1、火電廠與現場總線控制系統FCS閱讀：371作者：周明發表日期：2008-1-15亠人、刖呂發電廠是一個大型、復雜、快速而乂相當精密的控制對象，例如汽輪機 雖如此龐大，但對其制造精度的要求一點也不低于對世界上最為精密的瑞士機 械手表的精度要求，發電廠許多設備的響應速度都是以毫秒級單位來計算 的。正因為如此，電站對新型控制系統及新技術有著強烈的渴望。早在五 十至六十年代，發電廠的自動化程度就是國民經濟各行各業中最高的，它當時 采用的新型儀表與最先進的閉環控制系統，是在其它行業里見不到的。但是，山于電站運行的特殊機理及在國民經濟中的特殊地位，使得 它在對待新型控制系統的采用上存在著復雜的矛盾狀態。一

2、方面是對新型控制 系統的渴望，尤其是對于大容量、高參數的發電機組，若沒有熱工自動化，已 到了無法運行的地步；但乂因為對運行可靠性的特殊要求，使得發電廠在采用 新型控制系統方面乂顯得十分的謹慎，有時甚至十分保守。我們是否可以得出 這樣一種印象，即在九十年代才走向實用化的新型控制系統FCS,短期內在電 站被廣泛采用似乎是不可能的。現在需要補充說明的是，十余年前DCS系統在 電站的應用情況大家應當記億猶新。當初明文規定，只準在300MW以上火電機 組上試點采用DCS,但是行文的油墨末干，DCS系統在電站已被廣泛采用。目前, 300MW以上的火電機組，不論是國產機組還是引進機組，都無一例外的采用DCS

3、, 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的火電機組也采用了 DCS 系統。這主要是由于DCS系統給電站安全生產與經濟效益等方面帶來的正面作 用，是以往任何控制系統無法與其相提并論的。那么，FCS系統乂會怎樣 呢？在論壇、講座及技術交流會上，FCS系統組織或公司的發言人在他們的 發言中談及他們開發的FCS時，我們可能會聽到這樣的話，即他們開發的FCS 系統適用于電站，或者說該系統的應用領域包含電站。但是，在他們的產品說 明書或正式文本中是找不到上述內容的，是不會將電站寫到他們開發的FCS系 統的應用范圍之內的。到目前為止，還未發現有哪一種

4、FCS的說明書，將電站 寫入他們首選的控制對象中。在DCS的早期文件中，曾發現有這樣一段話：本 系統適用領域只限于石油化工廠之類的加工工業。事實上，該系統在電站應用 后，效果也很理想。為什么會出現這樣的現象呢？當初，DCS系統的比照方是電 子模擬式系統，后者在發電廠已運行多年，經過不斷的改進和完善，其形式和 應用已十分明確。但是，DCS系統是針對工業過程控制而開發的，它有許多種 不同的形式，而電站只是過程控制中的一大類，因此DCS系統的有些形式并不適用于電站，或者說，DCS系統的有些形式 要經過針對電站的改變，才能很好的發揮效益。今天的FCS系統比照DCS系統，與當年的DCS系統比照電子模擬式

5、系統 的情況有許多相似之處。不過，今天的FCS系統，就其總體而言，它的適用范 圍要比DCS系統寬得多。但就每一種FCS系統，乂都有其特定的適用領域。就 算那些針對過程控制而開發的F. CS系統，其開發商也不會冒然將其適用領域 隨便擴展到電站這個特殊的用戶上。對電站而言，在FCS系統的應用上，擬定 嚴格而具體的要求，確定正確的使用方法，就顯得尤為重要。二、電站的I/O特點發電廠在主廠房以內的設備布局存在下列特點，即測點密集、現場裝置密 集、設備立體布置，它的廠域比起石油化工企業要小得多?，F場總線技術適合 于分散的、具有通信接口的現場受控設備的系統?，F場總線技術的FCS系統的 重要優勢之一，就是能

