摘要：本文概述了現場總線技術的特點及現狀，描述了電廠生產過程的控制特性，詳細分析了現場總線應用過程中存在的諸多問題，明確了在電廠應用現場總線技術的目的，提出了在電廠應用現場總線技術的對策和設想。
　　　　
　　1．前言
　　
　　在電廠信息化的建設過程中，越來越多的專家、學者和電力工程設計人員意識到推動現場總線技術在電廠應用的重要性和迫切性，已有許多論文提出了基于現場總線技術的控制系統在電廠的應用設想和建議。但到目前為止，在國內已建和在建電廠中，真正意義上的全面和系統地應用現場總線控制系統的實例還未見報道，見諸于文獻的還只是局部的試點應用。大家對現場總線技術代表了未來電廠自動化的發展方向均持肯定和積極的態度，但為什么在工程設計中卻又難以進入實質性的應用呢？
　　
　　為了便于下面對這個問題的討論，盡管關于現場總線和現場總線控制系統的涵義已反復在相關文獻中進行了闡述，筆者依然覺得還是有必要先引用電工委員會IEC及專家對什么是現場總線及現場總線控制系統作出的定義。
　　
　　根據電工委員會IEC61158標準的定義：安裝在制造或生產過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、雙向、多點通信的數據總線稱為現場總線。由現場總線與現場智能設備組成的控制系統稱為現場總線控制系統FCS（FieldbusControlSystem）。而衡量一個控制系統是否為真正的現場總線控制系統FCS有三個關鍵要點，即：核心、基礎和本質。FCS的核心是總線協議，只有遵循現場總線協議的控制系統，才能稱為現場總線控制系統；FCS的基礎是數字智能現場儀表，它是FCS的硬件支撐；FCS的本質是信息處理現場化，這是FCS的系統效能體現。
　　
　　從上述定義可以看出，現場總線控制系統是一種全計算機、全數字、雙向通信的新型控制系統。它與DCS的本質差異在于現場級設備的數字化、網絡化，實現了控制裝置與現場裝置的雙向通信，消除了生產過程監控的信息“盲點”。可以說，現場設備級的數字化、網絡化是電廠信息化管理的基礎。
　　
　　2．現場總線技術的特點及現狀
　　
　　CPU技術的發展導致了現場儀表和裝置的數字化革命，也使得現場儀表和裝置之間的數字通訊成為可能。數字化、智能化的現場儀表和裝置（如傳感器、執行器等）不僅僅是替代了4~20mA模擬系統，更主要的是可以在現場設備中實現控制功能和設備管理功能，而且有了數字通訊，在控制室可以獲得現場設備的諸多信息，如診斷、量程、組態和標識等。現場總線技術的出現，使得原來需要大量電纜進行點到點連接的眾多現場設備信號可通過一根網絡電纜來傳輸，可以顯著減少電纜的使用量及降低相關的材料和安裝費用。
　　
　　現場總線技術開發的出發點就是要為用戶提供開放的、具有可互操作性、可互換性和統一標準的測量和控制產品，克服傳統DCS和PLC等含有性技術的控制系統所帶來的封閉性問題，擇優選擇不同公司的產品，集成*的生產過程控制系統，降低工程項目的建造和運營成本，提高企業的競爭力。
　　
　　綜合有關資料的論述，同傳統DCS和PLC控制系統相比，以現場總線技術為基礎的控制系統FCS的*性概括起來有以下幾方面：
　　
　　（１）互操作性
　　
　　（２）分散性
　　
　　（３）可靠性
　　
　　（４）性
　　
　　（５）開放性
　　
　　（６）經濟性
　　
　　（７）可維護性。
　　
　　這些特點和*性在相關的文獻中有詳細的闡述，在此不再贅述。既然有這么多的好處，我們為什么不積極使用呢？這就又引出了現場總線的標準之爭以及現場總線自身的局限性問題。
　　
　　首先，現場總線標準之爭的結果就是1999年底IECTC65（負責工業測量和控制的第65標準化委員會）通過了8種類型的現場總線作為IEC61158標準。2001年8月經過修訂制定出10種類型的現場總線標準（第三版），分別為：
