FCS在數(shù)字化電廠的應(yīng)用分析

渠國防

摘 要：現(xiàn)場總線控制技術(shù)作為一種新興技術(shù)，已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文著重討論了現(xiàn)場總線的概念、應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題與對策。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化電廠；現(xiàn)場總線；智能化

一、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的概念及應(yīng)用現(xiàn)狀

80年代末期開始發(fā)展起來的現(xiàn)場總線技術(shù)和產(chǎn)品，以及由此組成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System），引發(fā)了自動控制領(lǐng)域的革命。開放的、全數(shù)字化和雙向、多站的通訊網(wǎng)絡(luò)，與多功能的智能化現(xiàn)場數(shù)字儀表是FCS的主要特征，它將使自動控制系統(tǒng)的效能產(chǎn)生巨大的飛躍，同時可降低設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)和系統(tǒng)擴(kuò)展等方面的綜合費(fèi)用。

（一）定義。根據(jù)國際電工委員會IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的定義：安裝在制造或生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。通俗的講，現(xiàn)場總線就是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)、雙向通信的數(shù)據(jù)總線。由現(xiàn)場總線與現(xiàn)場智能設(shè)備組成的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Con

trol System）。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)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)。它與DCS的本質(zhì)差異在于現(xiàn)場級設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)了控制裝置與現(xiàn)場裝置的雙向通信，消除了生產(chǎn)過程監(jiān)控的信息“盲點(diǎn)”?？梢哉f，現(xiàn)場設(shè)備級的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化是電廠信息化管理的基礎(chǔ)。

（二） FCS的三個關(guān)鍵要素。（1）核心：總線協(xié)議，是FCS實(shí)現(xiàn)開放和互操的必要條件；（2）基礎(chǔ)：智能現(xiàn)場設(shè)備，是FCS的硬件支持，雙向數(shù)字通信的基礎(chǔ)載體、設(shè)備狀態(tài)信息的來源；（3） 本質(zhì)：信息處理現(xiàn)場化，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)徹底的分散，信息量大大豐富。

（三）應(yīng)用現(xiàn)狀?，F(xiàn)場總線控制技術(shù)作為一種新興技術(shù)，已廣泛成功地應(yīng)用在石化、化工、冶金、醫(yī)藥、市政工程、樓宇、建材等多個行業(yè)。與其形成鮮明對照的是，現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠過程控制中的實(shí)質(zhì)性實(shí)施卻始終不多。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷發(fā)展和人們認(rèn)識的提高，F(xiàn)CS應(yīng)用于電廠的廣泛采用已經(jīng)成為一種趨勢，下表是FCS在國內(nèi)外部分電廠的應(yīng)用情況。

二、FCS的應(yīng)用優(yōu)勢

（一）提升電廠的數(shù)字化水平。電廠自動化經(jīng)過多年的發(fā)

展，廠級（MIS、SIS）和機(jī)組級（DCS、PLC）已全部數(shù)字化，并形成一個信息共享的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)。但在現(xiàn)場設(shè)備級，包括成百上千的變送器、執(zhí)行器、電氣開關(guān)柜等仍大多數(shù)采用一對一的模擬量信號或開關(guān)量信號傳送，且采集的信息很少，僅能滿足低水平監(jiān)控的要求。

（二）實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字化和智能化?，F(xiàn)場總線設(shè)備將微處理器置入現(xiàn)場總線儀表內(nèi)，使儀表本身成為網(wǎng)絡(luò)上的一個站，并參與通訊，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字通訊。在現(xiàn)場總線儀表設(shè)備中可以完成原來需要在分散控制系統(tǒng)過程控制器中才能完成的一些運(yùn)算和控制如傳感測量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與基本控制等功能

（三）優(yōu)化了控制系統(tǒng)，為SIS系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)提供了可能。SIS需要的實(shí)時信息取自于DCS和輔助車間監(jiān)控系統(tǒng)等，由于

DCS采用的是模擬量、開關(guān)量，不具備將設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時信息上傳至控制器的功能，SIS也就無法獲得這些有用信息，這就是

SIS進(jìn)一步提髙功效的瓶頸，而FCS系統(tǒng)采用的是全數(shù)字、雙向通信現(xiàn)場總線信號制，完全解決了智能現(xiàn)場儀表與智能控制室儀表之間的連接問題，解決了瓶頸，滿足SIS需求，也為現(xiàn)場控制設(shè)備級實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、建設(shè)真正意義上的數(shù)字化電廠提供了基礎(chǔ)條件。

