浅谈现场总线技术及其应用

摘要：现场总线设备作为智能电厂的智能设备，可以确保热控检修维护人员大量消减的条件下机组依然能够安全稳定运行，大幅减少校验和日常的维护工作量，是智能电厂不可或缺的重要设备。

关键词：智能电厂;智能设备;FCS;现场总线

引言

FCS作为新一代控制系统，克服了DCS系统专用的通信网络弊端，把DCS的集中与分散相结合的结构升级成新型全分布式结构，同时把控制功能彻底下放到现场。开放性、分散性以及数字通讯是现场总线系统最显著的特征。

现场总线技术（FCS）是一种分散型、全开放、全数字的新型控制手段，它完成了现场级设备的数字化、网络化，它的根本目的是让涉及整个机组工艺流程的信息均实现数字化，特别是来自基层控制级的信息可以准确、及时地把握。 现场总线技术的意义取决于数目庞大的现场级设备数字化状态信号传输至集控室，可以实现在线故障预测和在线检修，大量的现场设备实时信息为运行决策提供了凭据与根基[1]。

1 现场总线技术分类

1.1 基金会（FF）现场总线：

基金会现场总线FF是非商业性的国际标准化组织，其宗旨是制定单一的国际现场总线标准，无专利许可要求，供任何人使用。

FF的通信模型由四层构成，即物理层、数据链路层、应用层及用户层，在OSI模型基础上增加了用户层。FF物理层分低速H1和高速H2两级总线，前者支持总线供电和本质安全防爆环境。

FF总线采用两线制，适用于连续量控制，多用于电厂中的温度、压力、液位、流量、分析仪表以及气动阀门定位器、电动执行机构、离散开关等信号传输。由于FF总线宏周期一般在100ms～1s之间，无法满足电厂快速处理回路50ms的要求，故工艺系统中需快速响应和处理的开关量信号还是采用常规DCS的I/O模块处理。

1.2 Profibus现场总线

Profibus是德国联邦科技部按照ISO/OSI参考模型制訂的现场总线德国国家标准，后成为欧洲的总线标准（EN50170）。

Profibus根据应用特点，主要包括：最高传输速率可达12M的高速总线Profibus DP;用于过程控制的本安型低速总线Profibus PA，用于对安全性要求高的场合及总线供电的站点;另外，用于生产车间的Profibus FMS，可完成车间级通用性通信任务和中等传输速度的循环和非循环通信任务。Profibus既适合于自动化系统与现场信号单元的通讯，也可用于连接带有智能卡件的变送器、执行器等其它现场设备[2]。

2 现场总线的优点

现场总线技术是网络通信、微型机、仪器仪表和测试、超大规模集成电路、全过程控制和生产管理等等现代高新技术高速发展的集中产物，由此现场总线的概念已经不再是指一种通讯标准或单根通信线。现场总线的控制系统在可靠性、精确度、经济性等诸多方面都要比往常的普通控制系统要卓越很多，其主要特点如下;

1）系统的开放性。

在现场总线控制系统中，设备终端同时靠接现场总线和局域网两层网络上，可以同其它网络或控制系统进行快速信息交换，完成资源共享。现场总线系统对所有制造商和用户开放它的技术标准，进行技术共享，其它设备或系统只要遵守与现场总线相同的标准就可以和现场总线无缝连接。

2）通讯的广泛交互性

现场总线技术通讯丰富，设备间、系统间不仅可以信息互联，进行信息交换和P2P数字通讯，而且能够实现不同厂家的相似设备之间的通用与互换，为后期的使用和维护提供了方便。

3）就地设备的功能自主性与智能化

现场总线采用双向数字通讯，它将传统的许多任务，例如数据处理与控制、传感测量、补偿计算等下放到现场，单体设备即可完成自动控制的功能，并且能进行实时诊断，进而完成控制系统对现场测控装置的远程维护与管理。

4）系统结构的高度分散性

在现场总线系统中，就地的单体设备已经具有自动控制的性能，由这些装置组成的控制系统便是全分散式体系结构，精简了系统结构，提高了稳定性。

5）现场环境的多适应性

现场总线传输功能强大，常见的很多传输介质，例如光缆、双绞线、射频、同轴电缆、红外线等都可以支持，同时其抗干扰性能更加优越，现场总线采用两线制实现供电与信号传输，并且满足本安型防爆需求。

6）数字化电厂的可行性

现场总线技术可提供完整的现场设备在线信息，进而完成准确可靠的数字化信息互换、跨平台的实时资源互享，最终实现对电站工作对象的全寿命周期分析、量化、决策与控制。

3 全厂现场总线设计设想

从目前现场总线应用实例可以看出，分散控制系统结合现场总线技术的工程一般是采用Profibus DP和FF、Profibus DP和Profibus PA两种总线方式，现场设备如总线仪表、定位器和执行机构根据控制系统类型确定。

1）总线范围

使用依托于现场设备层的现场总线控制系统，设备顺序控制逻辑与控制回路的控制策略仍然由DCS控制系统的控制器来实现，而如若有一些回路简单，过程较为单一，非重要又不影响整个机组安全的系统，其控制功能则可选择用现场总线系统的相应设备来进行实现。

现场总线技术在脱硫系统中当有着较为广泛的应用，除系统中的6kV电动机、锅炉烟气进出口挡板、吸收塔排空门、真空皮带机、烟气分析仪器与电磁阀外，其他设备当都可采用现场总线技术。

2）经济分析

依据某工程现场总线设计范围应用原则，全厂现场总线设备共约1500点。

采用现场总线技术后，分散控制系统、现场总线执行机构、阀岛、现场总线仪表等设备所需的电缆、汇线槽、桥架、机柜及安装成本和土建成本与常规相比大量减少，其中节约电缆差额340千米（减少控制电缆，增加总线电缆），节约桥架约70吨，但总线设备投资比常规设备有所增加。采用现场总线技术方案比常规方案投资成本稍有增加[3]。

另外进一步拓展现场总线数据的应用，利用其中的有效信息判断设备的运行状态，需要有适合的现场总线应用平台。

4 结语

在实际工程中可在主辅系统全面采用现场总线技术，并在设备招、投标过程落实有关现场总线方案的技术要求，确保总线方案在设备采购、设计、施工、调试中顺利实施，机组投产后切实将现场总线技术应用于设备的维护和管理、远程故障诊断等方面，显著提高机组的运行管理水平，进而完成准确可靠的数字化信息交换以及跨平台的实时资源共享，为火电站向智能化转型奠定基础，为实现对电厂控制对象的全寿命周期分析、量化、控制和决策提供可靠的参考。

参考文献

[1]张伦. 数字化发电厂的设计与应用[D]. 华北电力大学（北京），2014.

[2]刘中华 等. 智能电厂建设探讨[J]. 《能源研究与管理》，2018（4）：52-54.

[3]王韫凌. CANopen总线在化纤设备上应用实例浅析[J].《国际纺织导报》2010（7）：47-48+50.

作者简介：谢进安，（1984—），性别男，籍贯宁夏石嘴山市，职称工程师，学历本科，研究方向火电厂热工控制。

浙江浙能镇海发电有限责任公司，浙江宁波 315208