　　
　　Type1TS61158現場總線
　　
　　Type2ControlNet和Ethernet/IP現場總線
　　
　　Type3Profibus現場總線
　　
　　Type4P-Net現場總線
　　
　　Type5FFHSE現場總線
　　
　　Type6SwiftNet現場總線
　　
　　Type7WorldFIP現場總線
　　
　　Type8Interbus現場總線
　　
　　Type9FFH1現場總線
　　
　　Type10PROFInet現場總線（2003年4月成為正式標準）
　　
　　除了上述10種標準之外，還有IECTC17B通過的現場總線標準SDS（SmartDistributedSystem）、Asi（ActuatorSensorInterface）和DeviceNet，以及ISO11898的CAN協議，還有一些歐洲標準。這么多的標準給用戶應用帶來了很大的困惑，也就導致了沒有事實上的統一標準，因為不同的現場總線標準協議之間是不能夠直接進行互連和通訊的。
　　
　　其次，上述各種現場總線是針對不同的應用領域開發的，現場總線自身存在著應用領域的局限性。
　　
　　在工廠自動化領域，離散邏輯控制處于主導地位，因為工廠自動化含有快速移動的機械，同較慢的過程自動化相比，要有更快的響應。適用于這類場合的現場總線類型有DeviceNet、ControlNet、Profibus（DP及FMS應用行規）、以及Interbus、ASI（AS-Interface）。
　　
　　在過程自動化領域，連續的調節性控制占支配地位，但也包含離散或開關量控制。適用于這類場合的現場總線類型有FoundationFieldbus,Profibus-PA、WorldFIP等。
　　
　　3.電廠生產過程的控制特點
　　
　　電廠的生產包含了以下幾個主要工藝過程：燃料系統（煤炭和燃油/氣的運輸及貯存）、熱力系統及鍋爐和汽輪機發電機組（將燃料的化學能轉變成熱能、熱能將水變成蒸汽、蒸汽熱能在汽輪機中轉變成機械能、再轉變為電能）、除渣出灰系統（燃燒物的固體廢棄物處理）、脫硫系統（大氣排放物的處理）、水處理系統（含凈水、鍋爐補給水、廢水、凝結水精處理、化學取樣和加藥等）、發配電系統（含廠用電系統、升壓站等）。由此可以看出，電力生產是一個極其復雜的工業過程，它涵蓋了工廠自動化和過程自動化的內容。在傳統的電廠控制系統模式中，主廠房區域熱力生產過程通常采用DCS作為主要的控制系統，其他輔助系統則采用以PLC為核心控制系統。由于現場級設備主要采用傳統的模擬量和開關量信號，生產過程的監控只能到達I/O子系統。
　　
　　在近幾年的電力建設過程中，電力生產企業的信息化管理引起了廣泛的重視，投入了大量的資金構建輔助控制系統網絡、電廠實時監控系統（SIS）和電廠信息管理系統（MIS）,而對于現場級的設備依然采用傳統的裝置和方式接入控制系統I/O子系統。這對于以預測性設備維護和設備管理為預期目標的信息化建設，無疑是“無源之水”。因此解決電廠“信息盲區”的根本出路是應用支持現場總線的智能現場設備。
　　
　　4.應用現場總線技術存在的問題
　　
　　盡管現場總線技術具有一系列的特點和誘人的*性，盡管建設數字化和信息化電廠的呼聲越來越高，但在電力設計院和建設單位嘗試使用現場總線技術的工程。主要的應用障礙在一些文獻中已有分析，如：
　　
　　（１）現場總線標準多，用戶選擇無所適從。
　　
　　（２）支持現場總線標準的智能現場設備的規格和品種較少，支持總線標準的國產設備更少，尤其是針對電廠開發的智能設備，不能滿足電廠各專業的需要。
　　
　　（３）支持現場總線標準的智能現場設備價格較高。盡管基于現場總線技術的控制系統軟硬件費用與DCS相比持平或略高，但FCS對于控制系統的設計、建造、調試直至運行、維護的整個項目生命周期成本同DCS相比確實要低得多。而這種效益往往是投資方和建設單位在項目規劃階段可能不會引起足夠重視的問題。
