从检修策略对DCS向FCS发展趋势的探讨

1 引言
近年来，随着SIS系统在电厂信息技术中的蓬勃发展，作为SIS系统中的重要组成部分—检修维护的质量也在不断上升。随着这种基于实时信息管理的检修质量的提高，对电厂信息底层过程控制的要求也在提升。与此同时在DCS向FCS发展的进程中，FCS对于DCS的优势恰好满足了这种检修策略对底层过程控制系统的要求。

本文将根据现代检修策略技术的要求具体分析FCS相对于DCS在该方向上的优势，从检修策略的角度出发，在技术、经济等方面探讨证明，DCS向FCS技术的发展是一种趋势。

2 检修策略
检修策略是检修维护管理的核心问题。
2.1 检修的三种方式
(1) 基于时间周期的检修方式
这是一种传统的检修方式，检修计划根据固定的时间周期进行安排。它基本不考虑运行着的设备的维护状态，只是根据预定的时间对该设备进行停机检修。目前该种检修方式在我国使用得最为广泛，但同时其检修周期最短。因此这是一种在单位时间内检修次数最多的检修方式。

(2) 基于使用的检修方式
相较于基于时间周期的检修方式，这是一种较为先进的检修方式。它只简单考虑了设备的运行状态，诸如根据开关的开合次数、马达的启停次数来安排检修。然而这种简单的判据对于确定设备的真实运行状态是不充分与不完备的。它的检修周期比基于时间周期的检修方式要长一些。

(3) 基于设备状态的检修方式
状态检修是根据先进的状态监测和诊断技术提供的设备状态信息判断设备的异常，预知设备的故障，在故障发生前进行检修的方式。即根据设备的健康状态来安排检修计划、实施检修，最大限度地防止设备过修或失修。是一种检修周期最长的检修方式，也是目前检修策略发展的方向。

2.2 状态检修发展中存在的两个问题
状态检修是检修发展的方向，也是近来检修策略发展的重点。除了其它诸如专家系统建立不完善，设备数学模型及神经网络体系仍需优化外，在过程信息与控制方面，状态检修在实践运用中还遇到如下两个问题:
(1) 状态检修在实际应用中需要大量的采集点
对设备进行状态预测需要大量实时I/O点的支持,目前电厂中I/O点的采集往往只适于对设备运行基本状态的远程监测，远远无法满足状态检修的要求。只有采集数量足够的I/O点，结合其他设备状态监测手段，通过SIS系统中数学模型的计算，才能准确的反映出设备的内部状态，对下次检修日期进行预测。例如电动执行机构，大部分国产机组目前仅仅监视行程开关开/关及设备故障三副接点。而对于状态检修，至少需要再加上低电压、力距开、力距关、测试位置。当然为了使运行人员更好的掌握设备运行状态及检修人员更深入、全面的了解设备内部状态，其它诸如就地操作信息、设备一般报警信息(通常包括功率因数低、电流/电压/负荷监视、转子笼条状态、定子/转子气隙特性、谐波畸变)等，也是需要采集的。

(2) 状态检修需要更准确、更快速的实时I/O信息
目前控制系统对于热工控制已经绰绰有余,然而对于状态检修的要求仍存在差距。例如对于过热汽温、再热汽温的测量。由于过热汽温与再热汽温对机组效率的影响很大，为了提高机组效率，利用控制系统灵敏的优势，最新CCS的优化中，往往过热汽温、再热汽温的控制非常接近于其临界值。由此造成过热汽温、再热汽温脉动峰值超温的次数增加。而过热汽温、再热汽温的超温对机组的安全性影响又非常大，故从状态检修及机组运行安全的角度上看，对过热器超温的幅值、时间的精确性与实时性提出了更高的要求。

