摘要：現場總線技術以雙向數字化通信的鮮明特征和優點廣泛應用于各過程工業領域，并在電廠局部取得了成功應用。現場總線控制系統和設備具有開放性好、高度信息化、高度分散和低成本的特點。通過對設備狀況和工程應用的分析認為，把現場總線技術集成在主控制系統中應是目前階段較適
　　
　　引言
　　
　　未來電廠自動化技術的發展方向應是“建設數字化電廠，深化信息化技術應用”，信息化的基礎應是數字化。隨著計算機技術和通信技術的飛速發展，數字化已普遍應用于工業生產過程的決策層、管理層和監控層，但現場的數字化還處于起步階段。現場總線控制系統和設備作為一種全數字化、網絡化、雙向通信的新型控制系統和設備的產生和應用，為建設信息化電廠奠定了基礎。隨著技術的發展和認識的提高，現場總線技術在電廠過程控制領域的應用已從輔助系統和局部逐步走向主廠房機組的控制，并引起了各大發電集團公司和設計院的關注。
　　
　　1、現場總線技術及總線設備
　　
　　1.1現場總線技術及特點
　　
　　現場總線在現場設備之間進行數字通信，為滿足現場應用的要求，現場總線采用了與一般通信總線不同的應用技術，綜合了實時通信技術、可靠性技術、互操作性技術，具有開放性、智能化與功能自治性、互用性、系統結構高度分散性、環境適應性等特點。
　　
　　上現有的總線及總線標準種類很多，但主要為PROFIBUS現場總線FIELDBUSFUNDATION（FF）現場總線、LonWorks現場總線、CAN現場總線、WorldFIP現場總線、P-NET現場總線、CONTROL-NET現場總線、INTERBUS現場總線、Swift-Net現場總線等9種典型現場總線。
　　
　　1.2現場總線控制系統結構
　　
　　現場總線控制系統作為第5代過程控制體系結構目前還處在發展階段，各種不同的現場總線控制系統層出不窮，其系統結構形態各異，有按照現場總線體系結構概念設計的新型控制系統，有在現有的分散控制系統（Dcs）／可編程控制器（PLC）基礎上擴充了現場總線的功能。主要有二、三層結構的現場總線控制系統和DCS擴展的現場總線控制系統等。
　　
　　1.3現場總線設備特點及現狀
　　
　　1.3.1特點
　　
　　現場總線設備具有全數字、高精度、多變量測量、多變量傳輸、計算和控制功能強、分散度高、控制系統的控制品質好、數據信息量大等特點。現場總線控制系統是在PLC、DCS的基礎上發展起來的，具備二者的特點，不僅繼承了DCS分級、分層化的拓撲結構，強化了DCS分散控制的思想，而且使傳統的自動控制系統產生了劃時代的變革。
　　
　　1.3.2現狀
　　
　　主要的總線設備和系統包括：（l）變送器類：目前，世界各大儀表生產廠都相繼推出了現場總線型變送器，通過FF認證和支持PROFIBUS總線接口的變送器已經有60多種，包括電廠中常用的幾種產品。（2）執行器類：現場總線型進口電動執行機構品牌較多，目前廣泛使用的電動執行器都支持PROFIBUS或FF現場總線標準。國產設備中也有支持現場總線接口的，但應用于工程的幾乎沒有。（3）現場總線型閥門定位器：目前電廠使用的主流氣動調節閥定位器中也不乏支持PROFIBUS-PA或FF總線標準的產品。（4）具有現場總線通信功能的低壓開關柜：現場總線技術的發展使國內帶有現場總線功能的低壓開關柜應運而生，總線的協議還有待于進一步統一。（5）DCS：目前，國內火電廠采用的主流DCS基本都已提供了各自的現場總線解決方案。如ABB公司的Symphony系統能接受PRoFIBUS和FF現場總線標準；FOXBORO公司的I/A系統支持PROFIBUS和FF現場總線標準；艾默生公司的OVATION系統提供了FF和PROFIBUS-DP現場設備的接入卡件；西門子公司的TXP－3000系統支持PROFIBUS現場總線標準等。
　　
　　2、現場總線控制系統應用現狀
　　
　　隨著現場總線技術的發展及國外電廠的成功應用，現場總線技術和設備也正逐步應用于國內一些電廠，并在局部取得了成功的經驗。例如山東萊城電廠、國華寧海電廠、江陰夏港電廠等在40OV及以下電動機上采用了支持PROFIBUS接口的SIMOCODE馬達控制器。華能玉環電廠鍋爐補給水控制系統等采用了現場總線技術和儀表設備、PROFIBUS－DP和PA通信網絡，取得了FCS在電廠成功應用的嘗試。
