摘要：本文通过对现场总线技术作为一种全数字化、网络化、双向通信的新型控制技术的分析，以及在未来建设数字化电厂、深化信息化技术中的应用，提出了在建设数字化电厂时应用现场总线的方案设想以及在工程实施中应注意的问题和对策。

　　一、数字化电厂及应用现场总线技术的必要性

　　何为数字化电厂，这个问题近几年来在业界得到了广泛的讨论。随着计算机技术和通信技术在电力行业的广泛应用，数字化已普遍应用于电力生产过程的决策层、管理层和监控层，数字化电厂也逐步成为现代化发电企业发展的方向，从目前对数字化电厂的认识来看，数字化电厂的网络结构可以划分为三个层次,即直接控制层（包括数据采集）、管控一体化层、管理决策层，而将三个层次连接起来的就是数据库和计算机网络。

　　管理决策层：MIS

　　管控一体化层：SIS AMS智能设备管理系统

　　现场控制层：DCS等

　　目前SIS是一个准实时监控系统，SIS侧重点是实时生产过程管理和监控，对实时性要求高，SIS的实时性要求比MIS高，比DCS略低。对实时性要求之所以比DCS略低，其原因是SIS应用功能目前大多数是开环的，如负荷分配功能，电厂负荷非直调方式－中调把全厂负荷发给电厂，电厂按优化分配算法把负荷分配给每台机组。如果SIS中的这一功能真正实现闭环，将取得明显的经济效益。如SIS实施闭环，其对实时性的要求将与DCS相当。

　　数字化电厂很重要的组成部分是上层SIS等应用软件，SIS需要的实时信息取自于DCS和辅助车间监控系统等，由于DCS采用的是模拟量、开关量，不具备将设备状态的实时信息上传至控制器的功能，SIS也就无法获得这些有用信息，这就是SIS进一步提髙功效的瓶颈，也是建设真正意义上的数字化电厂的瓶颈。

　　而FCS系统采用的是全数字、双向通信现场总线信号制，完全解决了智能现场仪表与智能控制室仪表之间的连接问题，解决了瓶颈，满足SIS需求，也为现场控制设备级实现数字化、建设真正意义上的数字化电厂提供了基础条件。要建设真正意义上的数字化电厂，必须解决现场控制设备级数字化，目前现场总线能完成这一使命。FCS是消灭火电厂“信息孤岛”的最好武器：FCS的现场智能设备能将大量现场信息送上通信网络，这是DCS、PLC无法实现的。

　　二、现场总线技术介绍

　　现场总线（field bus），按其国际电工委员会IEC61158的定义为：“安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线”；按欧洲标准EN50170的描述为“通用现场通信系统”。故可将以现场总线和现场智能装置为基础的、全数字控制的系统统称为FCS。而衡量一个控制系统是否为真正的现场总线控制系统FCS有三个关键要点，即：核心、基础和本质。FCS的核心是总线协议，只有遵循现场总线协议的控制系统，才能称为现场总线控制系统；FCS的基础是数字智能现场仪表，它是FCS的硬件支撑；FCS的本质是信息处理现场化，这是FCS的系统效能体现。

　　目前主要有以下8种现场总线作为IEC61158现场总线的标准，即：FF H1、Control Net、PROFIBUS、INTERBUS、P-Net、World FIP、Swift Net和FF之高速Ethernet即HSE。以上8种国际标准总线中，P-Net和SwiftNet是用于有限领域的专用现场总线，考虑到所适用应用对象的指定要求，这两种类型总线的功能相对比较简单；contro1Net 、Profibus 、World FIP 和Interbus现场总线是由PLC为基础的控制系统发展而来的现场总线，从本质上讲它们以远程I/O总线技术为基础，通常不具备通过总线向现场装置供电和本质安全性能。如果进一步划分，Control Net只是监控级总线，Profibus和WorldFIP则包括两个层次的总线；FF H1总线和HSE总线是由传统DCS控制系统发展而来现场总线，充分考虑向现场仪表两线制供电和本质安全要求，功能较为复杂。

　　目前用于火电厂过程控制的现场总线，在技术和市场占有率均较领先的有基金会（Foundation Fieldbus－FF）现场总线和PROFIBUS（Process Fieldbus）现场总线两种。

