從技術本質管窺現場總線在國內電力行業的發展

浙江省電力公司電力科學研究院 孫長生，黃勃，陳小強

南京科遠自動化集團股份有限公司 曹瑞峰

繼DCS后，現場總線系統是自動化領域的一重大技術跨越。這種集成了微機、網絡、分布控制技術后建立起一種新的控制結構，將微處理器置于現場設備中，把現場單個、分散的數字化、智能化設備變成網絡節點；連接成可以相互溝通信息，將過去采用點到點式的模擬量信號傳輸或開關量信號的單向并行傳輸，變為多點一線的雙向串行多節點數字式傳輸的低帶寬底層控制網絡，為實現現場設備的信息化提供了可能，是數字化電廠的技術基礎，正被一步步推上代表未來電力自動化水平的特殊位置。

新千年最初的10多年時間里，在電力自動化領域，現場總線經過了從概念到產品、從試點到推廣、從小規模試用到大規模應用的發展歷程。在此過程中，爭議從未停止，人們一方面驚嘆于現場總線帶給自動化系統的全新面貌，另一方面不斷地糾結于現場總線帶來的新問題。作為電力自動化領域的從業者，筆者一直在近距離地觀察著這一有趣的現象，并在思考著，試圖從技術發展的本質來揭示現象背后的規律，找到現場總線技術推動電力自動化的發展方向。

1 東風夜放花千樹，10年間現場總線從概念到成功應用

如果從1999年12月，國際電工委員會投票通過IEC61158現場總線標準算起，至今不過13年的時間。而國內電力自動化領域應用現場總線技術，我們所了解到的大約也始于1999年。這一年，杭州半山發電廠采用南京科遠自動化集團公司的控制系統進行了兩臺135MW機組的自動化改造。為了縮短項目工期，該項目設計時，應用遠程I/O來減少電纜施工量，通過現場通訊總線實現與DCS的信號傳輸。項目選用的DCS具有Profibus DPV0通訊接口和配套的遠程I/O機架，在每臺單元機組的控制系統中，通過Profibus從安裝在現場的37只遠程機箱中，接入1417點I/O信號，占整個系統I/O點數的40%。

嚴格地來說，杭州半山發電廠的Profibus應用并不是真正意義上的現場總線應用，而只是一種用于工業現場的具有較高可靠性和實時性的串行通訊協議，當時的國內市場上還沒有出現支持現場總線的智能化設備，其傳輸的也只是過程參數這樣的循環數據，還不支持診斷參數這樣的非循環數據。然而，通過杭州半山發電廠的探索，現場總線特別是Profibus的可靠性、實時性得到了充分的驗證。布置在遠程機箱中的I/O卡件、通訊模件經受了現場環境，特別是溫度和電磁干擾的考驗，為真正意義上的現場總線應用提供了借鑒。

2004年，在江陰夏港電廠，兩臺300MW機組的基建項目中，選用了346只具有現場總線接口的低壓電動機保護單元，每個電動機保護單元通過Profibus DPV1的通訊口與控制器交換數據，不僅傳輸用于操作的循環數據，還傳輸用于診斷的非循環數據。在國華寧海閉式循環水系統中，通過Profibus連接了電動執行機構；在華能玉環水處理系統中，通過Profibus連接了變送器、電動執行機構和低壓電動機保護單元。在這一段時間，隨著支持現場總線的智能化設備的出現和成熟，真正意義的現場總線應用從無到有，從小到大的逐步發展起來。通過這一系列的實踐，現場總線可減少現場電纜施工，提供豐富的診斷信息的優勢得到了認同。同時現場總線的網絡結構及布線方案，支持現場總線的智能設備逐步地發展起來。但是現場總線系統總體造價高，對維護人員的技能要求也較高，給用戶選擇現場總線方案的余地卻很小，造成了一定的困擾。

2009年，為了進行數字化電廠的試點，在華能金陵電廠兩臺1000MW超超臨界機組，進行了國內最大規模的現場總線應用。其主機控制系統和輔機控制系統通過Profibus接入了1500余臺總線設備，包括低壓電動機保護單元、總線式電磁閥箱、電動門、調節閥、壓力和差壓變送器等。在這里，現場總線已經不再是作為常規控制系統的補充，而是占據了所有儀表控制系統的50%，成為控制系統參數的主要傳輸方式。現場總線的可靠性得到了充分驗證，能夠滿足當時最大單機容量機組的控制要求。但是，對于現場總線智能設備提供的診斷信息，缺乏分析管理的方法和工具，沒有得到有效的利用。這個問題與較高造價給現場總線的進一步推廣造成了不小的障礙。