　　
　　國外應用現場總線技術的電廠當以德國尼德豪森電廠為代表。該廠K機組屬熱電聯產超超臨界機組，該項目全范圍采用了PROFIBUS和HART－BUS2種現場總線。整個機組由于采用現場總線技術，實現了現場設備智能化，設備狀態和信息通過總線傳輸到DCS中，是目前國外智能化程度zui高、采用總線技術zui全面的機組。
　　
　　現場總線技術在國內其他行業應用的事例很多，如中海殼牌南海石化項目，除安全保護系統外，其余的變送器及執行器均采用FF現場總線，總線應用范圍覆蓋整個石化聯合項目，是目前在建的世界上zui大的現場總線應用項目。上海賽科90萬t乙烯聯合石化項目已運行la多，是目前世界上已運行的zui大的應用現場總線項目。
　　
　　3、現場總線技術在機組控制系統中的應用分析
　　
　　3.1現場總線標準的確定
　　
　　通過對設備狀況和工程應用的分析及近年來現場總線技術在不同行業中的不斷深入應用，員逐漸認識了各種總線標準適宜的應用場合專業人認為PROFIBUS和FF總線比較適合過程控制一致2種總線標準相比，FF較適用于連續量控制，而PROFIBUS不僅適用于離散量控制，同樣也適用于連續量控制。因此PROFIBUS和FF現場總線標準應是在火電廠過程控制中應用的。
　　
　　3.2現場總線控制系統結構的選擇
　　
　　電廠控制系統的設計首先要保證安全可靠，因此，擁有成熟技術的DCS和PLC仍是當前電力工業自動化系統應用及選型的主流，把現場總線技術集成在主控制系統中應是目前階段較適宜的設計方案，對于重要的保護及控制回路仍采用傳統硬接線連接。
　　
　　在實際應用中大多采用將總線技術集成到現有DCS中，現場總線設備的應用主要在現場設備層。而火電廠機組過程控制具有協同、多任務、復雜的特點，很多不同控制回路之間相互關聯。如果將機組控制任務分散到現場智能設備中，將會有大量控制系統分段網絡之間的通信，從而增大通信系統負荷，影響信號傳輸的實時性；更重要的是當分段網絡出現故障時，不同網段上設備之間的聯鎖功能將無法實現，嚴重情況下將影響工藝系統及設備的安全運行。因此筆者認為，在工程應用中控制系統依然采用擁有成熟技術的主流產品DCS，而只在現場設備層全面采用現場總線技術應是方案。負責多任務的調節回路控制策略和設備控制邏輯依然按工藝系統劃分在不同的DCS控制器中集中處理。因此，目前階段現場總線控制系統的結構建議采用將總線技術集成到現有的DCS中，將局部使用的現場總線儀表設備連接到DCS上，利用DCS豐富而成熟的控制功能和軟、硬件產品帶動現場總線的推廣應用。
　　
　　3.3應用方案探討
　　
　　3.3.1應用方案設想
　　
　　現場總線技術應用方案的確定應遵循的原則：直接影響機組安全可靠性的系統和設備宜采用常規方案控制；不純粹為了追求采用現場總線而采用現場總線。具體方案如下：
　　
　　（1）整個機組可按照工藝過程劃分為多個子系統，工藝系統中的單回路調節可放在現場執行機構中實現（也可仍在Dcs控制器中控制）。
　　
　　（2）鑒于爐膛安全監控系統（FSSS）、汽輪機數字電液控制系統（DEH）、汽輪機緊急跳閘系統（ETS）對機組安全運行至關重要，回路處理速度要求高，建議FSSS、DEH和ETS還是采用成熟的常規控制系統。對個別影響機組安全的閥門及儀表采用硬接線方式。
　　
　　（3）為保證事件順序記錄（SOE）具有1ms的分辨率，建議SOE信號仍采用常規DI卡或SOE卡。
　　
　　（4）變送器均采用現場總線型智能變送器接入DCS。
　　
　　（5）電動執行機構均考慮采用具有現場總線接口的設備，氣動調節閥執行機構采用帶現場總線接口的智能定位器。由于主廠房內電磁閥控制的二位式氣動閥門布置較分散，不太適合采用帶總線接口的閥島進行控制，建議還是采用常規I/O方式接入DCS。國產現場總線電動執行機構可根據成熟度和造價考慮是否采用現場總線型設備，目前建議仍采用常規I/O方式接入DCS。
　　
