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   《東方自動化》，發(fā)表時間:2011-10-20

   摘要：本文通過對現場總線技術作為一種全數字化、網絡化、雙向通信的新型控制技術的分析，以及在未來建設數字化電廠、深化信息化技術中的應用，提出了在建設數字化電廠時應用現場總線的方案設想以及在工程實施中應注意的問題和對策。

  一、數字化電廠及應用現場總線技術的必要性

  何為數字化電廠，這個問題近幾年來在業(yè)界得到了廣泛的討論。隨著計算機技術和通信技術在電力行業(yè)的廣泛應用，數字化已普遍應用于電力生產過程的決策層、管理層和監(jiān)控層，數字化電廠也逐步成為現代化發(fā)電企業(yè)發(fā)展的方向，從目前對數字化電廠的認識來看，數字化電廠的網絡結構可以劃分為三個層次,即直接控制層（包括數據采集）、管控一體化層、管理決策層，而將三個層次連接起來的就是數據庫和計算機網絡。

  管理決策層：MIS

   管控一體化層：SIS AMS智能設備管理系統(tǒng)

   現場控制層：DCS等

    目前SIS是一個準實時監(jiān)控系統(tǒng)，SIS側重點是實時生產過程管理和監(jiān)控，對實時性要求高，SIS的實時性要求比MIS高，比DCS略低。對實時性要求之所以比DCS略低，其原因是SIS應用功能目前大多數是開環(huán)的，如負荷分配功能，電廠負荷非直調方式－中調把全廠負荷發(fā)給電廠，電廠按優(yōu)化分配算法把負荷分配給每臺機組。如果SIS中的這一功能真正實現閉環(huán)，將取得明顯的經濟效益。如SIS實施閉環(huán)，其對實時性的要求將與DCS相當。

    數字化電廠很重要的組成部分是上層SIS等應用軟件，SIS需要的實時信息取自于DCS和輔助車間監(jiān)控系統(tǒng)等，由于DCS采用的是模擬量、開關量，不具備將設備狀態(tài)的實時信息上傳至控制器的功能，SIS也就無法獲得這些有用信息，這就是SIS進一步提髙功效的瓶頸，也是建設真正意義上的數字化電廠的瓶頸。

    而FCS系統(tǒng)采用的是全數字、雙向通信現場總線信號制，完全解決了智能現場儀表與智能控制室儀表之間的連接問題，解決了瓶頸，滿足SIS需求，也為現場控制設備級實現數字化、建設真正意義上的數字化電廠提供了基礎條件。要建設真正意義上的數字化電廠，必須解決現場控制設備級數字化，目前現場總線能完成這一使命。FCS是消滅火電廠“信息孤島”的最好武器：FCS的現場智能設備能將大量現場信息送上通信網絡，這是DCS、PLC無法實現的。

    二、現場總線技術介紹

   現場總線（field bus），按其國際電工委員會IEC61158的定義為：“安裝在制造或過程區(qū)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、多點通信的數據總線稱為現場總線”；按歐洲標準EN50170的描述為“通用現場通信系統(tǒng)”。故可將以現場總線和現場智能裝置為基礎的、全數字控制的系統(tǒng)統(tǒng)稱為FCS。而衡量一個控制系統(tǒng)是否為真正的現場總線控制系統(tǒng)FCS有三個關鍵要點，即：核心、基礎和本質。FCS的核心是總線協(xié)議，只有遵循現場總線協(xié)議的控制系統(tǒng)，才能稱為現場總線控制系統(tǒng)；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(tǒng)效能體現。

     目前主要有以下8種現場總線作為IEC61158現場總線的標準，即：FF H1、Control Net、PROFIBUS、INTERBUS、P-Net、World FIP、Swift Net和FF之高速Ethernet即HSE。以上8種國際標準總線中，P-Net和SwiftNet是用于有限領域的專用現場總線，考慮到所適用應用對象的指定要求，這兩種類型總線的功能相對比較簡單；contro1Net 、Profibus 、World FIP 和Interbus現場總線是由PLC為基礎的控制系統(tǒng)發(fā)展而來的現場總線，從本質上講它們以遠程I/O總線技術為基礎，通常不具備通過總線向現場裝置供電和本質安全性能。如果進一步劃分，Control Net只是監(jiān)控級總線，Profibus和WorldFIP則包括兩個層次的總線；FF H1總線和HSE總線是由傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)發(fā)展而來現場總線，充分考慮向現場儀表兩線制供電和本質安全要求，功能較為復雜。

