火力发电厂FCS应用刍议

【摘要】上个世纪八十年代现场总线仪表（FCS）出现之初曾被赞誉为自动化控制领域的一场革命，一直受到人们的关注。近年来，根据FCS在业界过往的表现，质疑和批评声浪逐起。在此当口，少数电厂开始尝试应用FCS，还有一些拟建电厂也产生了选用FCS的萌动。文章结合现场总线仪表特点与DCS、PLC进行了比较、分析，介绍了国内FCS应用的经验教训，指出了现场总线仪表的适用行业和环境，总结了火力发电厂工艺系统运行特性，提出了热工控制系统的选型意见。

【关键词】FCS;系统集成;通信网络;DCS

0.引言

生产过程自动化仪表领域内，现阶段主流自动控制装置有DCS（Distributed Control System，分散控制系统）、PLC（Programmable Controller，可编程控制器）和FCS（Fieldbus Control System，现场总线控制系统）三大门类。目前，国内在火力发电厂热工控制中，机、炉主设备监控系统多选用DCS，辅助车间或辅助系统一般采用PLC。而FCS主要在石化、冶金、大型工装、楼宇、流水生产线等行业中应用，而且已经有一段不短的历史。按说，石化、冶金和火力发电厂同为生产过程自动化水平较高的企业，FCS与DCS和PLC也都是以微电子技术为核心的自动控制装置，为什么FCS在电厂中不被待见？近年来，也有少数电厂开始尝试应用FCS，还有一些拟建中的电厂也产生了选用FCS的萌动，利兮弊兮？本文试图通过分析、比较FCS与DCS和PLC的技术特点以及适用环境提出选型意见供参考。

1.FCS的特点

1）数据处理，微机芯片。计算机技术支持仪表数据处理、网络通信，单体功能 “身兼数职、一表多用”，被称作“数字化”仪表。

2）信号传输，网络通信。信号数字编码，比如曼彻斯特编码，利用网络通信技术传输，在相同物理条件下，信息量比4～20 mA.DC（或1～5V.DC）的模拟量信号仪表高几个数量级[1]。

3）标准规范，技术开放。FCS在技术标准的规范下，彻底开放，允许有意者参与设计研发和生产销售而激发了成长活力。

2.客观理解新技术的FCS

论时间，算不算新？算起来FCS发展和应用历史也有二十多年了，即便在国内应用也有十多年， FCS言“新”似有不实。当然，与上个世纪六十年代末期出现的PLC，七十年代中期出现的DCS相比时间居后，说新也不为过。

论技术，是否成熟？与DCS或PLC对比，FCS的创意体现在现场仪表的数据通信、监控功能、分散度和开放性方面。长期担任IEC（International Electro Technical Commission，国际电工委员会）61158现场总线国际标准工作组组长的美国人Dick Caro在2001年曾乐观地估计FF（Foudation Fieldbus，基金会现场总线）取代DCS大约只需四到五年的时间[2]。不过，预言毕竟不是现实，也许大凡新生事物命运多舛，二十多年来全球范围内用于不同行业的总线仪表先后曾经多达几十种，自成体系互不兼容。经过十多年的利益纷争，直到2000年经过IEC投票表决，修改后的IEC61158标准第二版在相互妥协中通过。2003年，现场总线第三版终于正式成为国际标准。最新版的IEC61158 Ed.4 标准在2007 年推出，内容长达8100页，现场总线通信协议也从1999年的8种扩充到2007年的20种。即便如此，FCS业内技术明争、商机暗斗仍在继续，何时归为一统不得而知。而如今，DCS、PLC在数据通信的网络技术、控制精度的仪表技术、数据管理的软件技术和开放性的标准技术等方面与时俱进，仍在稳步创新前行。终无定论的技术可以谓之新，也可认为尚欠成熟。

数字、模拟孰优孰劣？有观点认为，现场总线仪表数字化因而无A/D、D/A转换器故精度高于模拟量仪表，更有展望模拟量仪表终被淘汰。事实如何？首先，现场总线仪表从来不缺A/D、D/A转换器，FCS仪表数字化指的是变送器、执行器信号的运算和传输，物理测量值变电量输入、控制指令成驱动输出离不开A/D和D/A的转换，而不过模拟量仪表信号传递表现在明处，现场总线仪表隐含在变送器、执行器内部。仪表精度无关数字量还是模拟量，只关乎设计需求。其次，在生产过程自动控制领域内想淘汰模拟量变送器、执行器比推广FCS更难，模拟量仪表成熟、价廉、集成适配性好、信号传输与光同速，正如FCS无法取代DCS和PLC一样，现场总线仪表也无力替代模拟量仪表，国际上对此早有深入研究和相似评论。

