作者：宋昉、張瑤、陳明、武真伊
前言
電廠控制系統對運行可靠性有特殊要求，電廠系統具有I/O測點密集、現場裝置密集、設備立體布置、控制功能和控制策略復雜等特點。電廠控制系統還存在自動化監控系統復雜；機爐協調控制涉及設備多、信息量大、控制復雜；汽機控制、SOE要求毫秒級響應速度等一系列問題。基于以上原因，只有在充分理解現場總線機理、與DCS及PLC差異，以及運用中可能存在的難題，充分考慮協調安全性和經濟性的原則下，才能將現場總線技術運用于工程，體現現場總線的優越性。
現場總線并不是在所有的控制場合下都能發揮優勢。對于火電廠測點密集、現場裝置密集、設備立體布置、數字量與模擬量混合的大型系統，采用現場總線控制分散的特點來實施控制，由于需要多臺設備才能實現，則顯得繁瑣，降低其可靠性。相反DCS在此反顯得有優越性。但現場總線的雙向數字通信現場總線信號制技術，又是DCS所不及的。所以應采取DCS與現場總線共存發揮兩者各自的優勢。
一、現場總線適用范圍建議：
(l）由于國產DCS系統少有大規模應用現場總線實例，并且支持現場總線種類有限，因此可采用PLC可編程控制器實現監控的全廠輔助公用系統，選用遵循現場總線通信協議的PLC可編程控制器，對多個輔助公用系統實現監控，通過現場總線通信技術，建立全廠輔助公用系統網絡，提高監控和管理水平。
(2）地域分散的單沖量調節項目。
(3）地域分散的獨立的電動閥或電動機。
二、應用現場總線系統建議
(l）影響機組安全運行的主機和主要輔機保護采用成熟的常規控制方式，不納入現場總線，主初廠輔機保護和重要聯鎖的信號保留硬接線。如：
鍋爐安全監視系統（FSSS)；
汽機數字電液控制系統（DEH)；
汽輪機緊急跳閘系統（ETS)；
旁路控制系統（BPS)；
事故順序記錄（SOE）。SOE要求有lms的分辨率，目前設計中接入SOE的多為主、輔機的跳閘接點信號和電氣開關量，主、輔機跳閘首出原因由控制器邏輯判斷。為保證SOE的分辨率，建議仍采用常規DI卡或專用SOE卡。
(2）用于聯鎖保護的開關型氣動閥門、電磁閥，不納入現場總線。由于主廠房內電磁閥控制的二位式氣動閥門布置較為分散，如采用帶總線接口的閥島進行控制不太合適，建議采用常規的方式接入DCS。
(3）國產電動執行機構不納入現場總線。由于目前國產現場總線電動執行機構因接口不完善，缺少工程應用實踐，尚未有成熟的應用業績，而進口現場總線電動執行機構與國產電動執行機構的差價較大。為從根本上降低工程造價，國產電動執行機構采用常規珊方式接入DCS。
(4）開關量儀表如壓力開關、液位開關、溫度開關等不納入現場總線。
(5）調節型氣動執行機構，用于非重要調節回路的，可以考慮納入現場總線，采用帶現場總線接口的智能定位器。重要回路，可采用常規硬接線＋Hart儀表方式，如給水、汽溫、送、引風、磨煤機。
(6）調節型電動執行機構，用于非重要調節回路的，可以考慮納入現場總線，用于重要回路（給水、汽溫、送、引風）的，采用硬接線方式。
(7）開關型閥門電動裝置，用于非重要系統的，可以考慮納入現場總線；用于重要系統的，控制功能、保護、聯鎖功能通過硬接線完成。
(8）變送器均采用現場總線型智能變送器接入DCS，以便在機組 DCS中利用現場總線設備診斷和管理軟件，實現設備管理和故障診斷。可使用帶有Hart通訊功能的智能變送器。
(9) 400V及以下電動機采用現場總線，所有信號通過現場總線與控制系統連接，6KV電動機也可納人現場總線，啟、停指令信號及電機已啟、已停信號采用硬接線，其它信號采用總線方式。出于機組安全考慮，所有機組電動機及主廠房內重要電源開關的分/合指令信號、狀態反饋信號還是通過硬接線方式進入DCS，其它信號通過通信接口接入機組DCS。機組廠用電動機和廠用電監控系統雖然采用現場總線（CAN、LONWORKS、Modbu，等標準），大多數并非采用FF、Profibus等現場總線。條件允許的情況下，也可對廠用電動及考慮采用具有Profibus-DP接口的智能馬達控制器（類似西門子公司的 SIMOCODE產品）。需注意西門子SIMOCODE損均視象，主要是現場環境不良及維護不善造成。另外采取SIMOCODE與系統通訊的抗干擾隔離措施，加裝Profibus有源抗干擾模件，增加適量接口設備（如Y型切換器、光電轉換器等）等措施防止通訊中斷。