　　（6）現場分散的溫度測點可考慮采用現場總線型的智能溫度變送器接入DCS。對于現場相對集中的溫度測點如鍋爐壁溫、發電機本體溫度等測點，一方面考慮到對于溫度類信號需要判斷的內容和信息并不多，采用現場總線方式接入增加的信息內容并不明顯；另一方面，目前階段帶總線接口的智能溫度變送器價格還比較高，如在工程中對全部溫度檢測信號采用總線方式接入將在較大程度上增加投資，所以這些溫度信號建議仍采用常規的遠程I/O方式接入DCS。
　　
　　（7）機組廠用電動機和廠用電控制采用現場總線，該系統通過機組DCS的通信接口與DCS相互傳輸信號。從機組安全考慮，所有電動機及主廠房內重要電源開關的分／合指令信號、狀態反饋信號依然通過硬接線方式進入DCS，其他信號通過通信接口與機組DCS相聯。
　　
　　3.3.2應用總線系統的技術可行性
　　
　　總線控制系統應用的技術可行性主要體現在實時性、可靠性及可用性方面，這是保證機組安全可靠運行的主要因素。
　　
　　（l）實時性：實時性是衡量控制系統是否可用的一個重要指標，因此總線的實時性是總線控制技術能否在火電廠機組控制中應用的重要判據。對于常規DCS，通常要求現場信號的采集周期為所有模擬量輸入每秒至少掃描和更新4次，所有數字量輸入每秒至少掃描和更新10次；為滿足某些需要快速處理的控制回路要求，其模擬量輸入信號應達到每秒掃描8次，數字量輸入信號應達到每秒掃描2O次。下面以2種常用總線為例分析總線的響應時間。
　　
　　PROFIBUS-DP總線，采用光纖時傳輸速率可達12Mh/S，當采用屏蔽雙絞線時其通信速率與通信距離有關，通常在200m范圍內DP總線的傳輸速率為1.5Mb/S，該總線的響應時間約為8.6ms，考慮到非周期性延時通常為2O-3Oms，對于離散量，PROFIBUS-DP總線的響應小于每秒10次的刷新時間。
　　
　　總線的響應時間不僅受限于傳輸速率，而且與從站的數量有關，若系統配置有PA從站，當節點數為16個時，PA總線的響應時間約為166ms，這時整個PROFIBUS-DP系統的響應時間約為220ms，滿足4次／S的更新周期。
　　
　　FF-Hl總線，通信速率為31.25kh/S，在一個網段上的執行時間不僅與掛接的設備數量有關且與宏循環周期有關。通常負荷循環周期不應超過宏循環周期的50%，因此，要保證250ms的負荷周期，宏循環周期時間應為500ms。
　　
　　由此可見，PROFIBUS總線和FF總線完滿足機組控制對一般輸入、輸出信號處理的實時性要求。鑒于目前FF總線宏周期一般為100ms至1s，還是無法滿足電廠機組控制中快速處理回路的時間要求（50ms左右），因此，系統中為安全或快速響應而設置的開關量信號，還應采用常規DCS的I/O模件來處理。
　　
　　（2）可靠性：分散性是FCS的優點之一，也是提高系統可靠性的重要措施，主要通過網絡分散和控制分散來提高系統可靠性。除將一般控制功能下放到現場，設計中通過上層網絡的區域劃分和下層網絡的管理等，做到單一回路的故障不擴大。機組主要控制策略采用常規DCS方式實現，按「藝系統分散在不同的控制器內，以做到功能分散。由于現場總線控制系統的設計與現場儀表、控制設備的布置位置密切相關，控制網絡分段不僅要考慮現場設備的物理分布，而且要考慮現場設備之間的工藝相關性，確保當不同檢測、控制設備處在不同網絡分段時相互之間聯鎖、信號交換的實時可靠，確保分段總線故障情況下工藝系統的安全運行，保證局部故障不影響機組的安全性。
　　
　　冗余是提高系統可靠性的又一重要措施，現場總線系統的冗余通過主站網絡冗余（主要包括介質、網絡）、總線電源冗余、鏈路設備冗余、控制器冗余、變送器冗余等實現，其中鏈路設備、電源、主站網絡冗余是現場總線系統常用的冗余措施。對所有具有冗余總線接口的電動執行機構、驅動控制裝置等設備均考慮采用冗余總線連接；控制系統中所有總線電源也可冗余配置。目前FF的H1和PROFIBUS－DP已實現了網段介質冗余。為提高系統的可靠性，整個現場范圍內的通信光纜應有冗余。
　　
　　提高系統可靠性的措施之三是獨立性，它可通過總線控制系統在結構上體現工藝設備的冗余配置，根據工藝流程合理配置總線數量和掛接的現場設備，確保任何一條總線故障時，只發生工藝系統的局部故障，不會導致機組處于危急狀態，造成整個工藝系統停運，并將這一影響降到zui小。冗余設置的現場儀表應接入不同網段；工藝上并列運行或冗余配置的設備，其相關驅動裝置應連接在不同的網段上。
