現(xiàn)場總線應(yīng)用于電力行業(yè)的全面分析

21世紀(jì)，人類社會已經(jīng)邁入了信息化時(shí)代。隨著電力體制改革的深化，電力企業(yè)為提高生產(chǎn)過程自動化和管理現(xiàn)代化，必將投入大力進(jìn)行信息化建設(shè)。這是一個長期而艱巨的任務(wù)。電力系統(tǒng)是一個龐大而復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場總線技術(shù)作為連接生產(chǎn)現(xiàn)場的儀表、控制器等自動化裝置的通信網(wǎng)絡(luò)，是新一代分布式控制系統(tǒng)的核心技術(shù)，在電力行業(yè)內(nèi)，特別是在火電廠、變電站自動控制領(lǐng)域具實(shí)現(xiàn)信息化、數(shù)字化建設(shè)過程中具有廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景。

相比較而言，火電廠運(yùn)行系統(tǒng)更加復(fù)雜，控制參數(shù)更多、分散性強(qiáng)，且性質(zhì)各不相同。在火電廠的各級系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)過程中，最困難、進(jìn)展最緩慢的就是火電廠如何將數(shù)字化推向現(xiàn)場設(shè)備級。因此，推廣應(yīng)用現(xiàn)場總線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備級的數(shù)字化就成了實(shí)現(xiàn)火電廠全面數(shù)字化的關(guān)鍵一步。

可喜的是，國際上現(xiàn)場總線技術(shù)及現(xiàn)場總線智能設(shè)備的開發(fā)和推出已有近10年以上歷史，現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化紛爭也漸近統(tǒng)一，安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)已問世，現(xiàn)場總線智能設(shè)備也已十分成熟。近幾年來，國內(nèi)外現(xiàn)場總線技術(shù)在石油、化工等領(lǐng)域的應(yīng)用勢頭在加快。在電力行業(yè)也取得了一定的成績。

在電廠信息化的建設(shè)過程中，越來越多的專家、學(xué)者和電力工程設(shè)計(jì)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，已有許多論文提出了基于現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(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(shí)例還未見報(bào)道，見諸于文獻(xiàn)的還只是局部或試點(diǎn)應(yīng)用。由于電力生產(chǎn)對安全可靠性要求的特殊性，盡管大家對現(xiàn)場總線技術(shù)代表了未來電廠自動化的發(fā)展方向均持肯定和積極的態(tài)度，但在工程建設(shè)中亦不乏觀望與等待，使之難以較快進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用，個中原因多種多樣。

本期特別策劃，邀請了來自工程設(shè)計(jì)一線、生產(chǎn)廠家的幾位專業(yè)人士各抒己見，主要圍繞如何在火電廠中推廣應(yīng)用的問題，從總線技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場設(shè)備、效益、設(shè)計(jì)理念和今后的發(fā)展等多角度、全方位透視現(xiàn)場總線技術(shù)，以期給廣大讀者一個全面、客觀的介紹，既看到現(xiàn)場總線發(fā)展的廣闊前景，也不回避現(xiàn)在仍存在的分歧和誤區(qū)，本著交流經(jīng)驗(yàn)、探討問題的態(tài)度，為促進(jìn)現(xiàn)場總線在電力行業(yè)的推廣應(yīng)用助一臂之力。

一、總線技術(shù)

趙文華：

· 現(xiàn)場總線技術(shù)簡介

所謂現(xiàn)場總線，是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置之間、以及現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的開放式、數(shù)字化、串行和多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。

作為連接生產(chǎn)現(xiàn)場的儀表、控制器等自動化裝置的通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場總線是20世紀(jì)90年代國際上興起的新一代全分布式控制系統(tǒng)的核心技術(shù)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。采用現(xiàn)場總線技術(shù)可以促進(jìn)現(xiàn)場儀表智能化、控制功能分散化、控制系統(tǒng)開放化，符合現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢。

· 現(xiàn)場總線技術(shù)特點(diǎn)

（1）系統(tǒng)的開放性。所謂開放系統(tǒng)是指它可以與世界上任何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備或系統(tǒng)連接，通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換。用戶可按自己的需要和考慮，選擇不同供應(yīng)商的設(shè)備連入現(xiàn)場總線。

（2）互操作性與互用性?；ゲ僮餍允侵笇?shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)相互替換。

（3）現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性?，F(xiàn)場總線已構(gòu)成了一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。簡化了DCS，總體可靠性也有所改善。

（5）對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。工作在生產(chǎn)現(xiàn)場前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計(jì)的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。
由于現(xiàn)場總線的以上特點(diǎn)，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性?，F(xiàn)場總線技術(shù)引入我國雖然只有短短的十幾年，卻早已融入了工業(yè)控制領(lǐng)域的方方面面。目前公認(rèn)的適合于過程控制的主流現(xiàn)場總線主要有Profibus, FF, WOLDFIP等。