（四）節(jié)省了安裝成本。減少控制機(jī)柜數(shù)量，可節(jié)省電子間的空間； 大量減少I/O電纜，簡化設(shè)計(jì)，節(jié)省電纜、電纜橋架、敷設(shè)空間及安裝工作量； 調(diào)試中可減少查驗(yàn)點(diǎn)，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)視和診斷現(xiàn)場設(shè)備，節(jié)省工作量和時間

（五）提高了運(yùn)行機(jī)組的管理水平、降低檢修維護(hù)的工作

量。FCS可組態(tài)設(shè)備實(shí)時狀態(tài)和診斷顯示、報警等，快速發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障位置、原因，快速維修，節(jié)省人力和提高系統(tǒng)可用性。通過采用采用設(shè)備管理軟件，記錄和積累設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、診斷信息，預(yù)測設(shè)備故障，提前維護(hù)，降低故障發(fā)生率。 綜合實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)，開發(fā)有針對性的軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)“狀態(tài)維修”、“性能優(yōu)化”、“壽命評估”等。工程師或操作員站的顯示屏（LCD）上能夠容易地查看現(xiàn)場設(shè)備的工作情況，進(jìn)而對設(shè)備進(jìn)行調(diào)校及參數(shù)修改，大大減輕了維護(hù)工作量，減少了維護(hù)人員。

三、當(dāng)前FCS設(shè)備現(xiàn)狀

（一）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。目前，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)主要以進(jìn)口設(shè)備為主，比較成熟的如：* 西門子FCS控制系統(tǒng)；* 艾默生西屋的OVTION控制系統(tǒng)；* Foxboro 公司的I/A控制系統(tǒng)。已投產(chǎn)和在建的大型機(jī)組大多采用了西門子FCS控制系統(tǒng)。國內(nèi)大約有10多套控制系統(tǒng)已投入運(yùn)行或在施工當(dāng)中。國產(chǎn)

DCS制造商目前對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)還處在啟始階段，正在開發(fā)、試驗(yàn)中，只有在少量的火電廠局部工藝系統(tǒng)及化工廠采用了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，還不具備制造在大型火力發(fā)電廠現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的能力。

（二）現(xiàn)場總線設(shè)備現(xiàn)狀。（1）變送器類。目前，世界各大儀表生產(chǎn)廠都相繼推出了現(xiàn)場總線型變送器，通過FF和認(rèn)證的變送器已經(jīng)有60多種，如ROSEMOUNT公司的3051系列，YOKOGAWA公司的EJA、YTA-302、YEWFLOW、EXAXTPH；HONEYWELL公司的OPTION、STT35；FOXBORO公司的

IASPT10、RTT25、IAP10、IAP20；Endress+Hauser公司的CER

ABARS；ABB公司的2600TEN等等?；鹆Πl(fā)電廠普遍使用的變送器都有支持PROFIBUS總線接口的產(chǎn)品，并得到了廣泛使用。（2） 執(zhí)行器類。目前廣泛使用的電動執(zhí)行器如ROTORK、

AUMA、SIPOS等都具有支持PROFIBUS現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。國產(chǎn)設(shè)備中也有支持現(xiàn)場總線接口，但用到工程中去的幾乎沒有。（3 ）現(xiàn)場總線型閥門定位器。在目前電廠使用的主流氣動調(diào)節(jié)閥閥位定位器產(chǎn)品中，美國FISHER-ROSEMOUNT 公司生產(chǎn)的 FIELDVUE DVC 系列智能閥門定位器支持FF現(xiàn)場總線，德國西門子公司的SIPART PS2 閥門定位器支持FF 和

PROFIBUS-PA；日本山武公司的SVP3000 智能定位器支持FF 總線標(biāo)準(zhǔn)。

四、FCS在工程中的應(yīng)用范圍設(shè)想

（一）主控系統(tǒng)現(xiàn)場總線應(yīng)用設(shè)想。（1）涉及到鍋爐、汽機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)如：FSSS、DEH、ETS等，仍采用常規(guī)成熟的DCS控制方式；（2）DAS從現(xiàn)場直接采集的信號部分采用FCS的儀表、設(shè)備；IDAS信號、TSI仍采用常規(guī)方式；（3）SOE采用常規(guī)

DCS采集方式；（4）鍋爐、汽機(jī)和公用控制系統(tǒng)將大范圍采用

FCS，選用范圍：鍋爐給水系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)的部分儀表；鍋爐啟動系統(tǒng)、定排、疏水、少油點(diǎn)火系統(tǒng)、鍋爐燃油系統(tǒng)、輔汽系統(tǒng)部分閥門；汽機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)、抽汽系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、閉式水系統(tǒng)、汽機(jī)油凈化系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)氫油水系統(tǒng)部分設(shè)備；（5）少量保護(hù)用常規(guī)4～20mA變送器的儀表，選擇具有HART協(xié)議的變送器；（6）采用現(xiàn)場總線儀表和設(shè)備的診斷、管理軟件，例如Profibus的PDM軟件，F(xiàn)F的AMS、FDT軟件等對現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備進(jìn)行診斷和管理。

