摘要：现场总线技术以双向数字化通信的鲜明特征和优点广泛应用于各过程工业领域，并在电厂局部取得了成功应用。现场总线控制系统和设备具有开放性好、高度信息化、高度分散和低成本的特点。通过对设备状况和工程应用的分析认为，把现场总线技术集成在主控制系统中应是目前阶段较适

　　引言

　　未来电厂自动化技术的发展方向应是“建设数字化电厂，深化信息化技术应用”，信息化的基础应是数字化。随着计算机技术和通信技术的飞速发展，数字化已普遍应用于工业生产过程的决策层、管理层和监控层，但现场的数字化还处于起步阶段。现场总线控制系统和设备作为一种全数字化、网络化、双向通信的新型控制系统和设备的产生和应用，为建设信息化电厂奠定了基础。随着技术的发展和认识的提高，现场总线技术在电厂过程控制领域的应用已从辅助系统和局部逐步走向主厂房机组的控制，并引起了各大发电集团公司和设计院的关注。

　　1、现场总线技术及总线设备

　　1.1现场总线技术及特点

　　现场总线在现场设备之间进行数字通信，为满足现场应用的要求，现场总线采用了与一般通信总线不同的应用技术，综合了实时通信技术、可靠性技术、互操作性技术，具有开放性、智能化与功能自治性、互用性、系统结构高度分散性、环境适应性等特点。

　　国际上现有的总线及总线标准种类很多，但主要为PROFIBUS现场总线FIELDBUSFUNDATION(FF)现场总线、LonWorks现场总线、CAN现场总线、WorldFIP现场总线、P-NET现场总线、CONTROL-NET现场总线、INTERBUS现场总线、Swift-Net现场总线等9种典型现场总线。

　　1.2现场总线控制系统结构

　　现场总线控制系统作为第5代过程控制体系结构目前还处在发展阶段，各种不同的现场总线控制系统层出不穷，其系统结构形态各异，有按照现场总线体系结构概念设计的新型控制系统，有在现有的分散控制系统(Dcs)/可编程控制器(PLC)基础上扩充了现场总线的功能。主要有二、三层结构的现场总线控制系统和DCS扩展的现场总线控制系统等。

　　1.3现场总线设备特点及现状

　　1.3.1特点

　　现场总线设备具有全数字、高精度、多变量测量、多变量传输、计算和控制功能强、分散度高、控制系统的控制品质好、数据信息量大等特点。现场总线控制系统是在PLC、DCS的基础上发展起来的，具备二者的特点，不仅继承了DCS分级、分层化的拓扑结构，强化了DCS分散控制的思想，而且使传统的自动控制系统产生了划时代的变革。

　　1.3.2现状

　　主要的总线设备和系统包括：(l)变送器类：目前，世界各大仪表生产厂都相继推出了现场总线型变送器，通过FF认证和支持PROFIBUS总线接口的变送器已经有60多种，包括电厂中常用的几种产品。(2)执行器类：现场总线型进口电动执行机构品牌较多，目前广泛使用的电动执行器都支持PROFIBUS或FF现场总线标准。国产设备中也有支持现场总线接口的，但应用于工程的几乎没有。(3)现场总线型阀门定位器：目前电厂使用的主流气动调节阀定位器中也不乏支持PROFIBUS-PA或FF总线标准的产品。(4)具有现场总线通信功能的低压开关柜：现场总线技术的发展使国内带有现场总线功能的低压开关柜应运而生，总线的协议还有待于进一步统一。(5)DCS：目前，国内火电厂采用的主流DCS基本都已提供了各自的现场总线解决方案。如ABB公司的Symphony系统能接受PRoFIBUS和FF现场总线标准;FOXBORO公司的I/A系统支持PROFIBUS和FF现场总线标准;艾默生公司的OVATION系统提供了FF和PROFIBUS-DP现场设备的接入卡件;西门子公司的TXP-3000系统支持PROFIBUS现场总线标准等。

　　2、现场总线控制系统应用现状

　　随着现场总线技术的发展及国外电厂的成功应用，现场总线技术和设备也正逐步应用于国内一些电厂，并在局部取得了成功的经验。例如山东莱城电厂、国华宁海电厂、江阴夏港电厂等在40OV及以下电动机上采用了支持PROFIBUS接口的SIMOCODE马达控制器。华能玉环电厂锅炉补给水控制系统等采用了现场总线技术和仪表设备、PROFIBUS-DP和PA通信网络，取得了FCS在电厂成功应用的尝试。