(10）主機/輔機的溫度測點，可采用遠程I/O。采用現場總線技術之后，對于現場相對集中的溫度測點，考慮采用現場總線型智能變送單元或沿用目前常規的遠程訓方式接入DCS。由于目前帶總線接口的智能溫度變送器價格仍較貴，如全部溫度測點采用總線方式會增加較大工程投資。且對溫度信號而言，采用總線方式接入增加的信息內容也不明顯。因此對于溫度測點考慮采用常規方式接入控制系統。
(11）僅用于監視的測量信號，可采用現場總線。
(12）廠用電電源系統可采用現場總線。
(13）閉環控制功能和功能組順序控制邏輯在控制器中完成。
(14）變頻器采用特殊的抗干擾隔離措施后也可考慮采用現場總線。
(15）鍋爐補給水、凝結水精處理、廢水處理等系統可優先考慮采用現場總線技術。
三、應用現場總線需注意問題
(1）現場總線噪音問題
現場總線應用涉及到系統噪音問題，由于所有的現場設備完全連接到現場總線網絡中，連接處使用TAP接頭，接頭長期處于現場惡劣環境，會出現網絡噪音現象，繼而出現設備與網絡連接錯誤報警，所以現場總線對現場的衛生條件，現場的振動條件都有嚴格的要求。接頭每次停機都要進行檢查，但檢查后不能完全消除噪音。
(2）冗余問題
現場總線設計思想，低速部分不需冗余，因為現場總線分散了危險，現場儀表在現場可以自成調節回路而自主調節。由于沒有冗余，一旦總線故障就地雖然可以完成調節，但運行人員無法監視系統運行狀況，按照熱控檢修標準無法監視控制機組主要運行參數就應該停止機組運行，所以必須冗余設計。
(3）故障影響性
現場總線網絡設計至關重要，要根據系統I/O點規模和設備地理分布、功能的相關性等因素。設計各層網絡的覆蓋范圍，支路的數量，支路及分支的長度、各分支的設備數量等，這些設計對系統的性能、硬件配置等都有重要影響。因此，在工程應用中各工藝子系統應根據工藝相關性和現場布置位置情況進行網絡分段設計。進行網絡分段設計時遵循以下原則：每個網段上掛接的現場總線數量6-10個；冗余設置的現場儀表應接入不同網段；工藝上并列運行或冗余配置的設備其相關驅動裝置應連接不, 同網段。控制系統應根據工藝流程合理配置總線數量和掛接的現場設備，確保任何一條總線故障時，只產生系統的局部故障，不會引起機組的危急狀態，造成整個系統停運，并將這一影響限制到最小。
(4）傳輸時間和安全性
總線的傳輸速度要求越快越好，但是傳輸速度不能僅靠提高傳輸速率來解決。總線系統傳輸必須具有確定的時間，即控制器發出控制值的時間間隔及接收現場總線設備實際值的時間間隔必須是一個定值，這樣才能保證完成控制和調節的任務。在選擇總線系統時必須注意到傳輸效率，在傳輸效率高的前提下，可以選擇比較低的傳輸速率。因為低傳輸速率數據通信，有較高的抗干擾能力，而且傳輸距離長（如500K的傳輸速率，最大傳輸距離為
(5）傳輸媒介和連接方式
完整的現場總線系統，除了構成網絡的范圍（即最大距離）是一個重要的指標外，能否在總線系統中實現不同總線段間采用不同的傳輸媒介，也是重要的因素。它使系統的構成更為靈活，更符合工況實際的要求。串聯傳輸方法在設計、安裝、調式以及連接技術上有明顯的優點，但在通信方面，如傳輸時間、實時時間、循環時間、傳輸的確定性以及診斷等遜于并聯傳輸方式。
(6）維修成本較高
使用現場總線技術的DCS系統和現場智能設備承擔的調節功能增加也會使其造價的成本增加。維修中，更換儀表都會有很昂貴的費用。因此要選擇信譽較好的廠家、性能號的設備以達到降低生產成本的效果，改善設備運行性能。
