电站现场总线控制系统FCS165是西安热工研究院有限公司(中国华能集团公司技术中心)自主研发的电站自动化控制系统，其目标是实现1000MW等级火电机组全数字化的控制、监视、管理的自动化。该系统也可应用在水电、化工、造纸、水泥等过程工业控制领域中。FCS165系统不仅吸收了国际先进的DCS技术，而且融入了新型的第五代自动化控制技术－现场总线控制技术，嵌入符合国际现场总线标准IEC61158的Profibus和FF技术，构成新一代现场总线控制系统FCS (Fieldbus Control System)，为实现真正的数字化电厂提供技术装备。
FCS165系统融入了西安热工研究院40多年的火电厂控制技术和优化经验，技术先进、性能可靠，功能上最大限度地满足电厂需要，人机界面友好，符合工程组态人员以及电厂人员使用习惯。
1 系统概况
FCS165系统配置三层通信网络。顶层是信息网(100M交换型以太网)，是非实时和管理数据通道，并连接厂级信息网；中层是机组主控通信网(100M交换型以太网)，是实时、控制数据通道，连接DPU、操作员站、工程师站和历史数据站；下层是I/O和现场总线通信网，是现场过程参数、状态、诊断数据通道，连接I/O模件、现场总线仪表和设备。网络结构见图1。
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2 系统特点
2.1 系统规模
主控通信网：冗余结构；DPU最大冗余节点50个，最大操作员站/工程师站节点（冗余通道）50个，最大历史数据站节点27个。采用无服务器的分布式数据库结构，各操作员站对等。
信息网：冗余结构；最大网络节点254个。
分布式控制站(DPU)：控制器冗余配置；5层I/O机架，可插入58块I/O模件，传统I/O点928点。可插入3对冗余Profibus-DP通信主站，形成3对独立的冗余Profibus-DP主网段；可插入4个FF-H1通信主站，组成16个FF-H1网段(每个主站管理4个FF-H1网段)。
数据库：实时数据库容量和历史数据库容量可达10万点。
2.2 控制器
DPU的核心——控制器FCP01，32位嵌入式精简指令集(RISC)CPU，运算速度200MIPS（基本指令周期5ns/次）。快速内存(SDRAM) 64M，闪存(Flash)32M。功耗4.2W。集成冗余100Mbps以太网接口，嵌入式实时多任务操作系统，内置丰富的适用电站控制的功能块算法以及现场总线数据处理功能。运算扫描周期最快20ms，可同时处理5个运算周期的组态逻辑。
2.3I/O卡件精度
模拟量输入卡件：4～20mA(1~5V) 0.1% ；TC、RTD(mV信号) 0.2%
模拟量输出卡件：4～20mA(1~5V) 0.2%。
SOE卡件：分辨率1ms；不同DPU间的SOE卡件通过GPS时间同步，分辨率可达1ms。
2.4嵌入式现场总线系统
DPU可同时插入Profibus-DP通信主站、FF-H1通信主站和I/O模件；
现场总线通信主站与控制器FCP01通过背板并行总线交换数据；现场总线设备数据、状态和诊断信息直接进入FCP01实时数据库，可与传统I/O信号统一用于组态控制、运算。
与工程师站一体化的Profibus网络、主站、从站的组态、监视、调试、诊断软件工具，采用Windows资源管理器界面风格。见图2。
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2.5 适应工业环境运行
FCS165系统硬件设计和制造满足火电厂工业环境的运行要求。
* 电磁兼容性：静电放电通过工业3级试验(接触放电±6000V，空气放电±8000V)；浪涌冲击通过工业2级试验(±1000V)；电快速瞬变脉冲群通过工业2级试验(±1000V)；电压暂降、短时中断通过工业级试验。以上试验均按照国标GB/T 1762.X执行(等同IEC6100-4-X标准)。
* 环境条件：
正常工作环境温度： I/O 模件 -10℃～+70℃；电源 -10℃～+55℃；
正常工作环境湿度： 10～96％(不结露)。
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3 主要硬件及其性能
3.1 系统电源
每个DPU采用冗余配置，均衡供电方式。双路外部交流电源输入。每套系统电源的参数如下：
输入：(220 ±20%) Vac
输出：5Vdc 40A；24Vdc 25A；48Vdc 6.25A
隔离：路路隔离，隔离电压大于2000V
功能：自诊断输入、输出电压、电流、短路、过载等，机箱和散热器温度。液晶面板显示各参数。RS485通信直接与FCP01接口，状态、故障、报警信息传送。
保护：短路保护，过热保护，低电压保护。
3.2 传统I/O模件
表1 为传统I/O模件的主要性能一览表。
名 称 | 型 号 | I/O通道数 | 转换精度 | 隔离 | 性能特点 |
开关量输入(DI) | FDI01 | 16路 | | 路路隔离 | 电压或触点输入，查询电压24/48Vdc。采样和转换速率为20次/秒。软件过滤抖动（4ms）功能 |