6、節省大量的現場布線成本。而對于具有集中I/O的單機 控制系統，FCS系統在這方面沒有明顯優勢，發電廠就是屬于這種具有集中F0 的單機控制系統。因此作者認為，在發電廠采用FCS以后，在布線成本的節省 方面，不會像有的專家所說可達到60飛6%的程度。目前，發電廠正在進行輔助車間和系統適度集中控制的工作，對此項工 作，FCS也許可以發揮其優勢。因為FCS系統的另一優勢是，它執行的是雙向 數字通信現場總線信號制，可以實現遠程診斷。而電廠的輔助車間相距較遠， FCS系統所具有的節省布線成本、遠程診斷的優勢可以得到充分發揮。三、控制系統的復雜性火電廠自動化監控系統主要有四大內容(1) 數據采集系統(DAS

7、)(2) 模擬量控制系統(MCS)(3) J1頃序控制系統(SCS)(4) 報警保護系統(APS)作為DAS系統，主要采集全廠信息。對于地域分散的各個點的信息采集, FCS可以發揮其優越性，即便對于信息相對集中的測點，也可采取區域集中采 集方式，再通過網橋掛到高速總線上去。而對于HCS、SCS、APS等系統，由于 系統復雜程度各異，FCS系統的優越性體現也就有所不同。對于火電廠的MCS系統，以300MW火電機組為例，不分難易復雜程度， 每臺機組約有110套模擬量閉環控制系統。在這些HCS系統中，作為執行級一 級的MCS系統，多數為只有一個被調量（輸出）和一個調節量（控制輸入）的單變 量調節對象

8、，而單回路反饋系統是實現單變量調節對象自動調節的最簡單系統。 對于這類單沖量、單回路調節系統，FCS最能發揮其優勢。作為功能組一級的 MCS系統，其復雜程度有所增加，有時為了改善調節品質加入一些前饋信號、 反饋信號、校正信號等，構成復合調節系統。像這樣多沖量控制系統或多執行 器控制系統，FCS是否適宜此類MCS系統，FCS的優勢能否充分發揮，要針對各 個系統具體分析，不宜一概而論。作為協調級一級的MCS系統，復雜程度最高。 在火電廠生產過程中存在若干生產設備緊密地聯系在一起成為關系密切的復合 對象，自動控制系統必須考慮聯合運行的持點，使各生產設備協調一致地參加運行。例如，火電廠中鍋爐一汽輪發電

9、機 單元機組就是這一類復合對象，與其對應的模擬量控制系統稱之為協調控制系 統。這個大而復雜的控制系統含負荷控制、主汽壓力控制、主汽溫度控制及汽 包水位控制等控制內容，它的輸入、輸出將涉及數十臺設備的狀態，這些設備 的物理位置分散在整個廠域的各個地方。對如此復雜的MCS系統，FCS的優勢 就顯得很不明顯。如果按照FCS的典型做法，將控制和處理功能分散到數字智 能現場裝置上，而不是采用傳統做法，即通過I/O模件送入高一級控制器內進 行處理運算，加么山于控制功能分散，對于一個控制系統而言，顯然是增加7 故障點。再則，為實現復雜控制系統的控制功能，必然要在FCS系統的低速與 高速兩層通訊網絡內頻繁的更

10、換信息，大大增加了控制系統的處理周期。對于火電廠的SCS、APS系統，凡是只針對單臺設備或單個執行器的， 現場總線技術的典型系統是采用小型PLC來實現，再將該小型PLC掛在高速總 線上。而對于處于協調級的SCS與APS系統，其SCS是控制機組自啟停，而APS 是全廠大聯鎖，像這樣的SCS與APC系統在使用FCS時所遇到的問題，與處在 協調級一級的MCS系統所遇到的問題十分相似。目前電力系統“廠網分開、競價上網”的呼聲很高，各火電廠為加強管 理紛紛建立管理網絡，例如建立全廠HIS網絡?，F場總線技術適合對數據集成 有較高要求的系統，如H前火電廠要建立的車間監控系統、全廠HIS系統。在 底層使用現場