　　下面对FF和PROFIBUS现场总线控制系统分别进行简要介绍：

　　2.1 FF现场总线系统

　　FF由低速H1总线和高速以太网H2（现在发展为HSE－High Speed Ethernet）总线组成。其传输介质是双绞线。H1总线主要用于生产现场，速率为31.25Kbps，两线制信号传输并同时向现场设备供电，具备本质安全特征（防爆场合）。H2总线主要面向过程控制级、远程I/O和高速工厂自动化的应用，采用100Mbps高速以太网协议（HSE）。

　　2.2 PROFIBUS现场总线系统

　　PROFIBUS现场总线系统由传输技术 （RS485、RS485-IS、光纤、MBP、MBP-IS、MBP-LP等）、通讯技术协议（PROFIBUS-DP）、通用行规（PROFIsafe、PROFIdrive等）、专用行规（如PA devices）组成。通讯技术协议PROFIBUS DP的发展从DPV0（循环数据交换）到DPV1（循环和非循环数据交换、报警与状态信息处理），直至DPV2（运动控制、交叉通讯、时间同步等）。正因为PROFIBUS 拥有统一的通信协议(PROFIBUS DP), 并在此基础上发展了不同的通用应用行规和专用应用行规，使得PROFIBUS可以广泛地应用工业自动化的各个领域。以下对有关的部分作简要介绍：

　　1) PROFIBUS-DP：是一种高速低成本的用于设备级控制系统与分散式I/O的通讯技术。协议结构是以开放式系统互联标准（OSI — Open System Interconnection ）为参考模型，定义了第一、二层（物理层、数据链路层）和第七层（应用层）；传输技术采用RS-485双绞线电缆和光缆，波特率从9.6kbps到12Mbps；支持单主或多主系统令牌传输方式，总线上最大站点数为126个。

　　2) DP V1专为过程自动化设计，通过DP/PA Link可实现仪器仪表、执行器到控制器的数字通讯连接。在协议上定义了第一、二、七层（物理层、数据链路层、应用层）。其中的应用层包含了现场总线的信息规范和通讯接口规范；数据传输技术采用MBP、MBP-IS等，通讯介质采用双绞线，传输率为31.25kbps，可实现总线供电，本质安全规范，采用FISCO模型，每段最多32个站点。

　　3) PROFIsafe：PROFIBUS技术的最新进展之一，在PROFIBUS总线技术的基础上，实现了安全通讯指标SIL3以上。

　　4) PROFINET实现了现场总线与以太网的最佳结合，不仅实现了对用户先前投资的保护，而且还通过PROXY和OPC DA\DX同其它的总线相连以及对IT技术的集成，并可实现分布式自动化和纵、横向立体集成；此外，通过国际Internet网和Web网，也可对现场设备进行访问和控制，其实时通讯的循环时间（确定性）可在1ms以下，抖动1us以下。

　　5) PROFIBUS 的标准产品超过2100多种，分别来自世界250多个生产厂商。PROFIBUS在全球各行各业所占市场份额超过了20%，应用实例约100万个，据PROFIBUS国际组织宣布，基于PROFIBUS接口的设备节点应用在2003年底突破了1000万个。

　　三、现场总线技术在国内电厂的应用

　　目前火电机组向高参数、大容量方向发展，一方面渴望采用新技术、新系统；另一方面由于机组本身的热力特性和电力生产的特点所决定，对安全性和可靠性有特殊要求，因而对新技术、新系统的应用十分谨慎，甚至持保守态度。FCS是新技术、新装备，目前还处在发展和完善过程中，为研究和应用FCS，一些科研院所积极进行试验和开发。国电热工研究院于1998年购进一套FF现场总线系统(Delta V系统)，包括2台监控计算机、5个H1I/O卡、10路H1总线、100多台高精度智能变送器(压力和温度)。该套系统已在多个电厂的性能考核和运行调整中发挥作用，并积累了FCS的配置和安装经验。

　　近几年现场总线技术和设备正逐步应用到国内一些电厂的外围辅助系统中。例如山东莱城电厂、江阴夏港电厂、华能玉环电厂、吉林九台电厂、华能金陵电厂、国华宁海电厂等。下面就华能的几个电厂做简单介绍：

