C370控制器。
　　
　　．F900数据总线（WorldFIP），用于C370控制器之间的数据交换和C370控制器与
　　
　　CENTRALOG通信。F900是一种快速的数据传输网络，基于IEEE的FIP标准
　　
　　（UTEC64+601607）的工业局区网。
　　
　　．CONTRONET控制网使用以太网技术，用于集中控制层CENTRALOG数据库与操作员工作站之间的数据交换。CONTRONET遵照IEEE803．3局域网标准。
　　
　　通过INTERNET标准协议，P320可进行长距离通讯，进行远程维护和大型电网控制。
　　
　　华能珞璜电厂二期2台360MW机组已于1998年12月17日和1998年12月27日投入
　　
　　商业运行。除汽轮机控制系统和吹灰控制系统以外，全部自动化功能均由ALSPAP320控制系统来实现。ALSPAP320控制系统运行稳定可靠，为运行人员提供了清晰明了的监视画面和方便快捷的操作手段，保证机组的安全、经济运行。
　　
　　3．评述
　　
　　ALSPAP320控制系统在华能珞璜电厂二期工程运行良好。在我国广东岭澳核电站常规岛控制中，也采用了P320控制系统。
　　
　　ALSPAP320控制系统从实际运行情况来看，是一个比较完好的控制系统。今天我们并不对P320控制系统本身进行评价，而是从现场总线控制系统的角度来对ALSPAP320控制系统进行评述。
　　
　　首先，让我们简单地叙述一下现场总线控制系统FCS的三个关键要点：核心、基础和本质。
　　
　　．核心：FCS系统的核心是总线协议，即总线标准。也就是说，只有遵循现场总线协议的控制系统，才能称其为现场总线控制系统。
　　
　　．基础：FCS系统的基础是数字智能现场装置。数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑。
　　
　　．本质：FCS系统的本质是信息处理现场化。这是FCS系统效能的体现。
　　
　　现在我们再来看华能珞璜电厂的ALSPAP320控制系统。它的LOCAFIP网络与F900网络均遵循WorldFIP现场总线的总线协议，CONTRONET控制网采用以太网技术，这是一个非常典型的现场总线体系结构。从这个意义上讲，将ALSPAP320控制系统称之为现场总线控制系统并非没有根据。
　　
　　我们应该看到FCS系统有三个关键要点，华能珞璜电厂的ALSPAP320控制系统只满足歹其中的一点，当然这点是zui为基本的。该系统中使用的现场设备没有一台为数字智能现场装置，不具备控制功能。采集的信号仍为4~20mA的变送器信号、K型热电偶信号以及开关量信号，全部以硬接线电缆连接到CE2000I／O机箱的I／O模件上。在I／O机箱内，有多种接
　　
　　口卡件供选择，例如AHll5卡可接入8路4~20mA的变送器信号。CE2000I／O机箱内的UTl29卡是管理I／O模件的控制器，它是C370通过LOCAFIP网络与I／O模件建立通讯关系和传输数据的处理卡件。
　　
　　华能珞璜电厂的ALSPAP320控制系统遵循现场总线协议，因此，它就具备了双向串行数字化通讯传输的基本条件，也具备了进行远程维护等功能。但是，由于该系统并未使用数字智能现场装置这一FCS系统的硬件支撑，所以上述所具备的功能效益无法发挥，信息处理现场化几乎不可能实现。系统本身仍使用大量的I／O模件和控制器，两台机组加公用系统共使用56台C370控制器和62个CE2000I／O机箱。CE2000I／O机箱的设置，除水泵房的I／O机箱安装在距集控室500m远的水泵房操作层外，全部安放在集控室的电子间。
　　
　　对于华能珞璜电厂的ALSPAP320控制系统，如果我们不是深入其系统内部、了解到它遵循现场总线协议，而只是从配置、人机界面、软件编程、系统实际功能等外围来观察该系统，那么它和典型的数字式分散控制系统DCS毫无差别，故有人将其称之为DCS系统，这也就不奇怪了。
　　
　　应当如何界定华能珞磺电厂的ALSPAP320控制系统?作者认为，该系统应届于现场总线控制系统FCS。但同时也应当指出，该系统是不完善的，也是不典型的FCS系统。这主要是由于能接入现场总线的现场装置目前的品种还太少，总线的应用没能直接进入现场，使得现场总线突出的特点，即降低系统投资成本、减少运行费用以及提高运行和管理水平等特点未能充分发挥出来。也就是说，FCS系统的效能并未体现出来，看上去与DCS系统在各方面并无多大差异。
　　
　　虽然华能珞璜电厂的ALSPAP320控制系统作为FCS系统，它显得不完善也不典型，但它必竟是现场总线在火电厂控制系统应用的一个很好的尝试。为全面推广应用FCS系统打下了一个良好基础。将该系统称之为DCS系统或是FCS系统，原本不重要，但是由于人们不仅给DCS系统与FCS系统下了定义，而且也赋予了特定含义，因此对于这类既不属于成熟的DCS系统，又算不上典型、完善、*的FCS系统的控制系统，对它们的命名与界定却成了不是问题的问题。我们故且称它们为“新型控制系统”或“新一代控制系统”。
　　
　　综上所述，我们对于像华能珞璜电厂ALSPAP320控制系统之类型的控制系统，是否可以做下面的界定：我们在前面已将它们称之为新型控制系统或新一代控制系统，但我们也注意到有许多人仍愿意称它们为DCS系统。为了与以往的DCS系统相区别，我们做如下定义：它是一个在通讯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。我们暂给它们一个代号叫F1）CS．
　　
　　五、火电厂与FCS
　　
　　火电厂在采用FCS系统方面，结论应当是肯定的。对FCS的*性，此处不再重复，只说明一点：现场总线技术给自动化领域带来一场革命，这一技术代表了自动化的发展方向，数字通信是一种趋势，是任何人阻挡不了的，这些都是技术发展之必然。另外，就双向数字通信现场总线信号制技术本身，也必将会给火电厂安全经济运行及提高管理水平带来实实在在的效益。仅就这一点，也是过去电站使用过的任何控制系统所无法与之相比拟的。
　　
　　我们已经知道，有的FCS是由：PLC发展而来的，而有的FCS是由DCS发展而来的。今天FCS已走向实用化，那么PLC与DCS的前景又将如何呢?
