1、 現(xiàn)場總線系統(tǒng)概述

隨著控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)正在從工業(yè)生產(chǎn)過程的決策層、管理層、監(jiān)控層和控制層滲透到現(xiàn)場設(shè)備，這樣就產(chǎn)生了現(xiàn)場總線技術(shù)以及由此組成的控制系統(tǒng)—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem）。自現(xiàn)場總線技術(shù)在90年代后期問世以來，它就已經(jīng)開創(chuàng)了自動化控制技術(shù)的新紀元—數(shù)字時代。目前現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)化工、石化、冶金、建材、醫(yī)藥等工業(yè)過程中開始了成功的應(yīng)用并取得了顯著的效益。

在國內(nèi)，現(xiàn)場總線在火電廠機組控制方面已有局部使用，但還沒有在全廠使用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的范例。簽與此，我們在某電廠機組重要程度相對較低的鍋爐補給水處理、工業(yè)廢水處理、循環(huán)水處理系統(tǒng)（以下簡稱主廠房外水系統(tǒng)）采用現(xiàn)場總線技術(shù)進行控制，作為FCS應(yīng)用的嘗試與研究。

2 、現(xiàn)場總線技術(shù)

根據(jù)國際電工委員會IEC61158標準的定義：安裝在制造或生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。由現(xiàn)場總線與現(xiàn)場智能設(shè)備組成的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS。

衡量一個控制系統(tǒng)是否為真正的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS有三個關(guān)鍵要點，即：核心、基礎(chǔ)和本質(zhì)。FCS的核心是總線協(xié)議，只有遵循現(xiàn)場總線協(xié)議的控制系統(tǒng)，才能稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)；FCS的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場儀表，它是FCS的硬件支撐；FCS的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化，這是FCS的系統(tǒng)效能體現(xiàn)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一種全計算機、全數(shù)字、雙向通信的新型控制系統(tǒng)。現(xiàn)場設(shè)備級的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化是電廠信息化管理的基礎(chǔ)。

現(xiàn)場總線技術(shù)開發(fā)的出發(fā)點就是要為用戶提供開放的、具有可互操作性、可互換性和統(tǒng)一標準的測量和控制產(chǎn)品，以現(xiàn)場總線技術(shù)為基礎(chǔ)的FCS的優(yōu)越性概括起來有以下幾方面：互操作性、分散性、可靠性、精確性、開放性、經(jīng)濟性、可維護性。

1999年底IECTC65（負責工業(yè)測量和控制的第65標準化委員會）通過了8種類型的現(xiàn)場總線作為IEC61158國際標準。2001年8月經(jīng)過修訂制定出10種類型的現(xiàn)場總線標準（第三版），分別為：
　

各種現(xiàn)場總線是針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)的，不可能采用同一種總線解決所有的工業(yè)控制和過程控制。

在連續(xù)生產(chǎn)的過程自動化領(lǐng)域如石化、化工、電力、冶金等Profibus和FF總線比較適合。下面對Profibus和FF總線分別進行介紹：

Profibus現(xiàn)場總線

PROFIBUS是過程現(xiàn)場總線（ProcessFieldBus）的縮寫。它是IEC61158和IEC61784所規(guī)定的現(xiàn)場總線標準，PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS。

PROFIBUS-DP是一種高速低成本通訊系統(tǒng)，主要應(yīng)用于自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通訊。它按照ISO/OSI參考模型定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和用戶接口，傳輸技術(shù)采用RS-485雙絞線電纜和光纜，波特率從9.6kbps到12Mbps；支持單主或多主系統(tǒng)令牌傳輸方式，總線上最大站點數(shù)為126個。采用雙絞線則最大通訊距離為1200m（通信速率為93.75kpbs），若采用中繼器可延長至10km。采用光纖則距離可延長至幾十公里且可達到12Mbps的通訊速率。

PROFIBUS-PA專為過程自動化設(shè)計，可使變送器與執(zhí)行器連接在一根總線上，并提供本質(zhì)安全和總線供電特性。PROFIBUS-PA采用擴展的PROFIBUS-DP協(xié)議，另外還有現(xiàn)場設(shè)備描述的PA行規(guī)。通訊介質(zhì)采用雙絞線，傳輸率為31.25kbps，距離可達1900m。每段最多32個站點。

