火電廠自動化與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

　　進入20世紀90年代，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem）走向?qū)嵱没Ｄ壳耙殉蔀樽詣踊夹g(shù)中的一個熱點，已有不少論文和專著相繼發(fā)表，對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)作了專門介紹。現(xiàn)在的關鍵是如何研究、開發(fā)、應用，使之在火電廠自動化中發(fā)揮效益。
　　
　　一、FCS系統(tǒng)的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)勢
　　
　　目前，DCS（DistributedControlSystem）分散控制系統(tǒng)己普遍應用于電站，為什么還要研發(fā)FCS系統(tǒng)，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
　　
　　從系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、信號制、通信協(xié)議、現(xiàn)場裝置、應用范圍等方面，人們可以列出許多項FCS與DCS的系統(tǒng)差異。作為針對技術(shù)、經(jīng)濟比較的系統(tǒng)差異，有下列兩項重點:
　　
　　（1）信號制。
　　
　　DCS系統(tǒng)采用的是模擬量、開關量、數(shù)字信號混合系統(tǒng)信號制，而且是單向的。FCS系統(tǒng)采用的是全數(shù)字、雙向通信現(xiàn)場總線信號制。
　　
　　（2）現(xiàn)場裝置。
　　
　　DCS系統(tǒng)使用的是模擬式單功能儀表、變送器、執(zhí)行機構(gòu)。雖然有時也稱為"智能"現(xiàn)場裝置，但主要是指在裝置安裝調(diào)試期間的智能功能。
　　
　　FCS系統(tǒng)使用的是全數(shù)字化、智能、多功能現(xiàn)場裝置。帶有控制器功能，除能輸出數(shù)字化的工藝參數(shù)信號外，還能輸出數(shù)字化的狀態(tài)信號。
　　
　　2.FCS系統(tǒng)的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)勢
　　
　　（l）FCS系統(tǒng)采用的是全數(shù)字通信，這本身就是一大優(yōu)勢。我們知道，數(shù)字通信是目前技術(shù)發(fā)展的趨勢，在信息時代的今天尤為突出。
　　
　　（2）FCS系統(tǒng)采用全數(shù)宇通信，正因為此，就有可能用一對雙線電纜連接分散的智能現(xiàn)場裝置至中央控制室，而模擬信號則無法做到，具體可參見圖1。
　　
　　圖l（a）為傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)（DCS），每個現(xiàn)場裝置到控制室都需使用一對的雙絞線，用于傳遞4～2OmA信號;圖l（b）所示為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，其中每個現(xiàn)場裝置到接線盒的雙絞線仍然可以使用，但從現(xiàn)場接線盒到中央控制室僅用一根雙絞線完成數(shù)宇通信。省去了大量信號電纜。在省去電纜的同時也就相應省去了大量的電纜橋架及電纜敷設，也節(jié)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(shù)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(jié)省了（某電廠DCS電子間約占800m2）。
　　
　　（3）FCS系統(tǒng)采用的是全數(shù)字、雙向通信現(xiàn)場總線信號制，就能實現(xiàn)將控制室中央控制器的控制策略直接下載到現(xiàn)場裝置之中，現(xiàn)場裝置中的控制策略、工藝參數(shù)信號也能上傳至中央控制器，更有意義的是，現(xiàn)場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(xiàn)場實時信息，為管理決策提供了基礎。在這方面取得的經(jīng)濟效益，不是用簡單的數(shù)字能表示的。
　　
