FCS在數字化電廠的應用分析

渠國防

摘 要：現場總線控制技術作為一種新興技術，已經得到了越來越廣泛的應用。本文著重討論了現場總線的概念、應用現狀及存在的問題與對策。

關鍵詞：數字化電廠；現場總線；智能化

一、現場總線控制系統的概念及應用現狀

80年代末期開始發展起來的現場總線技術和產品，以及由此組成的現場總線控制系統（FCS，Fieldbus Control System），引發了自動控制領域的革命。開放的、全數字化和雙向、多站的通訊網絡，與多功能的智能化現場數字儀表是FCS的主要特征，它將使自動控制系統的效能產生巨大的飛躍，同時可降低設計、施工、調試、運行、維護和系統擴展等方面的綜合費用。

（一）定義。根據國際電工委員會IEC61158標準的定義：安裝在制造或生產過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、雙向、多點通信的數據總線稱為現場總線。通俗的講，現場總線就是安裝在生產過程區域的現場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、多點、雙向通信的數據總線。由現場總線與現場智能設備組成的控制系統稱為現場總線控制系統FCS（Fieldbus Con

trol System）。現場總線控制系統是一種全計算機、全數字、雙向通信的新型控制系統。它與DCS的本質差異在于現場級設備的數字化、網絡化，實現了控制裝置與現場裝置的雙向通信，消除了生產過程監控的信息“盲點”。可以說，現場設備級的數字化、網絡化是電廠信息化管理的基礎。

（二） FCS的三個關鍵要素。（1）核心：總線協議，是FCS實現開放和互操的必要條件；（2）基礎：智能現場設備，是FCS的硬件支持，雙向數字通信的基礎載體、設備狀態信息的來源；（3） 本質：信息處理現場化，實現控制系統徹底的分散，信息量大大豐富。

（三）應用現狀。現場總線控制技術作為一種新興技術，已廣泛成功地應用在石化、化工、冶金、醫藥、市政工程、樓宇、建材等多個行業。與其形成鮮明對照的是，現場總線技術在電廠過程控制中的實質性實施卻始終不多。隨著現場總線技術的不斷發展和人們認識的提高，FCS應用于電廠的廣泛采用已經成為一種趨勢，下表是FCS在國內外部分電廠的應用情況。

二、FCS的應用優勢

（一）提升電廠的數字化水平。電廠自動化經過多年的發

展，廠級（MIS、SIS）和機組級（DCS、PLC）已全部數字化，并形成一個信息共享的數字化網絡。但在現場設備級，包括成百上千的變送器、執行器、電氣開關柜等仍大多數采用一對一的模擬量信號或開關量信號傳送，且采集的信息很少，僅能滿足低水平監控的要求。

（二）實現了現場設備的數字化和智能化。現場總線設備將微處理器置入現場總線儀表內，使儀表本身成為網絡上的一個站，并參與通訊，從而實現了數字通訊。在現場總線儀表設備中可以完成原來需要在分散控制系統過程控制器中才能完成的一些運算和控制如傳感測量、補償計算、工程量處理與基本控制等功能

（三）優化了控制系統，為SIS系統的功能實現提供了可能。SIS需要的實時信息取自于DCS和輔助車間監控系統等，由于

DCS采用的是模擬量、開關量，不具備將設備狀態的實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進一步提髙功效的瓶頸，而FCS系統采用的是全數字、雙向通信現場總線信號制，完全解決了智能現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，也為現場控制設備級實現數字化、建設真正意義上的數字化電廠提供了基礎條件。

（四）節省了安裝成本。減少控制機柜數量，可節省電子間的空間； 大量減少I/O電纜，簡化設計，節省電纜、電纜橋架、敷設空間及安裝工作量； 調試中可減少查驗點，能夠遠程監視和診斷現場設備，節省工作量和時間

（五）提高了運行機組的管理水平、降低檢修維護的工作

量。FCS可組態設備實時狀態和診斷顯示、報警等，快速發現設備故障位置、原因，快速維修，節省人力和提高系統可用性。通過采用采用設備管理軟件，記錄和積累設備運行狀態、診斷信息，預測設備故障，提前維護，降低故障發生率。 綜合實時和歷史數據，開發有針對性的軟件，能夠實現“狀態維修”、“性能優化”、“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場設備的工作情況，進而對設備進行調校及參數修改，大大減輕了維護工作量，減少了維護人員。