　　
　　（４）連接現場總線設備底層的網絡不支持冗余結構。
　　
　　除了上述這些應用障礙之外，筆者以為還有以下一些制約因素限制了現場總線技術在電廠的應用。
　　
　　（１）現有電廠的基建模式。現在電廠控制設備的采購大多是由設計院編制設備規范書，由建設單位組織采購，也有一些設備由施工單位采購，還有的控制裝置由主機廠配套或分包。這種設備的采購方式難以保證按照統一的總線標準供貨。根據現在的實際情況，即使規范書中的技術條件十分明確，往往現場到貨卻是另一回事。不同的現場總線標準是不兼容的，結果化了錢卻起不到效果。
　　
　　（２）在設計院內部，自動控制涉及電氣專業、熱控專業甚至系統專業。這些專業分管的系統和現場設備各不相同。如在主廠房內，泵與風機的開關站（SWITCHGEAR）和PC、MCC設備歸電氣管，電動門MCC歸熱控管。成百個設備在設計和訂貨時要求電氣和熱控采用統一的現場總線標準，難度可想而知。
　　
　　（３）投資方、建設單位、施工單位甚至設計院的技術人員對現場總線技術缺乏深入的了解。現場總線是一個新型控制系統，作為現場總線應用的技術人員，尤其是設計院的熱控設計人員如果還停留在對DCS的認識水平上是無法設計合理的現場總線控制系統，也不可能發揮現場總線的優勢，甚至不能保證現場總線控制系統的正常工作。比如，現場總線FF和Profibus-PA支持總線供電，但對于掛接的現場設備數量和總線的通信距離均有限制，還要設置合適的終端裝置，因此必須熟悉掌握現場總線及智能設備的特性，才能保證總線設計的正確性。再如，只有FF總線協議支持建立控制策略的編程語言，也就是說，只有支持FF總線協議的智能設備如閥門定位器可以當作調節器使用，在自身回路執行PID功能，控制功能分散到現場設備，系統功能和故障更加分散，也進一步降低了中央控制器的負載，改善了系統的性能，中央控制器的數量也相應減少了。但Profibus技術沒有控制策略的編程語言，也即支持Profibus-PA的現場設備不能實現控制策略，控制必須由中央控制器完成。然而，支持Profibus的產品系列比FF要齊全、廣泛。
　　
　　這些特性都必須是在選擇現場總線標準時設計人員所必須要考慮的。
　　
　　（４）設計觀念的限制。我們一直強調在電廠應用的控制系統必須已有在2臺同類型機組3年以上的成功應用業績。需知現場總線技術已發展了十多年，支持現場總線技術的智能設備已經基本成熟，且在石化等行業得到了廣泛應用。由美國電力研究院主持編制的核電廠用戶要求文件UDR中已將現場總線作為核電廠控制系統的選項，這對我們在火力發電廠應用現場總線技術應有所啟示。
　　
　　（５）缺乏合理的設計周期。現在大多數電廠的工程設計周期被大大壓縮，因此從設計院來講能按常規方案完成設計已經是十分緊張。
　　
　　（６）對于設計人員缺乏創新的機制和動力。在工程中應用新技術總會有一定的風險，這需要設計人員投入大量的精力進行調研和方案論證，但現實往往是對應用新技術的研究沒有額外的投入，尤其對新技術的成功應用也并無特別的獎勵機制。
　　
　　5．電廠應用現場總線技術目標和對策
　　
　　盡管到目前為止市場和工程實踐中尚缺乏真正意義上的現場總線控制系統供電廠使用，但不代表我們在現場總線技術方面無所作為。只要我們認清應用現場總線技術的真正目的，克服制約現場總線技術在電廠的應用障礙，我們就能讓現場總線技術為電廠自動化和信息化發揮積極的貢獻。
　　
　　首先，我們必須在電廠自動化和信息化方案的規劃和設計過程中，避免陷入為現場總線而現場總線的誤區。應將降低電廠生命周期成本和以合理的投資建設企業的信息化平臺和企業管理體系作為投資方、建設單位和設計院共同追求的目標。基于這樣的原則和指導思想，我們將會實事求是地研究現有控制技術、計算機技術和通信技術帶給我們的自動化和信息化產品，構建電廠監控和信息管理系統。
