在電廠信息化的建設(shè)過程中，越來越多的專家、學者和電力工程設(shè)計人員意識到推動現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠應(yīng)用的重要性和迫切性，提出了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在電廠的應(yīng)用設(shè)想和建議。但到目前為止，在國內(nèi)已建和在建電廠中，真正意義上的全面和系統(tǒng)地應(yīng)用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的實例尚未見報道，還只是局部的試點。
根據(jù)國際電工委員會IEC61158標準的定義:安裝在制造或生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。由現(xiàn)場總線與現(xiàn)場智能設(shè)備組成的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)。而衡量一個控制系統(tǒng)是否為真正的FCS有三個關(guān)鍵要點，即:核心、基礎(chǔ)和本質(zhì)。FCS的核心是總線協(xié)議，只有遵循現(xiàn)場總線協(xié)議的控制系統(tǒng)，才能稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng);FCS的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場儀表，它是FCS的硬件支撐;FCS的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化，這是FCS系統(tǒng)的效能體現(xiàn)。
因此現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一種全計算機、全數(shù)字、雙向通信的新型控制系統(tǒng)。它與DCS的本質(zhì)差異在于現(xiàn)場級設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)了控制裝置與現(xiàn)場裝置的雙向通信，消除了生產(chǎn)過程監(jiān)控的信息"盲點"。可以說，現(xiàn)場設(shè)備級的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化是電廠信息化管理的基礎(chǔ)。
一、現(xiàn)場總線技術(shù)的特點及現(xiàn)狀
CPU技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了現(xiàn)場儀表和裝置的數(shù)字化革命，也使得現(xiàn)場儀表和裝置之間的數(shù)字通訊成為可能。數(shù)字化、智能化的現(xiàn)場儀表和裝置(如傳感器、執(zhí)行器等)不僅替代了4～20mA模擬系統(tǒng)，更主要的是可以在現(xiàn)場設(shè)備中實現(xiàn)控制功能和設(shè)備管理功能，而且有了數(shù)字通訊，在控制室可以獲得現(xiàn)場設(shè)備的諸多信息，如診斷、量程、組態(tài)和標識等。現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)，使得原來需要大量電纜進行點到點連接的眾多現(xiàn)場設(shè)備信號可通過一根網(wǎng)絡(luò)電纜來傳輸，可以顯著減少電纜的使用量及降低相關(guān)的材料和安裝費用。
現(xiàn)場總線技術(shù)的出發(fā)點就是要為用戶提供開發(fā)性、具有可互操作性、可互換性和統(tǒng)一標準的測量和控制產(chǎn)品，克服傳統(tǒng)DCS和PLC等含有專利性技術(shù)的控制系統(tǒng)所帶來的封閉性問題，擇優(yōu)選擇不同公司的產(chǎn)品，集成最佳的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，降低工程項目的建造和運營成本，提高企業(yè)的競爭力。
同傳統(tǒng)DCS和PLC控制系統(tǒng)相比，以現(xiàn)場總線技術(shù)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)FCS的優(yōu)越性有以下幾方面[1～3]:(1)互操作性;(2)分散性;(3)可靠性; (4)精確性;(5)開放性;(6)經(jīng)濟性;(7)可維護性。