3 控制系统
在过程信息与控制方面所面临的两个问题，其实质是状态检修对电厂控制系统提出了更高的要求。以下是对两种控制系统的介绍。

3.1 两种控制系统简介
(1) DCS控制系统
DCS控制系统是目前电厂广泛使用的控制系统。其主要是基于模拟信号的采集处理与命令输出的控制系统。输入的模拟信号经I/O模件模数转换，送入控制单元的中央处理器进行信息处理,通讯于上位机,显示于人机接口;输出的命令通过人机接口进入上位机,而后送入中央处理单元,最后通过I/O模件的数模转换成为模拟信号送至现场。自DCS投入商业运行10余年来，目前已发展成为最成熟的电厂控制系统产品之一。
(2) FCS控制系统
它是基于现场总线的控制系统，是目前DCS发展的方向之一。通常情况下，同一功能区的设备作为从站节点通过现场总线与作为主站的中央控制器通讯，设备的基本信息通过就地设备上CPU的处理，以数字信号的形式通过现场总线送入中央控制器，中央控制器进行信号处理后，将所需要的信息送入上位机的人机接口进行显示;同样，控制命令通过人机接口从上位机下行至中央控制器，中央控制器处理后，将其以数字信号的方式通过现场总线送入现场设备的CPU中以直接控制设备。
3.2 两种控制系统在状态检修的适应性对比
(1) DCS控制系统对状态检修两个问题的解决上的劣势
状态检修目前所遇到的热工方面的两个问题对于DCS来说都是相当棘手的。而这两个问题的实质上也就是针对广泛使用着的DCS的弱点而提出的。
l问题一:状态检修需要更多乃至数倍的I/O点，对于DCS来说是经济与技术两方面的困难
从经济性方面看，根据DCS的结构I/O点的数量与I/O模件的数量以及与此相关的继电器的数量、电缆的数量、端子及端子柜的数量、系统安装调试的工作量都是紧密相关的，故I/O点的数量一般与DCS的价格是线性相关的。当由于状态检修需要的I/O点的数量翻倍时，DCS的价格也相应翻番。这对于电厂来说，从经济性方面考虑，为了采用状态检修而对DCS系统成倍的投入是难以令人接受的。
从技术的角度上看，随着I/O信号的增加必然导致DCS系统内部资源的紧张，中央控制器、总线等通讯部件负荷上升，从而最终影响控制系统的性能。对于目前的DCS技术来说，该问题的最终解决无非是增加控制单元的数量与增加内部总线数量。这样不但会增加硬件投资，而且会使系统趋于庞大、复杂。从而使得系统故障节点增多，检修工作量增加。
问题二:状态检修要求DCS提供更准确、更快速的I/O点实时信息，同时也希望控制命令更准确、更快速的送至现场
从目前DCS的角度上看，也就是希望控制单元的CPU运算周期更短、频率更高、运算精度更高;控制系统内部总线传输量更大，传输速度更快。对于现有的DCS来说，在设备投资总额一定的情况下，DCS的准确性与快速性总是成反比的。即在DCS内控制单元个数一定的情况下，若中央控制器运算周期变短，则其运算精度下降;反之若中央控制器精度上升，则需相应延长运算周期。否则若同时提升中央控制器CPU的运算精度与运算频率，则会使CPU负荷上升，增加控制系统的故障次数，控制系统的可用率减少。故在保持投资总额不变与不降低设备可用率的前提下，为满足状态检修的需要同时提升DCS的准确性与实时性是困难的。
(2) FCS对于解决状态检修两问题的优势
l对于I/O点数量翻番的问题，FCS在经济性方面有着巨大的优势
由于FCS的底层结构与DCS完全不同，FCS控制单元中的中央控制器的CPU与就地设备上的CPU直接通过现场总线进行数字通讯，替代了DCS系统中的模拟信号通过就地端子柜、热工电缆、DCS接线柜、DCS盘间电缆、DCS中I/O模件、DCS柜内电缆与DCS中央处理器的复杂通讯过程。故不同于DCS基于I/O点数量的计价方式，FCS的价格计算是基于从站节点的数量，也就是就地设备的数量。而状态检修中I/O点大量的上升恰是源于设备数量不变的情况下,通过对每个设备的采集点的增加以达到对每个设备的状况了解得更加透彻，这与FCS的优势完全吻合。因而FCS在不增加硬件投资或硬件投资增加很小的情况下，即可满足状态检修中I/O点大量增加的要求。反之，由于在满足状态检修I/O点数量增加的情况下，FCS控制系统硬件结构基本保持不变，故源于系统复杂性上升而引起的硬、软件故障亦可大量避免。
l对于实时性与准确性的要求更高的问题，FCS控制系统是具有其特有的优势
由于FCS中央控制单元的CPU与就地设备上的CPU直接通过数字量通讯，而无需像DCS一样在发送与接收模拟量信号过程中，通过数模与模数反复转换。毫无疑问这不但提高了信号传播的实时性，而且提高了其准确性。例如:通过附表可以看出，FCS控制部分相对于DCS控制部分，其速度与精度都提高了一倍以上。