以上三批具有典型意義的現場總線應用，分別間隔五年，應用的單機容量越來越大，應用的范圍也越來越廣，應用的總線標準都是Profibus。作為工業自動化領域的全新技術，現場總線在國內電力行業的應用與國際上沒有明顯的滯后，基本是同步發展的。這個發展的背后，是中國經濟的重工業化帶來的對于電力自動化新技術的需求，市場的需求和電力自動化專家群體的超前布局成為推動現場總線技術在國內電力行業應用的強大合力，在10年時間內，現場總線就從國際標準中的概念發展為在電力行業最高水平控制系統上有著成功應用的全新技術。

2 山重水復疑無路，現場總線的發展伴隨著不斷的爭議

與任何一種新技術的發展過程類似，現場總線的發展也總是伴隨著質疑和爭議。具有代表意義的三個問題是：

（1）通訊的可靠性較低，現場總線不能用于關鍵性場合；

（2）通訊的實時性不夠，現場總線不能用于高實時性要求的控制功能；

（3）連接控制系統和現場智能儀表的現場總線，都是看不見摸不著的通訊信號，維護人員很難掌握和進行故障處理。

從現場總線的技術本質來看，以上三個問題都是新技術開發和應用過程中出現的波折，而不能認定為是現場總線技術本身的缺陷。

首先來談談現場總線的可靠性問題。在現場總線之前，現場的物理信號通過傳感器轉換成電信號，通過硬接線電纜將標準的電信號送到控制系統中的I/O卡件，經A/D轉換處理成數字信號，最終進入控制系統進行運算處理。而在現場總線系統中，將現場的D/A轉換、電纜的傳輸、控制系統的A/D三個環節簡化為現場的智能芯片與控制系統直接的通訊。因此，從原理上來說現場總線的可靠性明顯優于傳統的硬接線。而且現場總線可以傳輸多點信號，在進行冗余設計時具有比硬接線更好的性價比。同時現場總線具有的診斷功能，能夠更有效防止信號故障，進一步提高整個控制系統的可靠性。因此，從技術本質上來看，現場總線具有更高的可靠性。關于可靠性的質疑更多的是由于現場總線相關產品的成熟度問題，特別是支持現場總線的智能設備多種多樣，由不同的廠家提供，良莠不齊。

其次，我們再來談談現場總線的實時性問題。在電力自動化過程控制領域，按照控制要求，實時性分為兩種：一是一般過程信號的采集和控制，要求采樣周期和控制周期在200ms～500ms以上，涵蓋95%以上的控制要求。二是快速過程信號的采集和控制，要求采樣周期和控制周期在50ms左右，主要包括FSSS、ETS和DEH等特殊控制回路。目前現場總線主要用于一般過程信號的采集和控制，對于快速過程信號的采用和控制還是在使用傳統的硬接線方案。從串行通訊的實時性能來分析，對于小于64個字節的報文，以500K的波特率，傳輸時間在2ms以內。對于最高波特率12M的Profibus現場總線，要滿足50ms的控制周期要求，就協議本身并不存在任何困難。但是，必須從控制器通訊主站、現場智能設備的通訊從站，以及整個通訊鏈路中進行整體設計，才能穩定可靠地滿足快速過程的實時性需要。

最后，我們來談現場總線維護的問題。從技術本質上來說，現場總線標準和4～20mA電氣信號標準，都用來規范控制系統與現場儀表的信號交換方式。4～20m A電氣信號屬于電工技術知識，而現場總線標準要求更多的是通訊和軟件的知識范疇，對維護人員提出了更高的要求。但現場總線系統中提供了界面友好的調試工具，在建立總線通訊的情況下，能夠大大提高對于現場儀表的調試效率。因此，現場總線對維護人員提出更高的要求，這不是技術缺陷，而是新技術發展對人員知識提出的更新要求。由于現場總線技術在電力行業沒有得到推廣，使得絕大多數電廠設備和系統維護人員對現場總線技術缺乏基本的認知，又因為電力行業內已有的現場總線多數是在電廠輔助車間使用，更大程度上只是一種新技術的試驗，或純粹是大型基建中所謂的亮點而已，根本上沒有得到管理層的重視，相關技術人員也就缺乏足夠的熱情去掌握其必要的維護技術。

由此看來，從技術本質上來說，可靠性、實時性、難于維護的爭議，都不應是現場總線技術發展的阻礙（目前現場總線在電力行業的應用案例已經證明了這一點）。那么阻礙現場總線推廣應用的障礙究竟在哪里？這是筆者一直在思考的問題。

