現場總線應用于電力行業的全面分析

李利：

電力行業是一個自動化程度非常高的行業，如主機DCS系統、脫硫DCS系統以及主要輔機程控系統，這些系統都存在可靠性要求高、監控設備和對象多而復雜、實時性要求高等特點。特別是主機DCS系統，涉及數百臺壓力和差壓變送器，數百臺電動或啟動執行機構，數百個溫度測點，系統要進行復雜的閉環控制、串級控制、三沖量控制、比率控制，要進行設備連鎖控制，要進行復雜的鍋爐燃燒管理、機爐協調控制。所有這些都需要有高可靠性的控制系統來保證整個生產過程的安全、穩定、可靠運行。

隨著現場總線技術的出現和日臻成熟和電廠信息化要求的提高，基于現場總線的控制系統將為電力行業自動化系統提供更好的選擇。

目前制約基于現場總線的控制系統在電廠應用主要問題，我認為主要包括以下幾個方面：支持現場總線的智能設備造成初期投資的提高；有些設備和儀表不帶總線接口；哪些設備、儀表信息可以傳送；系統結構如何變化，如何構筑一個基于現場總線的控制系統；通訊是否可靠；設備選型的局限性等。深入研究，加快推廣：在電力行業應用現場總線有諸多好處，快速、可靠、高效、靈活，大大降低安裝維修成本，應加快推廣應用。但目前一些技術還有待完善，比如對處理速度要求高的硬件的開發應用沒有跟上，又比如，對于電廠內那些“功能組級”以上至“協調級”的復雜控制系統，采用所謂“分散”的系統結構十分合適、可靠，值得深入研究。

積極對國內外電廠應用現場總線系統的情況進行地調查、研究，不斷促進技術的完善，才能使現場總線技術在電力行業得以順利推廣應用。

三、總線標準

· 閻欣軍：

由于市場的驅動，世界各大控制系統廠家都相繼開發了各自的現場總線產品，現場總線標準繁多。要想達到開放、兼容、互操作和各總線間互聯的目的，就必須實行大家都遵守的國際標準。國際IEC/TC65標準化組織為統一現場總線通信協議，在10多年工作中，通過爭論與妥協，于1999年12月底通過了8種總線標準的折中方案。這8種總線的類型是：IEC技術報告（FF即H1）、CONTROLNET、PROFIBUS、P-NET、FFHSE、SWIFT NET、WOLDFIP、INTERBUS，再加上IECTC17B通過的3種現場總線國際標準，即SDS、ASI與Device Net，還有ISO11898的CAN，共有12種之多。

有幾種現場總線類型，就構成了幾種現場總線控制系統體系結構，也都有多家控制系統公司產品支持。由于各廠家對現場總線產品開發時還會要保護自己過去的投資利益，因此各廠家現場總線產品也就各有其應用領域專長，這也使得我們在應用現場總線設備或系統時，要充分考慮對象的實際特點，來合理選擇系統，最大限度地發揮其優勢作用。如果采用同一廠家開發的控制系統和控制設備，如西門子的分散控制系統、西門子智能執行機構、西門子智能現場儀表等，現場總線間通信沒有問題。但是不同制造廠家之間的通信問題還有待進一步完善。

行業人士普遍認為，現場總線目前最大的問題就是通信標準及可靠性問題。雖然國際電工委員會已經公布了現場總線的國際標準IEC61158，但該標準包含了8種現場總線，這就給用戶選擇帶來了困難。

趙瑞陽：

在電廠自動化和信息化的規劃過程中，依然要結合電廠各工藝和生產過程的特點，采用最合適的現場總線標準和檢測、控制裝置。不應強求在全廠統一應用一種現場總線標準，全廠統一為一種現場總線標準既無可能、也無必要。不應過分強調在工程使用的是FCS,還是DCS或PLC+現場總線。在監控層和信息管理層，以太網和OPC協議、交換機、網關等工業IT技術提供了不同網絡之間的互聯技術，可以實現管控一體化。

在主廠房熱力系統的控制中，我們似乎在近期不可能完全脫離主流DCS廠家的產品，用非主流DCS的現場總線產品去集成電廠的控制系統。支持FF和PROFIBUS總線標準的DCS產品當是較佳的選項，目前市場上現場智能設備普遍支持這兩種總線標準。

