20世紀80年代,，DCS（數(shù)字式分散控制系統(tǒng)）開始進入電站自動化控制領域,由于其在安全生產(chǎn)與經(jīng)濟效益等方面帶來的正面作用是以往任何一種控制系統(tǒng)無法與其相提并論的,，因此,，DCS在電站被廣泛使用,。
目前300MW以上機組，無論是國產(chǎn)機組還是引進機組,，無一例外采用DCS,，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DCS系統(tǒng)。
那么,，作為20世紀90年代才走向實用化的,，在自動化領域內最為新型的控制系統(tǒng)——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（fieldbus control system,FCS）,，能否也像DCS系統(tǒng)一樣被電站接受并廣為推廣使用?
1 FCS與DCS相比較最顯著的特點
根據(jù)國際電工委員會IEC1158定義:安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數(shù)字式,、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線,。
以現(xiàn)場總線為基礎的全數(shù)字控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS,。即:現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制室系統(tǒng)之間的一種開放、全數(shù)字化,、雙向通信與多站的通信系統(tǒng),。
DCS與FCS的具體比較如下:
（1） DCS系統(tǒng)是個大系統(tǒng)，其控制器功能強而且在系統(tǒng)中的作用十分重要,，數(shù)據(jù)公路更是系統(tǒng)的關鍵,，所以必須整體投資一步到位，事后擴容難度較大,。而FCS功能下放較徹底,，信息處理現(xiàn)場化，廣泛采用的數(shù)字智能現(xiàn)場裝置使得控制器功能與重要性相對減弱,。因此,，F(xiàn)CS系統(tǒng)投資起點低，可以邊用,、邊擴,、邊投運。
（2） DCS系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng)，各公司產(chǎn)品基本互不兼容,。而FCS系統(tǒng)是開放式系統(tǒng),，用戶可以選擇不同廠商、不同品牌的各種設備連入現(xiàn)場總線,，達到最佳的系統(tǒng)集成,。
（3） DCS系統(tǒng)的信息全都是二進制或模擬信號形成的，必須有D/A與A/D轉換,。而FCS系統(tǒng)是全數(shù)字化,，免去了D/A與A/D變換，高集成化高性能,，使精度可以從±0.5%提高到±0.1%,。
（4） FCS系統(tǒng)可以將PID閉環(huán)控制功能裝入變送器或執(zhí)行器中，縮短了控制周期,，目前可以從DCS的2～5次/s,，提高到FCS的10～20次/s，從而改善調節(jié)性能,。
（5） DCS系統(tǒng)可以控制和監(jiān)視工藝全過程,，對自身進行診斷、維護和組態(tài),。但是,，由于其自身的致命弱點，其I/O信號采用傳統(tǒng)的模擬量信號,，無法在DCS工程師站上對現(xiàn)場儀表（含變送器,、執(zhí)行器等）進行遠方診斷、維護和組態(tài),。FCS系統(tǒng)采用全數(shù)字化技術,，數(shù)字智能現(xiàn)場裝置發(fā)送多變量信息，而不僅僅是單變量信息,，并且還具備檢測信息差錯的功能,。FCS系統(tǒng)采用雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制。因此,，它可以對現(xiàn)場裝置（含變送器,、執(zhí)行器等）進行遠方診斷、維護和組態(tài),。FCS系統(tǒng)這點優(yōu)越性是DCS系統(tǒng)無法比擬的,。
（6） FCS系統(tǒng)由于信息處理現(xiàn)場化，與DCS系統(tǒng)相比,，可以省去相當數(shù)量的隔離器,、端子柜,、I/O終端、I/O卡件,、I/O文件及I/O柜,，同時也節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積，有專家認為可以節(jié)省60%,。
（7）與（6）同樣的理由,，F(xiàn)CS系統(tǒng)可以減少大量電纜與敷設電纜用的橋架等，同時也節(jié)省了設計,、安裝和維護費用,，有專家認為可以節(jié)省66%。
對于（6）,、（7）兩點應補充說明的是,，采用FCS系統(tǒng)，節(jié)省投資的效果是勿庸置疑的,，但是否如有的專家所說達60%～66%,，尚有待給出客觀評價，盡管這些數(shù)字在多篇文章中出現(xiàn),，筆者認為這是相互轉摘的結果,，目前還未找到這些數(shù)字的原始出處。因此,，讀者在引用這些數(shù)字時要慎重,。
（8） FCS相對于DCS組態(tài)簡單，由于結構,、性能標準化,，便于安裝,、運行,、維護。
（9） 用于過程控制的FCS設計開發(fā)要點,。這一點并不作為DCS的比較,，只是說明用于過程控制或者用于模擬連續(xù)過程類的FCS在設計開發(fā)中應重點考慮的問題。
1） 要求總線本安防爆功能,，而且是頭等重要的,。
2） 基本監(jiān)控如流量、料位,、溫度,、壓力等的變化是緩慢的，而且還有滯后效應,，因此,，節(jié)點監(jiān)控并不需要很快的電子學的響應時間，但要求有復雜的模擬量處理能力。這一物理特征決定了系統(tǒng)基本上多采用主-從之間的集中輪詢制,，這在技術上是合理的,，在經(jīng)濟上是有利的。
