1 引言
近年來，隨著SIS系統(tǒng)在電廠信息技術(shù)中的蓬勃發(fā)展，作為SIS系統(tǒng)中的重要組成部分—檢修維護(hù)的質(zhì)量也在不斷上升。隨著這種基于實時信息管理的檢修質(zhì)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(fā)展的進(jìn)程中，F(xiàn)CS對于DCS的優(yōu)勢恰好滿足了這種檢修策略對底層過程控制系統(tǒng)的要求。
本文將根據(jù)現(xiàn)代檢修策略技術(shù)的要求具體分析FCS相對于DCS在該方向上的優(yōu)勢，從檢修策略的角度出發(fā)，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面探討證明，DCS向FCS技術(shù)的發(fā)展是一種趨勢。
2 檢修策略
檢修策略是檢修維護(hù)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(tǒng)的檢修方式，檢修計劃根據(jù)固定的時間周期進(jìn)行安排。它基本不考慮運行著的設(shè)備的維護(hù)狀態(tài)，只是根據(jù)預(yù)定的時間對該設(shè)備進(jìn)行停機(jī)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(nèi)檢修次數(shù)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(jìn)的檢修方式。它只簡單考慮了設(shè)備的運行狀態(tài)，諸如根據(jù)開關(guān)的開合次數(shù)、馬達(dá)的啟停次數(shù)來安排檢修。然而這種簡單的判據(jù)對于確定設(shè)備的真實運行狀態(tài)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(shè)備狀態(tài)的檢修方式
狀態(tài)檢修是根據(jù)先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術(shù)提供的設(shè)備狀態(tài)信息判斷設(shè)備的異常，預(yù)知設(shè)備的故障，在故障發(fā)生前進(jìn)行檢修的方式。即根據(jù)設(shè)備的健康狀態(tài)來安排檢修計劃、實施檢修，最大限度地防止設(shè)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(fā)展的方向。
2.2 狀態(tài)檢修發(fā)展中存在的兩個問題
狀態(tài)檢修是檢修發(fā)展的方向，也是近來檢修策略發(fā)展的重點。除了其它諸如專家系統(tǒng)建立不完善，設(shè)備數(shù)學(xué)模型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系仍需優(yōu)化外，在過程信息與控制方面，狀態(tài)檢修在實踐運用中還遇到如下兩個問題:
(1) 狀態(tài)檢修在實際應(yīng)用中需要大量的采集點
對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)預(yù)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(shè)備運行基本狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足狀態(tài)檢修的要求。只有采集數(shù)量足夠的I/O點，結(jié)合其他設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測手段，通過SIS系統(tǒng)中數(shù)學(xué)模型的計算，才能準(zhǔn)確的反映出設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)，對下次檢修日期進(jìn)行預(yù)測。例如電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，大部分國產(chǎn)機(jī)組目前僅僅監(jiān)視行程開關(guān)開/關(guān)及設(shè)備故障三副接點。而對于狀態(tài)檢修，至少需要再加上低電壓、力距開、力距關(guān)、測試位置。當(dāng)然為了使運行人員更好的掌握設(shè)備運行狀態(tài)及檢修人員更深入、全面的了解設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)，其它諸如就地操作信息、設(shè)備一般報警信息(通常包括功率因數(shù)低、電流/電壓/負(fù)荷監(jiān)視、轉(zhuǎn)子籠條狀態(tài)、定子/轉(zhuǎn)子氣隙特性、諧波畸變)等，也是需要采集的。