11、總線技術，可將大量豐富的設備狀態及生產運行數據集成到管理 層，為實現全廠的信息系統提供重要的基礎數據。四、火電廠應用現場總線技術之一例我國口前采用FCS系統的工程還不太多，在火電廠使用的例子就更少， FCS在火電/只有些局部的使用。例如：四川廣安電廠，采用西門子 SIMATICS7PLC組成L： 一 DP網絡，遵循PROFIBUS協議標準；乂如常熟電廠， FOXBORO公司I / ADCSFO模件(現場總線模件FBM)之間聯系遵循IEE1118協議標 準下面介紹的例子，是一個應用于華能珞璜電廠的遵循現場總線協議的控 制系統的控制系統為ALSPAP320,該系統采用WorldFIP現場總線技術。

12、1. 概述它采用華能珞璜電廠二期工程是從法國GECALSTOM集團全套引進的2臺360MW 燃煤發電機組。鍋爐由STEIN公司提供，汽輪機由STG公司提供，發電機由STG 公司提供。2十1998年底全部投運發電?？刂葡到y是法國CEGELEC公司提供的、九十年代中期開發推出的 ALSPAP320控制系統。ALSPA P320控制系統實現了機組的數據采集系統(DAS)、 閉環控制系統(MCS)、順序控制系統(SCS)和燃燒器管理系統(BMS)等主要功能。 汽輪機數字電液控制系統(DEH)采用法國GECALSTOMSTG公司提供的MICR0REC控 制系統。2. ALSPAP320控制系統ALSPA

13、 P320系統是兩級控制結構：CENTRALOG控制級和C0NTR0BL0C控 制級。ALSPAP320系統山集中控制層、單元控制層和通訊網絡三部分組成，見 圖lo集中控制層就是CENTRALOG控制級，是控制系統中的重要部分。 CENTRALOG控制級能采集處理機組運行管理的全部數據，并且進行數據顯示、 記錄，通過通訊系統向運行操作員提供準確的信息。CENTRALOG與其它控制系 統、儀表及控制設備構成完整的協調的信息和控制中心。單元控制層主要III CONTROBLOC控制級組成。CONTROBLOC根據機組設備 和裝置功能的需要進行設計和配備；通過網絡與集中控制層通訊。它直接和過 程設備

14、連接。CONTROBLOC實現順序控制、單獨控制、閉環控制、報警、聯鎖和保護，以及邏 輯和模擬數據采集等功能。ALSPA P320控制系統各部分通過標準網絡來相互通訊，與其它控制部 件可以方便地進行通訊。A13PAP32O有三大網絡：.LOCAFIP 現場總線網絡(WorldFIP),采用 FIP 標準(UTEC64+601607), 用于連接輸入輸出模板到P320的C370控制器。.F900數據總線(WorldFIP),用于C370控制器之間的數據交換和C370 控制器與CENTRALOG通信。F900是一種快速的數據傳輸網絡，基于IEEE的FIP標準 (UTEC64+601607)的工業局

15、區網。.CONTRONET控制網使用以太網技術，用于集中控制層CENTRALOG數據 庫與操作員丄作站之間的數據交換。CONTRONET遵照IEEE803. 3局域網標準。通過IVTERNET標準協議，P320可進行長距離通訊，進行遠程維護和大 型電網控制。華能珞璜電廠二期2臺360MW機組已于1998年12月17日和1998年 12月27日投入商業運行。除汽輪機控制系統和吹灰控制系統以外，全部自動化功能均由 ALSPAP320控制系統來實現。ALSPAP320控制系統運行穩定可靠，為運行人員提 供了清晰明了的監視畫面和方便快捷的操作手段，保證機組的安全、經濟運行。3. 評述ALSPA P32