　　（4）FCS系統(tǒng)的現(xiàn)場裝置為全數(shù)字化、智能、多功能現(xiàn)場裝置，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(xiàn)場裝置之中。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(jù)初步設計估算，對于電站，可以下放到現(xiàn)場裝置中的控制系統(tǒng)數(shù)約占總線的73%。當然在功能組級檔以上較為復雜的控制系統(tǒng)，目前尚不具備下放至現(xiàn)場裝置的條件。這部分控制功能的實現(xiàn)，將在下面進行敘述。
　　
　　二、FCS在電站的應用
　　
　　1.在國內(nèi)外FCS沒有應用于大型電站的示例
　　
　　FCS系統(tǒng)進入我國時，遠比不上DCS系統(tǒng)進入我國時成熟。20世紀80年代末期，DCS系統(tǒng)進入我國電站時，國外己有多個DCS系統(tǒng)用于大型工程的示例。據(jù)調(diào)研，到目前為止，F(xiàn)CS系統(tǒng)仍以中、小型工程的示例居多。國內(nèi)外，在大型火電廠內(nèi)統(tǒng)一的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡的模型全部，即設備層、監(jiān)控層、遠程監(jiān)控層上均使用現(xiàn)場總線的范例，還未見報導。
　　
　　2.PLC聯(lián)網(wǎng)控制
　　
　　FCS系統(tǒng)在火電廠已有局部使用，其中有一例是成功的。即四川廣安電廠，采用遵循Profibus現(xiàn)場總線協(xié)議的L2-DP網(wǎng)絡技術(shù)，將該廠的鍋爐補給水與凝結(jié)水精處理控制系統(tǒng)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。
　　
　　3.FDCS的應用
　　
　　我們將在通信和數(shù)據(jù)傳輸方面遵循現(xiàn)場總線協(xié)議的數(shù)字式分散控制系統(tǒng)稱之為FDCS控制系統(tǒng)。該類系統(tǒng)在對外的功能及本身的體系結(jié)構(gòu)，與DCS系統(tǒng)并無多少差別，但在通信和數(shù)據(jù)傳輸方面遵循現(xiàn)場總線協(xié)議標準。
　　
　　該類型系統(tǒng)目前國內(nèi)有兩種，具體如下:
　　
　　（1）*種系統(tǒng)為ALSPAP320控制系統(tǒng)，應用于華能珞璜電廠二期工程。
　　
　　AISSPAP320有三大網(wǎng)絡:LOCVTAFIP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，遵循WorldFIP標準;F900數(shù)據(jù)總線，遵循WorldFIP標準;CONTRONET控制網(wǎng)，使用以太網(wǎng)技術(shù)。
　　
　　（2）第二種系統(tǒng)為SimatiCPCS7控制系統(tǒng)，應用于楊凌燃機熱電廠燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組。
　　
　　每一對冗余控制器均通過冗余的現(xiàn)場總線Pro-fibus-DP（zui高數(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ET2OOM及I/O模件;控制器與控制器之間、控制器與服務器之間的數(shù)據(jù)通信是通過冗余的環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)來完成的。網(wǎng)絡速率1OOMbit/s。
　　
　　4.擬采用FCS系統(tǒng)的企業(yè)自備電廠
　　
　　山東濱州化工廠自備電廠35t/h鍋爐與邯鄲鋼鐵廠75t/h循環(huán)流化床鍋爐控制，擬采用遵循FF現(xiàn)場總線協(xié)議技術(shù)的SmarSystem320控制系統(tǒng)實施控制。
　　
　　該項目的工程實踐，是一個比較完整的FCS控制系統(tǒng)。有關鍋爐閉環(huán)控制框圖參見圖2，從圖中可以看出，要實現(xiàn)一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，需在多臺數(shù)字智能現(xiàn)場裝置之間進行信息交換。現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)與變送器皆采用附有控制器功能的數(shù)字式智能現(xiàn)場裝置，用以實現(xiàn)閉環(huán)控制功能，做到了"信息處理現(xiàn)場化"。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）來實現(xiàn)，并與現(xiàn)場附有控制器功能的數(shù)字智能現(xiàn)場裝置進行信息交換。
