進入20世紀90年代，現場總線控制系統（FCS，FieldbusControlSystem）走向實用化。目前已成為自動化技術中的一個熱點，已有不少論文和專著相繼發表，對現場總線控制系統作了專門介紹?，F在的關鍵是如何研究、開發、應用，使之在火電廠自動化中發揮效益。
　　
　　一、FCS系統的技術、經濟優勢
　　
　　目前，DCS（DistributedControlSystem）分散控制系統己普遍應用于電站，為什么還要研發FCS系統，與DCS相比FCS的技術、經濟優勢在哪里?
　　
　　l.FCS與DCS的差異要點
　　
　　從系統的體系結構、信號制、通信協議、現場裝置、應用范圍等方面，人們可以列出許多項FCS與DCS的系統差異。作為針對技術、經濟比較的系統差異，有下列兩項重點:
　　
　?。?）信號制。
　　
　　DCS系統采用的是模擬量、開關量、數字信號混合系統信號制，而且是單向的。FCS系統采用的是全數字、雙向通信現場總線信號制。
　　
　?。?）現場裝置。
　　
　　DCS系統使用的是模擬式單功能儀表、變送器、執行機構。雖然有時也稱為"智能"現場裝置，但主要是指在裝置安裝調試期間的智能功能。
　　
　　FCS系統使用的是全數字化、智能、多功能現場裝置。帶有控制器功能，除能輸出數字化的工藝參數信號外，還能輸出數字化的狀態信號。
　　
　　2.FCS系統的技術、經濟優勢
　　
　?。╨）FCS系統采用的是全數字通信，這本身就是一大優勢。我們知道，數字通信是目前技術發展的趨勢，在信息時代的今天尤為突出。
　　
　?。?）FCS系統采用全數宇通信，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）為傳統的過程控制系統（DCS），每個現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）所示為現場總線控制系統，其中每個現場裝置到接線盒的雙絞線仍然可以使用，但從現場接線盒到中央控制室僅用一根雙絞線完成數宇通信。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省了（某電廠DCS電子間約占800m2）。
　　
　　（3）FCS系統采用的是全數字、雙向通信現場總線信號制，就能實現將控制室中央控制器的控制策略直接下載到現場裝置之中，現場裝置中的控制策略、工藝參數信號也能上傳至中央控制器，更有意義的是，現場裝置中所反映的狀態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"設備狀態維修"，更重要的是，大量的現場實時信息，為管理決策提供了基礎。在這方面取得的經濟效益，不是用簡單的數字能表示的。
　　
　?。?）FCS系統的現場裝置為全數字化、智能、多功能現場裝置，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。據初步設計估算，對于電站，可以下放到現場裝置中的控制系統數約占總線的73%。當然在功能組級檔以上較為復雜的控制系統，目前尚不具備下放至現場裝置的條件。這部分控制功能的實現，將在下面進行敘述。
　　
　　二、FCS在電站的應用
　　
　　1.在國內外FCS沒有應用于大型電站的示例
　　
　　FCS系統進入我國時，遠比不上DCS系統進入我國時成熟。20世紀80年代末期，DCS系統進入我國電站時，國外己有多個DCS系統用于大型工程的示例。據調研，到目前為止，FCS系統仍以中、小型工程的示例居多。國內外，在大型火電廠內統一的現場總線控制網絡的模型全部，即設備層、監控層、遠程監控層上均使用現場總線的范例，還未見報導。
　　
　　2.PLC聯網控制
　　
　　FCS系統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現場總線協議的L2-DP網絡技術，將該廠的鍋爐補給水與凝結水精處理控制系統等輔助車間控制系統聯網，提高了火電廠輔助車間控制的勞動生產率及系統可靠性。
　　
　　3.FDCS的應用
　　
　　我們將在通信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稱之為FDCS控制系統。該類系統在對外的功能及本身的體系結構，與DCS系統并無多少差別，但在通信和數據傳輸方面遵循現場總線協議標準。
　　
　　該類型系統目前國內有兩種，具體如下:
　　
　?。?）*種系統為ALSPAP320控制系統，應用于華能珞璜電廠二期工程。
　　
　　AISSPAP320有三大網絡:LOCVTAFIP現場總線網絡，遵循WorldFIP標準;F900數據總線，遵循WorldFIP標準;CONTRONET控制網，使用以太網技術。
　　
　?。?）第二種系統為SimatiCPCS7控制系統，應用于楊凌燃機熱電廠燃氣-蒸汽聯合循環發電機組。
　　
　　每一對冗余控制器均通過冗余的現場總線Pro-fibus-DP（zui高數據傳輸速率可達12Mbit/s）帶一定數量的遠程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據通信是通過冗余的環型工業以太網來完成的。網絡速率1OOMbit/s。
