國產化替代下西門子燃機DCS控制系統的現場總線改造策略探討

摘要：討論了在國家推動自主創新和技術國產化的背景下如何通過引入國產現場總線技術來改造西門子燃氣輪機的DCS控制系統。國產化替代不僅能夠降低對國外設備的依賴，提升系統運行的安全性和穩定性，還能夠促進能源領域的自主可控能力。分析了當前國產現場總線技術的發展現狀，并展示了其在燃機DCS系統中的應用。探討了改造過程中選型、兼容性分析、數據傳輸安全性等關鍵環節，提出了確保系統穩定運行的改造步驟。最終，隨著國產技術的不斷成熟，燃氣輪機控制系統的國產化將進一步推動能源行業的技術進步和自主發展。

關鍵詞：國產化替代"西門子燃機"DCS控制系統""總線改造

Discussion"on"the"Fieldbus"Transformation"Strategy"of"Siemens"Gas"Turbine"DCS"Control"System"Under"Domestic"Substitution

ZHANG"Jiawei""WU"Youwei

Jiangsu"Huadian"Yizheng"Thermal"Power"Co.，"Ltd.，"Yangzhou，"Jiangsu"Province，"211417"China

Abstract："The"article"discusses"how"to"transform"the"DCS"control"system"of"Siemens"gas"turbines"by"introducing"domestic"fieldbus"technology"in"the"context"of"promoting"independent"innovation"and"technology"localization"in"the"country."Domestic"substitution"can"not"only"reduce"dependence"on"foreign"equipment，"improve"the"safety"and"stability"of"system"operation，"but"also"promote"the"independent"controllability"of"the"energy"sector."It"analyzednbsp;the"current"development"status"of"domestic"fieldbus"technology"and"demonstrated"its"application"in"gas"turbine"DCS"system."It"explored"key"aspects"such"as"selection，"compatibility"analysis，"and"data"transmission"security"during"the"renovation"process，"and"proposed"renovation"steps"to"ensure"stable"system"operation."Ultimately，"with"the"continuous"maturity"of"domestic"technology，"the"localization"of"gas"turbine"control"systems"will"further"promote"technological"progress"and"independent"development"in"the"energy"industry.

Key"Words："Domestic"substitution;"Siemens"gas"turbine;"DCS"control"system；Bus"transformation

隨著全球能源形勢的復雜化和國家對能源自主可控性的要求，燃氣輪機等核心設備的國產化替代成為國家戰略重點。國產化替代不僅有助于降低對外依賴，還能夠提升設備運行的安全性和自主性。因此，研究國產現場總線技術在西門子燃機DCS系統中的應用和改造策略，具有重要的現實意義。

1國產化替代的必要性

1.1"政策驅動與國產化要求

隨著國家在高端制造業和關鍵技術領域的國產化進程加快，能源領域的設備國產化已成為國家戰略目標之一。《中國制造2025》戰略明確提出，要在能源、通信等關鍵領域實現核心設備的國產化替代[1]。這一戰略旨在減少對國外技術和設備的依賴，提升本土企業的自主創新能力，并推動中國制造業向高端領域邁進。能源作為經濟發展的基礎支撐，其設備國產化對保障國家能源安全具有深遠意義。

燃氣輪機（燃機）作為核心動力設備，應用于電力、工業及石化等多個行業。燃機分布式控制系統（Distributed"Control"System，DCS）是燃氣輪機控制與管理的核心系統。過去，由于對國外技術的高度依賴，燃機DCS系統在技術升級和維護過程中常受制于外部供應商，增加了成本和風險。國產化替代能夠有效擺脫這種依賴，提高設備的自主可控性，并降低長期的運營和維護成本。國產化不僅能夠響應國家政策的號召，還能夠提高能源系統的安全性和穩定性。通過自主研發的DCS系統，企業可以更好地掌控技術核心，優化燃機性能，并根據國內市場需求靈活定制。