　　
　　5.FCS系統(tǒng)在電站應用評述
　　
　　（1）電站中，以PLC為硬件的順序控制系統(tǒng)，用FCS總線進行聯(lián)網(wǎng)控制，是一個很好的選擇，并可取得良好的效果。
　　
　　（2）FDCS系統(tǒng)雖算不上完整、典型的FCS系統(tǒng)，但它的成功使用，是現(xiàn)場總線在火電廠大型機組控制系統(tǒng)應用的很好嘗試。
　　
　　（3）SmarSystem320控制系統(tǒng)在火電廠中小型機組鍋爐控制中的應用，可以作為FCS系統(tǒng)在大型火電機組上應用很好的借鑒。
　　
　　（4）電站中較為復雜的控制系統(tǒng)，以及實時性要求較高的控制系統(tǒng)，以目前FCS系統(tǒng)的技術(shù)水平來實施，還有一定的難度。有待進一步開發(fā)研究。
　　
　　（5）FCS是電火電廠實現(xiàn)現(xiàn)代化管埋和運營的必然選擇。
　　
　　1）廠網(wǎng)分開將促進火電廠實現(xiàn)企業(yè)綜合自動化:廠網(wǎng)分開體制改革實現(xiàn)后，電廠將相對獨立地參與市場競爭。實現(xiàn)包括基礎自動化、管埋自動化和決策自動化的高層次綜合自動化是電廠的必然選擇。
　　
　　2）FCS是消滅火電廠"信息孤島"的武器:FCS的現(xiàn)場智能設備能將大量現(xiàn)場信息送上通信網(wǎng)絡，這是DCS、PLC無法實現(xiàn)的。這些實時信息為企業(yè)綜合自動化所必需，也是發(fā)電集團企業(yè)信息集成的基礎。
　　
　　3）電廠對綜合經(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，使系統(tǒng)在其生命周期中的投資大大低于DCS。電廠在重視長期的綜合經(jīng)濟性和效益時，F(xiàn)CS的價格優(yōu)勢就明顯了。
　　
　　三、目前電廠應用FCS的障礙
　　
　　l.FCS的效益是綜合的、長期的
　　
　　FCS只有和全廠的管理自動化與決策自動化等高層次綜合自動化相結(jié)合，才能更好地發(fā)揮其效益。且時間越長效益越明顯。
　　
　　2.智能現(xiàn)場裝置可選品種大少
　　
　　目前，遵循現(xiàn)場總線協(xié)議的數(shù)字智能現(xiàn)場裝置，其協(xié)議標準很多，但其品種規(guī)格供選擇的卻明顯不足，例如，F(xiàn)F的Hl開發(fā)已10多年了，但到2001年5月31日為止，還只有30余種、83個規(guī)格的產(chǎn)品正式注冊可供正式選用。83個產(chǎn)品中還包括同一規(guī)格不同廠商、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(nèi)。而且目前注冊過的產(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程控制系統(tǒng)中需要高速的開關量或模擬量控制系統(tǒng)。例如:事件順序記錄系統(tǒng)（SOE）、汽輪機數(shù)字式電液控制系統(tǒng)以及順序控制系統(tǒng)與保護系統(tǒng)中的快關、快開控制等。事件順序記錄系統(tǒng)等需要1～2ms的分辨率，而汽輪機數(shù)字式電液控制系統(tǒng)等需要lOms左右的控制周期。以目前FCS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與通信技術(shù)，滿足不了上述控制系統(tǒng)的功能要求。
　　
　　4.復雜系統(tǒng)控制
　　
　　FCS系統(tǒng)，對于簡單的控制系統(tǒng)，可以現(xiàn)場解決，參見圖3。而對于復雜系統(tǒng)則需要在多臺智能裝置之間進行信息交換，系統(tǒng)可靠性降低。
　　
　　四、研發(fā)FCS路徑的探討
　　
　　l.FCS系統(tǒng)工程應用研究
　　
　　雖然FCS系統(tǒng)現(xiàn)有的技術(shù)在大型火電機組上全面應用還存在一些難點，但是，利用FCS系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)，積極開展FCS系統(tǒng)在大型火電機組局部控制領域的應用，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(tǒng)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踐理解的深度。
　　