3.DCS、PLC和FCS的异同

广义上来讲仪表“数字化”不应该由FCS独享。在1980年代出现过一种线性集成电路的模拟量运算自动控制装置，“组装组件”式仪表，曾在我国风行过十余年，后来被基于 “3C”（计算机，Computer;通信，Commun-ications;控制，Control）数字化技术的DCS全面取代。PLC同样采用的是数字化技术。物竞天择、适者生存，组装组件仪表在控制装置中的退出是技术进步的必然。

如此说来，DCS、PLC和FCS的大同都是数字化仪表，小异则是三者各自构成系统时数字量交换的方式和途径有所不同。早期的PLC通过微处理器数据总线（I/O卡件与CPU），DCS利用网络通信（系统工作站之间）+微处理器数据总线（I/O卡件与CPU），FCS采用现场仪表之间以及现场仪表和上位机之间数字式、串行和多点的网络通信。细节决定特征，数字量交换方式和途径的差异让FCS做到了高度分散，填补了相应用户的需求，影响着人们对技术发展的企望。

早期网络技术尚在发展中， DCS主要采用的是总线型或令牌环网络拓扑，通信自成规约，第三方通信无法或很难接入。又因为网络通信控制都是共享式的，暗藏广播风暴（Broadcast Storm）安全隐患，所以用户对早前的DCS数据通信颇有微词。不过，随着网络技术的不断创新和发展，现代DCS主干通信网络的主流方式都趋向采用快速以太网（Fast Ethernet），主干网通信速率高达100Mbps，遵循IEEE802.3μ标准，通信能力、标准化程度和安全性能都让用户提高了满意度[3]。虽然分散度不如FCS，但DCS的远程I/O同样可以分散布置，最早的例子见于1990年河北秦皇岛电厂300MW机组。

PLC各厂商也都推出了新的网络通信技术，例如： AB公司既可通过RS232、RS422串口，也可通过DH、DH+、DH485、ControlNet等进行数据传输，还提供了OPC（Object Linking and Embedding for Process Control，过程控制对象链接和嵌入）和DDE（Dynamic Data Exchange，动态数据交换）。施耐德公司的ModBus、ModBus Plus在智能设备中有相当广泛的应用，现在又有了ModBus TCP，利用以太网用更快的速度通信。西门子公司网络通信采用C-总线、ProfiBus和工业以太网。这些通信技术的使用让PLC也有了远程I/O。

DCS、PLC的通信网络是系统集成的标准配置，对用户是透明的，组态时只需要做两件事，编制网络通信表和设定工作站地址，除非传输距离超长才考虑选择增加网络设备。而FCS的网络构建则需要繁琐的设计，要根据就地设备型号规划总线网络，根据通信波特率、网段长度确定总线网络拓扑、分支线路长度和总数，分配站点地址，选择通信介质以及网络设备，通过计算预估总线网络循环时间。制定保证总线网络可靠性的具体措施，比如推荐使用冗余总线[4]。根据过往经验，现场总线网络一旦安装完毕，如果再打算扩充，难度不亚于重新设计。

4.FCS不能回避的短板

现场总线技术自20世纪80年代产生以来，一直受到人们极大关注，曾被赞誉为自动化控制领域的一场革命，进入90年代以后，FCS一度成为人们研究的热点。当前，随着FCS在各领域的实际应用，隐患暴露问题渐增，用户质疑和批评声浪逐起， 在某些行业中FCS甚至陷入叫好不叫座的尴尬境地。FCS自身存在的技术短板难咎其责。

系统集成性差，也许正因为FCS的灵活性，所以通信网络需要用户根据实际应用进行组态，设备要逐一定义，组态工作量随系统规模增大将不胜其繁。组态软件虽然说可以多方选购，但尚未标准化，硬件部分的工作站、通信网络、过程检测设备之间缺乏完善的协调机制，系统集成性有待改善。

危险相对集中，以某种现场总线为例，其一，最底层的现场网络电缆每条最多可以带动16台FCS变送器和阀门定位器，现场网络电缆既是通信介质也是供电母线，通常情况下，接入的都是同一系统或单元的检测仪表或调节阀。若遭遇异常，整条电缆上的仪表将全部失常，危险集中显现。其二，随着设备增多，监控范围扩大，网络拓扑层叠延伸，故障概率增高，采用冗余措施只能防止网络断路，而隐藏在共享网络中的广播风暴对复杂通信网络是致命威胁，FCS恰恰采用的是共享通信控制。