　　
　　4.擬采用FCS系統的企業自備電廠
　　
　　山東濱州化工廠自備電廠35t/h鍋爐與邯鄲鋼鐵廠75t/h循環流化床鍋爐控制，擬采用遵循FF現場總線協議技術的SmarSystem320控制系統實施控制。
　　
　　該項目的工程實踐，是一個比較完整的FCS控制系統。有關鍋爐閉環控制框圖參見圖2，從圖中可以看出，要實現一個閉環控制系統，需在多臺數字智能現場裝置之間進行信息交換?，F場的執行機構與變送器皆采用附有控制器功能的數字式智能現場裝置，用以實現閉環控制功能，做到了"信息處理現場化"。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，并與現場附有控制器功能的數字智能現場裝置進行信息交換。
　　
　　5.FCS系統在電站應用評述
　　
　?。?）電站中，以PLC為硬件的順序控制系統，用FCS總線進行聯網控制，是一個很好的選擇，并可取得良好的效果。
　　
　　（2）FDCS系統雖算不上完整、典型的FCS系統，但它的成功使用，是現場總線在火電廠大型機組控制系統應用的很好嘗試。
　　
　　（3）SmarSystem320控制系統在火電廠中小型機組鍋爐控制中的應用，可以作為FCS系統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，以及實時性要求較高的控制系統，以目前FCS系統的技術水平來實施，還有一定的難度。有待進一步開發研究。
　　
　?。?）FCS是電火電廠實現現代化管埋和運營的必然選擇。
　　
　　1）廠網分開將促進火電廠實現企業綜合自動化:廠網分開體制改革實現后，電廠將相對獨立地參與市場競爭。實現包括基礎自動化、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的現場智能設備能將大量現場信息送上通信網絡，這是DCS、PLC無法實現的。這些實時信息為企業綜合自動化所必需，也是發電集團企業信息集成的基礎。
　　
　　3）電廠對綜合經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濟性和效益時，FCS的價格優勢就明顯了。
　　
　　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合，才能更好地發揮其效益。且時間越長效益越明顯。
　　
　　2.智能現場裝置可選品種大少
　　
　　目前，遵循現場總線協議的數字智能現場裝置，其協議標準很多，但其品種規格供選擇的卻明顯不足，例如，FF的Hl開發已10多年了，但到2001年5月31日為止，還只有30余種、83個規格的產品正式注冊可供正式選用。83個產品中還包括同一規格不同廠商、公司的產品，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。而且目前注冊過的產品，我國國產的極少。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品。
　　
　　3.電站特殊工藝要求
　　
　　在電站的某些熱工過程控制系統中需要高速的開關量或模擬量控制系統。例如:事件順序記錄系統（SOE）、汽輪機數字式電液控制系統以及順序控制系統與保護系統中的快關、快開控制等。事件順序記錄系統等需要1～2ms的分辨率，而汽輪機數字式電液控制系統等需要lOms左右的控制周期。以目前FCS系統的體系結構與通信技術，滿足不了上述控制系統的功能要求。
　　
　　4.復雜系統控制
　　
　　FCS系統，對于簡單的控制系統，可以現場解決，參見圖3。而對于復雜系統則需要在多臺智能裝置之間進行信息交換，系統可靠性降低。
　　
　　四、研發FCS路徑的探討
　　
　　l.FCS系統工程應用研究
　　
　　雖然FCS系統現有的技術在大型火電機組上全面應用還存在一些難點，但是，利用FCS系統的現有技術，積極開展FCS系統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系統的技術，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的構建和信息系統研究
　　
　　火電廠輔助車間適度集中控制，是目前在電站內達到減員增效十分有效的措施，將電站內數十個輔助車間，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，現階段正在推廣之中。而FCS系統技術在這方面能充分發揮其功能效益，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"滲透"，開發了諸多的模擬量閉環控制功能。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，而且又是與電站中SCS系統，在工藝上有密切關連的那些MCS系統，由PLC來實現其控制功能。
　　
　　4.用于電站的智能現場裝置研究
　　