　　国外应用现场总线技术的电厂当以德国尼德豪森电厂为代表。该厂K机组属热电联产超超临界机组，该项目全范围采用了PROFIBUS和HART-BUS2种现场总线。整个机组由于采用现场总线技术，实现了现场设备智能化，设备状态和信息通过总线传输到DCS中，是目前国外智能化程度最高、采用总线技术最全面的机组。

　　现场总线技术在国内其他行业应用的事例很多，如中海壳牌南海石化项目，除安全保护系统外，其余的变送器及执行器均采用FF现场总线，总线应用范围覆盖整个石化联合项目，是目前在建的世界上最大的现场总线应用项目。上海赛科90万t乙烯联合石化项目已运行la多，是目前世界上已运行的最大的应用现场总线项目。

　　3、现场总线技术在机组控制系统中的应用分析

　　3.1现场总线标准的确定

　　通过对设备状况和工程应用的分析及近年来现场总线技术在不同行业中的不断深入应用，员逐渐认识了各种总线标准适宜的应用场合专业人认为PROFIBUS和FF总线比较适合过程控制一致2种总线标准相比，FF较适用于连续量控制，而PROFIBUS不仅适用于离散量控制，同样也适用于连续量控制。因此PROFIBUS和FF现场总线标准应是在火电厂过程控制中应用的首选。

　　3.2现场总线控制系统结构的选择

　　电厂控制系统的设计首先要保证安全可靠，因此，拥有成熟技术的DCS和PLC仍是当前电力工业自动化系统应用及选型的主流，把现场总线技术集成在主控制系统中应是目前阶段较适宜的设计方案，对于重要的保护及控制回路仍采用传统硬接线连接。

　　在实际应用中大多采用将总线技术集成到现有DCS中，现场总线设备的应用主要在现场设备层。而火电厂机组过程控制具有协同、多任务、复杂的特点，很多不同控制回路之间相互关联。如果将机组控制任务分散到现场智能设备中，将会有大量控制系统分段网络之间的通信，从而增大通信系统负荷，影响信号传输的实时性;更重要的是当分段网络出现故障时，不同网段上设备之间的联锁功能将无法实现，严重情况下将影响工艺系统及设备的安全运行。因此笔者认为，在工程应用中控制系统依然采用拥有成熟技术的主流产品DCS，而只在现场设备层全面采用现场总线技术应是首选方案。负责多任务的调节回路控制策略和设备控制逻辑依然按工艺系统划分在不同的DCS控制器中集中处理。因此，目前阶段现场总线控制系统的结构建议采用将总线技术集成到现有的DCS中，将局部使用的现场总线仪表设备连接到DCS上，利用DCS丰富而成熟的控制功能和软、硬件产品带动现场总线的推广应用。

　　3.3应用方案探讨

　　3.3.1应用方案设想

　　现场总线技术应用方案的确定应遵循的原则：直接影响机组安全可靠性的系统和设备宜采用常规方案控制;不纯粹为了追求采用现场总线而采用现场总线。具体方案如下：

　　(1)整个机组可按照工艺过程划分为多个子系统，工艺系统中的单回路调节可放在现场执行机构中实现(也可仍在Dcs控制器中控制)。

　　(2)鉴于炉膛安全监控系统(FSSS)、汽轮机数字电液控制系统(DEH)、汽轮机紧急跳闸系统(ETS)对机组安全运行至关重要，回路处理速度要求高，建议FSSS、DEH和ETS还是采用成熟的常规控制系统。对个别影响机组安全的阀门及仪表采用硬接线方式。

　　(3)为保证事件顺序记录(SOE)具有1ms的分辨率，建议SOE信号仍采用常规DI卡或专用SOE卡。

　　(4)变送器均采用现场总线型智能变送器接入DCS。

　　(5)电动执行机构均考虑采用具有现场总线接口的设备，气动调节阀执行机构采用带现场总线接口的智能定位器。由于主厂房内电磁阀控制的二位式气动阀门布置较分散，不太适合采用带总线接口的阀岛进行控制，建议还是采用常规I/O方式接入DCS。国产现场总线电动执行机构可根据成熟度和造价考虑是否采用现场总线型设备，目前建议仍采用常规I/O方式接入DCS。