　　2.電站輔助車間FCS的構(gòu)建和信息系統(tǒng)研究
　　
　　火電廠輔助車間適度集中控制，是目前在電站內(nèi)達到減員增效十分有效的措施，將電站內(nèi)數(shù)十個輔助車間，適度集中為水、煤、灰等3～4個控制中心，運行人員可大幅度減少，現(xiàn)階段正在推廣之中。而FCS系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)"滲透"，開發(fā)了諸多的模擬量閉環(huán)控制功能。從一定程度上講，PLC集開關量順序控制與模擬量閉環(huán)控制于一身。當然，處理開關量順序控制仍舊是PLC的特點。電站中某些較為復雜的功能組級檔以上的MCS系統(tǒng)，而且又是與電站中SCS系統(tǒng)，在工藝上有密切關連的那些MCS系統(tǒng)，由PLC來實現(xiàn)其控制功能。
　　
　　4.用于電站的智能現(xiàn)場裝置研究
　　
　　對于電站而言，供選擇的智能現(xiàn)場裝置品種規(guī)格太少。而數(shù)字智能現(xiàn)場裝置是現(xiàn)場總線的基礎，與DCS不同，采用現(xiàn)場總線后，由于現(xiàn)場設備運行的實時信息可通過現(xiàn)場總線與控制系統(tǒng)進行交互，所以各級用戶都可以隨時查詢數(shù)字智能現(xiàn)場裝置用網(wǎng)絡的運行狀態(tài)，還可以在線標定、校準、修改各種設備的性能參數(shù)和運行參數(shù)，從根本上解決了控制系統(tǒng)中zui基本的測控信息的實時傳遞，對現(xiàn)場設備實現(xiàn)遠程監(jiān)控、故障診斷和狀態(tài)維修提供了技術(shù)支撐。所以，沒有數(shù)字智能現(xiàn)場裝置，F(xiàn)CS系統(tǒng)的許多*性無法發(fā)揮，也就失去了使用FCS系統(tǒng)技術(shù)的真正意義。
　　
　　5.電站特殊工藝要求的FCS系統(tǒng)研究
　　
　　高可靠性的具有毫秒級時間同步的現(xiàn)場總線技術(shù)的開發(fā)研究，是將FCS系統(tǒng)技術(shù)用于大型火電機組控制中的關鍵技術(shù)之一。
　　
　　6.網(wǎng)關、網(wǎng)橋控制器研究
　　
　　參見圖4。如果我們能擴大、增強網(wǎng)關、網(wǎng)橋控制器的控制功能，以此來實現(xiàn)電站中功能組級檔以上控制系統(tǒng)的控制功能，這也是擴大FCS系統(tǒng)技術(shù)在大型火電機組中應用的一個可行方案。這就相當于在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中增加一層中層控制器。
　　
　　7.FCS與DCS網(wǎng)絡集成的開發(fā)研究
　　
　　FCS與DCS網(wǎng)絡集成方案有兩種：一種方案，即DCS主機為一個普通節(jié)點，采用網(wǎng)關將DCS網(wǎng)絡掛接到高速網(wǎng)絡上。另一種方案，即將DCS系統(tǒng)視為主體，將現(xiàn)場總線系統(tǒng)掛接在DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡上。
　　
　　8.研發(fā)FCS系統(tǒng)的切入點
　　
　　研發(fā)FCS系統(tǒng)，以從研發(fā)電站輔助車間FCS監(jiān)控和信息系統(tǒng)作為突破口。進一步分析論證，又以電站的化學水車間作為切入點。其理由如下：
　　
　　（1）電站輔助車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(tǒng)優(yōu)勢的發(fā)揮與體現(xiàn)。也可利用FCS系統(tǒng)成功應用于石化行業(yè)的工程點作為借鑒。
　　
　　（2）電站輔助車間的自動化水平近幾年雖有提高，但相對于電站主廠房內(nèi)機組自動化水平仍有較大差距。FCS系統(tǒng)在該領域的研發(fā)與實施，有利于自動化水平提高后效果的體現(xiàn)。
　　
　　（3）電站輔助車間控制系統(tǒng)的規(guī)模，相對于主廠房內(nèi)機組的控制系統(tǒng)要小，投資規(guī)模相對也小，相對而言，資金投入的風險也小。
　　
　　（4）電站輔助車間規(guī)模相對雖小，但是，其設備品種繁多，在該領域FCS系統(tǒng)的研發(fā)與應用，有利于取得全面研發(fā)FCS的經(jīng)驗，進一步明確電站用FCS系統(tǒng)的研發(fā)方向與項目內(nèi)容。也增加電站行業(yè)對FCS系統(tǒng)的認識與了解。
　　
