現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電廠中的應(yīng)用

按照國際電工委員會(huì)IEC／SC65C的定義，安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室內(nèi)的自控裝置之間的數(shù)字式、串行和多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線。以現(xiàn)場(chǎng)為基礎(chǔ)形成的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）。由于它適應(yīng)了控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向，給自動(dòng)化系統(tǒng)的最終用戶帶來了更大的實(shí)惠和方便。自其出現(xiàn)之日起就受到廣泛關(guān)注，迅速成為世界范圍內(nèi)控制技術(shù)的熱點(diǎn)，并促使目前生產(chǎn)的自動(dòng)化儀表、PLC、DCS產(chǎn)品面臨體系結(jié)構(gòu)、功能等方面的重大改變，導(dǎo)致自動(dòng)化產(chǎn)品又一次面臨更新?lián)Q代。自20世紀(jì)80年代中期提出現(xiàn)場(chǎng)總線概念以來，國外各大知名公司已相繼開發(fā)了數(shù)十種現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，如FF、Profibus、WorldFIP、ControlNet、InterBus、P-net、SwiftNet、CAN等，并成功地應(yīng)用在石油、汽車等不同的生產(chǎn)領(lǐng)域，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)了控制技術(shù)的不斷發(fā)展。

隨著國家電力體制改革的深入
，實(shí)行廠網(wǎng)分開、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的政策，電廠為提高經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，需要進(jìn)行生產(chǎn)經(jīng)營的整體優(yōu)化，把生產(chǎn)過程、企業(yè)管理、市場(chǎng)營銷等各個(gè)環(huán)節(jié)組織為一個(gè)系統(tǒng)，從全局角度制定各功能層次的實(shí)施策略，實(shí)現(xiàn)一體化目標(biāo)下的綜合自動(dòng)化。長(zhǎng)期以來，困擾這一發(fā)展的主要問題是工業(yè)自動(dòng)化“信息孤島”問題?，F(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)，徹底打破了這么多年來從未解決的格局，它為控制網(wǎng)絡(luò)與以傳輸信息和資源共享為主的信息網(wǎng)絡(luò)的連接提供了方便，為電廠構(gòu)建管控一體化的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)鋪平了道路。

1 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的電廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成

不同廠家的產(chǎn)品在系統(tǒng)構(gòu)成上各有不同之處。電廠熱工控制系統(tǒng)中所使用的儀表設(shè)備、連接方式和通信協(xié)議的不同，給系統(tǒng)的兼容性、可擴(kuò)展性、穩(wěn)定性、維護(hù)等帶來了很大的困難。為了使現(xiàn)場(chǎng)總線具有開放性，便于用戶選擇不同的產(chǎn)品，我們按照國際電工委員會(huì)（IEC）制定的IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)，提出了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的電廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。
1.1 現(xiàn)場(chǎng)控制層

現(xiàn)場(chǎng)控制層由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制網(wǎng)絡(luò)段組成。H1層網(wǎng)絡(luò)是在FF現(xiàn)場(chǎng)總線的H1層基礎(chǔ)上定義的低速現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，低速總線H1支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接、總線型、菊花鏈型、樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要用于連接現(xiàn)場(chǎng)智能儀表，如壓力、溫度、液位、流量等變送器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。 H1采用IEC1158-2的數(shù)字式、位同步、曼徹斯特編碼傳輸數(shù)據(jù)協(xié)議，通信速率為31.25kbps（電壓式）。H1采用屏蔽電纜，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用線型或樹型，或者兩種組合型結(jié)構(gòu)。與H1相連的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表需要24V直流電源時(shí)，可通過屏蔽電纜線提供，也可單獨(dú)提供。

1.2 監(jiān)控層

監(jiān)控層由高速以太網(wǎng)（H2總線）以及連接在總線上的擔(dān)任監(jiān)控作務(wù)的工作站或顯示操作站組成。H2層網(wǎng)絡(luò)屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的高速現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，主要用于連接現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備（PLC、遠(yuǎn)程I／O、電動(dòng)門、變頻器等）、操作員站、工程師站等設(shè)備，完成監(jiān)控級(jí)的通信任務(wù)和比較復(fù)雜的控制策略。運(yùn)行人員通過操作員站實(shí)現(xiàn)工藝過程參數(shù)、狀態(tài)的監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。工程師站完成控制器、現(xiàn)場(chǎng)智能儀表／設(shè)備功能塊編制和參數(shù)設(shè)定及修改等。