　　對于電站而言，供選擇的智能現場裝置品種規格太少。而數字智能現場裝置是現場總線的基礎，與DCS不同，采用現場總線后，由于現場設備運行的實時信息可通過現場總線與控制系統進行交互，所以各級用戶都可以隨時查詢數字智能現場裝置用網絡的運行狀態，還可以在線標定、校準、修改各種設備的性能參數和運行參數，從根本上解決了控制系統中zui基本的測控信息的實時傳遞，對現場設備實現遠程監控、故障診斷和狀態維修提供了技術支撐。所以，沒有數字智能現場裝置，FCS系統的許多*性無法發揮，也就失去了使用FCS系統技術的真正意義。
　　
　　5.電站特殊工藝要求的FCS系統研究
　　
　　高可靠性的具有毫秒級時間同步的現場總線技術的開發研究，是將FCS系統技術用于大型火電機組控制中的關鍵技術之一。
　　
　　6.網關、網橋控制器研究
　　
　　參見圖4。如果我們能擴大、增強網關、網橋控制器的控制功能，以此來實現電站中功能組級檔以上控制系統的控制功能，這也是擴大FCS系統技術在大型火電機組中應用的一個可行方案。這就相當于在系統體系結構中增加一層中層控制器。
　　
　　7.FCS與DCS網絡集成的開發研究
　　
　　FCS與DCS網絡集成方案有兩種：一種方案，即DCS主機為一個普通節點，采用網關將DCS網絡掛接到高速網絡上。另一種方案，即將DCS系統視為主體，將現場總線系統掛接在DCS系統的網絡上。
　　
　　8.研發FCS系統的切入點
　　
　　研發FCS系統，以從研發電站輔助車間FCS監控和信息系統作為突破口。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：
　　
　?。?）電站輔助車間的布局比較接近石化等行業的狀況，即地域分布較廣，設備較為分散，有利于FCS系統優勢的發揮與體現。也可利用FCS系統成功應用于石化行業的工程點作為借鑒。
　　
　?。?）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機組自動化水平仍有較大差距。FCS系統在該領域的研發與實施，有利于自動化水平提高后效果的體現。
　　
　?。?）電站輔助車間控制系統的規模，相對于主廠房內機組的控制系統要小，投資規模相對也小，相對而言，資金投入的風險也小。
　　
　　（4）電站輔助車間規模相對雖小，但是，其設備品種繁多，在該領域FCS系統的研發與應用，有利于取得全面研發FCS的經驗，進一步明確電站用FCS系統的研發方向與項目內容。也增加電站行業對FCS系統的認識與了解。
　　
　　（5）電站化學水系統是電廠重要的輔助車間和輔助系統，由于電廠化學系統對于整個電廠而言是一個相對獨立的系統，與其他主體專業相關性不是很強，同時，電廠化學水系統因為監視控制點比較分散，難以納入傳統DCS控制系統中進行系統化改造，致使化學專業自動化水平、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多采用PLC程控方式對該系統進行監視控制。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I/O測點的增加，各類模件增加，機柜數量龐大，系統復雜。
　　
　　針對目前火力發電廠化學水系統設備布置分散，汽水取樣、自動加藥、繁多的常規測點等現狀，FCS系統的全數字、雙向通信現場總線信號制，特別適合于化學水處理系統的現狀。簡單地講，以現場總線為鏈，把單個分散的化學水處理系統測量、控制設備變成網絡節點，進行信息互換，組成網絡系統，實現汽水取樣、自動加藥、水處理等各項監控系統功能一體化。
　　
　　9.實施步驟
　　
　　為了實現全數字、雙向通信，必須將網絡節點上各種設備的輸入、輸出信號全部變為數字信號，各現場裝置必須達到現場總線控制系統數字智能現場裝置的要求。為此，必須開發相應的功能模塊?；瘜W水監控系統相對于主廠內的機組監控系統，其系統規模要小得多，但其設備品種，可謂是"麻雀雖小，五臟俱全"。因此，要*達到FCS系統典型配置的水平，研發工作量相當大，時間周期長，投資規模大，風險也大。所以，以分步實施為宜。
　　
　?。?）*步——聯網控制。
　　
　　將化學水車間的化學水監測、化學水程控，自動加藥等幾大部分工藝系統，分別納入各自的PLC控制范圍之內，再將這些符合現場總線信號制的PLC進行聯網控制，形成初級的綜合監控管理系統。
　　
　?。?）第二步——重點設備信號制改造。
　　
　　也就是進行信號制改造，即進入真正的現場總線信號制階段。由于要研發的品種太多，資金投入量大，所以只能從個別重點設備開始進行改制。百先采用數字智能化學水監測儀表。以引入其狀態信號，改善監控系統管理水平。
　　
　　（3）第三步——各品種模塊的研發。
　　
　　為了達到真正的典型FCS系統的體系結構，必須做到關鍵模塊品種齊全，包括硬件與軟件的同時開發。
　　
　　（4）第四步——FCS系統技術應用于化學水車間。
　　
　　將各功能模塊植入化學水系統所有相關設備之中，全數字、雙向通信現場總線信號制網絡監控系統形成。此時，我們就可能全面的評價FCS系統技術所帶來的技術與經濟效益，為FCS系統技術應用于電站內所有監控系統打下堅實的基礎。
　　
　　（5）第五步——FCS系統技術應用于電站。
　　
　　在對化學水車間應用FCS系統技術總結分析的基礎上，就可以更為細致與確切地知道FCS系統技術應用于電站的關鍵技術、研發方向與項目內容，確定下一步研發重點，為FCS系統技術全面應用于電站鋪開道路。