　　3.1 现场总线技术在华能玉环电厂的应用

　　华能玉环电厂在锅炉补给水控制系统、电厂化学净水及废水控制系统中采用了现场总线仪表设备，作为FCS在电厂中的应用尝试，该控制系统包括了人机界面、控制站（西门子PCS7 417H）、Profibus-DP和PA通讯网络、现场总线仪表和设备。DP支路连接仪表、电机控制保护单元（采用西门子SIMOCODE直接安装在MCC柜内）、I/O单元、变频器等。压力及差压变送器（ABB产品）、磁翻板液位（国产产品，通过加装PA通讯模块完成）、PH值、硅酸根、磷酸根测量仪等仪表采用PROFIBUS PA总线，因此所有的现场仪表和执行器都将通过DP/PA耦合器连接到总线网络上。气动阀门定位器也采用PA总线，实现了气动阀控制，每个电磁阀箱配一套阀岛，模块驱动电磁阀，模块采集阀位反馈，通过DP与PLC通讯。总点数为502点，其中486点以现场总线方式接入（有个别分析仪表不能提供Profibus标准接口）。

　　3.2 华能南京金陵电厂

　　华能南京金陵电厂2×1000MW燃煤机组，主辅机采用现场总线系统，主机部分各类现场总线仪表及监控设备约960台左右，目前总线覆盖率40％左右。主要保护和DEH、SOE，重要调节回路、6KV电机采用常规方式。总线标准选用PROFIBUS，水、煤、灰辅控全部采用现场总线技术。

　　3.3 华能吉林九台电厂

　　华能吉林九台电厂2×600MW燃煤机组，主辅机采用现场总线系统，主机部分各类现场总线仪表及监控设备约380台左右，目前总线覆盖率30％左右。主要保护和DEH、SOE，重要调节回路、6KV电机采用常规方式。总线标准选用PROFIBUS，水、煤、灰辅控全部采用现场总线技术。

　　四、现场总线控制系统选型配置分析及应用规划

　　4.1 现场总线的选型配置方案

　　从现场总线技术的应用经验来看，PROFIBUS总线技术在国内外电厂中有较多成功的应用，如德国的Niederaussem电厂、陕西杨凌热电厂、山东龙口电厂、河北三河电厂、广安电厂、山东莱城电厂、江苏夏港电厂、宁海电厂、华能巢湖电厂、华能金陵电厂、华能九台电厂等。

　　众所周知，目前国外几大知名DCS系统基本上都能接受PROFIBUS和FF现场总线标准。如SIEMENS公司的T—3000系统能接受PROFIBUS现场总线标准，FOXBORO公司的I/A系统能接受PROFIBUS和FF现场总线标准，艾默生公司的OVATION系统能接受PROFIBUS和FF现场总线标准，ABB公司ABB symphony系统能接受PROFIBUS和FF现场总线标准。

　　从国内行业内的实际投用业绩及使用经验来看，也以PROFIBUS和FF两种现场总线为多。工程实践证明，PROFIBUS和FF现场总线标准能够满足电厂过程控制的应用要求。

　　鉴于上述原因，从发展的角度，为谋取广泛的国内外生产厂商硬软件产品支持，充分的工程经验、业绩验证，避免系统重构的风险，本工程推荐现场总线控制系统采用符合市场应用主流的PROFIBUS、FF现场总线标准为宜。

　　4.2 现场总线的应用层面

　　火电厂机组控制功能从简单到复杂，分布很广，有单回路、串级调节回路，也有多输入多输出的交叉耦合控制系统，还有可靠性要求很高的快速保护联锁逻辑。FF现场总线设备具有一定的控制和运算功能，能够完成较单纯的单回路或串级调节任务，但是对于存在多回路耦合的复杂控制，需要在不同网段间传输数据，就可能影响控制的实时性。如网段、设备分布设计不当，就可能影响到工艺系统及设备的安全运行。Profibus现场总线的现场智能设备本身基本不具备控制功能。因此在大型火力发电厂燃煤机组主控系统中应用现场总线技术，目前基本还限于在现场设备层，基本不减少DCS控制器的配置，多数调节回路控制策略和设备控制逻辑仍按照工艺系统划分在不同DCS控制器中集中处理，少数单回路调节任务下放到现场总线设备中（当DCS系统采用FF现场总线时）。