　　
　　在電廠自動化和信息化的規劃過程中，依然要結合電廠各工藝和生產過程的特點，采用zui合適的現場總線標準和檢測、控制裝置。不應強求在全廠統一應用一種現場總線標準，全廠統一為一種現場總線標準既無可能、也無必要。在監控層和信息管理層，以太網和OPC協議、交換機、網關等工業IT技術已經提供了不同網絡之間的互聯技術。
　　
　　不應過分強調在工程使用的是FCS,還是DCS或PLC+現場總線，只要符合上述原則，就是zui合適的控制系統。用FCS取代DCS和PLC系統的爭論也無實質性意義。
　　
　　深入了解現有現場總線控制系統之后，我們就會發現，除了FF總線現場智能設備可以實現部分現場控制策略以外，邏輯控制還依賴于主站或中央控制器，其他總線系統均還采用中央控制器。雖然這些中央控制器可以小型化、現場化布置，但依然是需要集中運算和處理（有些場合中央控制器可以省去I/O處理，控制器也需要冗余設置）。從現場總線控制系統總體結構上分析，依然類似DCS的結構分層，只是網絡協議更開放。系統的集成方式在目前也不會有重大的改變，我們似乎在近期不可能*脫離主流DCS廠家的產品，*由設計院或工程公司用市場主流或非主流DCS廠家的產品去集成電廠的控制系統。當然在這個過程中，筆者不否認，設計院在設計模式和設計深度上作出重大轉變之后，與主流DCS或其他型式的控制系統供應商緊密合作，像石化行業的設計院一樣，承擔更大范圍的工作內容和開展DCS或現場總線控制系統的深度設計。就如早期控制系統運用組裝組件儀表的年代，設計院就承擔了整個電廠控制系統的配置和集成，只不過隨著DCS和PLC的應用，設計院在這方面的能力已衰退殆盡。
　　
　　以下有幾點想法提出來和大家討論：
　　
　　（１）投資方和建設方在使用現場總線技術方面起關鍵作用。沒有他們的支持，設計院所起的作用是有限的。因為涉及項目的投資和技術風險。設計院自動化設計人員應在現場總線技術的應用中起和推動作用。但設計院應對應用現場總線技術作出透徹的技術分析報告，講清應用現場總線的利弊和投資估算，提出切實的項目實施計劃和風險應對方案。
　　
　　（２）設計院在應用現場總線技術方面設計人員要有創新意識，管理層要為設計人員營造設計創新條件和環境。要解決熱控和電氣兩個專業在控制系統規劃上各自為政的現狀，要充分重視全廠自動化和信息化方案的總體規劃，必要的時候對兩個專業的分工要進行適當的整合。在應用現場總線技術方面，一些電力設計院已進行了有益的嘗試，并積累了寶貴的設計和應用經驗，如山東萊城電廠、江陰夏港電廠、云南宣威電廠、貴州納雍電廠、浙江寧海電廠、山東威海電廠等。在控制系統招標書編制階段，要廣泛了解主流和非主流DCS產品支持現場總線的能力和解決方案，并組織有關專家進行必要的論證。無論主機招標、輔機招標或輔助系統招標以及DCS、PLC系統的招標，必須把支持應用現場標準的產品要求作為必要條件予以明確。
　　
　　（３）投資方、建設單位對于設計院采用現場總線技術的設計方案，須給予足夠的設計周期，并在技術方案論證和產品設計選型方面給予必要的支持。在確定工程采用某種類型的總線標準后，設計院在總線產品方面應有更多的自主權。因為總線產品的選型需要供應商更為詳細的設計配合，列入詳盡的規格和規范以及參數和選項，而不似現在只允許設計院開列檢測和控制裝置的工藝參數要求，而不開列具體型號和供應商的做法。建設單位可以改變以往控制裝置由系統集成商配套的做法，各輔助系統采用的PLC可以確定合適的某兩種總線標準集中招標采購，以利于現場設備的總線標準統一。
　　
　　（４）由于現場總線不同于常規設計，設計院自動化專業的深度和難度均有所提高，因而相應的設計費用和設計定額也要作出合理的調整。
　　