1999年底IEC TC65(負責工業(yè)測量和控制的第65標準化委員會)通過了8種類型的現(xiàn)場總線作為IEC61158國際標準。這8種類型的現(xiàn)場總線為:
(1)IEC技術(shù)報告(即FF的Hl)
(2)Control Net(美國Rockwell等公司支持)
(3)Profibus(德國西門子等公司支持)
(4)P-Net(丹麥Process Data公司支持)
(5)FF HSE(即原FF的H2，F(xiàn)isher-Rosemount等公司支持)
(6)Swift Net(美國波音公司等支持)
(7)World FIP(法國Alstom等公司支持)
(8)Interbus(德國Phoenix Contact公司支持)
除了上述8種標準之外，還有IEC TCl7B通過的現(xiàn)場總線標準SDS(Smart Distributed System)、ASI(Actuator Sensor Interface)和DeviceNet，以及 ISO11898的CAN協(xié)議，還有一些歐洲標準，超過了12種之多。這么多的標準給用戶應(yīng)用帶來了很大的困惑，也就導(dǎo)致了沒有事實上的統(tǒng)一標準，因為不同的現(xiàn)場總線標準協(xié)議之間是不能夠直接進行互連和通訊的。
現(xiàn)場總線自身存在著應(yīng)用領(lǐng)域的局限性。上述各種現(xiàn)場總線是針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)的，沒有一種單一的總線能適用于所有的工業(yè)控制。
在工廠自動化領(lǐng)域，離散邏輯控制處于主導(dǎo)地位，因為工廠自動化含有快速移動的機械，同較慢的過程自動化相比，要有更快的響應(yīng)。適用于這類場合的現(xiàn)場總線類型有 DeviceNet、ControlNet、Profibus(DP及FMS應(yīng)用行規(guī))，以及Interbus、ASI(AS-Interface)。
在過程自動化領(lǐng)域，連續(xù)的調(diào)節(jié)性控制占支配地位，但也包含離散或開關(guān)量控制。適用于這類場合的現(xiàn)場總線類型有Foundation Fieldbus，Profibus-PA、WorldFIP等。
二、電廠生產(chǎn)過程控制的特點
電廠的生產(chǎn)包含了以下幾個主要工藝過程:燃料系統(tǒng)(煤炭和燃油/氣的運輸及貯存)、熱力系統(tǒng)、鍋爐和汽輪機發(fā)電機組(將燃料的化學能轉(zhuǎn)變成熱能、熱能將水變成蒸汽、蒸汽熱能在汽輪機中轉(zhuǎn)變成機械能、再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?、除渣出灰系統(tǒng)(燃燒物的固體廢棄物處理)、脫硫系統(tǒng)(大氣排放物的處理)、水處理系統(tǒng)(含凈水、鍋爐補給水、廢水、凝結(jié)水精處理、化學取樣和加藥等)、發(fā)配電系統(tǒng)(含廠用電系統(tǒng)、升壓站等)。由此可以看出，電力生產(chǎn)是一個極其復(fù)雜的工業(yè)過程，它涵蓋了工廠自動化和過程自動化的內(nèi)容。在傳統(tǒng)的電廠控制系統(tǒng)模式中，主廠房區(qū)域熱力生產(chǎn)過程通常采用DCS作為主要的控制系統(tǒng)，其他輔助系統(tǒng)則采用以PLC為核心的控制系統(tǒng)。由于現(xiàn)場級設(shè)備主要采用傳統(tǒng)的模擬量和開關(guān)量信號，生產(chǎn)過程的監(jiān)控只能到達I/O子系統(tǒng)。
在近幾年的電力建設(shè)過程中，電力生產(chǎn)企業(yè)的信息化管理引起了廣泛的重視，投入了大量的資金構(gòu)建輔助控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、電廠實時監(jiān)控系統(tǒng)(SIS)和電廠信息管理系統(tǒng)(MIS)，而對于現(xiàn)場級的設(shè)備依然采用傳統(tǒng)的裝置和方式接入控制系統(tǒng)I/O子系統(tǒng)。這對于以預(yù)測性設(shè)備維護和設(shè)備管理為預(yù)期目標的信息化建設(shè)，無疑是"無源之水"。因此解決電廠"信息盲區(qū)"的根本出路是應(yīng)用支持現(xiàn)場總線的智能現(xiàn)場設(shè)備。
