淺析現場總線在電廠輔助車間的應用

王懿　張曉北

摘 要：隨著控制、計算機、通信、網絡、信息等技術的飛速發展，產生了現場總線技術，并且其在人們的生產生活中發揮著越來越大的作用。該文主要介紹了現場總線控制系統的特點，以及其較與DCS的優點；對在過程控制領域中應用廣泛的基金會現場總線和過程現場總線作了簡要介紹。繼而討論了現場總線在電廠中的適用范圍。并結合平頂山魯陽發電廠2×1000MW機組主廠房外水系統的工程應用實例，提出了目前現場總線在電廠應用中需要注意的一些問題，展望了現場總線的發展。

關鍵詞：現場總線 應用 FF Profibus FCS

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0085-02

隨著控制、計算機、通信、網絡、信息等技術的飛速發展，引起了自動化系統結構的變革，逐步形成了以網絡集成自動化系統為基礎的企業信息系統，現場總線應運而生?，F場總線的出現標志著工業控制技術領域新時代的開始。按照國際電工委員會IEC61158的標準定義，現場總線是“安裝在制造和過程區域的現場裝置與控制室內的自動化控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線”?，F場總線技術的出現形成了一種新型的網絡集成式全分布控制系統—現場總線控制系統FCS（Fieldbus Control System）。FCS的核心是總線協議，只有遵循現場總線協議的控制系統，才能稱為FCS；FCS的基礎是數字智能現場儀表，它是FCS的硬件支撐；FCS的本質是信息處理現場化，這是 FCS的系統效能體現。

1 FCS與傳統DCS的比較

簡單的DCS與FCS的關系如（圖1）所示：

從圖1中可以看出，相對于需要一對一設備接線方式的DCS來說，現場總線控制系統的接線十分簡單，一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設備，而且相對于采用常規模擬儀表的DCS來說，現場總線控制系統采用了總線數字儀表，由于采用了智能現場設備，能夠把原先DCS系統中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現場設備，加上現場設備具有通信能力，現場的測量變送儀表可以與閥門等執行機構直接傳送信號，因而控制系統功能能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現場完成，實現了徹底的分散控制。

總的說來，相較于DCS來說，FCS具有以下優點：（1）由于節省了大量傳統的IO卡件、隔離器、控制柜、信號電纜及設備間連接電纜，安裝、調試方便，并可減少控制室的占地面積，使系統成本大大降低；（2）由于它的設備標準化，具有完全開放的系統結構，便于系統擴充，用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成系統，使系統集成過程中的主動權牢牢掌握在用戶手中；（3）系統易學易用、可控性好，各種設備的功能設置、相互鏈接、下載等組態簡單，一致性好，有著友善的圖形化的人機界面；（4）系統可靠性高，全數字化信號精度比傳統的模擬信號高，設備與連線減少，現場儀表內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。高度分散控制使風險得到徹底分攤；（5）系統可維護性好，智能化的現場級設備，具有自診斷功能，利用大量的非控制信號，可實現就地設備狀態遠程控制、診斷及預見性維護。

2 總線標準

現場總線國際標準IEC61158中采用了8種協議類型，以及其他一些現場總線。每種總線都有其產生的背景和應用領域。不同領域的自動化需求各有其特點，因此在某個領域中產生的總線技術一般對本領域的滿足度高一些，應用多一些，適用性好一些。例如DeviceNet適用于加工制造業，LonWorks適用于樓宇自動化等。其中有兩類現場總線在過程控制領域有較廣泛的應用，一類是基金會現場總線FF（Foudation Fieldbus）；另一類是過程現場總線Profibus（Process Fieldbus）。FF比較適合連續量控制，Profibus比較適合開關量控制。

2.1 基金會現場總線FF

基金會現場總線FF，是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發展前景的技術。其前身是以美國Fisher-Rousemount公司為首，聯合Foxboro、橫河、ABB、西門子Siemens等80家公司制訂的ISP協議和以Honeywell公司為首，聯合歐洲等地的150家公司制訂的WordFIP協議。屈于用戶的壓力，這兩大集團于1994年9月合并，成立了現場總線基金會，致力于開發出國際上統一的現場總線協議。它以ISO/OSI開放系統互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。

基金會現場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25 kbps，通信距離可達1900 m（可加中繼器延長），可支持總線供電，支持本質安全防爆環境。H2的傳輸速率為1 Mbps和2.5 Mbps兩種，其通信距離為750 m和500 m。物理傳輸介質可支持比絞線、光纜和無線發射，協議符合IEC1158-2標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。