(2) 狀態(tài)檢修需要更準(zhǔn)確、更快速的實時I/O信息
目前控制系統(tǒng)對于熱工控制已經(jīng)綽綽有余,然而對于狀態(tài)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(jī)組效率的影響很大，為了提高機(jī)組效率，利用控制系統(tǒng)靈敏的優(yōu)勢，最新CCS的優(yōu)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(shù)增加。而過熱汽溫、再熱汽溫的超溫對機(jī)組的安全性影響又非常大，故從狀態(tài)檢修及機(jī)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(tǒng)
在過程信息與控制方面所面臨的兩個問題，其實質(zhì)是狀態(tài)檢修對電廠控制系統(tǒng)提出了更高的要求。以下是對兩種控制系統(tǒng)的介紹。
3.1 兩種控制系統(tǒng)簡介
(1) DCS控制系統(tǒng)
DCS控制系統(tǒng)是目前電廠廣泛使用的控制系統(tǒng)。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(tǒng)。輸入的模擬信號經(jīng)I/O模件模數(shù)轉(zhuǎn)換，送入控制單元的中央處理器進(jìn)行信息處理,通訊于上位機(jī),顯示于人機(jī)接口;輸出的命令通過人機(jī)接口進(jìn)入上位機(jī),而后送入中央處理單元,最后通過I/O模件的數(shù)模轉(zhuǎn)換成為模擬信號送至現(xiàn)場。自DCS投入商業(yè)運行10余年來，目前已發(fā)展成為最成熟的電廠控制系統(tǒng)產(chǎn)品之一。
(2) FCS控制系統(tǒng)
它是基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，是目前DCS發(fā)展的方向之一。通常情況下，同一功能區(qū)的設(shè)備作為從站節(jié)點通過現(xiàn)場總線與作為主站的中央控制器通訊，設(shè)備的基本信息通過就地設(shè)備上CPU的處理，以數(shù)字信號的形式通過現(xiàn)場總線送入中央控制器，中央控制器進(jìn)行信號處理后，將所需要的信息送入上位機(jī)的人機(jī)接口進(jìn)行顯示;同樣，控制命令通過人機(jī)接口從上位機(jī)下行至中央控制器，中央控制器處理后，將其以數(shù)字信號的方式通過現(xiàn)場總線送入現(xiàn)場設(shè)備的CPU中以直接控制設(shè)備。
3.2 兩種控制系統(tǒng)在狀態(tài)檢修的適應(yīng)性對比
(1) DCS控制系統(tǒng)對狀態(tài)檢修兩個問題的解決上的劣勢
狀態(tài)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(dāng)棘手的。而這兩個問題的實質(zhì)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(tài)檢修需要更多乃至數(shù)倍的I/O點，對于DCS來說是經(jīng)濟(jì)與技術(shù)兩方面的困難
從經(jīng)濟(jì)性方面看，根據(jù)DCS的結(jié)構(gòu)I/O點的數(shù)量與I/O模件的數(shù)量以及與此相關(guān)的繼電器的數(shù)量、電纜的數(shù)量、端子及端子柜的數(shù)量、系統(tǒng)安裝調(diào)試的工作量都是緊密相關(guān)的，故I/O點的數(shù)量一般與DCS的價格是線性相關(guān)的。當(dāng)由于狀態(tài)檢修需要的I/O點的數(shù)量翻倍時，DCS的價格也相應(yīng)翻番。這對于電廠來說，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，為了采用狀態(tài)檢修而對DCS系統(tǒng)成倍的投入是難以令人接受的。
從技術(shù)的角度上看，隨著I/O信號的增加必然導(dǎo)致DCS系統(tǒng)內(nèi)部資源的緊張，中央控制器、總線等通訊部件負(fù)荷上升，從而最終影響控制系統(tǒng)的性能。對于目前的DCS技術(shù)來說，該問題的最終解決無非是增加控制單元的數(shù)量與增加內(nèi)部總線數(shù)量。這樣不但會增加硬件投資，而且會使系統(tǒng)趨于龐大、復(fù)雜。從而使得系統(tǒng)故障節(jié)點增多，檢修工作量增加。