· 現(xiàn)場總線在電廠中的應(yīng)用

現(xiàn)場總線在電廠中的應(yīng)用能夠提高運(yùn)行的安全可靠性，表現(xiàn)在：

（1）完善的現(xiàn)場設(shè)備及信號的診斷功能，防止其故障或信號偏差導(dǎo)致控制和保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生錯誤信號而釀成事故(這是過去DCS事故的原因之一)。

（2）提高了信號的精度和速度。

（3）減少了大量端子和接線頭，大大提高了可靠性。

（4）采用數(shù)字通信，減少大量電纜，有利于抗干擾。

（5）控制功能和I/O功能的分散，簡化了DCS，總體可靠性也有所改善。

現(xiàn)場總線的應(yīng)用同時(shí)也適應(yīng)現(xiàn)代化管理的要求，采用現(xiàn)場總線及其智能現(xiàn)場設(shè)備無疑將增加一定投資，但根據(jù)國外實(shí)踐和一些用戶的報(bào)告，綜合投資成本還是可以減少(或增加不多)的，理由是：

（1）減少了I／O機(jī)柜、接線端子柜及相應(yīng)的電子設(shè)備間空間。

（2）減少了計(jì)算機(jī)電纜、橋架和敷設(shè)工程量及接線和查線工程量(據(jù)國外文獻(xiàn)稱可節(jié)省電纜66％以上，節(jié)省安裝費(fèi)用60％)。

（3）降低了系統(tǒng)集成、修改和技術(shù)改造費(fèi)用。

目前，電廠自動化控制還是以DCS為主；國際上可用于電廠的先進(jìn)的DCS均已開發(fā)了與現(xiàn)場總線的接口設(shè)備及相應(yīng)的軟件；DCS系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場總線系統(tǒng)和現(xiàn)場總線設(shè)備已在火電廠有成功應(yīng)用業(yè)績，包括300MW等級機(jī)組，近一二年有加速推廣應(yīng)用趨勢。

任穩(wěn)柱：

現(xiàn)場總線在配電網(wǎng)和變電站自動化中的應(yīng)用近十年來，由于信息技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，帶動工業(yè)現(xiàn)場總線產(chǎn)品技術(shù)極大的提高。從工業(yè)現(xiàn)場總線的概念來說，其覆蓋的領(lǐng)域極廣，包括了上層的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器等?，F(xiàn)場總線是連接智能化現(xiàn)場設(shè)備和控制室之間全數(shù)字化、開放的雙向的局部通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線種類很多，比較有影響的有：CAN、Lorworks和Profibus等。它們各有特點(diǎn)和優(yōu)勢，在不同領(lǐng)域有不同的應(yīng)用價(jià)值。在輸配電系統(tǒng)中，很多設(shè)備的智能化功能就需要現(xiàn)場總線進(jìn)行通信。

電力系統(tǒng)自動化的特點(diǎn)是被控制的對象（設(shè)備）復(fù)雜而龐大，分散性強(qiáng)且聯(lián)系緊密，被控制的參數(shù)多，干擾嚴(yán)重。

目前現(xiàn)場總線技術(shù)也正在逐步融入電力行業(yè)，隨著現(xiàn)場總線技術(shù)在低壓電器、高壓開關(guān)設(shè)備、低壓成套等設(shè)備中的應(yīng)用，其作用也越來越突出，是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)自動化的關(guān)鍵。目前，已經(jīng)有比較成熟的現(xiàn)場總線產(chǎn)品和系統(tǒng)在電廠、變電站自動化、配電網(wǎng)自動化中投入使用，都獲得了很高的經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展前景。

比如，現(xiàn)場總線技術(shù)可以幫助高壓開關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化，進(jìn)行在線檢測、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、控制和保護(hù)以及趨勢分析和判斷，而且需要進(jìn)行智能化操作（可控操作）。而現(xiàn)場總線在高壓開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用是伴隨著智能化高壓電器的發(fā)展而發(fā)展。

再比如，智能化箱式變電站是以智能化設(shè)備為基礎(chǔ)，以現(xiàn)場總線為核心的智能化系統(tǒng)。該系統(tǒng)及遙測、遙控、遙信、遙調(diào)、故障識別、隔離恢復(fù)為一體。

現(xiàn)場總線是一種互連現(xiàn)場智能化設(shè)備及其控制系統(tǒng)的雙向數(shù)字通信協(xié)議。一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)可以看成是一個由數(shù)字通信設(shè)備組成的安全分布式系統(tǒng)。實(shí)際上現(xiàn)場總線設(shè)備就是一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這個網(wǎng)絡(luò)上的每一個節(jié)點(diǎn)就是一個智能化設(shè)備。隨著智能化高壓開關(guān)設(shè)備的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)在其中的應(yīng)用必將會越來越多，越來越完善。