开关量输出(DO) | FDO01 | 16路 | | 路路隔离 | 配合不同端子单元，实现电压输出、继电器输出。共4种DO端子单元。 |
8路模拟量输入(AI) | FAI01 | 8路 | 每路单独A/D,16位，精度±0.1% | 路路隔离 | 输入4～20mA。采样和转换速率为20次/秒。具备自诊断功能、安全保护功能。 |
16路模拟量输入(AI) | FAI02 | 16路 | 每4路一个A/D,16位，精度±0.1% | 数字隔离，每4路隔离 | 输入信号4～20mA、0～20mA、1～5V、0～5V，在端子单元上跳线选择。采样和转换速率10次/秒；具备自诊断功能、安全保护功能。 |
模拟量输出(AO) | FAO01 | 8路 | 每路单独D/A,12位。精度±0.2% | 数字隔离，路路隔离 | 电流输出负载能力阻抗最大750Ω。输出方式电压（0～10V）和电流（0～20mA），可通过端子单元跳线选择。 |
热电偶输入(TC) | FTC01 | 15路 | 每4路一个A/D,16位。精度±0.2% | 数字隔离，路路隔离 | 第16路用于冷端补偿，显示环境温度。采样和转换速率4次/秒；具备自诊断功能、安全保护功能。适用于E、K、T、J、R分度，模件完成转换、线性化、补偿功能。 |
热电阻输入(RTD) | FRT01 | 12路 | 每4路一个A/D,16位。精度±0.2% | 数字隔离，路路隔离 | 可支持2、3、4线制。适用于Pt100,Cu50。模件完成转换、线性化、补偿功能。采样和转换速率4次/秒；具备自诊断功能、安全保护功能。 |
脉冲输入(PI) | FPI01 | 8路 | | 光电隔离，路路隔离 | 输入频率(0～10k)Hz, 脉冲幅值：5V、10V、24V。信号类型为继电器干接点或电压信号。自诊断功能。计数范围4字节，有溢出标志；计数值有断电记忆和上电恢复功能 |
3.3 电站专用模件
电站专用模件包括SOE、汽轮机测速、电液伺服阀控制等。详见表2。
名 称 | 型 号 | I/O通道数 | 转换精度 | 隔离 | 性能特点 |
高速顺序事件记录(SOE) | FSE01 | 16路 | 分辨率1ms | 路路隔离 | 通道提供48VDC 查询电压；软件过滤抖动（4ms）功能；自诊断功能以及安全保护功能;GPS时间同步信号实现不同站SOE的时间同步 |
第三方通信模件 | FCM01 | 2路RS485 | 采用32位嵌入式CPU(AMR7系列) | | 2路RS485接口可设置为独立或互为冗余，RTU Plus协议。以太网为TCP/IP协议 |
汽机转速测量和超速保护(Speed&OPT) | FSD01 | 1路转速 | 转速测量转换精度±1r/min | | 转速脉冲输入频率100Hz～10kHz |
汽机伺服阀驱动 | FHS01 | 3路LVDT输入 | A/D转换16位，精度±0.1% | | 输入3路LVDT(交流或直流)，设定中值、均值等；自动阀位校验；阀门闭环控制；跳闸保护；紧急手动；MOOG阀驱动，4～20mA输出。 |
4 主要软件及其功能
4.1 工程师站
工程师站软件包括组态、调试、维护等功能。
* 组态：数据库组态、控制逻辑组态、现场总线系统组态、操作员画面组态。控制逻辑采用符合IEC61131-3标准的功能块(FBD)图形方式组态。见图4。每对FCP01可容纳512页功能块组态图，每页图256个功能块。
* 调试：DPU在线工况下，下载、上载组态，实时修改功能块参数、强制/保持功能块输出、强制信号质量状态等。在线监视功能块运行状态、参数。查询、解除强制/保持状态。
* 维护：复位、启动FCP01，切换主、备FCP01，检查、重置FCP内存和闪存等。
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4.2 操作员站
操作员软件主要包括组态、监控等功能。
* 组态：工艺流程图组态、实时趋势组态、报表组态等
* 监控：工艺过程监控、实时趋势监视、历史数据检索、历史趋势和报表浏览、报表生成和打印等。流程图见图5。实时趋势每幅图最多12根曲线，历史趋势每幅图最多8根曲线。
4.3 历史站
历史站软件主要包括数据采集、历史数据库管理、历史数据处理等功能。
* 数据采集：历史站通过主控网络独立采集各FCP01的广播数据，并按照预先组态的数据库字段和规则存储。
* 历史数据库管理：数据维护；存储空间分配和管理等。
* 历史数据处理：响应操作员站数据检索要求，调出相关数据形成数据包，通过信息网发送。组成各类历史记录、历史报表等。
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5 应用
FCS165系统适用于不同规模的控制系统，特别适合组成DCS-FCS一体化的系统。某电厂水网控制系统结构如图6所示。该系统包括锅炉补给水处理、工业废水处理、净水站和综合水泵房控制。采用传统I/O与Profibus现场总线相结合的控制方式。
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