1 引言
近年來，隨著SIS系統在電廠信息技術中的蓬勃發展，作為SIS系統中的重要組成部分—檢修維護的質量也在不斷上升。隨著這種基于實時信息管理的檢修質量的提高，對電廠信息底層過程控制的要求也在提升。與此同時在DCS向FCS發展的進程中，FCS對于DCS的優勢恰好滿足了這種檢修策略對底層過程控制系統的要求。
本文將根據現代檢修策略技術的要求具體分析FCS相對于DCS在該方向上的優勢，從檢修策略的角度出發，在技術、經濟等方面探討證明，DCS向FCS技術的發展是一種趨勢。
2 檢修策略
檢修策略是檢修維護管理的核心問題。
2.1 檢修的三種方式
(1) 基于時間周期的檢修方式
這是一種傳統的檢修方式，檢修計劃根據固定的時間周期進行安排。它基本不考慮運行著的設備的維護狀態，只是根據預定的時間對該設備進行停機檢修。目前該種檢修方式在我國使用得最為廣泛，但同時其檢修周期最短。因此這是一種在單位時間內檢修次數最多的檢修方式。
(2) 基于使用的檢修方式
相較于基于時間周期的檢修方式，這是一種較為先進的檢修方式。它只簡單考慮了設備的運行狀態，諸如根據開關的開合次數、馬達的啟停次數來安排檢修。然而這種簡單的判據對于確定設備的真實運行狀態是不充分與不完備的。它的檢修周期比基于時間周期的檢修方式要長一些。
(3) 基于設備狀態的檢修方式
狀態檢修是根據先進的狀態監測和診斷技術提供的設備狀態信息判斷設備的異常，預知設備的故障，在故障發生前進行檢修的方式。即根據設備的健康狀態來安排檢修計劃、實施檢修，最大限度地防止設備過修或失修。是一種檢修周期最長的檢修方式，也是目前檢修策略發展的方向。
2.2 狀態檢修發展中存在的兩個問題
狀態檢修是檢修發展的方向，也是近來檢修策略發展的重點。除了其它諸如專家系統建立不完善，設備數學模型及神經網絡體系仍需優化外，在過程信息與控制方面，狀態檢修在實踐運用中還遇到如下兩個問題:
(1) 狀態檢修在實際應用中需要大量的采集點
對設備進行狀態預測需要大量實時I/O點的支持,目前電廠中I/O點的采集往往只適于對設備運行基本狀態的遠程監測，遠遠無法滿足狀態檢修的要求。只有采集數量足夠的I/O點，結合其他設備狀態監測手段，通過SIS系統中數學模型的計算，才能準確的反映出設備的內部狀態，對下次檢修日期進行預測。例如電動執行機構，大部分國產機組目前僅僅監視行程開關開/關及設備故障三副接點。而對于狀態檢修，至少需要再加上低電壓、力距開、力距關、測試位置。當然為了使運行人員更好的掌握設備運行狀態及檢修人員更深入、全面的了解設備內部狀態，其它諸如就地操作信息、設備一般報警信息(通常包括功率因數低、電流/電壓/負荷監視、轉子籠條狀態、定子/轉子氣隙特性、諧波畸變)等，也是需要采集的。
(2) 狀態檢修需要更準確、更快速的實時I/O信息
目前控制系統對于熱工控制已經綽綽有余,然而對于狀態檢修的要求仍存在差距。例如對于過熱汽溫、再熱汽溫的測量。由于過熱汽溫與再熱汽溫對機組效率的影響很大，為了提高機組效率，利用控制系統靈敏的優勢，最新CCS的優化中，往往過熱汽溫、再熱汽溫的控制非常接近于其臨界值。由此造成過熱汽溫、再熱汽溫脈動峰值超溫的次數增加。而過熱汽溫、再熱汽溫的超溫對機組的安全性影響又非常大，故從狀態檢修及機組運行安全的角度上看，對過熱器超溫的幅值、時間的精確性與實時性提出了更高的要求。
3 控制系統
在過程信息與控制方面所面臨的兩個問題，其實質是狀態檢修對電廠控制系統提出了更高的要求。以下是對兩種控制系統的介紹。
3.1 兩種控制系統簡介
(1) DCS控制系統
DCS控制系統是目前電廠廣泛使用的控制系統。其主要是基于模擬信號的采集處理與命令輸出的控制系統。輸入的模擬信號經I/O模件模數轉換，送入控制單元的中央處理器進行信息處理,通訊于上位機,顯示于人機接口;輸出的命令通過人機接口進入上位機,而后送入中央處理單元,最后通過I/O模件的數模轉換成為模擬信號送至現場。自DCS投入商業運行10余年來，目前已發展成為最成熟的電廠控制系統產品之一。
(2) FCS控制系統