3） 流量,、料位,、溫度、壓力等參數(shù)的測量,，其物理原理是古典的,，但傳感器、變送器及控制器應向數(shù)字智能化發(fā)展,。
4） 作為針對連續(xù)過程類及其儀器儀表而開發(fā)的FCS系統(tǒng),，應側重于低速總線H1的設計完善。
2 FCS在火電廠的實際應用
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是一個新型的控制系統(tǒng),，進入我國的時間還不算長,，目前在火電廠的應用還處于局部領域使用的階段。
例1:Cegelec Alspa P320系統(tǒng)（見圖1）應用于我國華能珞璜電廠（4×360MW）二期工程（2×360MW）機組的自動控制,。該系統(tǒng)有31個雙冗余WorldFIP網(wǎng)絡,，16個監(jiān)視和控制站，32臺冗余PLC,，處理18000I/O點,，50000點控制數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用雙絞線媒體,，操作站冗余并有后備站,，系統(tǒng)典型的響應時間為50ms。
華能珞璜電廠二期工程是從法國GEC ALSTOM集團全套引進的2×360MW燃煤發(fā)電機組,。鍋爐由STEIN公司提供,，汽輪機由STG公司提供，發(fā)電機由STG公司提供,。已于1998年底全部投運發(fā)電
控制系統(tǒng)是法國CEGELCE公司提供的,、20世紀90年代中期開發(fā)推出的ALSPA P320控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了機組的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）,、閉環(huán)控制系統(tǒng)（MCS）,、順序控制系統(tǒng)（SCS）與燃燒器管理系統(tǒng)（BMS）等主要功能。汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）采用法國GEC ALSTOM STG公司提供的MICROREC控制系統(tǒng),。
ALSPA P320控制系統(tǒng)各部分通過標準網(wǎng)絡來相互通信,，與其他控制部件可以方便地進行通信。ALSPA P320有三大網(wǎng)絡:
LOCAFIP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡（WorldFIP）,，采用FIP標準（UTEC64＋601607）,，用于鏈接輸入輸出模板到P320的C370控制器,。
F900數(shù)據(jù)總線（WordlFIP），用于C370控制器之間的數(shù)據(jù)交換和C370控制器與CENTRALOG通信,。F900是一種快速的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡,，基于IEEE的FIP標準（UTEC64＋601607）的工業(yè)局域網(wǎng)。
CONTRONET控制網(wǎng)使用以太網(wǎng)技術,，用于集中控制層CENTRALOG數(shù)據(jù)庫與操作員工作站之間的數(shù)據(jù)交換,。CONTRONET遵照IEEE803.3局域網(wǎng)標準。
通過INTERENT標準協(xié)議,，P320可進行長距離通信,，進行遠程維護和大型電網(wǎng)控制。
例2：陜西省楊凌燃機熱電廠位于陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新技術開發(fā)區(qū)內,，采用德國Siemens公司生產(chǎn)的遵循Profibus現(xiàn)場總線協(xié)議的Simatic PCS7控制系統(tǒng)作為機,、爐、電的集中控制系統(tǒng),。
系統(tǒng)配置圖如圖2所示,。
該系統(tǒng)共配置3對冗余CPU－41H控制器。每一對冗余控制器均通過冗余的現(xiàn)場總線Profibus－DP（最新數(shù)據(jù)傳輸速率可達12Mbit/s）帶一定數(shù)量的遠程I/O擴展機架ET200M及I/O模件,。由遠程I/O擴展機架和模件組成的遠程I/O站均放置于現(xiàn)場附近,，通過Profibus－DP總線與放置在主控樓的冗余控制器通信。
該系統(tǒng)共配置32個ET200M遠程機架,，按工藝流程分成8個遠程I/O站,，放置在全廠8個不同位置，最遠的一個遠程I/O站——深井泵房遠程I/O站距主廠區(qū)3.4km左右,，其他的遠程I/O站間距離在200m以內,。控制器與各遠程I/O站間的通信是通過Profibus-DP現(xiàn)場總線完成的,，主廠區(qū)內Profibus-DP現(xiàn)場總線傳輸介質為雙絞線,，深井泵房遠程I/O站與主廠區(qū)間的數(shù)據(jù)通信采用光纖作為傳輸介質，兩端通過光電轉換接口,，與Profibus-DP現(xiàn)場總線相接,。
由于使用了Profibus-DP現(xiàn)場總線技術,，現(xiàn)場布置I/O機柜，實現(xiàn)了對燃機外圍設備,、余熱鍋爐,、汽機輔機、循環(huán)水泵房,、綜合水泵房,、深井泵房,、廠用電氣系統(tǒng)、110kV升壓站等系統(tǒng)與主控環(huán)的服務器進行雙向數(shù)據(jù)交換,，實現(xiàn)了全廠各系統(tǒng)的集中監(jiān)控,。自動系統(tǒng)投入率達到100％，2001年8月系統(tǒng)投入商業(yè)運營,。