PROFIBUS-FMS定義了主站與主站之間的通訊，根據(jù)ISO/OSI參考模型定義了物理層、鏈路層和應(yīng)用層，其中應(yīng)用層包含了現(xiàn)場總線報文規(guī)范FMS（FieldMessageSpecification）和低層接口LLI（LowerLayerInterface），最高通信速率為12Mbps（通信距離不超過100m）。

FF現(xiàn)場總線

FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)由低速H1總線和高速以太網(wǎng)H2組成。其傳輸介質(zhì)為雙絞線。H1總線主要用于生產(chǎn)現(xiàn)場，速率為31.25kbps，兩線制信號傳輸并同時向現(xiàn)場設(shè)備供電，具備本質(zhì)安全特征。H2總線主要面向過程控制級、遠程I/O和高速工廠自動化的應(yīng)用，采用100Mbps高速以太網(wǎng)協(xié)議。

通過上面的介紹可以對Profibus和FF總線相比較，F(xiàn)F較適合連續(xù)量控制（取代4~20mA模擬量），而Profibus較適合離散量控制。Profibus和FF總線在國內(nèi)外電廠均有成功的應(yīng)用。

3、某電廠機組主廠房外水系統(tǒng)現(xiàn)場總線選取

主廠房外水系統(tǒng)的工藝特點

◇重要性

各輔助系統(tǒng)（車間）的運行狀況關(guān)系到整個電廠的正常運行。某套系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問題，必須及時處理，積極聯(lián)絡(luò)，合理調(diào)整，否則將影響全廠機組的安全經(jīng)濟運行。

◇分散性

化學補給水處理系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、機組汽水取樣/化學加藥系統(tǒng)、凈水處理系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、循環(huán)水加氯控制系統(tǒng)、生活污水處理系統(tǒng)等采用獨立系統(tǒng)（車間），遍布于全廠，相互之間距離較遠。

◇非連續(xù)性

各輔助系統(tǒng)大都是間歇式運行，即在一定的要求后才進行操作，滿足一定的條件后，系統(tǒng)停止運行，等待下一次運行。只有凝結(jié)水精處理系統(tǒng)系統(tǒng)需要隨機組長期連續(xù)運行。

◇開關(guān)量控制為主

開關(guān)量控制占輔助系統(tǒng)控制的絕大部分，大量的閥門、電磁閥、電動機等要受聯(lián)鎖條件的邏輯控制，主要以設(shè)備的狀態(tài)、閥門的開關(guān)、電機的啟停、壓力流量和料液位的限值等條件進行控制。模擬量控制集中體現(xiàn)在各加藥控制環(huán)節(jié)上。

◇運行環(huán)境條件

各輔助系統(tǒng)（車間）運行環(huán)境較復(fù)雜，部分車間往往粉塵較大、環(huán)境溫度及濕度變化范圍較大、部分車間有防腐蝕要求、部分車間有防爆要求。

根據(jù)主廠外水系統(tǒng)的控制特點，結(jié)合各現(xiàn)場總線標準的特點及應(yīng)用領(lǐng)域，在某電廠機組主廠房外水系統(tǒng)選用Profibus-DP和FF現(xiàn)場總線兩種總線解決方案進行控制。

4 、某電廠機組主廠房外水系統(tǒng)現(xiàn)場總線設(shè)計方案

本工程輔網(wǎng)硬件為艾默生公司的Ovation控制系統(tǒng)控制器、Profibus-DP和FF總線接口裝置。下面簡要的對這兩種現(xiàn)場總線模塊進行介紹。

Ovation基金會現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線模塊

每個Ovation控制器可連接多達12只現(xiàn)場總線FF模塊。每只FF模塊可支持2個H1現(xiàn)場總線分支，每個H1現(xiàn)場總線分支可連16只支持總線驅(qū)動的現(xiàn)場智能儀表。OvationFf現(xiàn)場總線模塊可以控制現(xiàn)場智能設(shè)備和Ovation控制器之間的通訊。OvationFf現(xiàn)場總線模塊提供了標準的連接端子，使用帶屏蔽的一對雙絞線纜連接現(xiàn)場智能設(shè)備，通信和供電都通過這對線纜實現(xiàn)。OvationFf現(xiàn)場總線模塊通過本地I/O總線與Ovation控制器連接。這等同于一個擁有很多通道的超級I/O模件。控制器可以象使用其它I/O數(shù)據(jù)一樣將這個模塊的數(shù)據(jù)用在控制邏輯、報警等應(yīng)用中。

