FCS在数字化电厂的应用分析

渠国防

摘 要：现场总线控制技术作为一种新兴技术，已经得到了越来越广泛的应用。本文着重讨论了现场总线的概念、应用现状及存在的问题与对策。

关键词：数字化电厂；现场总线；智能化

一、现场总线控制系统的概念及应用现状

80年代末期开始发展起来的现场总线技术和产品，以及由此组成的现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System），引发了自动控制领域的革命。开放的、全数字化和双向、多站的通讯网络，与多功能的智能化现场数字仪表是FCS的主要特征，它将使自动控制系统的效能产生巨大的飞跃，同时可降低设计、施工、调试、运行、维护和系统扩展等方面的综合费用。

（一）定义。根据国际电工委员会IEC61158标准的定义：安装在制造或生产过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、双向、多点通信的数据总线称为现场总线。通俗的讲，现场总线就是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点、双向通信的数据总线。由现场总线与现场智能设备组成的控制系统称为现场总线控制系统FCS（Fieldbus Con

trol System）。现场总线控制系统是一种全计算机、全数字、双向通信的新型控制系统。它与DCS的本质差异在于现场级设备的数字化、网络化，实现了控制装置与现场装置的双向通信，消除了生产过程监控的信息“盲点”。可以说，现场设备级的数字化、网络化是电厂信息化管理的基础。

（二） FCS的三个关键要素。（1）核心：总线协议，是FCS实现开放和互操的必要条件；（2）基础：智能现场设备，是FCS的硬件支持，双向数字通信的基础载体、设备状态信息的来源；（3） 本质：信息处理现场化，实现控制系统彻底的分散，信息量大大丰富。

（三）应用现状。现场总线控制技术作为一种新兴技术，已广泛成功地应用在石化、化工、冶金、医药、市政工程、楼宇、建材等多个行业。与其形成鲜明对照的是，现场总线技术在电厂过程控制中的实质性实施却始终不多。随着现场总线技术的不断发展和人们认识的提高，FCS应用于电厂的广泛采用已经成为一种趋势，下表是FCS在国内外部分电厂的应用情况。

二、FCS的应用优势

（一）提升电厂的数字化水平。电厂自动化经过多年的发

展，厂级（MIS、SIS）和机组级（DCS、PLC）已全部数字化，并形成一个信息共享的数字化网络。但在现场设备级，包括成百上千的变送器、执行器、电气开关柜等仍大多数采用一对一的模拟量信号或开关量信号传送，且采集的信息很少，仅能满足低水平监控的要求。

（二）实现了现场设备的数字化和智能化。现场总线设备将微处理器置入现场总线仪表内，使仪表本身成为网络上的一个站，并参与通讯，从而实现了数字通讯。在现场总线仪表设备中可以完成原来需要在分散控制系统过程控制器中才能完成的一些运算和控制如传感测量、补偿计算、工程量处理与基本控制等功能

（三）优化了控制系统，为SIS系统的功能实现提供了可能。SIS需要的实时信息取自于DCS和辅助车间监控系统等，由于

DCS采用的是模拟量、开关量，不具备将设备状态的实时信息上传至控制器的功能，SIS也就无法获得这些有用信息，这就是

SIS进一步提髙功效的瓶颈，而FCS系统采用的是全数字、双向通信现场总线信号制，完全解决了智能现场仪表与智能控制室仪表之间的连接问题，解决了瓶颈，满足SIS需求，也为现场控制设备级实现数字化、建设真正意义上的数字化电厂提供了基础条件。

（四）节省了安装成本。减少控制机柜数量，可节省电子间的空间； 大量减少I/O电缆，简化设计，节省电缆、电缆桥架、敷设空间及安装工作量； 调试中可减少查验点，能够远程监视和诊断现场设备，节省工作量和时间

（五）提高了运行机组的管理水平、降低检修维护的工作

量。FCS可组态设备实时状态和诊断显示、报警等，快速发现设备故障位置、原因，快速维修，节省人力和提高系统可用性。通过采用采用设备管理软件，记录和积累设备运行状态、诊断信息，预测设备故障，提前维护，降低故障发生率。 综合实时和历史数据，开发有针对性的软件，能够实现“状态维修”、“性能优化”、“寿命评估”等。工程师或操作员站的显示屏（LCD）上能够容易地查看现场设备的工作情况，进而对设备进行调校及参数修改，大大减轻了维护工作量，减少了维护人员。

三、当前FCS设备现状

（一）现场总线控制系统。目前，现场总线控制系统主要以进口设备为主，比较成熟的如：* 西门子FCS控制系统；* 艾默生西屋的OVTION控制系统；* Foxboro 公司的I/A控制系统。已投产和在建的大型机组大多采用了西门子FCS控制系统。国内大约有10多套控制系统已投入运行或在施工当中。国产

DCS制造商目前对现场总线控制系统还处在启始阶段，正在开发、试验中，只有在少量的火电厂局部工艺系统及化工厂采用了现场总线控制系统，还不具备制造在大型火力发电厂现场总线控制系统的能力。