    目前用于火電廠過程控制的現場總線，在技術和市場占有率均較領先的有基金會（Foundation Fieldbus－FF）現場總線和PROFIBUS（Process Fieldbus）現場總線兩種。

   下面對FF和PROFIBUS現場總線控制系統(tǒng)分別進行簡要介紹：

   2.1 FF現場總線系統(tǒng) 

  FF由低速H1總線和高速以太網H2（現在發(fā)展為HSE－High Speed Ethernet）總線組成。其傳輸介質是雙絞線。H1總線主要用于生產現場，速率為31.25Kbps，兩線制信號傳輸并同時向現場設備供電，具備本質安全特征（防爆場合）。H2總線主要面向過程控制級、遠程I/O和高速工廠自動化的應用，采用100Mbps高速以太網協(xié)議（HSE）。

   2.2 PROFIBUS現場總線系統(tǒng) 

   PROFIBUS現場總線系統(tǒng)由傳輸技術 （RS485、RS485-IS、光纖、MBP、MBP-IS、MBP-LP等）、通訊技術協(xié)議（PROFIBUS-DP）、通用行規(guī)（PROFIsafe、PROFIdrive等）、專用行規(guī)（如PA devices）組成。通訊技術協(xié)議PROFIBUS DP的發(fā)展從DPV0（循環(huán)數據交換）到DPV1（循環(huán)和非循環(huán)數據交換、報警與狀態(tài)信息處理），直至DPV2（運動控制、交叉通訊、時間同步等）。正因為PROFIBUS 擁有統(tǒng)一的通信協(xié)議(PROFIBUS DP), 并在此基礎上發(fā)展了不同的通用應用行規(guī)和專用應用行規(guī)，使得PROFIBUS可以廣泛地應用工業(yè)自動化的各個領域。以下對有關的部分作簡要介紹：

   1) PROFIBUS-DP：是一種高速低成本的用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通訊技術。協(xié)議結構是以開放式系統(tǒng)互聯(lián)標準（OSI — Open System Interconnection ）為參考模型，定義了第一、二層（物理層、數據鏈路層）和第七層（應用層）；傳輸技術采用RS-485雙絞線電纜和光纜，波特率從9.6kbps到12Mbps；支持單主或多主系統(tǒng)令牌傳輸方式，總線上最大站點數為126個。

   2) DP V1專為過程自動化設計，通過DP/PA Link可實現儀器儀表、執(zhí)行器到控制器的數字通訊連接。在協(xié)議上定義了第一、二、七層（物理層、數據鏈路層、應用層）。其中的應用層包含了現場總線的信息規(guī)范和通訊接口規(guī)范；數據傳輸技術采用MBP、MBP-IS等，通訊介質采用雙絞線，傳輸率為31.25kbps，可實現總線供電，本質安全規(guī)范，采用FISCO模型，每段最多32個站點。

   3) PROFIsafe：PROFIBUS技術的最新進展之一，在PROFIBUS總線技術的基礎上，實現了安全通訊指標SIL3以上。 

   4) PROFINET實現了現場總線與以太網的最佳結合，不僅實現了對用戶先前投資的保護，而且還通過PROXY和OPC DA\DX同其它的總線相連以及對IT技術的集成，并可實現分布式自動化和縱、橫向立體集成；此外，通過國際Internet網和Web網，也可對現場設備進行訪問和控制，其實時通訊的循環(huán)時間（確定性）可在1ms以下，抖動1us以下。 

   5) PROFIBUS 的標準產品超過2100多種，分別來自世界250多個生產廠商。PROFIBUS在全球各行各業(yè)所占市場份額超過了20%，應用實例約100萬個，據PROFIBUS國際組織宣布，基于PROFIBUS接口的設備節(jié)點應用在2003年底突破了1000萬個。