　　目前，国内火电厂采用的主流DCS基本上都已提供了各自的现场总线解决方案。如西门子公司的T-3000支持PROFIBUS现场总线标准；艾默生公司的OVATION提供了FF和PROFIBUS－DP现场设备的接入；FOXBORO公司的I/A支持FF和PROFIBUS-DP现场总线标准；ABB公司的Symphony系统能接受PROFIBUS和FF现场总线标准。这些著名DCS品牌产品无一例外地均是在原有DCS的基础上，提供对智能现场仪表和控制执行机构的现场总线支持。可以这样说，火电厂现场总线的应用将更侧重于现场设备的数字化及由此带来的种种益处，而不在于纯粹意义上的FCS应用。通过华能巢湖电厂、华能金陵电厂实施现场总线设计的经验、了解其它电厂使用现场总线的方案以及与外方进行的技术交流和调研，西门子、EMERSON、FOXBORO三家公司、控制系统在现场总线方面的技术实力较为突出。

　　电厂辅助生产系统（水、煤、灰 ）的控制以开关量程序控制为主，此外还存在少量的简单模拟量调节。而PLC具有逻辑处理功能强、环境适应性好、系统独立性强、电厂辅助生产系统中有深厚应用基础等特点。

　　近几年来，相对进口PLC而言具有组态灵活方便、价格较低等优势的国产DCS在辅助车间的应用也已成熟，受到了电厂的信赖。如泰州2×1000MW机组辅助车间、大唐南京2×600MW机组辅助车间整套控制系统均采用国产DCS。

　　电厂大量使用的主流PLC品牌基本上都在现场设备层提供了现场总线接口。例如西门子公司的S7系列具有PROFIBUS总线接口；AB公司CONTROLGIX 产品提供了FF 和DEVICENET总线接口；GE的FAUNC产品提供了PROFIBUS总线接口；施耐德公司的MODICON QUANTUM产品也提供FF和PROFIBUS的总线接入。

　　国产DCS现场总线技术的应用目前尚处于起步阶段，国电智深、和利时、南京科远等国产DCS生产商正积极开发与推广现场总线技术，覆盖部分工艺系统的现场总线控制系统已具有成功的运行业绩。

　　追求全厂控制系统软硬件设计一体化，是个难以抗拒的趋势。因此在电厂辅助生产车间控制系统设备选型时，将进行DCS与PLC的性能价格比选，最终确定电厂辅助生产车间控制系统是采用以PLC或DCS为基础的现场总线。

　　五、现场总线实施中的问题和建议

　　5.1 存在的问题

　　5.1.1 现场总线系统远程诊断优势的充分发挥

　　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监视控制方面，更多的在于维护简单、具有自动诊断、校正等设备管理功能方面，而目前国内现场总线应用业绩尚未普遍，发挥现场总线管理自动化和远程诊断功能从而降低运行维修成本的优势显现不明显。

　　5.1.2 现场总线系统经验不足

　　火电厂应用现场总线，在国内还是较新的课题，包含许多新的技术内容，无论在设计、采购供货、安装调试、运行维护方面都与常规系统有所不同，各方面的工程技术人员对现场总线的知识熟悉程度不够，缺乏工程经验，增加了应用现场总线的难度。

　　5.1.3 现场总线产品的选择范围有所限制

　　现场总线是新的技术，其本身仍在发展过程中，目前智能现场设备的规范和品种相比常规仪表而言，尚缺少广泛的国产现场总线设备的支撑，大多需要采用进口设备，因而在设计系统时带来了设备价格偏高的问题。

　　针对控制器而言，当主厂房、辅助车间控制系统选择采用进口DCS/PLC基本不存在技术上的问题，但当考虑采用国产DCS实施现场总线方案时，选择成熟的系统尚有些问题。根据目前所了解的情况，北京和利时、国电智深、浙大中控、南京科远等国产DCS生产商都在积极开发、应用现场总线，有些系统已经投入运行，但总体来看，均是用于辅助车间或局部工艺系统，火电厂机炉工艺系统成规模的应用上尚无案例。因此目前现场总线产品无论现场设备还是控制器选择范围均受到一定的限制。故本工程推荐基于PLC的现场总线方案。

　　5.2 对策和建议

　　为了使工程设计达到预期的目标，工程建设各方应加强技术储备和广泛开展多方位的技术交流。工程技术人员应努力学习现场总线技术的有关知识，加深对现场总线的理解，逐步形成现场总线控制技术的工程应用能力。根据工程的经验，需采取必要的对策，提出如下建议：

　　5.2.1 尽早确定应用的总线标准及应用范围

　　应从技术角度出发，根据工程的特点和需要，对各种现场总线系统的技术性能、市场占有率（包括国内、外）、产品配套程度、国内技术支持程度、供货商信誉、售后服务、价格和兼容性以及与其它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标准。采用国际知名度高、信誉好、用户多、配套厂商多、产品性能优越的现场总线产品，这类产品将来成为行业性标准和国家、国际标准的可能性最大，从而可以保证使用者的投资具有长期效益。