　　（５）自動化設計人員要努力提高自己的業務水平，要改變目前在常規DCS和PLC系統設計方面的習慣做法，熟練掌握和應用現場總線技術和產品，這需要設計院各級領導尤其是部門領導重視和加強對設計人員的技術培訓。設計院現在幾乎不參與DCS或PLC系統施工圖階段的網絡構建與配置工作，只負責提供P&ID、初步的I/O清冊，zui終完成DCS或PLC的外部接線圖。各設計院的深度與此可能有所不同，但總體上講沒有深入到DCS和PLC系統的內部。這樣做的后果就是，設計院對全廠的控制策略掌握不透徹，系統組態方式和功能分布是否合理了解不深入。因此設計院對于系統優化、網絡配置、功能分配的發言權越來越弱。筆者以為，要扭轉這種局面，設計院應抓住應用現場總線技術的機遇，加深設計深度。這種深度主要體現在以下幾個內容：P&ID圖、儀表位置布置圖、調節框圖和邏輯圖、設備規范和數據表、接線圖、電源配置圖等。
　　
　　當采用FF現場總線時，P&ID圖工作顯得尤其重要，現有的P&ID圖深度要提高，因為在采用FF現場總線標準的情況下，需要通過P&ID規劃系統和設備的控制策略。在P&ID圖的設計中，需引入區域設計的概念。為了達到調節功能和邏輯的可靠和完整，通常一個回路的所有I/O應處于相同的區域，每個區域可以有2~6個回路。采用P&ID應確保所有與區域回路有關的點都在那個區域內。不僅如此，還要學習和掌握現場總線的接線、布線技術和計算方法。因為現場總線的接線不同于常規DCS和PLC控制系統的接線。現場總線區域設計將取代傳統的I/O分配連線。為了準確估算現場總線網絡電纜的長度、規劃合理的網絡連接方式，避免現場信號的往返，影響系統響應速度和控制性能，需要依靠現場儀表和控制裝置的布置圖。儀表位置布置圖的作用是確定網絡主干和分支以及接線盒的位置，這才能保證總線安裝符合區域長度、分支長度和終端位置的要求，實現現場總線的成功安裝和工作。此外，現場總線網絡存在三種拓樸結構：總線帶分支結構、樹型或分支或雞爪型結構、雛菊鏈拓樸結構。不同結構適用的場合不同，要避免使用雛菊鏈拓樸結構，它似乎能降低電纜和安裝費用，但對系統維護和可靠性極為不利。作為設計人員對此均要了解和掌握。電源配置具有類似的問題，不再贅述。
　　
　　還必須意識到，現在許多的現場總線設備之間的連接已采用了接插件的方式，如果設計院還抱著只做DCS機柜外部端子排接線圖的思維模式和工作態度，控制策略和邏輯圖的工作以及將預制電纜和連接推到集成商的工作范圍，那么當控制系統發展到絕大部分系統設備之間的連接采用預制電纜和接插件模式的時候，設計院自動化專業還有什么生存的手段？但如果我們今天迅速邁出一步，改變現今的設計思維，設計院還會面臨新的機遇。筆者以為在現場總線控制系統的設計中，將來采用3D的網絡布線設計技術是設計院的一個優勢，也是一般的控制系統集成商難以替代的角色。
　　
　　（６）大家憂慮的現場總線的冗余問題，如FFH1和Profibus-PA不支持冗余網絡，不應制約現場總線技術的應用。我們在深入分析了電廠工藝流程的特性之后，應大膽在設計中采用現場總線技術。在工藝過程中雙路熱備或多路配置的設備和系統，即使總線短時間的中斷也不會影響系統的安全運行，因為系統本身已采取了冗余設置，而且像輸煤、化學水處理等系統，一般均設有中間的緩沖環節，如貯存水箱或煤斗等。因此，只要對現場總線網絡合理規劃，就像在DCSI/O分配時不能將互為備用或冗余的點集中在同一卡件的原則一樣，現場總線的網絡上掛結的現場設備也需避免同樣的問題。在萊城發電廠使用3UF5SIMOCOD-DP時zui初發生的問題就屬于這一類，據資料介紹zui初的設計將數臺磨煤機、風機的A/B潤滑油泵馬達的智能控制器掛結在同一根總線上，且采用的是雛菊鏈的連接方式。像這樣的設計，即使采用冗余網絡，也不能解決設備檢修和可靠性的問題。這更有力地說明了設計院在使用現場總線時網絡設計規劃的重要性，以及設計人員必須熟悉工藝系統和運行方式的必要性。