它是基于現場總線的控制系統，是目前DCS發展的方向之一。通常情況下，同一功能區的設備作為從站節點通過現場總線與作為主站的中央控制器通訊，設備的基本信息通過就地設備上CPU的處理，以數字信號的形式通過現場總線送入中央控制器，中央控制器進行信號處理后，將所需要的信息送入上位機的人機接口進行顯示;同樣，控制命令通過人機接口從上位機下行至中央控制器，中央控制器處理后，將其以數字信號的方式通過現場總線送入現場設備的CPU中以直接控制設備。
3.2 兩種控制系統在狀態檢修的適應性對比
(1) DCS控制系統對狀態檢修兩個問題的解決上的劣勢
狀態檢修目前所遇到的熱工方面的兩個問題對于DCS來說都是相當棘手的。而這兩個問題的實質上也就是針對廣泛使用著的DCS的弱點而提出的。
問題一:狀態檢修需要更多乃至數倍的I/O點，對于DCS來說是經濟與技術兩方面的困難
從經濟性方面看，根據DCS的結構I/O點的數量與I/O模件的數量以及與此相關的繼電器的數量、電纜的數量、端子及端子柜的數量、系統安裝調試的工作量都是緊密相關的，故I/O點的數量一般與DCS的價格是線性相關的。當由于狀態檢修需要的I/O點的數量翻倍時，DCS的價格也相應翻番。這對于電廠來說，從經濟性方面考慮，為了采用狀態檢修而對DCS系統成倍的投入是難以令人接受的。
從技術的角度上看，隨著I/O信號的增加必然導致DCS系統內部資源的緊張，中央控制器、總線等通訊部件負荷上升，從而最終影響控制系統的性能。對于目前的DCS技術來說，該問題的最終解決無非是增加控制單元的數量與增加內部總線數量。這樣不但會增加硬件投資，而且會使系統趨于龐大、復雜。從而使得系統故障節點增多，檢修工作量增加。
問題二:狀態檢修要求DCS提供更準確、更快速的I/O點實時信息，同時也希望控制命令更準確、更快速的送至現場
從目前DCS的角度上看，也就是希望控制單元的CPU運算周期更短、頻率更高、運算精度更高;控制系統內部總線傳輸量更大，傳輸速度更快。對于現有的DCS來說，在設備投資總額一定的情況下，DCS的準確性與快速性總是成反比的。即在DCS內控制單元個數一定的情況下，若中央控制器運算周期變短，則其運算精度下降;反之若中央控制器精度上升，則需相應延長運算周期。否則若同時提升中央控制器CPU的運算精度與運算頻率，則會使CPU負荷上升，增加控制系統的故障次數，控制系統的可用率減少。故在保持投資總額不變與不降低設備可用率的前提下，為滿足狀態檢修的需要同時提升DCS的準確性與實時性是困難的。
(2) FCS對于解決狀態檢修兩問題的優勢
對于I/O點數量翻番的問題，FCS在經濟性方面有著巨大的優勢
由于FCS的底層結構與DCS完全不同，FCS控制單元中的中央控制器的CPU與就地設備上的CPU直接通過現場總線進行數字通訊，替代了DCS系統中的模擬信號通過就地端子柜、熱工電纜、DCS接線柜、DCS盤間電纜、DCS中I/O模件、DCS柜內電纜與DCS中央處理器的復雜通訊過程。故不同于DCS基于I/O點數量的計價方式，FCS的價格計算是基于從站節點的數量，也就是就地設備的數量。而狀態檢修中I/O點大量的上升恰是源于設備數量不變的情況下,通過對每個設備的采集點的增加以達到對每個設備的狀況了解得更加透徹，這與FCS的優勢完全吻合。因而FCS在不增加硬件投資或硬件投資增加很小的情況下，即可滿足狀態檢修中I/O點大量增加的要求。反之，由于在滿足狀態檢修I/O點數量增加的情況下，FCS控制系統硬件結構基本保持不變，故源于系統復雜性上升而引起的硬、軟件故障亦可大量避免。
對于實時性與準確性的要求更高的問題，FCS控制系統是具有其特有的優勢
由于FCS中央控制單元的CPU與就地設備上的CPU直接通過數字量通訊，而無需像DCS一樣在發送與接收模擬量信號過程中，通過數模與模數反復轉換。毫無疑問這不但提高了信號傳播的實時性，而且提高了其準確性。例如:通過附表可以看出，FCS控制部分相對于DCS控制部分，其速度與精度都提高了一倍以上。
4 產品實例
目前許多控制系統廠家與信息系統廠家都開發了不少FCS與狀態檢修相結合的且品質不錯的產品。由于西門子公司在現場總線、就地設備、FCS控制系統、SIS信息系統都有其獨自開發的產品，商業實踐運行中其系統兼容性較好，故在此將以西門子公司配置為例進行簡單介紹。