　　按国内火电厂建设的惯例，尤其大型机组数量较多的热控设备随工艺设备配套供货，因此也需要尽早确定应用的总线标准及应用范围，统一对智能设备提出技术要求。

　　5.2.2 工艺设备与控制系统及设备宜分岛招标

　　工艺设备制造商的关注重点在工艺设备的性能保证上，对控制设备的配套关注往往不够。由于现场总线技术在国内电厂应用的时间和范围，使得工艺设备制造商的设计人员中对现场总线技术接触不多，对于现场总线技术了解较少。因此主厂房DCS、辅助车间控制系统选择，必须采取工艺设备单独分岛招标、控制系统集中招标的形式予以实施，根据单元机组、辅助车间现场总线方案设计原则，结合工艺特点，统一规划现场总线技术要求，尽早安排，确保现场总线系统的质量和建设工期满足要求。对于必须随工艺设备配套供货的总线控制设备，要重视辅机招标中的工艺设备配供控制装置现场总线技术要求，督促辅机厂家严格按照选定的总线设备清单供货，防止产生与设计技术要求不符的问题。

　　5.2.3 重视人员的技术培训工作

　　现场总线技术包含许多新的内容，因此技术要求较高，必须要加强业主、设计单位、设备安装、组态调试单位人员的培训，培训要深入贯穿全过程，业主在工程设计初始阶段就要积极介入。为确保工程的有效、顺利实施，在工程设计之前积极开展与控制工程公司之间的有关方案设计、设备安装、组态调试、管理维护方面的技术交流。通过技术交流，使控制工程公司预先了解本工程期望达到的目标，工程有关各方了解应用现场总线技术要点和难点，以便在技术上做好充分的准备。

　　由于现场总线系统在设计、安装和调试上同传统PLC系统有许多不同，要求我们从基建开始就要探索一种全新的现场总线设备管理模式，适应现场总线技术在机组控制及辅助生产系统中的全面应用，要重视智能设备管理软件在调试和运行中的应用，使得以预测性设备维护和设备管理为预期目标的目的能够实现，做到操作人员和维护人员能够及时获取相关的信息，并进行最合适的操作或者维护工作，从而避免灾难性的设备故障，并且可以减少设备非故障停机，提高系统的可用率水平。

　　现场总线设备系统的出厂验收要比普通PLC出厂验收时间长，由于工厂测试中就要将每个智能设备的ID进行设置，总线通讯要全部调试正常，因此要安排充裕的调试时间。

　　5.2.4 选择现场总线技术支撑伙伴

　　尽管国际上现场总线技术标准已经公布，但由于不同供货商智能仪表参数组态描述可能有所不同，微小的差异将带来总线通讯存在问题。在确定应用总线标准以后，各种带有总线接口的智能设备如变送器、分析仪表、执行机构、马达控制器、断路器、变频器等必须进行兼容性性能测试，测试内容包括连接方式、设备组态、在线数据、设备管理等项目，提供诸如软硬件版本、接口版本、系统版本、主站及总线通讯卡件型号版本、总线规约、GSD等重要信息，搭建试验台实施总线电缆、总线电源、接线盒、终端器、中继器、转换适配器、总线连接部件等互连测试，尽可能模拟现场的实际构成情况，并出具专题报告，以确保带有总线接口的智能设备系统构成和性能参数基本符合今后的实际使用情况，确保整个控制系统能达到良好的实用效果。因此必须选择具备具有现场总线良好应用业绩的技术支撑合作方，实施现场总线技术的应用。这一点实践证明非常是必要的。另一方面，也为业主培训提供技术支持，负责解决现场总线实施过程中产生的技术问题。积极配合系统及现场总线设备供货商，在电建公司及调试单位进行现场安装、现场单体调试、现场网络及设备通信调试过程中，向电建公司和调试单位提供技术咨询和技术支持。

　　六、总结

　　建设数字化电厂必须解决现场控制设备级数字化,目前只有FCS 能够完成现场控制设备级的数字化。FCS 的现场智能设备能将大量现场信息送入通信网络,这是DCS、PLC 无法实现的。FCS 双向数字通信现场总线信号制技术,是建设数字化电厂的基础条件。

　　G-2011-4