（二）輔控系統(tǒng)現(xiàn)場總線應(yīng)用設(shè)想。輔控系統(tǒng)現(xiàn)場總線可按照基于輔控DCS和基于PLC兩種方案規(guī)劃。水系統(tǒng)（包括鍋爐補(bǔ)給水、工業(yè)廢水、凈水及綜合水泵房、凝結(jié)水）、灰渣系統(tǒng)、輸煤控制系統(tǒng)等采用以PLC為核心的現(xiàn)場總線系統(tǒng)的實(shí)施方案；脫硫系統(tǒng)采用與主機(jī)控制系統(tǒng)一體化的DCS為核心的現(xiàn)場總線系統(tǒng)的實(shí)施方案

五、存在的問題與對策

（一）現(xiàn)場總線優(yōu)勢沒有能夠充分發(fā)揮。以智能化現(xiàn)場儀表為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，其優(yōu)點(diǎn)不僅在于節(jié)省電纜、安裝、調(diào)試等工程量，更多的在于維護(hù)簡單、具有自動診斷、校正等管理功能方面。而目前國內(nèi)實(shí)際使用中并沒有實(shí)現(xiàn)所有信息的獲得，也沒有把管理自動化和遠(yuǎn)程診斷功能都集成在一起納入監(jiān)控系統(tǒng)。導(dǎo)致現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢不能得到充分發(fā)揮。因此在工程實(shí)踐中可以合理采用后臺管理軟件如西門子的PDMS、艾默生的AMS，從而充分發(fā)揮現(xiàn)場總線系統(tǒng)信息管理、降低運(yùn)行維護(hù)成本的優(yōu)勢。

（二）現(xiàn)場總線產(chǎn)品的可選范圍相對較小。現(xiàn)場總線仍在發(fā)展過程，首先目前具有現(xiàn)場總線相關(guān)產(chǎn)品和應(yīng)用業(yè)績的DCS供貨商相對較少，僅有 Siemens、Emerson 、Foxboro 等幾家，而國產(chǎn)DCS目前還沒有開發(fā)出FCS系統(tǒng)。其次，智能現(xiàn)場設(shè)備的規(guī)范和品種比起常規(guī)儀表來說，還是比較少，特別是針對電廠開發(fā)的現(xiàn)場總線高性能智能現(xiàn)場設(shè)備較少，在工程實(shí)施時可以選擇的余地不大，隨著總線產(chǎn)品的陸續(xù)推出和大規(guī)模使用，目前情況已得到較大改觀。

（三）工程安裝和調(diào)試技術(shù)要求提高。現(xiàn)場總線系統(tǒng)的安裝工作量減少，但技術(shù)要求提高。有的需要使用專用設(shè)備和工具，有的需要特殊的工藝和方法。這些雖然不難掌握，但與常規(guī)安裝工藝和方法有差別，需要一定的培訓(xùn)。因此為保證FCS在電廠的成功應(yīng)用必須針對設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試每一個環(huán)節(jié)，制定嚴(yán)格的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。加強(qiáng)工程管理。在項(xiàng)目初期，引入一家有現(xiàn)場總線工程經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)支撐單位，參與系統(tǒng)選型、性能測試、方案設(shè)計(jì)、網(wǎng)段劃分、現(xiàn)場培訓(xùn)、安裝調(diào)試指導(dǎo)，使機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加合理、安全、可靠。選擇有一定工程經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試單位。 培養(yǎng)一批具有較高綜合素質(zhì)的電廠熱控技術(shù)人員解決調(diào)試運(yùn)行中產(chǎn)生的技術(shù)難題。

結(jié)論：目前，在火力發(fā)電廠全面采用現(xiàn)場總線技術(shù)，其技術(shù)應(yīng)用、設(shè)備選型、實(shí)施經(jīng)驗(yàn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)投資等方面都具備了可行性?，F(xiàn)場總線技術(shù)代表著自動化發(fā)展的方向，對數(shù)字化電廠起基礎(chǔ)和支撐作用，自身發(fā)展前景比較廣闊。但目前還處于不斷發(fā)展的階段，其應(yīng)用范圍、廣度和深度都需要我們在工程實(shí)施及后續(xù)開發(fā)方面不斷的研究和探索。

參考文獻(xiàn)：

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