三、當前FCS設備現狀

（一）現場總線控制系統。目前，現場總線控制系統主要以進口設備為主，比較成熟的如：* 西門子FCS控制系統；* 艾默生西屋的OVTION控制系統；* Foxboro 公司的I/A控制系統。已投產和在建的大型機組大多采用了西門子FCS控制系統。國內大約有10多套控制系統已投入運行或在施工當中。國產

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

（二）現場總線設備現狀。（1）變送器類。目前，世界各大儀表生產廠都相繼推出了現場總線型變送器，通過FF和認證的變送器已經有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。火力發電廠普遍使用的變送器都有支持PROFIBUS總線接口的產品，并得到了廣泛使用。（2） 執行器類。目前廣泛使用的電動執行器如ROTORK、

AUMA、SIPOS等都具有支持PROFIBUS現場總線標準的產品。國產設備中也有支持現場總線接口，但用到工程中去的幾乎沒有。（3 ）現場總線型閥門定位器。在目前電廠使用的主流氣動調節閥閥位定位器產品中，美國FISHER-ROSEMOUNT 公司生產的 FIELDVUE DVC 系列智能閥門定位器支持FF現場總線，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 總線標準。

四、FCS在工程中的應用范圍設想

（一）主控系統現場總線應用設想。（1）涉及到鍋爐、汽機安全保護系統如：FSSS、DEH、ETS等，仍采用常規成熟的DCS控制方式；（2）DAS從現場直接采集的信號部分采用FCS的儀表、設備；IDAS信號、TSI仍采用常規方式；（3）SOE采用常規

DCS采集方式；（4）鍋爐、汽機和公用控制系統將大范圍采用

FCS，選用范圍：鍋爐給水系統、制粉系統、風煙系統的部分儀表；鍋爐啟動系統、定排、疏水、少油點火系統、鍋爐燃油系統、輔汽系統部分閥門；汽機凝結水系統、抽汽系統、軸封系統、真空系統、閉式水系統、汽機油凈化系統、發電機氫油水系統部分設備；（5）少量保護用常規4～20mA變送器的儀表，選擇具有HART協議的變送器；（6）采用現場總線儀表和設備的診斷、管理軟件，例如Profibus的PDM軟件，FF的AMS、FDT軟件等對現場總線網絡、設備進行診斷和管理。

（二）輔控系統現場總線應用設想。輔控系統現場總線可按照基于輔控DCS和基于PLC兩種方案規劃。水系統（包括鍋爐補給水、工業廢水、凈水及綜合水泵房、凝結水）、灰渣系統、輸煤控制系統等采用以PLC為核心的現場總線系統的實施方案；脫硫系統采用與主機控制系統一體化的DCS為核心的現場總線系統的實施方案

五、存在的問題與對策

（一）現場總線優勢沒有能夠充分發揮。以智能化現場儀表為基礎的現場總線系統與傳統系統相比，其優點不僅在于節省電纜、安裝、調試等工程量，更多的在于維護簡單、具有自動診斷、校正等管理功能方面。而目前國內實際使用中并沒有實現所有信息的獲得，也沒有把管理自動化和遠程診斷功能都集成在一起納入監控系統。導致現場總線技術的優勢不能得到充分發揮。因此在工程實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，從而充分發揮現場總線系統信息管理、降低運行維護成本的優勢。

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

（三）工程安裝和調試技術要求提高。現場總線系統的安裝工作量減少，但技術要求提高。有的需要使用專用設備和工具，有的需要特殊的工藝和方法。這些雖然不難掌握，但與常規安裝工藝和方法有差別，需要一定的培訓。因此為保證FCS在電廠的成功應用必須針對設計、安裝、調試每一個環節，制定嚴格的驗收標準。加強工程管理。在項目初期，引入一家有現場總線工程經驗的技術支撐單位，參與系統選型、性能測試、方案設計、網段劃分、現場培訓、安裝調試指導，使機組控制系統設計更加合理、安全、可靠。選擇有一定工程經驗的設計、安裝、調試單位。 培養一批具有較高綜合素質的電廠熱控技術人員解決調試運行中產生的技術難題。

結論：目前，在火力發電廠全面采用現場總線技術，其技術應用、設備選型、實施經驗、系統設計和建設投資等方面都具備了可行性。現場總線技術代表著自動化發展的方向，對數字化電廠起基礎和支撐作用，自身發展前景比較廣闊。但目前還處于不斷發展的階段，其應用范圍、廣度和深度都需要我們在工程實施及后續開發方面不斷的研究和探索。

參考文獻：

[1] 侯子良 推廣現場總線全面實現火電廠數字化

[2] 趙瑞陽 現場總線技術在電廠的應用