Ovation Profibus-DP現(xiàn)場總線模塊

每對控制器最多支持12個ProfibusDP現(xiàn)場總線模塊，即24段單主控現(xiàn)場總線分支或者12段冗余主控現(xiàn)場總線分支。Profibus-DP總線采用主從通訊模式。每段總線支持32個從設(shè)備，加中繼器時最多支持126個設(shè)備。

OvationProfibus-DP現(xiàn)場總線模塊作為總線段的主設(shè)備而工作。模塊采用標準的RS485傳輸技術(shù)。這種傳輸技術(shù)一般被稱為H2，可以用于高速傳輸、安裝簡便而且便宜的場合。

Profibus總線支持增加和刪除從設(shè)備，可以逐一投運設(shè)備，而不影響其他設(shè)備的正常運行。未來總線段的擴展也不會影響到正常運行的從設(shè)備。Profibus-DP技術(shù)基于帶終端器的總線，每個連接器都能提供可切換的終端器功能。Ovation系統(tǒng)一般將這種終端器設(shè)置于總線段的兩端。過程信號從DP接口模塊進入Ovation控制器后，可以直接應(yīng)用于控制策略中，如同傳統(tǒng)的直連式I/O。有些Profibus-DP設(shè)備能夠提供診斷信息，可以顯示于專門的診斷窗口，也可以被Ovation系統(tǒng)所使用。

由于本工程在主廠房外水系統(tǒng)確定采用現(xiàn)場總線時，超濾及反滲透設(shè)備已經(jīng)招標，廠供的表計不帶總線接口，所以這些表計采用硬接線方式接入控制系統(tǒng)。其他設(shè)備按以下原則進行設(shè)計：

氣動閥電磁閥箱DO信號，電氣MCC控制DO信號、DI信號、電動閥DO、DI信號采用PROFIBUS-DP總線。電流AI信號，表計AI信號，電動調(diào)節(jié)閥AO、AI采用FF總線。氣動閥門的電磁閥箱采用閥島，其DO信號以現(xiàn)場總線方式接入控制系統(tǒng)；MCC采用智能馬達控制器，DO、DI、AI信號以現(xiàn)場總線方式接入控制系統(tǒng)。

本系統(tǒng)控制方案由2層通訊結(jié)構(gòu)：上層為操作員站與控制器間的高速工業(yè)以太網(wǎng)通訊；控制器與現(xiàn)場設(shè)備之間采用現(xiàn)場總線通訊。考慮到主廠房外水系統(tǒng)的重要性以及系統(tǒng)設(shè)備眾多，為該系統(tǒng)配備5對冗余的Ovation控制器，其鍋爐補給水預(yù)處理系統(tǒng)1對，鍋爐補給水除鹽處理系統(tǒng)1對，工業(yè)廢水+儲氫1對，循環(huán)水處理2對。

下面以其中一對控制器為例說明各網(wǎng)段的FF總線和Profibus-DP總線的設(shè)備連接形式及所采用的總線電纜的型號。FF總線為帶電總線，現(xiàn)場采用“雞爪形”的拓撲結(jié)構(gòu)，每個智能現(xiàn)場設(shè)備通過FF總線電纜接入FF總線通訊接線盒，接線盒又通過FF總線接入控制柜的FF電源調(diào)節(jié)模塊。

在接線盒中安裝一個現(xiàn)場終端器，該終端器有醒目的標簽，防止因疏忽被拆卸。另一個終端器安裝在主機側(cè)的電源調(diào)節(jié)器內(nèi)。接線盒安裝在就地并盡可能保證設(shè)備至接線盒的長度最短。FF電纜型號為Belden3076F。