　　
　　（７）電廠現場總線的選擇。
　　
　　前面已經講述了不可能采用一種總線解決所有的工業控制和過程控制。電廠輔助系統如煤、灰、水系統本質上屬工業自動化的范疇，在這些領域如石化行業和制造業采用現場總線技術的控制系統均具有成熟的經驗。且PLC在這些場合依舊發揮主要作用，因此選用支持Profibus-DP、ControlNet等總線標準的產品均是合適的選項。筆者以為在輸煤出灰系統應用現場總線技術zui能體現其優勢。
　　
　　在主廠房熱力系統的控制中，FF當是*的選項，單回路控制分散到現場，就如早期的基地式調節器回路，但在性能方面已不可同日而言。但FF同Profibus相比，不足之處在于產品系列不全，給構建完整統一的總線網絡造成困難。據的現場總線技術資料顯示，目前已有一些智能設備和控制系統的供應商已開發了支持多種現場總線標準的產品，這給現場級總線設備的選用帶來了方便。且支持現場多種總線標準的通訊模件也已問世，這樣可通過通訊接口模件將不同標準的現場級設備集成到一個DCS或PLC控制系統中。當然，主廠房內Profibus、WorldFIP也是較好的選項。德國尼德豪申電廠是迄今現場設備采用Profibus范圍zui廣的一個實例，西門子公司將其作為推廣現場總線控制系統的示范電廠，國內許多建設單位和設計院在參觀回國后均將此電廠作為應用現場總線技術的參考；華能珞璜電廠二期工程除現場設備采用常規儀表和裝置外，整個控制系統均遵循WorldFIP總線協議。
　　
　　需要說明的是，在現場總線控制系統中，支持現場總線協議的遠程I/O的應用依然是一個十分現實和具有吸引力的設計方案。而我們在傳統DCS的設計中，遠程I/O還遠未發揮它應有的作用，不能不說是一個遺憾。
　　
　　（８）對控制電廠SIS投資的一些不成熟的看法。工程建設不同于科研，zui本質的差異就是工程要講求投資效益比。筆者以為目前我國電力建設中，SIS的投資過于龐大，而其效益至今并未如設想的那樣發揮出來。據了解SIS所設想的一些*優化控制、設備維護、壽命管理等功能模塊基本無驗收規定、也無考核標準，可以說仍處于探索階段。一些項目的優化控制功能已不列入SIS的范疇，或通過TCP/IP采用單獨的PC機接入控制系統。而在SIS系統的配置和規劃上，從交換機、服務器、網絡及接口機等幾乎保留了全部實時控制所要求的設置。一些通用的軟件和設備與MIS還存在重復配置的情況。須知IT產品升級換代的周期愈來愈短，如果在今天化大筆資金建設的網絡系統，如果設想的軟件功能不能迅速發揮效益，幾年之后硬件設備就有可能過時或性能下降，那將造成極大的浪費。在前面筆者已經指出，現場設備級不實現數字化、網絡化，對于SIS設想的設備和系統的預測性維護和狀態檢修、設備管理功能是“無源之水”。在采用了現場總線之后，部分設備管理功能*可以在控制系統自身內部實現，當然管理信息也可以傳遞到管理信息層。因此，在SIS未參與實時和優化*控制方式下以及與機組控制系統未實施雙向通訊的情況下，目前SIS系統中心交換機和網絡、服務器等采用的冗余配置均可以簡化，甚至可以在充分考慮和設置了網絡安全系統后和MIS合網，這樣只需在MIS設置實時數據庫，即可達到管理層對過程數據的采集、處理和監視的目的。從SIS部分節省下來的投資可以投入現場級智能設備的購置和網絡建設。
　　
　　6．結論
　　
　　合理規劃電廠的自動化和信息化架構，降低工程造價、提高電廠自動化和信息管理水平，以實事求是和積極的科學態度應對新技術帶來的機遇與挑戰應該是從事電廠自動化設計人員需具備的良好職業素質和技術素養。現場總線技術已基本成熟，應抓住當前大好的電力建設機遇，認真學習、努力掌握現場總線技術、積極穩妥地解決工程應用中存在的問題，投資方、建設方以及設計院均要轉變觀念，同設備供應商一道推動現場總線技術在電廠的應用，享受新技術革命帶來的效益和成果。