問題二:狀態(tài)檢修要求DCS提供更準(zhǔn)確、更快速的I/O點實時信息，同時也希望控制命令更準(zhǔn)確、更快速的送至現(xiàn)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(tǒng)內(nèi)部總線傳輸量更大，傳輸速度更快。對于現(xiàn)有的DCS來說，在設(shè)備投資總額一定的情況下，DCS的準(zhǔn)確性與快速性總是成反比的。即在DCS內(nèi)控制單元個數(shù)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(yīng)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(fù)荷上升，增加控制系統(tǒng)的故障次數(shù)，控制系統(tǒng)的可用率減少。故在保持投資總額不變與不降低設(shè)備可用率的前提下，為滿足狀態(tài)檢修的需要同時提升DCS的準(zhǔn)確性與實時性是困難的。
(2) FCS對于解決狀態(tài)檢修兩問題的優(yōu)勢
對于I/O點數(shù)量翻番的問題，F(xiàn)CS在經(jīng)濟(jì)性方面有著巨大的優(yōu)勢
由于FCS的底層結(jié)構(gòu)與DCS完全不同，F(xiàn)CS控制單元中的中央控制器的CPU與就地設(shè)備上的CPU直接通過現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)字通訊，替代了DCS系統(tǒng)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(nèi)電纜與DCS中央處理器的復(fù)雜通訊過程。故不同于DCS基于I/O點數(shù)量的計價方式，F(xiàn)CS的價格計算是基于從站節(jié)點的數(shù)量，也就是就地設(shè)備的數(shù)量。而狀態(tài)檢修中I/O點大量的上升恰是源于設(shè)備數(shù)量不變的情況下,通過對每個設(shè)備的采集點的增加以達(dá)到對每個設(shè)備的狀況了解得更加透徹，這與FCS的優(yōu)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(tài)檢修中I/O點大量增加的要求。反之，由于在滿足狀態(tài)檢修I/O點數(shù)量增加的情況下，F(xiàn)CS控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)基本保持不變，故源于系統(tǒng)復(fù)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(zhǔn)確性的要求更高的問題，F(xiàn)CS控制系統(tǒng)是具有其特有的優(yōu)勢
由于FCS中央控制單元的CPU與就地設(shè)備上的CPU直接通過數(shù)字量通訊，而無需像DCS一樣在發(fā)送與接收模擬量信號過程中，通過數(shù)模與模數(shù)反復(fù)轉(zhuǎn)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(zhǔn)確性。例如:通過附表可以看出，F(xiàn)CS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(chǎn)品實例
目前許多控制系統(tǒng)廠家與信息系統(tǒng)廠家都開發(fā)了不少FCS與狀態(tài)檢修相結(jié)合的且品質(zhì)不錯的產(chǎn)品。由于西門子公司在現(xiàn)場總線、就地設(shè)備、FCS控制系統(tǒng)、SIS信息系統(tǒng)都有其獨自開發(fā)的產(chǎn)品，商業(yè)實踐運行中其系統(tǒng)兼容性較好，故在此將以西門子公司配置為例進(jìn)行簡單介紹。
整個系統(tǒng)由SIS產(chǎn)品BFS++、FCS產(chǎn)品T-XP、現(xiàn)場總線Profibus、就地設(shè)備(如SIPOS5)組成。BFS++為西門子SIS產(chǎn)品。狀態(tài)檢修為BFS++一個組成部分，狀態(tài)檢修專家系統(tǒng)在BFS++的服務(wù)器上運行。根據(jù)狀態(tài)檢修的需要，數(shù)據(jù)從T-XP控制系統(tǒng)上經(jīng)過網(wǎng)管XU進(jìn)入SIS系統(tǒng)BFS++，在BFS++服務(wù)器中根據(jù)已有知識庫的信息及數(shù)學(xué)模型結(jié)合傳送來的數(shù)據(jù)，模糊推理出設(shè)備的狀態(tài)。例如對于斷路器的狀態(tài)的判斷可采用累計開斷電流與極限開斷電流的對比，據(jù)此模糊決策得出需要檢修的概率。累計開斷電流為開關(guān)運行中開斷電流對開斷次數(shù)的積分，極限開斷電流為開關(guān)額定開斷電流與滿容量允許開斷次數(shù)乘積。根據(jù)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(tài)檢修的非模糊表達(dá)方式。