   三、現場總線技術在國內電廠的應用

   目前火電機組向高參數、大容量方向發(fā)展，一方面渴望采用新技術、新系統(tǒng)；另一方面由于機組本身的熱力特性和電力生產的特點所決定，對安全性和可靠性有特殊要求，因而對新技術、新系統(tǒng)的應用十分謹慎，甚至持保守態(tài)度。FCS是新技術、新裝備，目前還處在發(fā)展和完善過程中，為研究和應用FCS，一些科研院所積極進行試驗和開發(fā)。國電熱工研究院于1998年購進一套FF現場總線系統(tǒng)(Delta V系統(tǒng))，包括2臺監(jiān)控計算機、5個H1I/O卡、10路H1總線、100多臺高精度智能變送器(壓力和溫度)。該套系統(tǒng)已在多個電廠的性能考核和運行調整中發(fā)揮作用，并積累了FCS的
配置和安裝經驗。

   近幾年現場總線技術和設備正逐步應用到國內一些電廠的外圍輔助系統(tǒng)中。例如山東萊城電廠、江陰夏港電廠、華能玉環(huán)電廠、吉林九臺電廠、華能金陵電廠、國華寧海電廠等。下面就華能的幾個電廠做簡單介紹：

   3.1 現場總線技術在華能玉環(huán)電廠的應用

   華能玉環(huán)電廠在鍋爐補給水控制系統(tǒng)、電廠化學凈水及廢水控制系統(tǒng)中采用了現場總線儀表設備，作為FCS在電廠中的應用嘗試，該控制系統(tǒng)包括了人機界面、控制站（西門子PCS7 417H）、Profibus-DP和PA通訊網絡、現場總線儀表和設備。DP支路連接儀表、電機控制保護單元（采用西門子SIMOCODE直接安裝在MCC柜內）、I/O單元、變頻器等。壓力及差壓變送器（ABB產品）、磁翻板液位（國產產品，通過加裝PA通訊模塊完成）、PH值、硅酸根、磷酸根測量儀等儀表采用PROFIBUS PA總線，因此所有的現場儀表和執(zhí)行器都將通過DP/PA耦合器連接到總線網絡上。氣動閥門定位器也采用PA總線，實現了氣動閥控制，每個電磁閥箱配一套閥島，模塊驅動電磁閥，模塊采集閥位反饋，通過DP與PLC通訊。總點數為502點，其中486點以現場總線方式接入（有個別分析儀表不能提供Profibus標準接口）。

   3.2 華能南京金陵電廠

   華能南京金陵電廠2×1000MW燃煤機組，主輔機采用現場總線系統(tǒng)，主機部分各類現場總線儀表及監(jiān)控設備約960臺左右，目前總線覆蓋率40％左右。主要保護和DEH、SOE，重要調節(jié)回路、6KV電機采用常規(guī)方式。總線標準選用PROFIBUS，水、煤、灰輔控全部采用現場總線技術。

  3.3 華能吉林九臺電廠

  華能吉林九臺電廠2×600MW燃煤機組，主輔機采用現場總線系統(tǒng)，主機部分各類現場總線儀表及監(jiān)控設備約380臺左右，目前總線覆蓋率30％左右。主要保護和DEH、SOE，重要調節(jié)回路、6KV電機采用常規(guī)方式。總線標準選用PROFIBUS，水、煤、灰輔控全部采用現場總線技術。

   四、現場總線控制系統(tǒng)選型配置分析及應用規(guī)劃

  4.1 現場總線的選型配置方案

   從現場總線技術的應用經驗來看，PROFIBUS總線技術在國內外電廠中有較多成功的應用，如德國的Niederaussem電廠、陜西楊凌熱電廠、山東龍口電廠、河北三河電廠、廣安電廠、山東萊城電廠、江蘇夏港電廠、寧海電廠、華能巢湖電廠、華能金陵電廠、華能九臺電廠等。