造价同比偏高，控制装置应用费用由基建投资和长期运营费用两部分构成。FCS现场单元仪表功能多、性能强（如本安防爆），造价高于普通模拟量仪表是不争的事实。加之专用总线电缆、现场网段冗余电源系统、被动保护型母线集线器相对昂贵，基建投资综合费用要比DCS高得多。运营费用与仪表的配置简繁有一定关联，如前所述，目前国内在火力发电机组中还没有全面应用FCS的先例，主要用在辅助系统或辅助车间。那么，全厂热工设备构成势必在DCS和PLC系列后再增加另类的FCS。为此用户要在今后长期的运行维护中为设备品种的复杂化而增加可观的额外支出。须知，FCS改变的不单是现场总线网络设备，大量的是变送器、阀门定位器、数据采集器和控制器这些现场仪表，连检修维护方式都要跟着改变。毫无疑问，以同比口径估算为FCS采购备品配件以及培训人员比维护常规仪表要花出更多的费用。

5.谨防“南橘”变“北枳”

FCS与早期的DCS和PLC相比分散度高，控制器或数据采集器可以布置在现场设备上或设备附近，基于微处理器的现场仪表能够担负运算功能和控制算法，采集在现场，运算在现场，控制也在现场，同时具有本安防爆功能，受到那些工艺流程长、布置分散、批量生产，如石化、冶金、大型工装、楼宇、流水生产线等行业的青睐，特殊的环境需要适用的仪表，与FCS的特性有较宽交集的行业，FCS获得广泛应用。

火力发电厂机、炉系统主要被控对象在输入和输出上具有多值函数特征，控制方式存在着复合特性，既有单纯的设备启停或开关又有模拟量闭环调节还有自动联锁。设备启动、停运以及正常运行过程中同时涉及到开关量顺序控制、模拟量定值调节、设备联锁等多种控制方式，要求控制系统必须具有强大的运算能力协同多种控制方式处理复杂变量，而数据的处理和传输速度是重要的保证因素。

FCS现场总线（H1）网速只有31.5kbps，国内、外都有因FCS数据传输速度无法满足用户实际应用的案例，曾经的用户再次有选择时都变得十分审慎。更有甚者，2004年国内规模最大的丁辛醇装置投产，参与建设的英国戴维过程技术有限公司DPT（Davy Process Technology）明确规定不推荐使用FCS。只因DPT公司曾在美国承建过一大型化工装置，部分工艺系统选用FCS，调试过程中通信速率始终无法满足要求，被迫更换设备而延误工期造成巨额损失[5]。据此教训，根据工程特点DPT弃用了FCS。多年实践已经证明，应用DCS实现火力发电厂机、炉主系统的APS、FCB、DEH、BMS、CCS、MEH等控制游刃有余。俗话说：好钢用在刀刃上。而到目前为止，国内宣称选择了现场总线仪表的发电厂（单机容量600MW乃至1000MW级的机组都有）都把FCS用在了辅助系统或辅助车间里，无一例外的在上述需要“好钢”的 “刀刃”项目中绕道而行。FCS这棵“南橘”固然优良，但茁壮成长离不开合适的土壤，火电厂运行要求对FCS无疑相对严酷苛刻，全面应用恐有成“北枳”之虞，局部应用有花大钱办小事之嫌。

6.结语

单论性能可以说FCS是单元仪表之“最”，但应用系统选择要的是“对”。火力发电厂热工自动控制装置选型，设备功能必须满足工艺系统运行要求，尤其在大容量机组中，机、炉主控系统仍然应用DCS为上，如果能更合理地使用远程I/O，扩大控制范围至辅助车间，DCS的性/价比会得到进一步提高。在分散控制方面FCS与现代通信技术支持下的PLC相比已无优势，PLC应用简便、可靠性高、易于维护，用在辅助车间或辅助系统仍然是不错的选择。全方位权衡火力发电厂机、炉运行特性以及基建投资和维护费用等因素，除非FCS的集成性、通信速度满足要求，花费占优，否则现阶段不宜选用。

参考文献

[1]阳宪惠.现场总线技术及应用[M].北京：清华大学出版社，1999.

[2]彭瑜.现场总线在国内推广应用的再思[J].新浪博文，2009，（10）.

[3]王立地.火力发电厂DCS选型要点[J].广东电力，2008，（8） .

[4]邓慧.大型火电厂现场总线网络设计[J].中国电力，2009， （3） .

[5]武胜林.再论现场总线控制系统的应用及困惑[J].世界仪器仪表，2006，（6） .