　　(6)现场分散的温度测点可考虑采用现场总线型的智能温度变送器接入DCS。对于现场相对集中的温度测点如锅炉壁温、发电机本体温度等测点，一方面考虑到对于温度类信号需要判断的内容和信息并不多，采用现场总线方式接入增加的信息内容并不明显;另一方面，目前阶段带总线接口的智能温度变送器价格还比较高，如在工程中对全部温度检测信号采用总线方式接入将在较大程度上增加投资，所以这些温度信号建议仍采用常规的远程I/O方式接入DCS。

　　(7)机组厂用电动机和厂用电控制采用现场总线，该系统通过机组DCS的通信接口与DCS相互传输信号。从机组安全考虑，所有电动机及主厂房内重要电源开关的分/合指令信号、状态反馈信号依然通过硬接线方式进入DCS，其他信号通过通信接口与机组DCS相联。

　　3.3.2应用总线系统的技术可行性

　　总线控制系统应用的技术可行性主要体现在实时性、可靠性及可用性方面，这是保证机组安全可靠运行的主要因素。

　　(l)实时性：实时性是衡量控制系统是否可用的一个重要指标，因此总线的实时性是总线控制技术能否在火电厂机组控制中应用的重要判据。对于常规DCS，通常要求现场信号的采集周期为所有模拟量输入每秒至少扫描和更新4次，所有数字量输入每秒至少扫描和更新10次;为满足某些需要快速处理的控制回路要求，其模拟量输入信号应达到每秒扫描8次，数字量输入信号应达到每秒扫描2O次。下面以2种常用总线为例分析总线的响应时间。

　　PROFIBUS-DP总线，采用光纤时传输速率可达12Mh/S，当采用屏蔽双绞线时其通信速率与通信距离有关，通常在200m范围内DP总线的传输速率为1.5Mb/S，该总线的响应时间约为8.6ms，考虑到非周期性延时通常为2O-3Oms，对于离散量，PROFIBUS-DP总线的响应小于每秒10次的刷新时间。

　　总线的响应时间不仅受限于传输速率，而且与从站的数量有关，若系统配置有PA从站，当节点数为16个时，PA总线的响应时间约为166ms，这时整个PROFIBUS-DP系统的响应时间约为220ms，满足4次/S的更新周期。

　　FF-Hl总线，通信速率为31.25kh/S，在一个网段上的执行时间不仅与挂接的设备数量有关且与宏循环周期有关。通常负荷循环周期不应超过宏循环周期的50%，因此，要保证250ms的负荷周期，宏循环周期时间应为500ms。

　　由此可见，PROFIBUS总线和FF总线完全能满足机组控制对一般输入、输出信号处理的实时性要求。鉴于目前FF总线宏周期一般为100ms至1s，还是无法满足电厂机组控制中快速处理回路的时间要求(50ms左右)，因此，系统中为安全或快速响应而设置的开关量信号，还应采用常规DCS的I/O模件来处理。

　　(2)可靠性：分散性是FCS的优点之一，也是提高系统可靠性的重要措施，主要通过网络分散和控制分散来提高系统可靠性。除将一般控制功能下放到现场，设计中通过上层网络的区域划分和下层网络的管理等，做到单一回路的故障不扩大。机组主要控制策略采用常规DCS方式实现，按「艺系统分散在不同的控制器内，以做到功能分散。由于现场总线控制系统的设计与现场仪表、控制设备的布置位置密切相关，控制网络分段不仅要考虑现场设备的物理分布，而且要考虑现场设备之间的工艺相关性，确保当不同检测、控制设备处在不同网络分段时相互之间联锁、信号交换的实时可靠，确保分段总线故障情况下工艺系统的安全运行，保证局部故障不影响机组的安全性。

　　冗余是提高系统可靠性的又一重要措施，现场总线系统的冗余通过主站网络冗余(主要包括介质、网络)、总线电源冗余、链路设备冗余、控制器冗余、变送器冗余等实现，其中链路设备、电源、主站网络冗余是现场总线系统常用的冗余措施。对所有具有冗余总线接口的电动执行机构、驱动控制装置等设备均考虑采用冗余总线连接;控制系统中所有总线电源也可冗余配置。目前FF的H1和PROFIBUS-DP已实现了网段介质冗余。为提高系统的可靠性，整个现场范围内的通信光缆应有冗余。

　　提高系统可靠性的措施之三是独立性，它可通过总线控制系统在结构上体现工艺设备的冗余配置，根据工艺流程合理配置总线数量和挂接的现场设备，确保任何一条总线故障时，只发生工艺系统的局部故障，不会导致机组处于危急状态，造成整个工艺系统停运，并将这一影响降到最小。冗余设置的现场仪表应接入不同网段;工艺上并列运行或冗余配置的设备，其相关驱动装置应连接在不同的网段上。