16、0控制系統在華能珞璜電廠二期工程運行良好。在我國廣東 嶺澳核電站常規島控制中，也采用了 P320控制系統。ALSPA P320控制系統從實際運行情況來看，是一個比較完好的控制系 統。今天我們并不對P320控制系統本身進行評價，而是從現場總線控制系統的 角度來對ALSPAP32O控制系統進行評述。首先，讓我們簡單地敘述一下現場總線控制系統FCS的三個關鍵要點： 核心、基礎和本質。.核心：FCS系統的核心是總線協議，即總線標準。也就是說，只有遵 循現場總線協議的控制系統，才能稱其為現場總線控制系統。.基礎：FCS系統的基礎是數字智能現場裝置。數字智能現場裝置是FCS 系統的硬件支撐。.本質：FCS

17、系統的本質是信息處理現場化。這是FCS系統效能的體現。現在我們再來看華能珞璜電廠的ALSPAP320控制系統。它的LOCAFIP網 絡與F900網 絡均遵循WorldFIP現場總線的總線協議，C0NTR0NET控制網采 用以太網技術，這是一個非常典型的現場總線體系結構。從這個意義上講， 將ALSPAP320控制系統稱之為現場總線 控制系統并非沒有根據。我們應該看到FCS系統有三個關鍵要點，華能珞璜電廠的ALSPAP320控 制系統只滿足歹其中的一點，當然這點是最為基本的。該系統中使用的現場 設備沒有一臺為數字智能現場裝置，不具備控制功能。釆集的信號仍為4、20mA的變送器信號、K型熱電偶信號以

18、及開關量信號，全部以硬接線電纜連 接到CE2000I / 0機箱的I/O模件上。在I/O機箱內，有多種接口卡件供選擇，例如AH115卡可接入8路420mA的變送器信號。CE2000I /0機箱內的UT129卡是管理I/O模件的控制器，它是C370通過LOCAFIP網 絡與I /0模件建立通訊關系和傳輸數據的處理卡件。華能珞璜電廠的ALSPA P320控制系統遵循現場總線協議，因此，它就 具備了雙向串行數字化通訊傳輸的基本條件，也具備了進行遠程維護等功能。 但是，III于該系統并未使用數字智能現場裝置這一 FCS系統的硬件支撐，所以 上述所具備的功能效益無法發揮，信息處理現場化兒乎不可能實現。系

19、統本身 仍使用大量的I / 0模件和控制器，兩臺機組加公用系統共使用56臺C370控制 器和62個CE2000I /0機箱。CE2000I / 0機箱的設置，除水泵房的I /0機箱 安裝在距集控室500m遠的水泵房操作層外，全部安放在集控室的電子間。對于華能珞璜電廠的ALSPA P320控制系統，如果我們不是深入其系統 內部、了解到它遵循現場總線協議，而只是從配置、人機界面、軟件編程、系 統實際功能等外圍來觀察該系統，那么它和典型的數字式分散控制系統DCS毫 無差別，故有人將其稱之為DCS系統，這也就不奇怪了。應當如何界定華能珞磺電廠的ALSPA P320控制系統?作者認為，該系統 應屆于現場

20、總線控制系統FCS。但同時也應當指岀，該系統是不完善的，也是 不典型的FCS系統。這主要是由于能接入現場總線的現場裝置LI前的品種還太 少，總線的應用沒能直接進入現場，使得現場總線突出的特點，即降低系統投 資成本、減少運行費用以及提高運行和管理水平等特點未能充分發揮出來。也 就是說，FCS系統的效能并未體現出來，看上去與DCS系統在各方面并無多大 差異。雖然華能珞璜電廠的ALSPAP320控制系統作為FCS系統，它顯得不完善 也不典型，但它必竟是現場總線在火電廠控制系統應用的一個很好的嘗試。為 全面推廣應用FCS系統打下了一個良好基礎。將該系統稱之為DCS系統或是FCS 系統，原本不重要，但是