（二）现场总线设备现状。（1）变送器类。目前，世界各大仪表生产厂都相继推出了现场总线型变送器，通过FF和认证的变送器已经有60多种，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。火力发电厂普遍使用的变送器都有支持PROFIBUS总线接口的产品，并得到了广泛使用。（2） 执行器类。目前广泛使用的电动执行器如ROTORK、

AUMA、SIPOS等都具有支持PROFIBUS现场总线标准的产品。国产设备中也有支持现场总线接口，但用到工程中去的几乎没有。（3 ）现场总线型阀门定位器。在目前电厂使用的主流气动调节阀阀位定位器产品中，美国FISHER-ROSEMOUNT 公司生产的 FIELDVUE DVC 系列智能阀门定位器支持FF现场总线，德国西门子公司的SIPART PS2 阀门定位器支持FF 和

PROFIBUS-PA；日本山武公司的SVP3000 智能定位器支持FF 总线标准。

四、FCS在工程中的应用范围设想

（一）主控系统现场总线应用设想。（1）涉及到锅炉、汽机安全保护系统如：FSSS、DEH、ETS等，仍采用常规成熟的DCS控制方式；（2）DAS从现场直接采集的信号部分采用FCS的仪表、设备；IDAS信号、TSI仍采用常规方式；（3）SOE采用常规

DCS采集方式；（4）锅炉、汽机和公用控制系统将大范围采用

FCS，选用范围：锅炉给水系统、制粉系统、风烟系统的部分仪表；锅炉启动系统、定排、疏水、少油点火系统、锅炉燃油系统、辅汽系统部分阀门；汽机凝结水系统、抽汽系统、轴封系统、真空系统、闭式水系统、汽机油净化系统、发电机氢油水系统部分设备；（5）少量保护用常规4～20mA变送器的仪表，选择具有HART协议的变送器；（6）采用现场总线仪表和设备的诊断、管理软件，例如Profibus的PDM软件，FF的AMS、FDT软件等对现场总线网络、设备进行诊断和管理。

（二）辅控系统现场总线应用设想。辅控系统现场总线可按照基于辅控DCS和基于PLC两种方案规划。水系统（包括锅炉补给水、工业废水、净水及综合水泵房、凝结水）、灰渣系统、输煤控制系统等采用以PLC为核心的现场总线系统的实施方案；脱硫系统采用与主机控制系统一体化的DCS为核心的现场总线系统的实施方案

五、存在的问题与对策

（一）现场总线优势没有能够充分发挥。以智能化现场仪表为基础的现场总线系统与传统系统相比，其优点不仅在于节省电缆、安装、调试等工程量，更多的在于维护简单、具有自动诊断、校正等管理功能方面。而目前国内实际使用中并没有实现所有信息的获得，也没有把管理自动化和远程诊断功能都集成在一起纳入监控系统。导致现场总线技术的优势不能得到充分发挥。因此在工程实践中可以合理采用后台管理软件如西门子的PDMS、艾默生的AMS，从而充分发挥现场总线系统信息管理、降低运行维护成本的优势。

（二）现场总线产品的可选范围相对较小。现场总线仍在发展过程，首先目前具有现场总线相关产品和应用业绩的DCS供货商相对较少，仅有 Siemens、Emerson 、Foxboro 等几家，而国产DCS目前还没有开发出FCS系统。其次，智能现场设备的规范和品种比起常规仪表来说，还是比较少，特别是针对电厂开发的现场总线高性能智能现场设备较少，在工程实施时可以选择的余地不大，随着总线产品的陆续推出和大规模使用，目前情况已得到较大改观。

（三）工程安装和调试技术要求提高。现场总线系统的安装工作量减少，但技术要求提高。有的需要使用专用设备和工具，有的需要特殊的工艺和方法。这些虽然不难掌握，但与常规安装工艺和方法有差别，需要一定的培训。因此为保证FCS在电厂的成功应用必须针对设计、安装、调试每一个环节，制定严格的验收标准。加强工程管理。在项目初期，引入一家有现场总线工程经验的技术支撑单位，参与系统选型、性能测试、方案设计、网段划分、现场培训、安装调试指导，使机组控制系统设计更加合理、安全、可靠。选择有一定工程经验的设计、安装、调试单位。 培养一批具有较高综合素质的电厂热控技术人员解决调试运行中产生的技术难题。

结论：目前，在火力发电厂全面采用现场总线技术，其技术应用、设备选型、实施经验、系统设计和建设投资等方面都具备了可行性。现场总线技术代表着自动化发展的方向，对数字化电厂起基础和支撑作用，自身发展前景比较广阔。但目前还处于不断发展的阶段，其应用范围、广度和深度都需要我们在工程实施及后续开发方面不断的研究和探索。

参考文献：

[1] 侯子良 推广现场总线全面实现火电厂数字化

[2] 赵瑞阳 现场总线技术在电厂的应用