2.2 過程現場總線Profibus

Profibus是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN 50170的現場總線。ISO/OSI模型也是它的參考模型。由Profibus-DP、Profibus-PA、Profibus-FMS組成了Profibus系列。

PROFIBUS-DP：是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4-20mA信號傳輸，專為現場級分散IO節點設計。其傳輸速率為9.6 kbit/s至12 Mbit/s，最大傳輸距離在9.6 kbit/s下為1200 m，在12 Mbit/s小為200 m，可采用中繼器延長至10 km，傳輸介質為雙絞線或者光纜，最多可掛接127個站點。endprint

PORFIBUS-PA：專為過程自動化設計，適合于本質安全的場合，可使傳感器和執行機構聯在一根總線上，并有本征安全規范。其傳輸速率為31.25 kbps，最大傳輸距離為1900 m，每段最多32個站點。

PROFIBUS-FMS：用于車間級監控網絡，是一個令牌結構.實時多主網絡。為車間級通信任務提供了大量的通信服務。其最高通訊速率為12 Mbit/s（最大距離不超過100 m）。

3 總線適用范圍

現場總線并不是在所有的控制場合下都能發揮優勢，電廠控制系統對運行可靠性有著特殊的要求，對于火電廠測點密集、現場裝置密集、設備立體密集、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控制技術，又是DCS所不及的。在電廠的輔助車間中，由于控制設備（壓力、閥門、泵等）分散，采用現場總線就有著DCS無可比擬的優越性。所以應采取DCS與現場總線共存，發揮兩者各自的優勢。

4 工程應用

平頂山魯陽發電廠一期工程2×1000MW機組的主機DCS系統和輔助車間的DCS系統均采用的艾默生的Ovation系統，Ovation系統是艾默生過程控制有限公司專門用于電力、冶金和水處理的專家控制系統，支持模擬量、數字量、脈沖量的輸入輸出，提供有SOE、DEH控制、第三方通訊等特殊模件，也同時支持FF、Profibus和DeviceNet三種現場總線標準?？紤]到上文所述總線適用范圍，主廠房外水系統控制設備分散，且水系統出現故障的情況下，對主機運行的安全性影響小，故在主廠房外水系統中采用了現場總線與DCS相結合的控制技術。

在總線標準的選擇中，選擇了適合連續量控制的FF-H1，以及適合開關量控制Profibus-DP。原則上氣動閥電磁閥箱DO信號，電氣MCC控制DO、DI、AI信號，壓力、差壓變送器AI信號，其他表計AI信號，電動調節閥AO、AI、DI信號，電動閥DO、DI信號等采用現場總線方式。其中，FF-H1主要連接的是橫河EJA的壓力/差壓變送器，其余均采用的Profibus-DP總線技術。

最終，主廠房外水控制系統配置了9塊Profibus-DP總線接口模塊，每個模塊為兩個端口，共配置了18段DP總線。還配置了4塊FF總線接口模塊，每個模塊為兩個端口，可配置8段FF總線，實際應用中只用到了5段FF總線，其余留作擴展用。這23段總線共連接了132個設備，設備包括FESTO閥島、西門子電磁流量計、西門子電機控制器、EMG電動執行機構、橫河EJA的壓力/差壓變送器等。根據現場設備的物理分布，總線結構形式上Profibus-DP采用了線性結構，FF總線采用了樹形結構，下圖中展示了一段DP總線和一段FF總線在實際應用中的結構形式（圖2）。

系統投運后，由于大量采用了符合現場總線標準的設備，不僅大量采集和傳輸數字化狀態信號又不會大幅增加通訊負荷，而且可實現就地設備的遠程診斷，用戶可以根據設備診斷信息進行預見性維護，極大提高了電廠設備的日常維護和管理效率。

5 電廠應用現場總線技術需注意的問題

（1）控制系統的選擇：國外主流DCS廠商基本支持Profibus和FF總線協議，并有較多工程實例，國內廠商雖也支持，但還沒有大規模應用的工程能力和相關的管理軟件，故選擇控制系統時，盡量選用國外主流DCS。

（2）控制設備的選擇：用戶應盡量選擇國際知名度大、擁有用戶多、產品應用基礎好的公司產品，因為這些公司的現場總線技術被國際標準采納的可能性大。即使沒有被國際標準采納，大公司為考慮信譽，會提出原有技術與國際標準的接口，而不會置公司信譽于不顧，丟掉老客戶不管。