PROFIBUS是目前適用于整個電廠過程工業的單一現場總線標準，且產品系列齊全；不足之處是現場儀表和設備不支持控制策略，所有控制功能在中央控制器完成。FF總線現場智能設備可以實現部分現場控制策略，但邏輯控制還依賴于主站或中央控制器。但FF同PROFIBUS相比，不足之處在于產品系列不全，給構建完整統一的總線網絡造成困難。

據最新的現場總線技術資料顯示，目前已有一些智能設備和控制系統的供應商開發了支持多種現場總線標準的產品，這樣可通過通信接口模件將不同標準的現場級設備集成到一個DCS或PLC控制系統中，也就是說，單一的FF總線不能實現全部的電廠控制策略，需要與其他總線混合應用。

當然，WorldFIP也是一個可選項，它具有單一的總線，可用于過程控制和離散控制，而且沒有任何網橋或網關，低速與高速部分的銜接用軟件的辦法來解決。但由于它所占的市場份額較小，因而支持它的儀表設備供應商也較少，影響也較FF和Profibus小。

電廠輔助系統如煤、灰、水、脫硫系統，離散控制占主導地位，只含少量單參數連續調節回路，且物理位置分散。PLC在這些系統中將依舊發揮主要作用，同時電力設計院和工程公司在這些領域已取得十分成熟的工程經驗，因此選用支持Profibus-DP、ControlNet 、Modbus/Modbus Plus等總線標準的產品均是合適的。如這類總線控制系統可以通過轉換模件實現與FF總線產品的連接，那么系統中的單參數調節功能宜采用支持FF總線標準的就地智能儀表或執行器完成，并通過操作員實現對就地設備的遠程監控和調試。

何時打破行業標準“真空”：應當承認，在我國電力行業中推廣應用現場總線系統是剛剛起步，在電力行業內暫時還沒有一個專門為現場總線制定的標準，需要打破行業標準“真空”，規范、引導總線技術在行業中的應用。

目前，市場上現場總線產品多樣，國際標準也未能實現統一，為了避免今后在電廠或配電網控制中出現由于不同廠家產品通信協議不兼容而帶來的問題，國內有關機構或組織應對產品的選擇進行規范，通過調研和試點，選擇適用于我國電力行業的標準，并以用戶需求為導向，促進廠家間通信協議的盡早統一，或尋求一種可以兼容的方式。

四、現場設備

· 趙瑞陽：　

在電廠各系統中涉及到的儀表和裝置從傳感器、各種類型的過程變量變送器與邏輯開關、分析儀、執行機構到電氣的高低壓開關設備等不下數百種。雖然目前市場上的現場總線產品也已有上百種，而以單一現場總線標準提供的智能現場設備在規格和品種系列上還不齊全，支持總線標準的國產設備則更少。現在大多數現場智能設備往往只支持一種協議，最多兩種協議，如果要將各種不同協議的現場智能設備集成在一個系統中，其復雜程度可想而知。有些專家的觀點是盡量采用變送器來代替邏輯開關或傳感器，但通常情況下，變送器的價格是邏輯開關等裝置的數倍或十倍以上，智能現場總線儀表價格則更高，而在有些場合變送器還并不適用。因此，這些在進行系統規劃時，投資方和工程技術人員必須要權衡這些問題。

從上面的問題可以看出，我們所期待的是儀表和設備供應商能提供支持多種現場總線標準的產品，為用戶選型和集成系統提供方便。據了解已有一些供應商在這方面有所突破，如美國STONEL公司提供的閥門位置開關就支持ASI、Devicenet、Modbus、FF,還可以通過網關與Profibus、Ethernet相連。正如前面所述，目前電廠主廠房內控制系統的選擇因電廠獨特的生產特性，我們還不能脫離主流DCS產品，因此，未來現場總線智能設備和現場總線協議應融入DCS中，推動DCS功能進一步發展。

盡管我們可以通過總線協議轉換模件將不同標準的總線設備集成在一起，但如前所述，我們不可能指望短期內就完全實現現場設備的網絡化。在電廠應用領域，當有些現場儀表沒有現場總線產品時，或者不值得采用現場總線儀表時，選擇傳統儀表連接到能掛接到現場總線上去的遠程I/O則是較好的方案。在主廠房或輔助車間的某些測點比較集中的區域，通過智能遠程I/O同樣可以節省電纜和橋架等硬件及工程施工等方面的費用。遠程智能I/O的生產商需將信號輸出統一到采用符合國際的現場總線，并增加對每一點溫度傳感器（熱電偶、熱電阻）或變送器的遠程診斷和調校功能。事實上，有不少遠程I/O支持HART智能通信，通過集成在遠程I/O中的HART多路掃描器，建立獨立的遠程HART管理系統。