4 产品实例
目前许多控制系统厂家与信息系统厂家都开发了不少FCS与状态检修相结合的且品质不错的产品。由于西门子公司在现场总线、就地设备、FCS控制系统、SIS信息系统都有其独自开发的产品，商业实践运行中其系统兼容性较好，故在此将以西门子公司配置为例进行简单介绍。
整个系统由SIS产品BFS++、FCS产品T-XP、现场总线Profibus、就地设备(如SIPOS5)组成。BFS++为西门子SIS产品。状态检修为BFS++一个组成部分，状态检修专家系统在BFS++的服务器上运行。根据状态检修的需要，数据从T-XP控制系统上经过网管XU进入SIS系统BFS++，在BFS++服务器中根据已有知识库的信息及数学模型结合传送来的数据，模糊推理出设备的状态。例如对于断路器的状态的判断可采用累计开断电流与极限开断电流的对比，据此模糊决策得出需要检修的概率。累计开断电流为开关运行中开断电流对开断次数的积分，极限开断电流为开关额定开断电流与满容量允许开断次数乘积。根据用户的需要及配合整个检修策略，实践中最后简化成为是否需要状态检修的非模糊表达方式。
T-XP控制系统、Profibus与就地现场总线设备构成了包括一次设备在内的FCS控制系统。T-XP控制系统是一种DCS、FCS部件可选的控制系统。若将控制单元中配置I/O模件，中央处理器通过I/O模件与就地设备进行模拟量通讯，则成为DCS控制系统。若将控制单元中配置通讯模件IM308C，中央控制器通过作为Profibus总线系统中的主站IM308C及Profibus，与作为从站的就地设备相连则成为FCS控制系统。在此T-XP选用FCS的配置方式。
Profibus是一种目前通用的现场总线，具有国际开放的现场总线标准EN50170。其中电厂控制中最为通用的Profibus-DP用于分散外设间的高速数据传输，是一种经过优化的高速、廉价的通讯连接，专为自动控制系统与设备级分散I/O之间通讯设计。定向根据ISO7498国际标准以开放系统互联网络OSI为参数模型。在T-XP FCS应用中，一般具有如下的参数设定:Profibus-DP物理材料为双绞线计算机电缆,传输距离为200m,传输速度为9.6kbps,传输技术为RS485,IM308C为Profibus总线第一类DP总站,就地设备为Profibus总线从站,从理论上一根Profibus总线可有127个节点，实际应用中从站实际节点一般为两位数。
就地现场总线设备是一些具有现场总线Profibus接口的就地设备与仪表。通过Profibus接口，它们可以轻易地连入Profibus现场总线网络中。将采集信号以数字量的形式与FCS中的CPU通讯，同时接受来自FCS的数字量指令进行动作。例如:目前使用较多的SIPOS5 Profitron电动执行机构，SIPOS5 Profitron具有一个RS485 Profibus-DP接口，同时具有一个CPU用于设备的管理与通讯。SIPOS5作为从站通过Profibus 与作为主站的FCS系统中的通讯模件IM308C进行数字通讯。SIPOS5与FCS通讯的信号不但可以包括常规的位置反馈(AI)、控制命令(AO)、行程开关开/关接点动作(BI)、力矩开关开/关接点动作(BI)，还可以包括一些可选的采集信号:
FCS T-XP、Profibus 现场总线、SIPOS5 Profitron电动执行机构的现场总线结构配置方式，在江苏省新海发电有限公司200MW 12#机组运行中，对比起同台机组DCS部分在控制品质上具有一定的优势。对比实验见附表:
附表 FCS、DCS 控制品质对比
传统DCS处理 现场总线Profibus-DP
CRT上操作， 0.7s 0.3s
命令与反馈间隔时间
CRT上操作， 0.20% 0.05%
命令与反馈精度误差
由此可见，在不增加硬件投资甚至硬件投资较少的情况下，FCS控制系统的实时性与精确性都得到一定的提高。同时根据电厂状态检修的要求，许多有关设备内在性能的信号也可以在不增加硬件的情况下得到采集，这些优势都大大有利于状态检修的发展。与此同时随着状态检修的深入，面向设备维护的一些新的BO以及AO信号也将出现，这些新的信号的输出也都可采用同样的方式予以实现。
5 结束语
目前由于种种原因FCS在电厂过程控制领域中的运用进展得较为缓慢，但是随着其它方面技术，诸如状态检修技术的发展，对过程控制的要求将逐步提高，从而使FCS相对于DCS的优势逐步呈现，最终加速促进DCS向FCS的发展。