淺談現場總線技術在火電廠的應用前景

摘 要：介紹現場總線的發展歷史及技術特點。通過現場總線與DCS的比較，分析其優缺點。闡述現場總線技術應用于火電廠控制系統在設計和使用方面需注意的問題，根據它在火電廠的應用實例表明現場總線的發展趨勢與技術展望。

關鍵詞：現場總線；統一標準；開放性；電廠數字化

現場總線（Fieldbus）是80年代末、90年代初發展形成的用于過程自動化領域的現場智能設備互連通訊網絡。它作為數字通信網絡的基礎在生產過程現場及控制設備之間及更高控制管理層次之間建立聯系。它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統。這項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術，已經受到世界范圍的關注，成為自動化技術發展的熱點，并將導致自動化系統結構與設備的深刻變革。

1 現場總線的技術特點

1.1 系統的開放性

開放系統是指通信協議公開，各不同廠家的設備之間可進行互連并實現信息交換。它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。它把系統集成的權利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。

1.2 系統的互可操作性與互用性

這里的互可操作性，是指實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數字通信。而互用性則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換而實現互用。

1.3 現場設備的智能化與功能自治性

它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。

1.4 系統結構的高度分散性

由于現場設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現場總線已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構。從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系。

1.5 對現場環境的適應性

工作在現場設備前端，作為工廠網絡底層的現場總線，是專為在現場環境工作而設計的。它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現送電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等。

2 典型的現場總線

2.1 基金會現場總線

基金會現場總線，即FoudationFieldbus，簡稱FF，這是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發展前景的技術。它以IS0/0SI開放系統互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。

2.2 LonWorks

LonWorks是又一具有強勁實力的現場總線技術。它采用了 IS0/0SI模型的全部七層通訊協議，采用了面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質，被譽為通用控制網絡。

2.3 Profibus

Profibus是作為德國國家標準DIN 19245和歐洲標準prEN 50170的現場總線。IS0/0SI 模型也是它的參考模型。Porfibus支持主一從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權，可主動發送信息。其傳輸介質可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點。

2.4 HART

HART是Highway Addressable Remote Transduer的縮寫。這種被稱為可尋址遠程傳感高速通道的開放通信協議，其特點是現有模擬信號傳輸線上實現數字通信，屬于模擬系統向數字系統轉變過程中工業過程控制的過渡性產品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較好的發展。

3 現場總線系統（FCS）與傳統集散控制系統（DCS）區別

3.1 總線式結構

FCS是一對傳輸線（總線）掛接多臺現場設備，雙向傳輸多個數字信號。這種結構比DCS一對一的單向模擬信號傳送結構布線簡單，安裝費用低，維護簡便。

3.2 開放互操作性

現場總線采用統一的協議標準，是開放式的互聯網絡，對用戶是透明的，而在傳統的DCS中不同廠家的設備是不能相互訪問的。而FCS采用統一的標準，不同廠家的網絡產品可以方便地接入同一網絡，集成在同一控制系統中進行互操作，因此簡化了系統集成。

3.3 徹底的分散控制

現場總線將控制功能下放到作為網絡節點的現場智能儀表和設備中，做到徹底的分散控制，提高了系統的靈活性、自治性和安全可靠性，減輕了控制站CPU的計算負擔。DCS的控制功能則集中于控制器，現場設備幾乎不參與，從而加重CPU負荷。

3.4 經濟性

FCS由于采用數字通訊方式，因此可采用多種傳輸介質進行通信。根據控制系統中節點的空間分布情況，可采用多種網絡拓撲結構。這種傳輸介質和網絡拓撲結構的多樣性給自動化系統的施工帶來了極大的方便，據統計，FCS與傳統DCS的主從結構相比，只計算布線工程一項即可節省40%的經費。

4 現場總線系統在火電廠的應用

早在九十年代末，現場總線控制系統就已經在國外的電廠中得到應用。僅SMAR公司的 System302 就曾先后在美國的Seattle Steam、Mohave Generation Plant、巴西的CESE等電廠中得到應用，這些現場總線控制系統除了完成一般的數據采集功能之外，還實現了燃燒控制、給水控制、過熱汽溫控制、再熱汽溫控制、除氧器控制、以及電機的啟停控制、聯鎖保護和報警等功能。

廣州恒運電廠在#7機組（210MW）的脫硫控制系統中局部采用了現場總線技術的控制系統。該系統采用的是Profibiis現場總線，共采集了現場1140多個點，其中500點是模擬量點，其余的是數字量點。整個系統的設備組成如下表：

從兩年多的運行情況看，控制系統運行穩定，各項控制功能及設備的聯鎖保護功能和報警歷史趨勢記錄功能均表現良好。本來在原設計中現場設備均采用了現場總線技術，但最后安全考慮出于只在上位控制中采用現場總線。從以上實例可以看出，現場總線控制系統完全可以適應電廠復雜控制系統和高可靠性系統的要求，并且可以大量地節省系統投資，縮短安裝調試時間，提高現場設備管理水平。

5 現場總線在火電廠的應用前景

目前在火電廠中普遍采用DCS控制系統，要推廣現場總線系統還必須克服其不足之處。目前現場總線的國際標準己有12種之多，而且還有增加的趨勢。造成的后果是，不論制造廠商也好，用戶也好，面對眾多的標準，在選擇時往往感到困惑而無所適從。所以說，多標準實質上是沒有標準。因此建立統一的標準是發展FCS的當務之急。另外，適用于過程控制的現場總線FF和Profibus PA都是沒有冗余的，按照現場總線的設計思想，低速部分是不需要冗余的，因為現場總線已經將危險徹底分散了，局部故障不會導致全局故障，而現場總線的智能化儀表又有實現維修預報的功能而可事先防范。但在安全方面有特殊要求的部位確實是需要冗余的。如發電廠的汽包水位計、爐膛壓力等參數，往往在測點上就必須有冗余。因此在現場總線系統設計時必須考慮冗余問題，畢竟對于電廠控制系統來說安全是第一要素。

盡管如此，現場總線在一些小型控制系統中已逐步取代DCS和PLC成為炙手可熱的創新技術。隨著智能化儀表和設備的涌現，現場總線控制系統的應用領域正在由小型的、試驗性的系統轉向大型的、重要的工業生產過程。許多用戶正在把現場總線控制系統應用于大規模、甚至是超大規模的系統中。目前現場總線在火電廠的輔助車間（水處理，輸煤，脫硫等）控制中也占有一席之地，相信在不久的將來主機的控制系統中也能見到它的身影。在電廠中應用現場總線控制系統的條件已經成熟。

6 結束語

現場總線控制系統在我國的應用還剛剛起步，特別是在電力行業，現場總線控制系統在大型火電機組中的應用還幾乎空白。統計資料顯示，電力行業在現場總線方面的應用業績不及化工行業的十分之一。因此，現場總線控制系統在電力行業中的推廣應用刻不容緩。現場總線控制系統的發展勢頭十分迅猛，其應用前景十分廣闊。我們應該積極推進現場總線控制系統在電廠中的應用，為實現電廠的全面數字化奠定堅實的基礎。

參考文獻

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[4]高偉.計算機控制系統[M]北京：中國電力出版社，2000.11.

作者簡介：符志強（1975，6-），男，籍貫：四川省達州市，現職稱：助理工程師，學歷：大學本科，研究方向：自動化。