浅谈现场总线技术在火电厂的应用前景

摘 要：介绍现场总线的发展历史及技术特点。通过现场总线与DCS的比较，分析其优缺点。阐述现场总线技术应用于火电厂控制系统在设计和使用方面需注意的问题，根据它在火电厂的应用实例表明现场总线的发展趋势与技术展望。

关键词：现场总线；统一标准；开放性；电厂数字化

现场总线（Fieldbus）是80年代末、90年代初发展形成的用于过程自动化领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为数字通信网络的基础在生产过程现场及控制设备之间及更高控制管理层次之间建立联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。

1 现场总线的技术特点

1.1 系统的开放性

开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。它把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

1.2 系统的互可操作性与互用性

这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。

1.3 现场设备的智能化与功能自治性

它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

1.4 系统结构的高度分散性

由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系。

1.5 对现场环境的适应性

工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的。它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。

2 典型的现场总线

2.1 基金会现场总线

基金会现场总线，即FoudationFieldbus，简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。它以IS0/0SI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。

2.2 LonWorks

LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术。它采用了 IS0/0SI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，被誉为通用控制网络。

2.3 Profibus

Profibus是作为德国国家标准DIN 19245和欧洲标准prEN 50170的现场总线。IS0/0SI 模型也是它的参考模型。Porfibus支持主一从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。

2.4 HART

HART是Highway Addressable Remote Transduer的缩写。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。

3 现场总线系统（FCS）与传统集散控制系统（DCS）区别

3.1 总线式结构

FCS是一对传输线（总线）挂接多台现场设备，双向传输多个数字信号。这种结构比DCS一对一的单向模拟信号传送结构布线简单，安装费用低，维护简便。

3.2 开放互操作性

现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网络，对用户是透明的，而在传统的DCS中不同厂家的设备是不能相互访问的。而FCS采用统一的标准，不同厂家的网络产品可以方便地接入同一网络，集成在同一控制系统中进行互操作，因此简化了系统集成。

3.3 彻底的分散控制

现场总线将控制功能下放到作为网络节点的现场智能仪表和设备中，做到彻底的分散控制，提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性，减轻了控制站CPU的计算负担。DCS的控制功能则集中于控制器，现场设备几乎不参与，从而加重CPU负荷。

3.4 经济性

FCS由于采用数字通讯方式，因此可采用多种传输介质进行通信。根据控制系统中节点的空间分布情况，可采用多种网络拓扑结构。这种传输介质和网络拓扑结构的多样性给自动化系统的施工带来了极大的方便，据统计，FCS与传统DCS的主从结构相比，只计算布线工程一项即可节省40%的经费。

4 现场总线系统在火电厂的应用

早在九十年代末，现场总线控制系统就已经在国外的电厂中得到应用。仅SMAR公司的 System302 就曾先后在美国的Seattle Steam、Mohave Generation Plant、巴西的CESE等电厂中得到应用，这些现场总线控制系统除了完成一般的数据采集功能之外，还实现了燃烧控制、给水控制、过热汽温控制、再热汽温控制、除氧器控制、以及电机的启停控制、联锁保护和报警等功能。

广州恒运电厂在#7机组（210MW）的脱硫控制系统中局部采用了现场总线技术的控制系统。该系统采用的是Profibiis现场总线，共采集了现场1140多个点，其中500点是模拟量点，其余的是数字量点。整个系统的设备组成如下表：

从两年多的运行情况看，控制系统运行稳定，各项控制功能及设备的联锁保护功能和报警历史趋势记录功能均表现良好。本来在原设计中现场设备均采用了现场总线技术，但最后安全考虑出于只在上位控制中采用现场总线。从以上实例可以看出，现场总线控制系统完全可以适应电厂复杂控制系统和高可靠性系统的要求，并且可以大量地节省系统投资，缩短安装调试时间，提高现场设备管理水平。

5 现场总线在火电厂的应用前景

目前在火电厂中普遍采用DCS控制系统，要推广现场总线系统还必须克服其不足之处。目前现场总线的国际标准己有12种之多，而且还有增加的趋势。造成的后果是，不论制造厂商也好，用户也好，面对众多的标准，在选择时往往感到困惑而无所适从。所以说，多标准实质上是没有标准。因此建立统一的标准是发展FCS的当务之急。另外，适用于过程控制的现场总线FF和Profibus PA都是没有冗余的，按照现场总线的设计思想，低速部分是不需要冗余的，因为现场总线已经将危险彻底分散了，局部故障不会导致全局故障，而现场总线的智能化仪表又有实现维修预报的功能而可事先防范。但在安全方面有特殊要求的部位确实是需要冗余的。如发电厂的汽包水位计、炉膛压力等参数，往往在测点上就必须有冗余。因此在现场总线系统设计时必须考虑冗余问题，毕竟对于电厂控制系统来说安全是第一要素。

尽管如此，现场总线在一些小型控制系统中已逐步取代DCS和PLC成为炙手可热的创新技术。随着智能化仪表和设备的涌现，现场总线控制系统的应用领域正在由小型的、试验性的系统转向大型的、重要的工业生产过程。许多用户正在把现场总线控制系统应用于大规模、甚至是超大规模的系统中。目前现场总线在火电厂的辅助车间（水处理，输煤，脱硫等）控制中也占有一席之地，相信在不久的将来主机的控制系统中也能见到它的身影。在电厂中应用现场总线控制系统的条件已经成熟。

6 结束语

现场总线控制系统在我国的应用还刚刚起步，特别是在电力行业，现场总线控制系统在大型火电机组中的应用还几乎空白。统计资料显示，电力行业在现场总线方面的应用业绩不及化工行业的十分之一。因此，现场总线控制系统在电力行业中的推广应用刻不容缓。现场总线控制系统的发展势头十分迅猛，其应用前景十分广阔。我们应该积极推进现场总线控制系统在电厂中的应用，为实现电厂的全面数字化奠定坚实的基础。

参考文献

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[4]高伟.计算机控制系统[M]北京：中国电力出版社，2000.11.

作者简介：符志强（1975，6-），男，籍贯：四川省达州市，现职称：助理工程师，学历：大学本科，研究方向：自动化。