現場總線技術是開放的技術，因此國內儀表和設備供應商應抓住這個機遇，努力開發自己的產品，發展擁有自主知識產權的現場總線控制系統和現場設備，用優質、低價的產品盡快占領市場。新一輪的電力建設熱潮中，國外DCS和儀控產品幾乎占據了電廠控制系統的絕大部分市場，不能不說是我國自動化設備制造行業的尷尬。國產現場總線產品如果能迅速進入電力行業，將有助于進一步降低工程設備投資，更有利于保證我國的電力生產安全。誠然，這有賴于各電廠投資方、建設方和設計人員對國產控制系統和設備的信任和支持。

閻欣軍：

要推廣現場總線技術，必然要提到帶現場總線的現場儀表。現場總線的關鍵技術是通信協議標準的統一。現有招標法規定，超過50萬人民幣的設備必須招標，而國內現有的體制造成所選設備品種不一定一致，這樣會給總線標準的選擇帶來困難。

配套現場智能設備的現狀，單獨來看是滿足用戶要求的，但是目前一般的現場總線設備大都實現單一的控制功能，要在一個現場總線設備中同時實現兩種控制功能仍十分困難。作為控制設備制造商應該充分了解電廠的需求，在提高可靠性上下工夫，讓用戶用的放心。

此外，使用現場總線智能儀表及相應控制系統卡件增加的費用是相當驚人的，儀表與控制設備制造商應在降低成本上下工夫。

劉文：

相對電廠DCS而言，就發電廠電氣控制系統來說，一種基于現場總線技術的廠用電監控系統正越來越多地被應用到發電廠生產控制中。其技術原型是廣泛應用于220kV、500kV變電站的綜合自動化系統，其技術基礎是電氣系統中大量的智能型的終端設備，如智能型斷路器、馬達控制器、智能儀表、微機型綜合測控保護裝置等。

廠用電監控系統中壓部分一般采用微機型綜合測控保護裝置作為其間隔層設備，就是將已經有十多年運行經驗的基于微處理器的綜合保護裝置增加現場總線級的通信口，如RS485口、以太網口等，從目前運行單位的反饋意見來看，該裝置基本上能夠滿足電廠運行的要求。而廠用電監控系統中的低壓部分存在的問題相對多一些。

首先是由于作為低壓廠用電主體的低壓電器（如低壓框架斷路器、塑殼斷路器等）控制功能不夠完善，存在諸如I/O接口少、沒有支持雙網的通信口等問題，間隔層設備主要有以下幾種組合方式：采用智能斷路器的控制器的方式；采用斷路器配合智能型的馬達控制器的方式；還有的采用斷路器配合低壓綜合測控裝置的方式。這樣往往會造成運行維護的工作量，底層設備的增加、通信接點的增多也常常會帶來故障點的增加。本人認為，深化低壓斷路器的智能化，實現其功能模塊化、接口多樣化將是智能型終端設備的一個發展方向。值得一提的是國內的某些科研院所已經開發出基于DeviceNET和Profibus總線的智能型低壓電器設備，如數字量輸入輸出I/O、智能低壓斷路器、接觸器通信口等電器，這將為技術人員又提供一個選擇。

其次，由于低壓廠用電系統中低壓元器件數量巨大，遠多于中壓系統，往往會造成需要通過現場總線上傳的信息量巨大，存在某些極端事故情況下發生短時通信阻塞的可能性，或者造成實時故障信號延時上傳的情況。這往往是困擾業主和工程技術人員的一個心病。

另外，現場智能設備安裝于生產現場，環境通常比較惡劣，所以提供設備的可靠性、增強其抗干擾的能力也是廣大業主和工程技術人員所關心的問題。工程實際中技術人員往往采用裝設空調、增加隔離、屏蔽、接地等措施來保證其正常運行。 　