　　(3)可用性：通过后台管理软件提高系统的可用性是总线系统的又一大优点。以智能化现场仪表为基础的现场总线系统，可提供丰富的自动诊断、状态信息等管理功能，并通过数字通信方式将诊断维护信息送往Dcs，使管理人员通过Dcs的管理系统查询所有仪表设备的运行情况，诊断维护信息，寻查故障，以便早期分析故障原因并快速排除。仪表设备状况始终处于维护人员的远程监控之中，从而提高系统的可利用率。

　　3.3.3设计中应考虑的其他问题

　　(l)现场总线控制系统的网络设计至关重要，不仅要考虑系统I/O点规模、设备数量，而且要根据设备的地理分布、功能的相关性等因素设计各层网络的覆盖范围、支路的数量、支路及分支的长度、各分支挂接设备数量等，这些对系统的性能、硬件配置等都有重要影响。因此，各工艺子系统将根据工艺相关性和现场布置情况进行网络分段设计。

　　(2)所设计的现场总线网段中挂接的现场总线设备总数、分支电缆上挂接的现场总线设备数量、主干电缆和分支电缆长度及类型、电源供电容量和电压压降等应在现场总线规定的范围内。考虑到这些限制因素，建议每条网段上挂接设备的数量应充分考虑余量。

　　(3)为减少通信量，同一个控制系统中的检测仪表、控制器、控制阀等现场总线设备建议设计在同一现场总线网段中。

　　(4)现场总线设备的功能选择在设计时应重点考虑。选择功能块时应综合考虑减少通信量和降低成本。

　　(5)现场总线网络主要有总线结构、树型结构、菊花链3种拓扑结构。为防止因总线网段损坏造成网络瘫痪，通常采用树状或总线型拓扑结构连接现场总线设备。

　　(6)为提高其可靠性，重要回路应设置独立的网段，其他总线设备尽量不挂接在该网段上。

　　3.4工程组织中应注意的问题和应对措施

　　以智能化现场仪表为基础的现场总线系统与传统系统相比，其优点不仅在于减小电缆量及安装、调试等工程量，而且在于维护简单，具有自动诊断、校正等管理功能方面。建议工程中合理采用后台管理软件，充分发挥现场总线系统信息管理、降低运行维护成本的优势。

　　从前期调研、方案规划入手克服仪表与控制设备随工艺设备成套供货带来的协调难的问题。工程前期做好对生产过程控制对象和现场总线标准及相应的智能现场设备的研究，根据工程特点和需要，合理规划现场总线的应用范围，并取得投资方的认同和支持;对各种现场总线系统的技术性能、市场占有率、产品配套程度、售后服务、价格和兼容性及与其他系统接口的难易程度等进行综合比较，从而选择和确定现场总线系统所采用的标准。在主辅机规范书和现场设备采购规范书中按前期规划约定所提供的现场总线仪表设备应遵循的总线标准。

　　3.5技术经济分析

　　目前阶段在机组控制中全面采用现场总线技术，除技术上可行外，还应考虑投资。现就采用现场总线设备后相关部分的价格变化进行粗略的经济分析。采用总线设备为基础的DCS的价格约增加10%-12%，总线设备目前价格还相对偏高，但采用现场总线设备后在电缆量减少的同时，减少了电缆桥架用量，从而减少了安装工程量，这里不统计施工工程量的减少，以一台600MW机组为例，采用现场总线设备后机组价格变化见表1、2。

　　从表1、2可看出，一台机组采用现场总线后的控制系统静态投资费用较常规DCS方案约增加人民币94万元，如果考虑到安装工程量的减少，总投资将会低于常规DCS。如考虑采用现场总线技术后带来的数字化程度的提高、全生命周期内维护管理的方便和成本的降低.收效将会更可观。

　　4、结语

　　目前阶段在火电厂现场设备层全面采用现场总线技术和设备，无论从技术、设备情况、应用经验、工程设计还是投资等方面都具备了可行性。随着市场需求的增长和包括智能仪表在内的现场总线产品的大量出现，现场总线技术在火电厂控制领域将会占据越来越重要的位置。数字通信是一种趋势，是技术发展的必然，从理论分析的角度看，双向数字通信的现场总线技术本身，必将会给火电厂安全经济运行及提高管理水平、建设信息化电厂带来实实在在的效益，这是以往在电厂应用的任何控制系统无法与之相比的。