   眾所周知，目前國外幾大知名DCS系統(tǒng)基本上都能接受PROFIBUS和FF現場總線標準。如SIEMENS公司的T—3000系統(tǒng)能接受PROFIBUS現場總線標準，FOXBORO公司的I/A系統(tǒng)能接受PROFIBUS和FF現場總線標準，艾默生公司的OVATION系統(tǒng)能接受PROFIBUS和FF現場總線標準，ABB公司ABB symphony系統(tǒng)能接受PROFIBUS和FF現場總線標準。

   從國內行業(yè)內的實際投用業(yè)績及使用經驗來看，也以PROFIBUS和FF兩種現場總線為多。工程實踐證明，PROFIBUS和FF現場總線標準能夠滿足電廠過程控制的應用要求。

   鑒于上述原因，從發(fā)展的角度，為謀取廣泛的國內外生產廠商硬軟件產品支持，充分的工程經驗、業(yè)績驗證，避免系統(tǒng)重構的風險，本工程推薦現場總線控制系統(tǒng)采用符合市場應用主流的PROFIBUS、FF現場總線標準為宜。

   4.2 現場總線的應用層面

   火電廠機組控制功能從簡單到復雜，分布很廣，有單回路、串級調節(jié)回路，也有多輸入多輸出的交叉耦合控制系統(tǒng)，還有可靠性要求很高的快速保護聯(lián)鎖邏輯。FF現場總線設備具有一定的控制和運算功能，能夠完成較單純的單回路或串級調節(jié)任務，但是對于存在多回路耦合的復雜控制，需要在不同網段間傳輸數據，就可能影響控制的實時性。如網段、設備分布設計不當，就可能影響到工藝系統(tǒng)及設備的安全運行。Profibus現場總線的現場智能設備本身基本不具備控制功能。因此在大型火力發(fā)電廠燃煤機組主控系統(tǒng)中應用現場總線技術，目前基本還限于在現場設備層，基本不減少DCS控制器的配置，多數調節(jié)回路控制策略和設備控制邏輯仍按照工藝系統(tǒng)劃分在不同DCS控制器中集中處理，少數單回路調節(jié)任務下放到現場總線設備中（當DCS系統(tǒng)采用FF現場總線時）。

  目前，國內火電廠采用的主流DCS基本上都已提供了各自的現場總線解決方案。如西門子公司的T-3000支持PROFIBUS現場總線標準；艾默生公司的OVATION提供了FF和PROFIBUS－DP現場設備的接入；FOXBORO公司的I/A支持FF和PROFIBUS-DP現場總線標準；ABB公司的Symphony系統(tǒng)能接受PROFIBUS和FF現場總線標準。這些著名DCS品牌產品無一例外地均是在原有DCS的基礎上，提供對智能現場儀表和控制執(zhí)行機構的現場總線支持。可以這樣說，火電廠現場總線的應用將更側重于現場設備的數字化及由此帶來的種種益處，而不在于純粹意義上的FCS應用。通過華能巢湖電廠、華能金陵電廠實施現場總線設計的經驗、了解其它電廠使用現場總線的方案以及與外方進行的技術交流和調研，西門子、EMERSON、FOXBORO三家公司、控制系統(tǒng)在現場總線方面的技術實力較為突出。

   電廠輔助生產系統(tǒng)（水、煤、灰 ）的控制以開關量程序控制為主，此外還存在少量的簡單模擬量調節(jié)。而PLC具有邏輯處理功能強、環(huán)境適應性好、系統(tǒng)獨立性強、電廠輔助生產系統(tǒng)中有深厚應用基礎等特點。

  近幾年來，相對進口PLC而言具有組態(tài)靈活方便、價格較低等優(yōu)勢的國產DCS在輔助車間的應用也已成熟，受到了電廠的信賴。如泰州2×1000MW機組輔助車間、大唐南京2×600MW機組輔助車間整套控制系統(tǒng)均采用國產DCS。
電廠大量使用的主流PLC品牌基本上都在現場設備層提供了現場總線接口。例如西門子公司的S7系列具有PROFIBUS總線接口；AB公司CONTROLGIX 產品提供了FF 和DEVICENET總線接口；GE的FAUNC產品提供了PROFIBUS總線接口；施耐德公司的MODICON QUANTUM產品也提供FF和PROFIBUS的總線接入。