李利：　

對于新建電廠，選用帶總線接口的儀表、執行機構、變頻器、智能馬達控制器、閥門定位器等設備的條件已經成熟，因為很多知名的儀表、設備制造商如：SIEMENS、ABB、EMERSON等都可以提供多種可供選擇的成熟的帶總線接口的系統和設備，而且價格也逐漸與常規智能設備接近。而且基于HART協議連接變送器的結構已經在很多電廠獲得應用，在集中校驗、提高采集精度等方面得到了用戶的好評。而現場總線是比HART協議更全面的總線，因此具有更好的應用前景。在新建電廠的DCS、FGD 、DCS和輔機程控系統都可以采用現場總線系統，并且已經有很多非常成功的應用。

老電廠的改造系統，由于大量采用非智能儀表和執行機構，全面更換、更新可能性很小，PROFIBUS也可以為這種情況的系統提供很好的解決方案。可以采用遠程I/O的方式，通過常規I/O模塊采集非智能儀表的信號，然后通過PROFIBUS-DP總線連接到中央控制器。儀表和執行機構可以按設備生命周期逐批更換。

推進現場設備國產化：可以預見，在不遠的將來，現場總線將會廣泛應用于電力系統，與之密切相關的現場智能設備也必將有光明的前景。但是目前我國現場設備的研發生產狀況并不盡如人意，與國外同行業存在較大差距。到目前為止，我國的現場智能設備絕大部分依賴進口，只有個別產品可以實現國產化，如調節閥。隨著現場總線技術的推廣應用，現場設備技術研發和生產能力的跟進需要兩方面的支持：一是有關行業管理機構的引導與投入；另一方面也需要企業及時洞察市場商機，及早投入人力、財力進行相關技術研發。借鑒電力行業其他領域設備產品引進、消化、吸收、自主研發的國產化進程，總線技術在電力行業的推廣期待更多現場設備的國產化！

五、總線效益

· 閻欣軍：

采用現場總線后，原來傳統的現場儀表改用智能現場設備將增加一定投資，控制系統卡件改用支持現場總線卡件后費用增加；但是同時減少了電纜以及接線和查線工程量、電纜橋架及輔設工程量、I/O機柜以及相應的電子設備間空間。總體來講，投資是持平或略有增加。國外采用現場總線其中最大的一個原因是節約電纜安裝人力，因為國外人工費用非常高，使用現場總線后投資會大幅度減少，效益明顯。而國內人力便宜，在總體投資上并無優勢。

使用現場總線后，落實到成本控制，在設計階段現場智能儀表及控制系統卡件費用大量增加；在施工調試階段顯著減少了電纜敷設及接線的工作量；在移交生產后僅減少了對控制設備及電纜的維護管理人員，但這樣的人員減少基本上無法定量，因為無論是否采用現場總線控制設備，電纜的維護管理人員都是不可缺少的。

· 趙瑞陽：

不可否認，支持現場總線標準的智能現場設備價格相對較高。比如，支持FF或PROFIBUS-PA總線標準的智能變送器價格比帶HART協議的智能變送器約高20%（HART協議現為標準配置）；同樣，支持現場總線標準的智能執行機構比一般的智能執行機構也要高出20%～30%。

盡管如此，使用現場總線通常所帶來的布線費用的降低仍然會對工廠和安裝成本的降低產生影響。據ARC了解，使用現場總線，一個600MW燃煤發電廠能夠降低其總成本的40%，而它的每I/O點成本可以降低35%。由于ARC集團的研究報告未提供研究的邊界條件包括現場總線的使用范圍，我們無法評估這些數據的合理性。

從我國國情出發，如果使用現場總線產品，估計大部分設備還要依賴進口。同時國內工程建設的設計、施工和調試費用也與國外同行有較大差距，因此可以認為目前基于現場總線技術的控制系統軟硬件費用與傳統DCS相比持平或略高。但從長遠看，使用現場總線技術，可以通過智能資產管理降低維護費用，減少設備庫存。更重要的是，能為預測性維護解決方案提供準確、實時的現場數據，可以讓用戶研究和分析資產在性能方面細微和漸進的衰退，從而避免災難性的設備故障。并且可以減少設備非故障停機，提高系統的可用率水平。

因此，使用現場總線技術的控制系統從設計、建造、調試直至運行、維護的整個項目生命周期成本同傳統DCS相比確實要低得多。