1.2"現有系統的限制與挑戰

在當前的燃氣輪機控制系統中，由于系統高度依賴國外技術支持，導致維修和維護成本居高不下，并且備件供應受到國外廠家的控制，這給運營帶來了不可控的風險。在遇到系統故障或需要進行技術升級時，需要依賴國外廠商的技術支持，導致響應時間較長、維護成本高昂，運營靈活性和安全性受到極大影響。國外的燃氣輪機控制系統設計初衷更多地是為其本國及全球市場量身定制，可能沒有充分考慮中國的特定氣候、環境和運營條件。

1.3"國產化替代對能源安全和技術自主的意義

燃氣輪機作為能源系統的核心設備，其控制系統的國產化不僅能夠降低對外依賴，還可以規避因國際局勢波動而帶來的供貨中斷風險，保障能源的安全與穩定供應。在全球政治經濟形勢復雜多變的背景下，關鍵設備的供應鏈容易受到國際環境的影響，而通過國產化，可以確保我國在燃氣輪機核心技術上的自主性與獨立性，避免設備短缺、價格波動等外部因素對國內能源行業的沖擊。

燃氣輪機控制系統的國產化大力推動了國內自主技術的研發和創新，為本土企業提供了寶貴的成長機遇。通過積極參與研發和創新，國內企業逐步掌握核心技術，建立起自主可控的技術體系，不僅能夠實現系統的自主開發、升級與維護，還能夠根據實際需求對系統性能進行進一步優化。這不僅提升了本土企業的技術實力，也推動了整個行業的標準化進程和技術進步。國產化的進程也為上下游產業鏈帶來了巨大的發展機遇。設備、配件和服務的本地化生產，有助于降低整體供應鏈成本，并提升國內制造能力。通過推動全產業鏈的本地化發展，國產替代能夠增強我國在全球能源技術領域的競爭力和話語權，實現技術與市場的雙贏。同時，掌握自主技術也使我國企業能夠在全球市場中占據更有利的地位，推動中國制造向中國創造邁進，進一步提升在國際能源技術領域的影響力和主導權。

2.現場總線技術的國產化現狀

2.1"國產現場總線技術的發展

現場總線作為DCS控制系統的核心部分，承擔著數據傳輸和設備通信的關鍵任務，其作用在于為系統提供穩定、高效的實時數據傳輸支持，確保控制系統能夠精準地管理現場設備的操作。在能源系統尤其是燃氣輪機DCS控制系統現場總線負責連接控制單元和現場設備，確保控制信號和數據在設備之間的傳輸[2]。

國內企業近年來在現場總線技術領域加大了研發投入，通過自主創新與技術引進相結合，開發出了多種符合中國市場需求的國產現場總線協議，諸如基金會現場總線（Foundation"Fieldbus，FF）和控制器局域網絡（Controller"Area"Network，CAN）總線系統等。這些國產化現場總線技術逐步縮小了與國際標準的差距，在某些領域甚至已經展現優勢。尤其是在成本控制方面，國產現場總線技術表現突出，與進口技術相比，其更具經濟性，滿足了國內企業對低成本、高性價比方案的需求。國產現場總線技術在兼容性和適應性方面也取得了顯著進展。特別是在面對中國特定工況和應用場景時，國產現場總線技術展現出更強的適應能力，能夠更好地應對復雜的環境條件和多樣化的工業需求。國產化現場總線的推進，不僅有助于打破國外技術的壟斷，也為中國能源領域的自主技術發展帶來了強大的市場驅動力，為實現關鍵技術的全面國產化奠定了堅實基礎。

2.2"國產化替代在燃機DCS中的應用案例

在某大型發電站的燃氣輪機控制系統改造項目中，項目團隊引入了國產現場總線技術，實現了對原有西門子燃機DCS系統部分模塊的國產化替代。通過此次國產化改造，項目團隊采用了自主研發的國產現場總線協議，成功替代了部分依賴進口的關鍵模塊。這一舉措縮短了備件供貨周期，降低了維護和運營成本。國產現場總線技術在適應本土工況上表現優異，針對發電站的具體操作環境進行了定制化優化，使系統的整體運行更加穩定和靈活。國產化改造后，系統的兼容性和可擴展性得到了明顯提升，能夠更好地適應未來技術升級和擴展的需求。