   國產DCS現場總線技術的應用目前尚處于起步階段，國電智深、和利時、南京科遠等國產DCS生產商正積極開發(fā)與推廣現場總線技術，覆蓋部分工藝系統(tǒng)的現場總線控制系統(tǒng)已具有成功的運行業(yè)績。

   追求全廠控制系統(tǒng)軟硬件設計一體化，是個難以抗拒的趨勢。因此在電廠輔助生產車間控制系統(tǒng)設備選型時，將進行DCS與PLC的性能價格比選，最終確定電廠輔助生產車間控制系統(tǒng)是采用以PLC或DCS為基礎的現場總線。

  五、現場總線實施中的問題和建議

  5.1 存在的問題

  5.1.1 現場總線系統(tǒng)遠程診斷優(yōu)勢的充分發(fā)揮

  以智能化現場儀表為基礎的現場總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比其優(yōu)點不僅在監(jiān)視控制方面，更多的在于維護簡單、具有自動診斷、校正等設備管理功能方面，而目前國內現場總線應用業(yè)績尚未普遍，發(fā)揮現場總線管理自動化和遠程診斷功能從而降低運行維修成本的優(yōu)勢顯現不明顯。

  5.1.2 現場總線系統(tǒng)經驗不足

  火電廠應用現場總線，在國內還是較新的課題，包含許多新的技術內容，無論在設計、采購供貨、安裝調試、運行維護方面都與常規(guī)系統(tǒng)有所不同，各方面的工程技術人員對現場總線的知識熟悉程度不夠，缺乏工程經驗，增加了應用現場總線的難度。 

  5.1.3 現場總線產品的選擇范圍有所限制

  現場總線是新的技術，其本身仍在發(fā)展過程中，目前智能現場設備的規(guī)范和品種相比常規(guī)儀表而言，尚缺少廣泛的國產現場總線設備的支撐，大多需要采用進口設備，因而在設計系統(tǒng)時帶來了設備價格偏高的問題。

  針對控制器而言，當主廠房、輔助車間控制系統(tǒng)選擇采用進口DCS/PLC基本不存在技術上的問題，但當考慮采用國產DCS實施現場總線方案時，選擇成熟的系統(tǒng)尚有些問題。根據目前所了解的情況，北京和利時、國電智深、浙大中控、南京科遠等國產DCS生產商都在積極開發(fā)、應用現場總線，有些系統(tǒng)已經投入運行，但總體來看，均是用于輔助車間或局部工藝系統(tǒng)，火電廠機爐工藝系統(tǒng)成規(guī)模的應用上尚無案例。因此目前現場總線產品無論現場設備還是控制器選擇范圍均受到一定的限制。故本工程推薦基于PLC的現場總線方案。

  5.2 對策和建議

  為了使工程設計達到預期的目標，工程建設各方應加強技術儲備和廣泛開展多方位的技術交流。工程技術人員應努力學習現場總線技術的有關知識，加深對現場總線的理解，逐步形成現場總線控制技術的工程應用能力。根據工程的經驗，需采取必要的對策，提出如下建議：

   5.2.1 盡早確定應用的總線標準及應用范圍

  應從技術角度出發(fā)，根據工程的特點和需要，對各種現場總線系統(tǒng)的技術性能、市場占有率（包括國內、外）、產品配套程度、國內技術支持程度、供貨商信譽、售后服務、價格和兼容性以及與其它系統(tǒng)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標準。采用國際知名度高、信譽好、用戶多、配套廠商多、產品性能優(yōu)越的現場總線產品，這類產品將來成為行業(yè)性標準和國家、國際標準的可能性最大，從而可以保證使用者的投資具有長期效益。