三、應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)存在的問題
電廠應(yīng)用現(xiàn)場總線的主要障礙有:
(1)現(xiàn)場總線標準多，用戶選擇無所適從。
(2)支持現(xiàn)場總線標準的智能現(xiàn)場設(shè)備的規(guī)格和品種較少，尤其是針對電廠開發(fā)的智能設(shè)備較少，不能滿足電廠各專業(yè)的需要。
(3)支持現(xiàn)場總線標準的智能現(xiàn)場設(shè)備價格較高。盡管基于現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)軟硬件費用與DCS相比持平或略高，但FCS對于控制系統(tǒng)的設(shè)計、建造、調(diào)試直至運行、維護的整個項目生命周期成本同DCS相比要低得多。
(4)連接現(xiàn)場總線設(shè)備底層的網(wǎng)絡(luò)不支持冗余結(jié)構(gòu)。
除了上述這些應(yīng)用障礙之外，筆者以為還有以下一些制約因素:
(1)現(xiàn)有電廠的基建模式。電廠控制設(shè)備的采購大多是由設(shè)計院編制設(shè)備規(guī)范書，由建設(shè)單位組織采購，也有一些設(shè)備由施工單位采購，還有的控制裝置由主機廠配套或分包。這種設(shè)備的采購方式難以保證按照統(tǒng)一的總線標準供貨，不同的現(xiàn)場總線標準是不兼容的。
(2)在設(shè)計院內(nèi)部，自動控制涉及電氣專業(yè)、熱控專業(yè)甚至系統(tǒng)專業(yè)。這些專業(yè)分管的系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備各不相同，成百個設(shè)備在設(shè)計和訂貨時要求電氣和熱控采用統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準，難度可想而知。
(3)投資方、建設(shè)單位、施工單位甚至設(shè)計院的技術(shù)人員對現(xiàn)場總線技術(shù)缺乏深入的了解。
(4)設(shè)計觀念的限制。
(5)缺乏合理的設(shè)計周期。
(6)對于設(shè)計人員缺乏創(chuàng)新的機制和動力。
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四、電廠應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)的目標和對策
首先，我們必須在電廠自動化和信息化方案的規(guī)劃和設(shè)計過程中，避免陷入為現(xiàn)場總線而現(xiàn)場總線的誤區(qū)。應(yīng)將降低電廠生命周期成本和以合理的投資建設(shè)企業(yè)的信息化平臺和企業(yè)管理體系作為投資方、建設(shè)單位和設(shè)計院共同追求的目標。基于這樣的原則和指導(dǎo)思想，我們將會實事求是地研究現(xiàn)有控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)帶給我們的自動化和信息化產(chǎn)品，構(gòu)建電廠監(jiān)控和信息管理系統(tǒng)[4][5]。
其次，在電廠自動化和信息化的規(guī)劃過程中，依然要結(jié)合電廠各工藝和生產(chǎn)過程的特點，采用最合適的現(xiàn)場總線標準和檢測、控制裝置，不應(yīng)強求在全廠統(tǒng)一應(yīng)用一種現(xiàn)場總線標準。在監(jiān)控層和信息管理層，以太網(wǎng)和OPC協(xié)議、交換機、網(wǎng)關(guān)等工業(yè)IT技術(shù)已經(jīng)提供了不同網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)技術(shù)。不應(yīng)過分強調(diào)在工程使用的是FCS，還是DCS或PLC+現(xiàn)場總線，只要符合上述原則，就是最合適的控制系統(tǒng)。
筆者認為:
(1)設(shè)計院自動化設(shè)計人員應(yīng)在現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用中起領(lǐng)先和推動作用。但設(shè)計院應(yīng)對應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)作出透徹的技術(shù)分析報告，講清應(yīng)用現(xiàn)場總線的利弊和投資估算，提出切實的項目實施計劃和風險應(yīng)對方案，以求得投資方和建設(shè)方的支持。