T-XP控制系統(tǒng)、Profibus與就地現(xiàn)場總線設(shè)備構(gòu)成了包括一次設(shè)備在內(nèi)的FCS控制系統(tǒng)。T-XP控制系統(tǒng)是一種DCS、FCS部件可選的控制系統(tǒng)。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(shè)備進(jìn)行模擬量通訊，則成為DCS控制系統(tǒng)。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(tǒng)中的主站IM308C及Profibus，與作為從站的就地設(shè)備相連則成為FCS控制系統(tǒng)。在此T-XP選用FCS的配置方式。
Profibus是一種目前通用的現(xiàn)場總線，具有國際開放的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)EN50170。其中電廠控制中最為通用的Profibus-DP用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價的通訊連接，專為自動控制系統(tǒng)與設(shè)備級分散I/O之間通訊設(shè)計。定向根據(jù)ISO7498國際標(biāo)準(zhǔn)以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI為參數(shù)模型。在T-XP FCS應(yīng)用中，一般具有如下的參數(shù)設(shè)定:Profibus-DP物理材料為雙絞線計算機(jī)電纜,傳輸距離為200m,傳輸速度為9.6kbps,傳輸技術(shù)為RS485,IM308C為Profibus總線第一類DP總站,就地設(shè)備為Profibus總線從站,從理論上一根Profibus總線可有127個節(jié)點，實際應(yīng)用中從站實際節(jié)點一般為兩位數(shù)。
就地現(xiàn)場總線設(shè)備是一些具有現(xiàn)場總線Profibus接口的就地設(shè)備與儀表。通過Profibus接口，它們可以輕易地連入Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中。將采集信號以數(shù)字量的形式與FCS中的CPU通訊，同時接受來自FCS的數(shù)字量指令進(jìn)行動作。例如:目前使用較多的SIPOS5 Profitron電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，SIPOS5 Profitron具有一個RS485 Profibus-DP接口，同時具有一個CPU用于設(shè)備的管理與通訊。SIPOS5作為從站通過Profibus 與作為主站的FCS系統(tǒng)中的通訊模件IM308C進(jìn)行數(shù)字通訊。SIPOS5與FCS通訊的信號不但可以包括常規(guī)的位置反饋(AI)、控制命令(AO)、行程開關(guān)開/關(guān)接點動作(BI)、力矩開關(guān)開/關(guān)接點動作(BI)，還可以包括一些可選的采集信號:
FCS T-XP、Profibus 現(xiàn)場總線、SIPOS5 Profitron電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)配置方式，在江蘇省新海發(fā)電有限公司200MW 12#機(jī)組運行中，對比起同臺機(jī)組DCS部分在控制品質(zhì)上具有一定的優(yōu)勢。對比實驗見附表:
附表 FCS、DCS 控制品質(zhì)對比
傳統(tǒng)DCS處理 現(xiàn)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，F(xiàn)CS控制系統(tǒng)的實時性與精確性都得到一定的提高。同時根據(jù)電廠狀態(tài)檢修的要求，許多有關(guān)設(shè)備內(nèi)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(yōu)勢都大大有利于狀態(tài)檢修的發(fā)展。與此同時隨著狀態(tài)檢修的深入，面向設(shè)備維護(hù)的一些新的BO以及AO信號也將出現(xiàn)，這些新的信號的輸出也都可采用同樣的方式予以實現(xiàn)。
5 結(jié)束語
目前由于種種原因FCS在電廠過程控制領(lǐng)域中的運用進(jìn)展得較為緩慢，但是隨著其它方面技術(shù)，諸如狀態(tài)檢修技術(shù)的發(fā)展，對過程控制的要求將逐步提高，從而使FCS相對于DCS的優(yōu)勢逐步呈現(xiàn)，最終加速促進(jìn)DCS向FCS的發(fā)展。 |