   按國內火電廠建設的慣例，尤其大型機組數量較多的熱控設備隨工藝設備配套供貨，因此也需要盡早確定應用的總線標準及應用范圍，統(tǒng)一對智能設備提出技術要求。

   5.2.2 工藝設備與控制系統(tǒng)及設備宜分島招標

  工藝設備制造商的關注重點在工藝設備的性能保證上，對控制設備的配套關注往往不夠。由于現場總線技術在國內電廠應用的時間和范圍，使得工藝設備制造商的設計人員中對現場總線技術接觸不多，對于現場總線技術了解較少。因此主廠房DCS、輔助車間控制系統(tǒng)選擇，必須采取工藝設備單獨分島招標、控制系統(tǒng)集中招標的形式予以實施，根據單元機組、輔助車間現場總線方案設計原則，結合工藝特點，統(tǒng)一規(guī)劃現場總線技術要求，盡早安排，確保現場總線系統(tǒng)的質量和建設工期滿足要求。對于必須隨工藝設備配套供貨的總線控制設備，要重視輔機招標中的工藝設備配供控制裝置現場總線技術要求，督促輔機廠家嚴格按照選定的總線設備清單供貨，防止產生與設計技術要求不符的問題。

  5.2.3 重視人員的技術培訓工作

  現場總線技術包含許多新的內容，因此技術要求較高，必須要加強業(yè)主、設計單位、設備安裝、組態(tài)調試單位人員的培訓，培訓要深入貫穿全過程，業(yè)主在工程設計初始階段就要積極介入。為確保工程的有效、順利實施，在工程設計之前積極開展與控制工程公司之間的有關方案設計、設備安裝、組態(tài)調試、管理維護方面的技術交流。通過技術交流，使控制工程公司預先了解本工程期望達到的目標，工程有關各方了解應用現場總線技術要點和難點，以便在技術上做好充分的準備。

  由于現場總線系統(tǒng)在設計、安裝和調試上同傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)有許多不同，要求我們從基建開始就要探索一種全新的現場總線設備管理模式，適應現場總線技術在機組控制及輔助生產系統(tǒng)中的全面應用，要重視智能設備管理軟件在調試和運行中的應用，使得以預測性設備維護和設備管理為預期目標的目的能夠實現，做到操作人員和維護人員能夠及時獲取相關的信息，并進行最合適的操作或者維護工作，從而避免災難性的設備故障，并且可以減少設備非故障停機，提高系統(tǒng)的可用率水平。

   現場總線設備系統(tǒng)的出廠驗收要比普通PLC出廠驗收時間長，由于工廠測試中就要將每個智能設備的ID進行設置，總線通訊要全部調試正常，因此要安排充裕的調試時間。

   5.2.4 選擇現場總線技術支撐伙伴 

   盡管國際上現場總線技術標準已經公布，但由于不同供貨商智能儀表參數組態(tài)描述可能有所不同，微小的差異將帶來總線通訊存在問題。在確定應用總線標準以后，各種帶有總線接口的智能設備如變送器、分析儀表、執(zhí)行機構、馬達控制器、斷路器、變頻器等必須進行兼容性性能測試，測試內容包括連接方式、設備組態(tài)、在線數據、設備管理等項目，提供諸如軟硬件版本、接口版本、系統(tǒng)版本、主站及總線通訊卡件型號版本、總線規(guī)約、GSD等重要信息，搭建試驗臺實施總線電纜、總線電源、接線盒、終端器、中繼器、轉換適配器、總線連接部件等互連測試，盡可能模擬現場的實際構成情況，并出具專題報告，以確保帶有總線接口的智能設備系統(tǒng)構成和性能參數基本符合今后的實際使用情況，確保整個控制系統(tǒng)能達到良好的實用效果。因此必須選擇具備具有現場總線良好應用業(yè)績的技術支撐合作方，實施現場總線技術的應用。這一點實踐證明非常是必要的。另一方面，也為業(yè)主培訓提供技術支持，負責解決現場總線實施過程中產生的技術問題。積極配合系統(tǒng)及現場總線設備供貨商，在電建公司及調試單位進行現場安裝、現場單體調試、現場網絡及設備通信調試過程中，向電建公司和調試單位提供技術咨詢和技術支持。

  六、總結

  建設數字化電廠必須解決現場控制設備級數字化,目前只有FCS 能夠完成現場控制設備級的數字化。FCS 的現場智能設備能將大量現場信息送入通信網絡,這是DCS、PLC 無法實現的。FCS 雙向數字通信現場總線信號制技術,是建設數字化電廠的基礎條件。