整個系統由SIS產品BFS++、FCS產品T-XP、現場總線Profibus、就地設備(如SIPOS5)組成。BFS++為西門子SIS產品。狀態檢修為BFS++一個組成部分，狀態檢修專家系統在BFS++的服務器上運行。根據狀態檢修的需要，數據從T-XP控制系統上經過網管XU進入SIS系統BFS++，在BFS++服務器中根據已有知識庫的信息及數學模型結合傳送來的數據，模糊推理出設備的狀態。例如對于斷路器的狀態的判斷可采用累計開斷電流與極限開斷電流的對比，據此模糊決策得出需要檢修的概率。累計開斷電流為開關運行中開斷電流對開斷次數的積分，極限開斷電流為開關額定開斷電流與滿容量允許開斷次數乘積。根據用戶的需要及配合整個檢修策略，實踐中最后簡化成為是否需要狀態檢修的非模糊表達方式。
T-XP控制系統、Profibus與就地現場總線設備構成了包括一次設備在內的FCS控制系統。T-XP控制系統是一種DCS、FCS部件可選的控制系統。若將控制單元中配置I/O模件，中央處理器通過I/O模件與就地設備進行模擬量通訊，則成為DCS控制系統。若將控制單元中配置通訊模件IM308C，中央控制器通過作為Profibus總線系統中的主站IM308C及Profibus，與作為從站的就地設備相連則成為FCS控制系統。在此T-XP選用FCS的配置方式。
Profibus是一種目前通用的現場總線，具有國際開放的現場總線標準EN50170。其中電廠控制中最為通用的Profibus-DP用于分散外設間的高速數據傳輸，是一種經過優化的高速、廉價的通訊連接，專為自動控制系統與設備級分散I/O之間通訊設計。定向根據ISO7498國際標準以開放系統互聯網絡OSI為參數模型。在T-XP FCS應用中，一般具有如下的參數設定:Profibus-DP物理材料為雙絞線計算機電纜,傳輸距離為200m,傳輸速度為9.6kbps,傳輸技術為RS485,IM308C為Profibus總線第一類DP總站,就地設備為Profibus總線從站,從理論上一根Profibus總線可有127個節點，實際應用中從站實際節點一般為兩位數。
就地現場總線設備是一些具有現場總線Profibus接口的就地設備與儀表。通過Profibus接口，它們可以輕易地連入Profibus現場總線網絡中。將采集信號以數字量的形式與FCS中的CPU通訊，同時接受來自FCS的數字量指令進行動作。例如:目前使用較多的SIPOS5 Profitron電動執行機構，SIPOS5 Profitron具有一個RS485 Profibus-DP接口，同時具有一個CPU用于設備的管理與通訊。SIPOS5作為從站通過Profibus 與作為主站的FCS系統中的通訊模件IM308C進行數字通訊。SIPOS5與FCS通訊的信號不但可以包括常規的位置反饋(AI)、控制命令(AO)、行程開關開/關接點動作(BI)、力矩開關開/關接點動作(BI)，還可以包括一些可選的采集信號:
FCS T-XP、Profibus 現場總線、SIPOS5 Profitron電動執行機構的現場總線結構配置方式，在江蘇省新海發電有限公司200MW 12#機組運行中，對比起同臺機組DCS部分在控制品質上具有一定的優勢。對比實驗見附表:
附表 FCS、DCS 控制品質對比
傳統DCS處理 現場總線Profibus-DP
CRT上操作， 0.7s 0.3s
命令與反饋間隔時間
CRT上操作， 0.20% 0.05%
命令與反饋精度誤差
由此可見，在不增加硬件投資甚至硬件投資較少的情況下，FCS控制系統的實時性與精確性都得到一定的提高。同時根據電廠狀態檢修的要求，許多有關設備內在性能的信號也可以在不增加硬件的情況下得到采集，這些優勢都大大有利于狀態檢修的發展。與此同時隨著狀態檢修的深入，面向設備維護的一些新的BO以及AO信號也將出現，這些新的信號的輸出也都可采用同樣的方式予以實現。
5 結束語
目前由于種種原因FCS在電廠過程控制領域中的運用進展得較為緩慢，但是隨著其它方面技術，諸如狀態檢修技術的發展，對過程控制的要求將逐步提高，從而使FCS相對于DCS的優勢逐步呈現，最終加速促進DCS向FCS的發展。 |