(2)在應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)方面設(shè)計人員要有創(chuàng)新意識，管理層要為設(shè)計人員營造設(shè)計創(chuàng)新條件和環(huán)境。要解決熱控和電氣兩個專業(yè)在控制系統(tǒng)規(guī)劃上各自為政的現(xiàn)狀，要充分重視全廠自動化和信息化方案的總體規(guī)劃，必要的時候?qū)蓚€專業(yè)的分工要進行適當?shù)恼?。無論主機招標、輔機招標或輔助系統(tǒng)招標以及DCS、PLC系統(tǒng)的招標，必須把支持應(yīng)用現(xiàn)場標準的產(chǎn)品要求作為必要條件予以明確。
(3)投資方、建設(shè)單位對于設(shè)計院采用現(xiàn)場總線技術(shù)的設(shè)計方案，須給予足夠的設(shè)計周期，并在技術(shù)方案論證和產(chǎn)品設(shè)計選型方面給予必要的支持。在確定工程采用某種類型的總線標準后，設(shè)計院在總線產(chǎn)品方面應(yīng)有更多的自主權(quán)。建設(shè)單位可以改變以往控制裝置由系統(tǒng)集成商配套的做法，各輔助系統(tǒng)采用的PLC可以確定合適的某兩種總線標準集中招標采購，以利于現(xiàn)場設(shè)備的總線標準統(tǒng)一。
(4)由于現(xiàn)場總線不同于常規(guī)設(shè)計，設(shè)計院自動化專業(yè)的深度和難度均有所提高，因而相應(yīng)的設(shè)計費用和設(shè)計定額也要作出合理的調(diào)整。
(5)自動化設(shè)計人員要努力提高自己的業(yè)務(wù)水平，加深設(shè)計深度，如P&I圖、儀表位置布置圖、調(diào)節(jié)框圖和邏輯圖、設(shè)備規(guī)范和數(shù)據(jù)表、接線圖、電源配置圖等。
當采用FF現(xiàn)場總線時，在P&I圖的設(shè)計中，需引入?yún)^(qū)域設(shè)計的概念。為了達到調(diào)節(jié)功能和邏輯的可靠和完整，通常一個回路的所有I/O應(yīng)處于相同的區(qū)域，每個區(qū)域可以有2～6個回路。采用P&I應(yīng)確保所有與區(qū)域回路有關(guān)的點都在那個區(qū)域內(nèi)。不僅如此，還要學習和掌握現(xiàn)場總線的接線、布線技術(shù)和計算方法。因為現(xiàn)場總線的接線不同于常規(guī)DCS和PLC控制系統(tǒng)的接線?，F(xiàn)場總線區(qū)域設(shè)計將取代傳統(tǒng)的I/O分配連線。儀表位置布置圖的作用是確定網(wǎng)絡(luò)主干和分支以及接線盒的位置，這才能保證總線安裝符合區(qū)域長 度、分支長度和終端位置的要求，實現(xiàn)現(xiàn)場總線的成功安裝和工作。此外，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)存在三種拓樸結(jié)構(gòu):總線帶分支結(jié)構(gòu)、樹型或分支或雞爪型結(jié)構(gòu)、雛菊鏈拓樸結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)適用的場合不同，要避免使用雛菊鏈拓樸結(jié)構(gòu)，它雖然能降低電纜和安裝費用，但對系統(tǒng)維護和可靠性極為不利[6]。
現(xiàn)在許多的現(xiàn)場總線設(shè)備之間的連接己采用了接插件的方式，控制系統(tǒng)發(fā)展將達到絕大部分系統(tǒng)設(shè)備之間的連接采用預(yù)制電纜和接插件模式。
(6)現(xiàn)場總線的冗余問題，如FF Hl和Profibus-PA不支持冗余網(wǎng)絡(luò)，不應(yīng)制約現(xiàn)場總線 技術(shù)的應(yīng)用。只要對現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)合理規(guī)劃，就像在DCS I/O分配時不能將互為備用或冗余的點集中在同一卡件的原則一樣，現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)上掛結(jié)的現(xiàn)場設(shè)備也需避免同樣的問題。在萊城發(fā)電廠使用3UF5 SIMAOCOD-DP時最初發(fā)生的問題就屬于這一類，最初的設(shè)計將數(shù)臺磨煤機、風機的A/B潤滑油泵馬達的智能控制器掛結(jié)在同一根總線上，且采用的是雛菊鏈的連接方式。像這樣的設(shè)計，即使采用冗余網(wǎng)絡(luò)，也不能解決設(shè)備檢修和可靠性的問題。