21、由于人們不僅給DCS系統與FCS系統下了定義，而且 也賦予了特定含義，因此對于這類既不屬于成熟的DCS系統，乂算不上典型、 完善、先進的FCS系統的控制系統，對它們的命名與界定卻成了不是問題的問 題。我們故且稱它們為“新型控制系統”或“新一代控制系統”。綜上所述，我們對于像華能珞璜電廠ALSPA P320控制系統之類型的控 制系統，是否可以做下面的界定：我們在前面已將它們稱之為新型控制系統或 新一代控制系統，但我們也注意到有許多人仍愿意稱它們為DCS系統。為了與 以往的DCS系統相區別，我們做如下定義：它是一個在通訊和數據傳輸方面遵 循現場總線協議的數字式分散控制系統。我們暫給它們一個代號叫F

22、1)CS.五、火電廠與FCS火電廠在采用FCS系統方面，結論應當是肯定的。對FCS的優越性，此處不 再重復，只說明一點：現場總線技術給自動化領域帶來一場革命，這一技術代 表了自動化的發展方向，數字通信是一種趨勢，是任何人阻擋不了的，這些都 是技術發展之必然。另外，就雙向數字通信現場總線信號制技術本身，也必將 會給火電廠安全經濟運行及提高管理水平帶來實實在在的效益。僅就這一點， 也是過去電站使用過的任何控制系統所無法與之相比擬的。我們已經知道，有的FCS是由:PLC發展而來的，而有的FCS是由DCS 發展而來的。今天FCS已走向實用化，那么PLC與DCS的前景乂將如何呢？PLC于六十年代末期在美

23、國首先出現，目的是用來取代繼電器，執行邏 輯、計時、計數等順序控制功能，建立柔性程序控制系統。經過30多年的發展, PLC已十分成熟與完善，并開發了模擬量閉環控制功能。PLC在FCS系統中的地 位似乎已被確定，并無多少爭論（參見IEC推薦的現場總線控制系統體系結構）。 PLC作為一個站掛在高速總線上，充分發揮PLC在處理開關量方面的優勢。另 外，火電廠輔助車間，例如補給水處理車間、循環水車間、除灰除渣車間、輸 煤車間等，這些車間的工藝過程多以順序控制為主，PLC對于順序控制有其 獨特的優勢。作者以為，輔助車間的控制系統應以遵循現場總線通訊協議的PLC 或能與FCS進行通訊交換信息的PLC為優選

24、對象。自1973年出現第一臺以微處理器為基礎的控制器以來，它逐步完善， 并最終形成功能齊全、安全可靠的數字式分散控制系統DCS。它的性能大大優 于以往任何一種控制系統，可以滿足火電廠DAS、MCS SCS和APS各系統的各 種要求，目前還可以通過工業以太網建立管理層網絡，以滿足火電廠呼聲越來越高的加強管理的要求?？梢赃@樣說，DCS系統的監控可以覆蓋大型火電機 組的工藝全過程。但是， 自從有了 FCS,并于九十年代走向實用化以來，不斷有如下 論點在公開刊物上發表，即：“從現在起，新的現場總線控制系統FCS將逐步 取代傳統的DCS”； “當調節功能下放到現場去以后，傳統的DCS就沒有存在 的必要而會自動消失”：“今后十年，傳統的420mA模擬信號制將逐步被雙向 數字通信現場總線信號制所取代，模擬與數字的分散型控制系統DCS將更新換 代為全數字現場總線控制系統FCS”o這些論點歸納為一句話：FCS將取代 DCS, DCS將從此消亡。上述論點皆出自于權威專家之口，確實不無道理。數字通訊是一種趨勢, 它代表了技術進步，是任何人阻擋不了的。雙向數字通信現場總線信