例3：四川廣安電廠,，采用遵循Profibus現(xiàn)場總線協(xié)議的L2-DP網(wǎng)絡技術，成功地將鍋爐補給水控制系統(tǒng)與凝結水精處理控制系統(tǒng)控制等輔助車間控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),，提高了火電廠輔助車間控制的勞動生產(chǎn)率及系統(tǒng)可靠性,。
3 FCS在火電廠局部應用效果
首先明確FCS的3個關鍵要點：
（1） 核心：FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，即總線標準,。也就是說,，只有遵循現(xiàn)場總線協(xié)議的控制系統(tǒng)，才能稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),。
（2） 基礎：FCS系統(tǒng)的基礎是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置,。數(shù)字智能現(xiàn)場裝置是FCS系統(tǒng)的硬件支撐。
（3） 本質：FCS系統(tǒng)的本質是信息處理現(xiàn)場化,。這是FCS系統(tǒng)效能的體現(xiàn),。
再來分析前面提到的火電廠應用FCS的幾個例子。
在例1中,，華能珞璜電廠的ALSPA 320控制系統(tǒng),，它的Loca Fip網(wǎng)絡與F900網(wǎng)絡均遵循WorldFip現(xiàn)場總線的總線協(xié)議，CONTRONET控制網(wǎng)采用以太網(wǎng)技術,。這是一個非常典型的現(xiàn)場總線體系結構,。
在例2中，楊凌燃機熱電廠的Simaeic PCS7控制系統(tǒng),，控制器與各遠程I/O間的通信是通過Profibus-DP現(xiàn)場總線來完成,。控制器與控制器之間,、控制器與服務器之間的數(shù)據(jù)通信是通過冗余的環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)來完成,。
上述兩例子中，在通信網(wǎng)絡方面均遵循現(xiàn)場總線協(xié)議,，即都含有做為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的核心部分,，但另一個共同特點是都沒有采用數(shù)字智能現(xiàn)場裝置，仍采用模擬量的測量元件和執(zhí)行機構,，不具備現(xiàn)場控制功能,。失去了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的硬件支撐，信息處理現(xiàn)場化就不能實現(xiàn),，也就是說現(xiàn)場總線的突出特點——降低系統(tǒng)投資成本,、減少運行費用和提高運行和管理水平等,，未能充分發(fā)揮出來。
例3則是目前現(xiàn)場總線在火電廠局部應用中的一個成功典型,。
4 FCS在火電廠的應用前景
（1） 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是目前最新型的控制系統(tǒng),，它是一種全計算機、全數(shù)字,、雙向通信的新型控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線技術給自動化領域帶來了一場革命，代表了自動化的發(fā)展方向,。數(shù)字通信是一種趨勢,，也是技術發(fā)展的必然。從理論上講,，雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制技術必將會給火電廠安全經(jīng)濟運行及提高管理水平帶來實實在在的效益,。這是過去在電站中使用過的任何控制系統(tǒng)所無法與之相比擬的。
（2） 作為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的核心部分——總線協(xié)議,，已經(jīng)在火電廠控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡中成功運行,，這不僅消除了人們以前存有的許多疑團，也為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在火電廠推廣應用打下了良好的基礎,。
（3） 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),，在以順序控制為主，以PLC（可編程邏輯控制器）為硬件的火電廠輔助車間控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)控制中,，可以發(fā)揮最大效益（見例3）,。PLC作為一個站掛在高速總線上，充分發(fā)揮PLC在處理開關量方向的優(yōu)勢?，F(xiàn)場總線在該領域的應用已經(jīng)取得成功,，這將是今后一段時間內火電廠輔助車間適度集中控制方針得以實現(xiàn)的一種優(yōu)選方案。
（4） 由于目前能滿足火電廠控制要求的數(shù)字式智能現(xiàn)場裝置的品種還很少,，理論上的現(xiàn)場總線效益還不能充分發(fā)揮,。因此，在大型機組上全面采用典型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的時機尚未成熟,。
（5） 目前,，像例1、例2的控制系統(tǒng)不失是一種向FCS過渡性的控制系統(tǒng),，它既保留了DCS系統(tǒng)中功能很強的控制器及I/O模件,，同時在通信網(wǎng)絡又遵循現(xiàn)場總線協(xié)議。我們將該系統(tǒng)稱之為在通信和數(shù)據(jù)傳輸方向遵循現(xiàn)場總線協(xié)議的數(shù)字式分散控制系統(tǒng),，暫稱該系統(tǒng)為FDCS,。
5 參考文獻
[1] 周明.現(xiàn)場總線控制. 北京：中國電力出版社，2002.