1.3 企業(yè)管理層

企業(yè)管理層由各種服務(wù)器和客戶機(jī)組成。其主要目的是在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下集成企業(yè)的各種信息，實(shí)現(xiàn)與Internet的連接，完成管理、決策和商務(wù)應(yīng)用的各種功能。首先要將監(jiān)控層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的信息轉(zhuǎn)入上層的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，這樣管理層用戶就能隨時(shí)查詢網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工況，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。賦予一定的權(quán)限后，還可以在線修改各種設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，從而在企業(yè)網(wǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)底層測(cè)控信息的實(shí)時(shí)傳遞。

2 在電廠應(yīng)用中存在的問題

2.1 適應(yīng)控制技術(shù)發(fā)展的需要

每當(dāng)采用一種新的控制技術(shù)，人們都要經(jīng)歷一個(gè)思想轉(zhuǎn)變過程。當(dāng)年在電廠采用DCS時(shí)，對(duì)其可靠性、安全性、適宜性也表示過懷疑，也是經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的試點(diǎn)應(yīng)用才逐步消除了對(duì)DCS的不信任感?，F(xiàn)在DCS已廣泛、成功地應(yīng)用在電廠控制領(lǐng)域中，并且還在不斷改進(jìn)、提高以適應(yīng)不斷發(fā)展的需要?，F(xiàn)場(chǎng)總線的控制理念與DCS有很大的區(qū)別，很多已經(jīng)習(xí)慣了采用看得見、摸得著的DCS控制器完成的PID等控制功能，現(xiàn)在改在現(xiàn)場(chǎng)智能儀表中完成，確實(shí)需要一個(gè)適應(yīng)過程。

DCS已是一個(gè)非常成熟的技術(shù)，而現(xiàn)場(chǎng)總線還處在不斷地應(yīng)用、改進(jìn)過程中，因此在現(xiàn)階段要全面地用現(xiàn)場(chǎng)總線代替DCS也是不客觀的。現(xiàn)場(chǎng)總線是對(duì)DCS控制功能的拓展、提高，是控制技術(shù)的發(fā)展方向，所以我們既不要盲目采用，也不要輕易拒絕，應(yīng)積極、主動(dòng)地了解現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，在合適的工程中試點(diǎn)應(yīng)用，在實(shí)際運(yùn)行中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并逐步完善以推廣在電廠中的應(yīng)用。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的問題

IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)不是唯一性的，而是8種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的集合，這主要是為了保護(hù)每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線制造商的利益。由于現(xiàn)在應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品基于不同的協(xié)議，所以其開放性并不能得到很
好的體現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用。為了未來的市場(chǎng)，各制造商在不斷地改進(jìn)自己的產(chǎn)品，向國際標(biāo)準(zhǔn)靠攏，如西門子公司先開發(fā)了Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線（相對(duì)于H2層），用于連接PLC、變頻器等設(shè)備，為了市場(chǎng)的需要又開發(fā)了ProfiBus-PA現(xiàn)場(chǎng)總線（相對(duì)于H1層），主要與現(xiàn)場(chǎng)智能儀表相連。因此要想應(yīng)用好現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，就要認(rèn)真研究國際標(biāo)準(zhǔn)及各制造商的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 了解、研究每種現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用特點(diǎn)

每種現(xiàn)場(chǎng)總線都是為了完成某一特定的生產(chǎn)過程控制而開發(fā)的，即每種現(xiàn)場(chǎng)總線都有其專用的應(yīng)用領(lǐng)域，如FF適用于流程工業(yè)，Profibus適用于工廠自動(dòng)化領(lǐng)域，CAN適用于汽車工業(yè)，LON適用于樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域等。到目前為止，還沒有哪家的產(chǎn)品可以適用所有的控制領(lǐng)域。所以為了在電廠用好現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，應(yīng)對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品進(jìn)行深入地了解、比較，研究其擅長(zhǎng)應(yīng)用的領(lǐng)域、在電廠中應(yīng)用存在的問題和解決的辦法。

2.4 冗余方式的考慮

為了提高DCS的可靠性，采取了操作站冗余、通信總線冗余、電源冗余、控制器冗余及I／O冗余等多種措施。當(dāng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線時(shí)，其冗余性自然引起了廣泛的注意。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線的監(jiān)控級(jí)及H2層，操作站冗余、監(jiān)控級(jí)網(wǎng)絡(luò)冗余、H2層網(wǎng)絡(luò)冗余及連接在其上的設(shè)備（如控制器等）冗余、電源冗余是很容易做到的。