　　
　　PLC于六十年代末期在美国首先出现，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性程序控制系统。经过30多年的发展，PLC已十分成熟与完善，并开发了模拟量闭环控制功能。PLC在FCS系统中的地位似乎已被确定，并无多少争论（参见IEC推荐的现场总线控制系统体系结构）。PLC作为一个站挂在高速总线上，充分发挥PLC在处理开关量方面的优势。另外，火电厂辅助车间，例如补给水处理车间、循环水车间、除灰除渣车间、输煤车间等，这些车间的工艺过程多以顺序控制为主，PLC对于顺序控制有其
　　
　　*的优势。作者以为，辅助车间的控制系统应以遵循现场总线通讯协议的PLC或能与FCS进行通讯交换信息的PLC为优选对象。
　　
　　自1973年出现*台以微处理器为基础的控制器以来，它逐步完善，并zui终形成功能齐全、安全可靠的数字式分散控制系统DCS。它的性能大大优于以往任何一种控制系统，可以满足火电厂DAS、MCS、SCS和APS各系统的各种要求，目前还可以通过工业以太网建立管理层网络，以满足火电厂呼声越来越高的加强管理的要求。可以这样说，DCS系统的监控可以覆盖大型火电机组的工艺全过程。
　　
　　但是，自从有了FCS，并于九十年代走向实用化以来，不断有如下论点在公开刊物上发表，即：“从现在起，新的现场总线控制系统FCS将逐步取代传统的DCS”；“当调节功能下放到现场去以后，传统的DCS就没有存在的必要而会自动消失”：“今后十年，传统的4~20mA模拟信号制将逐步被双向数字通信现场总线信号制所取代，模拟与数字的分散型控制系统DCS将更新换代为全数字现场总线控制系统FCS”……。这些论点归纳为一句话：FCS将取代DCS，DCS将从此消亡。
　　
　　上述论点皆出自于专家之口，确实不无道理。数字通讯是一种趋势，它代表了技术进步，是任何人阻挡不了的。双向数字通信现场总线信号制以及由它而产生的巨大推动力，加速了现场装置与控制仪表的变革，开发出越来越多的功能完善的数字智能现场装置。这些都是DCS系统所不具备的，而由此产生的*性以及给火电厂的设计、配置、组态、运行、维护、管理等方面带来的效益，也是DCS系统所不及的。再则，FCS由DCS和PLC发展而来，它保留了DCS的特点，或者说FCS吸收了DCS多年开发研究以及现场实践的经验，当然也包括教训。由此而得出结论：“FCS将取代DCS”，似乎也是顺理成章之事。
　　
　　但同时我们也应看到，DCS系统发展也近30年，在火电厂的应用如此广泛，它的设计思想、组态配置、功能匹配等已达到十分完善的程度（当然，DCS也存在进一步发展的需求，例如软件开发，以满足信息集成的要求），己渗透到火电厂控制系统的各个领域，并且在ECS系统中也有些体现。从这个角度来看，DCS系统似乎不能说从此消亡。再则，从前面的叙述中已经谈到，对于那些FCS系统不能充分发挥其特点及*性的领域，DCS系统仍有用武之地。
　　
　　我们似乎没有必要在文字上做过多的争论，一定要强调谁取代谁。正如目前的DCS与新型的PLC，由于多年的研究开发，在各自保留自身原有的特点外，又相互补充，形成新的系统。现在的DCS已不是当初的DCS，同样，新型的PLC也不是开发初期的PLC。我们能够说是DCS取代了PLC或者PLC取代了DCS吗?这显然都是不合适的。
　　
　　从分析论述中，我们可以得出以下简单的结论：随着现场总线控制系统FCS的出现，数字式分散控制系统DCS并不会消亡，而只是将过去处于控制系统中心地位的DCS移到现场总线的一个站点上去。也可以这样说，DCS处于控制系统中心地位的局面从此将被打破。今后火电厂的控制系统将会是，以FCS处于控制系统中心地位、并兼有DCS系统哲学的一种新型控制系统。