3 眾里尋他千百度，影響現場總線推廣應用的障礙

為說明上面提出的問題。我們還是從技術的本質出發來進行分析，任何一種新技術的發展和對舊技術的替代都必須建立在兩個前提之下，第一是更低的成本，第二是更高的性能。那么：

第一，應用現場總線后的成本更低嗎？從目前來看，采用了現場總線系統之后，儀控系統的造價明顯提高。

第二，成本的提高能夠獲得更高的性能嗎？從目前的應用案例來看，現場總線提供了大量的診斷數據，但是缺乏分析管理的方法和工具，還沒有能夠提升電力行業的運行經濟指標產生正面的影響。

那么在這種情況，僅僅依賴電力自動化專家群體的超前布局，現場總線只能夠獲得少量試點應用，但是缺少大規模推廣的市場動力。

在這一點上，與現場總線在石化行業的推廣應用形成了明顯的差距。根據筆者的理解，電力行業和石化行業都是大規模的流程工業，被控對象復雜而龐大，物理分散聯系緊密。而相對來說，石化行業的物理分散度更大，而電力行業的設備更為集中，因此現場總線節省電纜及其施工費用的優點，在電力行業就顯得不太突出。石化行業還有防爆的要求，如果采用傳統硬接線，其控制系統的I/O接口上要配置大量的安全柵，安全柵的成本與整個控制系統的成本相當。如果采用本安型的現場總線，節省I/O接口及相應的安全柵，對于石化行業的控制系統而言，將會節省大量的成本。因此，我們認為，正是總體成本上的劣勢，影響了現場總線在電力行業的推廣。

另外，同樣是防爆的原因，在運行過程中，石化行業不允許到現場打開防爆箱，進行現場設備的維護，而是必須通過遠程的通訊接口對現場設備進行調試。現場總線的特點恰恰契合了石化行業的這一內在需求，成為現場總線在石化行業推廣應用的一個原因。而同樣的功能特點，在電力行業反而成為維護人員不太適應的一個障礙。

還有，現場總線技術的主要優勢在于提供現場設備的診斷信息，為電廠的設備狀態檢修、故障診斷提供數據。但實際上，由于故障診斷、設備狀態檢修在國內電力行業發展停滯不前，致使現場總線技術提供的大量設備狀態信息數據失去了現實意義，已經采用現場總線技術的電廠對這些診斷信息也沒有進一步的挖掘利用。這就使得本應大放光彩的現場總線技術在電力行業的使用總是“雷聲大，雨點小”。

4 柳暗花明又一村，堅守本質迎接現場總線的時代

因此，我們認為，從技術本質上來說，任何一種新技術的推廣，其最強大的推動力只能是來自于市場的內在需求，那就是：

相近的性能，更低的成本；

相近的成本，更高的性能；

性價比最優。

根據這樣的需求，現場總線要想加快在電力行業推廣應用的步伐，以下是兩大努力方向：

第一是降低用戶的綜合成本。目前成本較高的原因，主要來自于兩個方面。一是支持現場總線的智能設備價格過高，二是現場總線通訊設備價格過高。我們不應該認為現場總線設備的高價是完全合理的現象。從產品制造的角度來看，采用了現場總線反而會減少現場智能設備的硬件成本，而現場總線通訊設備的成本與普通卡件的成本并沒有本質的差別，現場總線的芯片成本并不會高于工業以太網的芯片。去除新技術新產品的開發成本，現場總線相關設備之所以價格過高，更多的是一種市場壟斷行為。只有更多有實力的國內廠家參與到現場總線領域，達到和國外競爭對手相近的產品性能，只有打破現場總線之間不能互操作的人為技術壁壘，甚至用工業以太網來統一現場總線，才有可能打破這個壟斷，向市場提供價格合理的現場總線產品。

第二是實現對于設備診斷數據的分析和管理，提升設備管理的效率，為節能降耗、降低電力行業的整體運營成本提供實實在在的價值。這更多是資產管理的功能，而不是現場總線系統的功能。現場總線能夠為資產管理提供大量的設備診斷數據，從而提升資產管理的效率。在這個方面，現場總線領域已經出現了FDT標準（Field Device Tool），這是一個獨立于各個設備制造商和現場總線協議的，將智能現場設備集成到過程自動化系統的開發標準。FDT能夠以標準的方法將大量設備診斷數據送到資產管理系統中，從而發揮出現場總線的數據優勢，使得現場總場真正成為數字化電廠的基礎。

5 結束語

堅持技術的本質規律，用創新技術向用戶提供更好更便宜的產品，是市場競爭的王道，也同樣是推動現場總線技術在電力行業發展的最強大動力。我們相信，有中國經濟的持續發展，有專家群體的超前布局，電力自動化將會迎來現場總線的全新時代。

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