　　
　　（3）可用性：通過后臺管理軟件提高系統的可用性是總線系統的又一大優點。以智能化現場儀表為基礎的現場總線系統，可提供豐富的自動診斷、狀態信息等管理功能，并通過數字通信方式將診斷維護信息送往Dcs，使管理人員通過Dcs的管理系統查詢所有儀表設備的運行情況，診斷維護信息，尋查故障，以便早期分析故障原因并快速排除。儀表設備狀況始終處于維護人員的遠程監控之中，從而提高系統的可利用率。
　　
　　3.3.3設計中應考慮的其他問題
　　
　　（l）現場總線控制系統的網絡設計至關重要，不僅要考慮系統I/O點規模、設備數量，而且要根據設備的地理分布、功能的相關性等因素設計各層網絡的覆蓋范圍、支路的數量、支路及分支的長度、各分支掛接設備數量等，這些對系統的性能、硬件配置等都有重要影響。因此，各工藝子系統將根據工藝相關性和現場布置情況進行網絡分段設計。
　　
　　（2）所設計的現場總線網段中掛接的現場總線設備總數、分支電纜上掛接的現場總線設備數量、主干電纜和分支電纜長度及類型、電源供電容量和電壓壓降等應在現場總線規定的范圍內。考慮到這些限制因素，建議每條網段上掛接設備的數量應充分考慮余量。
　　
　　（3）為減少通信量，同一個控制系統中的檢測儀表、控制器、控制閥等現場總線設備建議設計在同一現場總線網段中。
　　
　　（4）現場總線設備的功能選擇在設計時應重點考慮。選擇功能塊時應綜合考慮減少通信量和降低成本。
　　
　　（5）現場總線網絡主要有總線結構、樹型結構、菊花鏈3種拓撲結構。為防止因總線網段損壞造成網絡癱瘓，通常采用樹狀或總線型拓撲結構連接現場總線設備。
　　
　　（6）為提高其可靠性，重要回路應設置獨立的網段，其他總線設備盡量不掛接在該網段上。
　　
　　3.4工程組織中應注意的問題和應對措施
　　
　　以智能化現場儀表為基礎的現場總線系統與傳統系統相比，其優點不僅在于減小電纜量及安裝、調試等工程量，而且在于維護簡單，具有自動診斷、校正等管理功能方面。建議工程中合理采用后臺管理軟件，充分發揮現場總線系統信息管理、降低運行維護成本的優勢。
　　
　　從前期調研、方案規劃入手克服儀表與控制設備隨工藝設備成套供貨帶來的協調難的問題。工程前期做好對生產過程控制對象和現場總線標準及相應的智能現場設備的研究，根據工程特點和需要，合理規劃現場總線的應用范圍，并取得投資方的認同和支持；對各種現場總線系統的技術性能、*、產品配套程度、售后服務、價格和兼容性及與其他系統接口的難易程度等進行綜合比較，從而選擇和確定現場總線系統所采用的標準。在主輔機規范書和現場設備采購規范書中按前期規劃約定所提供的現場總線儀表設備應遵循的總線標準。
　　
　　3.5技術經濟分析
　　
　　目前階段在機組控制中全面采用現場總線技術，除技術上可行外，還應考慮投資。現就采用現場總線設備后相關部分的價格變化進行粗略的經濟分析。采用總線設備為基礎的DCS的價格約增加10%－12%，總線設備目前價格還相對偏高，但采用現場總線設備后在電纜量減少的同時，減少了電纜橋架用量，從而減少了安裝工程量，這里不統計施工工程量的減少，以一臺600MW機組為例，采用現場總線設備后機組價格變化見表1、2。　　
　　從表1、2可看出，一臺機組采用現場總線后的控制系統靜態投資費用較常規DCS方案約增加人民幣94萬元，如果考慮到安裝工程量的減少，總投資將會低于常規DCS。如考慮采用現場總線技術后帶來的數字化程度的提高、全生命周期內維護管理的方便和成本的降低．收效將會更可觀。
　　
　　4、結語
　　
　　目前階段在火電廠現場設備層全面采用現場總線技術和設備，無論從技術、設備情況、應用經驗、工程設計還是投資等方面都具備了可行性。隨著市場需求的增長和包括智能儀表在內的現場總線產品的大量出現，現場總線技術在火電廠控制領域將會占據越來越重要的位置。數字通信是一種趨勢，是技術發展的必然，從理論分析的角度看，雙向數字通信的現場總線技術本身，必將會給火電廠安全經濟運行及提高管理水平、建設信息化電廠帶來實實在在的效益，這是以往在電廠應用的任何控制系統無法與之相比的。