　　（5）電站化學水系統(tǒng)是電廠重要的輔助車間和輔助系統(tǒng)，由于電廠化學系統(tǒng)對于整個電廠而言是一個相對獨立的系統(tǒng)，與其他主體專業(yè)相關性不是很強，同時，電廠化學水系統(tǒng)因為監(jiān)視控制點比較分散，難以納入傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)中進行系統(tǒng)化改造，致使化學專業(yè)自動化水平、信息集成化水平相對落后。
　　
　　目前大部分新建、擴建的大容量電廠的化學水處理系統(tǒng)多采用PLC程控方式對該系統(tǒng)進行監(jiān)視控制。由于機組容量的增加，化學水處理等輔機容量亦相應增大，造成PLC控制系統(tǒng)I/O測點的增加，各類模件增加，機柜數(shù)量龐大，系統(tǒng)復雜。
　　
　　針對目前火力發(fā)電廠化學水系統(tǒng)設備布置分散，汽水取樣、自動加藥、繁多的常規(guī)測點等現(xiàn)狀，F(xiàn)CS系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向通信現(xiàn)場總線信號制，特別適合于化學水處理系統(tǒng)的現(xiàn)狀。簡單地講，以現(xiàn)場總線為鏈，把單個分散的化學水處理系統(tǒng)測量、控制設備變成網(wǎng)絡節(jié)點，進行信息互換，組成網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)汽水取樣、自動加藥、水處理等各項監(jiān)控系統(tǒng)功能一體化。
　　
　　9.實施步驟
　　
　　為了實現(xiàn)全數(shù)字、雙向通信，必須將網(wǎng)絡節(jié)點上各種設備的輸入、輸出信號全部變?yōu)閿?shù)字信號，各現(xiàn)場裝置必須達到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)數(shù)字智能現(xiàn)場裝置的要求。為此，必須開發(fā)相應的功能模塊。化學水監(jiān)控系統(tǒng)相對于主廠內(nèi)的機組監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)規(guī)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(tǒng)典型配置的水平，研發(fā)工作量相當大，時間周期長，投資規(guī)模大，風險也大。所以，以分步實施為宜。
　　
　　（1）*步——聯(lián)網(wǎng)控制。
　　
　　將化學水車間的化學水監(jiān)測、化學水程控，自動加藥等幾大部分工藝系統(tǒng)，分別納入各自的PLC控制范圍之內(nèi)，再將這些符合現(xiàn)場總線信號制的PLC進行聯(lián)網(wǎng)控制，形成初級的綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)。
　　
　　（2）第二步——重點設備信號制改造。
　　
　　也就是進行信號制改造，即進入真正的現(xiàn)場總線信號制階段。由于要研發(fā)的品種太多，資金投入量大，所以只能從個別重點設備開始進行改制。百先采用數(shù)字智能化學水監(jiān)測儀表。以引入其狀態(tài)信號，改善監(jiān)控系統(tǒng)管理水平。
　　
　　（3）第三步——各品種模塊的研發(fā)。
　　
　　為了達到真正的典型FCS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，必須做到關鍵模塊品種齊全，包括硬件與軟件的同時開發(fā)。
　　
　　（4）第四步——FCS系統(tǒng)技術(shù)應用于化學水車間。
　　
　　將各功能模塊植入化學水系統(tǒng)所有相關設備之中，全數(shù)字、雙向通信現(xiàn)場總線信號制網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)形成。此時，我們就可能全面的評價FCS系統(tǒng)技術(shù)所帶來的技術(shù)與經(jīng)濟效益，為FCS系統(tǒng)技術(shù)應用于電站內(nèi)所有監(jiān)控系統(tǒng)打下堅實的基礎。
　　
　　（5）第五步——FCS系統(tǒng)技術(shù)應用于電站。
　　
　　在對化學水車間應用FCS系統(tǒng)技術(shù)總結(jié)分析的基礎上，就可以更為細致與確切地知道FCS系統(tǒng)技術(shù)應用于電站的關鍵技術(shù)、研發(fā)方向與項目內(nèi)容，確定下一步研發(fā)重點，為FCS系統(tǒng)技術(shù)全面應用于電站鋪開道路。