趙文華：

· 現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展趨勢

近年來，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，這個原來用于IT領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，在信息網(wǎng)擴(kuò)展中得到迅速的發(fā)展，不斷提高的性能和迅速降低的成本是現(xiàn)有任何工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)無法比擬的，使工業(yè)自動化領(lǐng)域的一些公司不約而同地將注意力集中在利用以太網(wǎng)的資源上，所以新一代的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)幾乎都是建立在以太網(wǎng)基礎(chǔ)之上，使工業(yè)以太網(wǎng)成為當(dāng)前的技術(shù)熱點(diǎn)。

從總線技術(shù)的發(fā)展方向上來看，所有的現(xiàn)場總線最終都將向Ethernet過渡。許多基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)最終都將連接到Ethernet，直至與Internet相連接。工業(yè)以太網(wǎng)是工業(yè)控制系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。目前工業(yè)以太網(wǎng)還主要應(yīng)用在過程監(jiān)控層，而在現(xiàn)場層則是采用現(xiàn)場總線技術(shù)。隨著各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)正逐漸下移，將走向現(xiàn)場層。伴隨這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線在電力行業(yè)的應(yīng)用最終也將向著以太網(wǎng)的方向發(fā)展，必將更加有力地推進(jìn)電力系統(tǒng)自動化建設(shè)。

馮杰：

眾所周知，20年前在控制領(lǐng)域，集中控制系統(tǒng)占據(jù)主流地位，它具有系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、擴(kuò)展方便、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，但它的缺點(diǎn)在于：集中控制系統(tǒng)將所有接線由現(xiàn)場聯(lián)入控制室，帶來大量復(fù)雜的接線工作，也使現(xiàn)場維護(hù)以及故障診斷變得極為困難。隨著智能現(xiàn)場儀表的發(fā)展，將所有的信號點(diǎn)通過一根通信電纜連接在一起的控制方式——總線誕生了，現(xiàn)場總線給控制領(lǐng)域帶來了革命性的變革！

· 布線便捷

由于現(xiàn)場總線采用多站點(diǎn)集中傳輸模式，將大量的接線工作分配到現(xiàn)場，而各站點(diǎn)與主站之間的通信全部由一根總線完成，這樣就使得整個系統(tǒng)的接線變得更加簡潔、方便。

現(xiàn)場總線往往可以同時(shí)使用多種傳輸媒介，如可以同時(shí)使用總線電纜、光纖、紅外技術(shù)，甚至目前最受業(yè)界關(guān)注的以太網(wǎng)以及無線技術(shù)。這樣就完全可以根據(jù)現(xiàn)場需要選擇不同的傳輸媒介：距離遠(yuǎn)或有強(qiáng)干擾的情況下可以選擇光纖；距離較短，沒有特殊要求的場合選擇普通總線電纜；距離較遠(yuǎn)不易布線的場合還可以選擇無線通信。這些都是普通的集中控制所無法實(shí)現(xiàn)的。

· 系統(tǒng)可靠

目前電力行業(yè)不愿選擇總線控制方式的一個主要原因在于：很多人認(rèn)為對于集中控制方式，如果某一線路發(fā)生故障，僅僅是點(diǎn)故障，對系統(tǒng)不造成嚴(yán)重影響；選擇總線控制一旦某一線路發(fā)生故障就是該點(diǎn)以下所有系統(tǒng)的癱瘓，對系統(tǒng)的安全性以及可靠性不信任。其實(shí)不然?？偩€電纜在抗損壞、抗干擾能力強(qiáng)方面都大大優(yōu)于以往所選用的普通信號線纜。

目前總線控制中常選擇智能分散技術(shù)或分層、分支技術(shù)。當(dāng)我們需要在現(xiàn)場處理一些過程數(shù)據(jù)，同時(shí)又不希望整個系統(tǒng)的其他部分對此處造成影響，我們可以選擇一個智能分散控制器用于此處，在現(xiàn)場對數(shù)據(jù)處理后再將一些系統(tǒng)控制器需要的數(shù)據(jù)上傳，例如菲尼克斯電氣的UNI200控制器，加掛不同的總線耦合器后，它可以方便地聯(lián)入其他總線系統(tǒng)。在現(xiàn)場我們常希望將不同的控制功能區(qū)分出來，使他們不互相影響，這時(shí)我們就可以選擇分層以及分支技術(shù)，將不同的控制功能置于不同的控制站點(diǎn)以及分枝。INTERBUS總線甚至可以實(shí)現(xiàn)單主站，255個從站，16層分層這樣一個龐大而又可靠的系統(tǒng)！

· 高效診斷

現(xiàn)場總線系統(tǒng)具有故障發(fā)生，可以很快確定故障發(fā)生點(diǎn)、確定故障類型、給出解決方案的功能。

· 硬件靈活

總線產(chǎn)品常常具備多種功能模塊，但它們的接線、安裝方式一致，這樣在設(shè)計(jì)時(shí)僅需根據(jù)系統(tǒng)的要求選擇不同的功能模塊，像搭積木一樣，很方便地就可以完成系統(tǒng)的構(gòu)建，大大降低現(xiàn)場接線工作，極大縮短系統(tǒng)安裝調(diào)試時(shí)間！