DP總線為不帶電總線，現(xiàn)場設(shè)備需要外部供電。本工程DP總線采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)，每個智能現(xiàn)場設(shè)備通過DP9總線連接器（9針D型連接器，第3針腳為正第8針腳為負）接入DP總線，DP9總線連接器插座部分安裝在設(shè)備上。DP總線上的單個設(shè)備故障不會引起總線故障。在總線的開頭和結(jié)尾都安裝有終端電阻。DP電纜選用的是BeldenYR47052。

5、 采用現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)點總結(jié)

（1）FCS由于信息處理現(xiàn)場化，與DCS相比，可以省去相當數(shù)量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同時也節(jié)省了電子設(shè)備間面積。

（2）數(shù)字化、智能化的現(xiàn)場儀表和裝置（如傳感器、執(zhí)行器等）不僅僅是替代了4～20mA模擬系統(tǒng)，使得原來需要大量電纜進行點到點連接的眾多現(xiàn)場設(shè)備信號可通過一根網(wǎng)絡(luò)電纜來傳輸，可以顯著減少電纜的使用量，也就相應(yīng)省去了大量的電纜橋架及電纜敷設(shè)，同時也節(jié)省了設(shè)計、安裝和維護的費要。

（3）FCS系統(tǒng)將中央控制器的控制功能分散下放到智能的現(xiàn)場裝置中，減少控制器的配置及復(fù)雜程度，使得控制器功能與重要性相對減弱，也省去了大量的設(shè)計及組態(tài)的工作量。

（4）在現(xiàn)場設(shè)備中實現(xiàn)控制功能和設(shè)備管理功能，通過數(shù)字通訊，在控制室可以獲得現(xiàn)場設(shè)備的諸多信息，如遠方診斷、維護、組態(tài)和標識等，使得這些現(xiàn)場設(shè)備的維護檢修可以有計劃的在線進行。更豐富和快捷的診斷數(shù)據(jù)傳輸加強了預(yù)維護能力。

（5）提高了精度，不會在D/A、A/D轉(zhuǎn)換上損失精度。

（6）系統(tǒng)調(diào)試更加靈活方便。可以根據(jù)需要將系統(tǒng)分為幾個部分分別進行調(diào)試。在進行復(fù)雜故障的排除中也可以采用同樣的方法，使控制系統(tǒng)的檔次跨越了一個新臺階。

6、 電廠應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)遇到的問題

現(xiàn)場總線技術(shù)具有一系列的特點，建設(shè)數(shù)字化和信息化電廠的呼聲越來越高，但在電力系統(tǒng)投入使用的工程不多。本工程中遇到的問題有：

（1）現(xiàn)場總線標準多，難以選擇。另外，各種現(xiàn)場總線是針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)的，如FF、HART在連續(xù)信號的處理中具有一定的特色，而PROFIBUS、INTERBUS等在開關(guān)量信號的處理中又有一定的優(yōu)勢。可見，現(xiàn)場總線自身存在著應(yīng)用領(lǐng)域的局限性。

（2）支持現(xiàn)場總線標準的智能現(xiàn)場設(shè)備的規(guī)格和品種較少，支持總線標準的國產(chǎn)設(shè)備更少，尤其是針對電廠開發(fā)的智能設(shè)備，不能滿足電廠各專業(yè)的需要。

（3）支持現(xiàn)場總線標準的智能現(xiàn)場設(shè)備價格較高。

（4）連接現(xiàn)場總線設(shè)備底層的網(wǎng)絡(luò)不支持冗余結(jié)構(gòu)。

（5）現(xiàn)場總線的傳輸速率較低，不能滿足控制速度要求高的場合。

7 、結(jié)束語

FCS的應(yīng)用提高了現(xiàn)場設(shè)備級信息化水平，尤其在設(shè)備診斷和運行維護方面具有明顯的優(yōu)勢，縮短工期，節(jié)省投資。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的完善和熱工自動化技術(shù)的提高，以及數(shù)字化、智能現(xiàn)場設(shè)備的進一步開發(fā)和應(yīng)用，F(xiàn)CS在火電廠的應(yīng)用將更廣泛，以其具有的開放性數(shù)字化通信的特點，為發(fā)展火電廠熱工自動化技術(shù)發(fā)揮更大的作用，使火電廠的自動化水平提高到一個新的水平，加速實現(xiàn)電廠的數(shù)字化和信息化。

責任編輯：gt