(7)電廠現(xiàn)場總線的選擇。電廠輔助系統(tǒng)如煤頂、水系統(tǒng)本質(zhì)上屬工業(yè)自動化的范疇，且PLC在這些場合依舊發(fā)揮主要作用，因此選用支持Profibus-DP、ControlNet等總線標準的產(chǎn)品均是合適的選項[7][8]。筆者認為在輸煤出灰系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)最能體現(xiàn)其優(yōu)勢。
在主廠房熱力系統(tǒng)的控制中，F(xiàn)F當是最佳的選項，單回路控制分散到現(xiàn)場，就如早期的基地式調(diào)節(jié)器回路，但在性能方面己不可同日而言。但FF同Profibus相比，不足之處在于產(chǎn)品系列不全，給構(gòu)建完整統(tǒng)一的總線網(wǎng)絡(luò)造成困難。據(jù)最新的現(xiàn)場總線技術(shù)資料顯示，目前己有一些智能設(shè)備和控制系統(tǒng)的供應(yīng)商已開發(fā)了支持多種現(xiàn)場總線標準的產(chǎn)品，這給現(xiàn)場級總線設(shè)備的選用帶來了方便。且支持現(xiàn)場多種總線標準的通訊模件也已問世，這樣可通過通訊接口模件將不同標準的現(xiàn)場級設(shè)備集成到一個DCS或PLC控制系統(tǒng)中。當然，主廠房內(nèi)Profibus、WorldFIP也是較好的選項。德國尼德豪申電廠是迄今現(xiàn)場設(shè)備采用 Profibus范圍最廣的一個實例，西門子公司將其作為推廣現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的示范電廠，國內(nèi)許多建設(shè)單位和設(shè)計院在參觀回國后均將此電廠作為應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)的參考;華能珞磺電廠二期工程除現(xiàn)場設(shè)備采用常規(guī)儀表和裝置外，整個控制系統(tǒng)均遵循WorldFIP總線協(xié)議。
需要說明的是，在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，支持現(xiàn)場總線協(xié)議的遠程I/O的應(yīng)用依然是一個十分現(xiàn)實和具有吸引力的設(shè)計方案。
(8)目前我國電力建設(shè)中SIS的投資過于龐大，當采用現(xiàn)場總線之后，部分功能完全可以在控制系統(tǒng)自身內(nèi)部實現(xiàn)，當然管理信息也可以傳遞到管理信息層。因此，在SIS未參與實時和優(yōu)化先進控制方式下以及與機組控制系統(tǒng)未實施雙向通訊的情況下，目前SIS系統(tǒng)中心交換機和網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等采用的冗余配置均可以簡化，甚至可以在充分考慮和設(shè)置了網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)后和MIS合網(wǎng)，這樣只需在MIS設(shè)置實時數(shù)據(jù)庫，即可達到管理層對過程數(shù)據(jù)的采集、處理和監(jiān)視的目的。從SIS部分節(jié)省下來的投資可以投入現(xiàn)場級智能設(shè)備的購置和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。此外主控室大屏幕的設(shè)置也無必要，因為它與提高電廠自動化水平和信息化管理并無直接的關(guān)聯(lián)，其節(jié)省的投資也可用于現(xiàn)場級，其意義和效益將更加顯著。
五、結(jié)語
合理規(guī)劃電廠的自動化和信息化架構(gòu)，降低工程造價，提高電廠自動化和信息管理水平，投資方、建設(shè)方以及設(shè)計院，同設(shè)備供應(yīng)商一道推動現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠的應(yīng)用，享受新技術(shù)帶來的效益和成果。
（轉(zhuǎn)載）