(7）現場智能儀表的功能設計
采用現場總線面臨的一個較大工作是現場智能儀表的功能設計。采用DCS時，輸入、輸出信號制、I/O點數確定后，DCS的選擇與現場儀表關系不大。采用現場總線時DCS許多控制功能轉移到現場智能儀表中完成，因此現場總線選型、功能的設計與現場智能儀表緊密地聯系。設計時要先確定統一的協議標準，現場總線及現場智能儀表都要遵守此協議標準；然后根據現場智能儀表的工藝分布情況、防爆等級要求、測量參數范圍及完成的功能等確定一個初步的現場總線結構，計算采用網絡段的個數，確定每段所帶現場智能儀表和設備的數量及每段的通信速率；最后根據工藝運行要求定義每個現場智能儀表的控制功能，通過工程師站對整個控制系統進行功能塊組態設計。上述工作已打破原控制功能的設計界限，把控制室設備及現場智能儀表作為一個整體來考慮，合理的現場總線結構和控制方案可能需要經過多次的重復計算、比較才能確定。
現場的總線還存在著一定的缺陷，所以多數監視系統和外圍設備上應用廣泛，原因就是外圍設備的缺陷和停運不會對生產造成影響，同時總線用于外圍設備控制可以使控制系統設計簡潔明快。
(8）對機組保護設計應重點考慮
機組保護要嚴格設計，防止保護誤動、拒動，要在控制系統I/O卡件以及設備上要求采用三取二，現場設備分別進入不同的I/O卡件，不同I/O卡件分屬不同的控制站，達到保護不因為一個設備、一個I/O卡件、一個控制站故障導致的保護誤動。
現場總線對這方面應著重考慮，由于現場總線現場布置需要我們改變這種設計，否則就要增加費用，如就地設備需要在就地完成三取二功能，而且信號要分別與三條就地總線到達三個控制柜，這會增加了工作量和費用，但這樣才能達到設計要求。
四、現場總線選型分析
(l）控制系統
目前國外主流DCS廠商基本支持Profibus和FF總線協議，還有各自的管理軟件，但因300MW級機組目前DCS越來越多的采用國產DCS，國內DCS廠商如和利時、GE新華、浙江中控、國電智深、上自儀等也支持Profibus 協議，但從調研情況看，事實上對現場總線支持不夠，在建設安裝期間的水平以及使用現場總線后的信息管理方面都不具備優勢，并且國內廠商沒有大規模應用的工程能力和相關的管理軟件。近年較大規模及大規模采用現場總線的大型火電機組，基本采用國外設備。因此如使用國產DCS系統，在單元機組及主廠房區域內使用現場總線技術尚部成熟。
國外主流PLC廠商支持Profibus等總線協議，并有較多規模工程實例，并且自去年以來，國外PLC價格下降較快，如輔助車間控制采用現場總線設備，從價格、工程實施及效益情況看，可采用現場總線技術。
(2）現場設備
智能一體化電動執行機構主要有SIPOS5-Flash系列、AUMA-MATIC系列、ROTORK-IQ系列（還支持FF總線標準、EMG-DREHMO系列、LimitorqueMX系列、上海自動化儀表十一廠AI、MI系列、溫州瑞基測控RQM和RA系列、揚州恒春CKD系了列等支持Profibus，因國內外產品價格差別較多，應根據實際情況對比，從了解到的工程使用情況看，現場總線執行機構應采用國外產品，否則使用國產不具備現場總線功能執行機構，高低搭配，可取得較好效果。
目前有很多國內外儀表支持Hart協議，并且價格差別不大，同時國內DCS廠商基本支持Hart協議，因此可在主廠房及輔助車間較多規模使用形式設備。
五、結束語
鑒于目前現場總線在單元機組控制應用中處在起步階段，可能在工程實施中遇到意想不到的情況。現場總線的應用，不僅要考慮到造價、功能、效益和方便性，還必須兼顧技術和安全性；雖然現場總線技術在電廠中開始廣泛應用，但還有很多問題沒有完全解決，所以現場總線并沒有完全應用到現場DCS系統中，但隨著現場總線技術越來越成熟，相應產品越來越完善，現場總線技術必將是今后電廠自動化的潮流趨勢。