對(duì)于H1層網(wǎng)絡(luò)，原DCS冗余控制器的所有功能都分散到各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表中，危險(xiǎn)已經(jīng)完全分散，一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的故障只影響到本身或相關(guān)的少量智能設(shè)備，其影響范圍遠(yuǎn)低于DCS冗余控制器故障的涉及面，就地智能儀表的功能塊設(shè)計(jì)可保證故障時(shí)相關(guān)智能設(shè)備置于安全位，因此每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表是不需要CPU 冗余的。況且采用現(xiàn)場(chǎng)總線后取消了大量的控制電纜，現(xiàn)場(chǎng)總線的保護(hù)措施可以提高，降低了H1的故障率，所以H1層網(wǎng)絡(luò)不采用冗余方式是可以接受的。鑒于電廠對(duì)安全性的要求，在現(xiàn)階段對(duì)于重要的回路控制還是應(yīng)該采用安全的措施以提高安全性、可靠性，同時(shí)通過在電廠的逐步應(yīng)用和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，找出適合電廠安全要求的冗余方案。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的功能設(shè)計(jì)

采用現(xiàn)場(chǎng)總線所面臨的一個(gè)較大工作是現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的功能設(shè)計(jì)。采用DCS時(shí)，當(dāng)輸入／輸出信號(hào)制、I／O點(diǎn)數(shù)確定以后，DCS的選擇、功能設(shè)計(jì)就與現(xiàn)場(chǎng)儀表沒有多大關(guān)系了。當(dāng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線時(shí)情況就不同了，原在DCS中完成的許多控制功能轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)智能儀表中完成，因此現(xiàn)場(chǎng)總線的選型、功能的設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)智能儀表緊密地聯(lián)系在一起。在設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定一個(gè)統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)總線及現(xiàn)場(chǎng)智能義表都要遵守此協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的工藝分布情況、防爆等級(jí)要求、測(cè)量參數(shù)范圍及完成的功能等確定一個(gè)初步的現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)，計(jì)算采用 H1、H2網(wǎng)絡(luò)段的個(gè)數(shù)，確定每段所帶現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和設(shè)備的數(shù)量及每段的通信速率；最后根據(jù)工藝運(yùn)行要求定義每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的控制功能，通過工程師站對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行功能塊組態(tài)設(shè)計(jì)。上述工作已打破原控制功能的設(shè)計(jì)界限，把控制室設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)智能儀表作為一個(gè)整體來考慮，合理的現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)和控制方案可能需要經(jīng)過多次的重復(fù)計(jì)算、比較才能確定。
3 現(xiàn)狀及發(fā)展前景
經(jīng)被大家掌握且價(jià)格已經(jīng)很低，所以現(xiàn)在乃至今后的一段時(shí)間內(nèi)DCS還會(huì)存在下去，還將是電廠控制系統(tǒng)的首選方案。大部分DCS廠家已經(jīng)意識(shí)到現(xiàn)場(chǎng)總線將是電廠控制技術(shù)的發(fā)展方向，為此在改進(jìn)、提高現(xiàn)有DCS功能、性能及可靠性的同時(shí)也在積極地開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線接口技術(shù)及產(chǎn)品。很多用戶看到了現(xiàn)場(chǎng)總線的諸多優(yōu)點(diǎn)，也在做一些應(yīng)用嘗試。目前現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電廠局部生產(chǎn)過程中已試點(diǎn)應(yīng)用，例如國內(nèi)電廠已有在電除塵的控制上采用現(xiàn)場(chǎng)總線的成功應(yīng)用，為今后大范圍應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。綜合現(xiàn)狀，在未來的一段時(shí)間內(nèi)，控制系統(tǒng)將出現(xiàn)DCS與現(xiàn)場(chǎng)總線共存的局面。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是一項(xiàng)發(fā)展很快的新技術(shù)。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷完善，通信協(xié)議逐步統(tǒng)一規(guī)范，真正實(shí)現(xiàn)了開放性及互操作性，并通過在電廠應(yīng)用中取得充分的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，用戶對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用技術(shù)掌握到一定的深度，對(duì)其優(yōu)越性建立足夠的信心，預(yù)計(jì)在不久的將來，現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)將會(huì)逐步在電廠自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到推廣應(yīng)用，這是自動(dòng)化控制