2.3"國產化替代帶來的技術優勢與不足

國產現場總線設備在多個方面展現出明顯的優勢，尤其在成本控制方面顯得尤為突出。與國外設備相比，國產設備的價格相對更為經濟，能夠有效降低整體項目的投資成本。這種成本優勢對大型發電站等高資金投入的項目尤為重要，有助于減少設備采購、維護和運營的支出。國產現場總線設備在本地適應性上表現優越，能夠根據中國的特定環境條件進行優化設計[3]。特別是在涉及核心算法和高端硬件設備時，國產技術在某些方面還存在局限性。這意味著在高要求的應用領域，國產設備尚需進一步提升和創新，以縮小與領先技術之間的差距。

3"DCS控制系統改造策略

3.1"國產化現場總線技術的選型與兼容性分析

現場總線作為數據通信的基礎，選型時必須考慮其技術成熟度、兼容性，以及應用場景的適配性。當前主流的國產現場總線技術包括FF、CAN總線，以及過程現場總線（Process"Field"Bus，PROFIBUS）等。其中，FF總線在工業控制中應用廣泛，具有實時性好、抗干擾強等優點；CAN總線則以其高效的數據傳輸和容錯能力在交通和自動化領域得到大量應用。

在選擇國產化總線技術時，還需要充分考慮現有西門子系統的兼容性，因此，在改造中，確保國產總線技術能夠與這些協議兼容，并且實現穩定的設備互通，是確保系統平穩過渡的關鍵（如表1所示）。

3.2"現場總線在DCS系統中的應用改造步驟

在實際的DCS系統改造中，現場總線的應用需要經過幾個重要步驟，確保改造過程的順利進行和新系統的穩定運行。第一是系統的調研和診斷，在調研階段，可以使用數據流圖來展示現有系統中各設備間的數據流動和互聯情況。第二是硬件改造，包括替換現有的進口總線設備，安裝國產化的現場總線模塊以及傳輸線路。此時，應注意對設備進行分批次改造，逐步替換，以降低系統停機的風險。第三是軟件集成與調試，軟件調試過程中，需確保數據傳輸的穩定性與及時性，可以引入以下數據傳輸公式。

式（1）中：T為傳輸時間；D為數據量；R為傳輸速率。

最后一步是系統的測試與優化，完成后采用測試結果對比表（如表2所示），列出改造前后的數據傳輸性能、故障率等指標。

3.3"數據傳輸、安全性、可靠性與可擴展性設計

國產化替代中的數據傳輸要求不僅限于速度和帶寬，還需要確保數據傳輸的準確性和實時性。在改造過程中，必須確保國產現場總線在多設備同時運行時不會出現數據丟包、延遲等問題，這需要通過建立冗余網絡架構和關鍵路徑優化來提升系統的整體數據傳輸能力。安全性設計是現代工業控制系統不可忽視的一環。國產現場總線技術在應用于DCS系統時，必須充分考慮數據加密、網絡防火墻等安全措施，以防止惡意攻擊和數據篡改。系統的可擴展性設計尤為重要，尤其在現代燃機控制系統中，隨著設備增加和控制要求的變化，現場總線必須具備較好的擴展能力，以便增加新設備、模塊。

4結論

通過引入國產現場總線技術，不僅能夠降低系統對國外技術和設備的依賴，還能夠提升能源系統的自主性和安全性。在DCS系統改造中，選取合適的國產總線技術，確保與現有系統的兼容性，并優化數據傳輸與安全性設計，是實現穩定、高效運行的關鍵。未來，隨著國產化技術的不斷成熟，燃機控制系統的本地化將進一步推動能源行業的發展。

參考文獻

[1]中國制造2025[C]//工業4.0與中國制造2025—第204場中國工程科技論壇暨2015智能制造國際會議論文集.2015：136-160.

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[3]蘇中.冶金余熱發電機組DCS控制系統的設計與實現[D].江蘇：南京理工大學，2021.

[4]周詩，李仁坤，沈乾坤，等.國產燃機DCS體系架構及應用前景分析[J].今日制造與升級，2023（9）：103-105.

[5]黃啟東.大型火電廠DCS國產化改造全過程管理及問題探討[J].儀器儀表用戶，2022，29（5）：100-103，107.