（3）雖然總線技術維護和管理方便，但是智能現場設備價格現在還普遍偏高，維修中，更換儀表的費用會比較昂貴。

（4）現場總線設計思想，低速部分不需冗余，因為現場儀表在現場可以自成調節回路而自主調節。故一旦總線故障就地雖然可以完成調節，但是運行人員無法監視系統運行情況。

6 結語

現場總線控制系統是一種全開放、全數字、全分散的新型控制系統，它實現了現場級設備的數字化、網絡化?，F場設備級的數字化、網絡化是火電廠數字化管理的基礎，使用現場總線控制系統必將大大提高發電企業的管理效率。雖然現場總線技術在電廠中開始廣泛應用，但還有很多問題總線技術還不能解決，在一定時期內，DCS在某些領域還保持著其優越性，故還會長期存在DCS與總線技術并存的局面。但是，我們可以預見，隨著總線技術的發展，其產品會越來越完善，現場總線必將是電廠自動化的發展方向。

參考文獻

[1] 周明.現場總線控制[M].北京：電力工業出版社，2002.

[2] 斯可克，王尊華，伍錦榮.基金會現場總線功能塊原理及應用[M].北京化學工業出版社，2003.

[3] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

[4] 李子連.現場總線技術在電廠應用綜論[M].北京：中國電力出版社，2002.

[5] 王慧鋒，何衍慶.現場總線控制系統原理及應用[M].北京：化學工業出版社，2006.endprint

PORFIBUS-PA：專為過程自動化設計，適合于本質安全的場合，可使傳感器和執行機構聯在一根總線上，并有本征安全規范。其傳輸速率為31.25 kbps，最大傳輸距離為1900 m，每段最多32個站點。

PROFIBUS-FMS：用于車間級監控網絡，是一個令牌結構.實時多主網絡。為車間級通信任務提供了大量的通信服務。其最高通訊速率為12 Mbit/s（最大距離不超過100 m）。

3 總線適用范圍

現場總線并不是在所有的控制場合下都能發揮優勢，電廠控制系統對運行可靠性有著特殊的要求，對于火電廠測點密集、現場裝置密集、設備立體密集、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控制技術，又是DCS所不及的。在電廠的輔助車間中，由于控制設備（壓力、閥門、泵等）分散，采用現場總線就有著DCS無可比擬的優越性。所以應采取DCS與現場總線共存，發揮兩者各自的優勢。

4 工程應用

平頂山魯陽發電廠一期工程2×1000MW機組的主機DCS系統和輔助車間的DCS系統均采用的艾默生的Ovation系統，Ovation系統是艾默生過程控制有限公司專門用于電力、冶金和水處理的專家控制系統，支持模擬量、數字量、脈沖量的輸入輸出，提供有SOE、DEH控制、第三方通訊等特殊模件，也同時支持FF、Profibus和DeviceNet三種現場總線標準。考慮到上文所述總線適用范圍，主廠房外水系統控制設備分散，且水系統出現故障的情況下，對主機運行的安全性影響小，故在主廠房外水系統中采用了現場總線與DCS相結合的控制技術。

在總線標準的選擇中，選擇了適合連續量控制的FF-H1，以及適合開關量控制Profibus-DP。原則上氣動閥電磁閥箱DO信號，電氣MCC控制DO、DI、AI信號，壓力、差壓變送器AI信號，其他表計AI信號，電動調節閥AO、AI、DI信號，電動閥DO、DI信號等采用現場總線方式。其中，FF-H1主要連接的是橫河EJA的壓力/差壓變送器，其余均采用的Profibus-DP總線技術。

最終，主廠房外水控制系統配置了9塊Profibus-DP總線接口模塊，每個模塊為兩個端口，共配置了18段DP總線。還配置了4塊FF總線接口模塊，每個模塊為兩個端口，可配置8段FF總線，實際應用中只用到了5段FF總線，其余留作擴展用。這23段總線共連接了132個設備，設備包括FESTO閥島、西門子電磁流量計、西門子電機控制器、EMG電動執行機構、橫河EJA的壓力/差壓變送器等。根據現場設備的物理分布，總線結構形式上Profibus-DP采用了線性結構，FF總線采用了樹形結構，下圖中展示了一段DP總線和一段FF總線在實際應用中的結構形式（圖2）。

系統投運后，由于大量采用了符合現場總線標準的設備，不僅大量采集和傳輸數字化狀態信號又不會大幅增加通訊負荷，而且可實現就地設備的遠程診斷，用戶可以根據設備診斷信息進行預見性維護，極大提高了電廠設備的日常維護和管理效率。

5 電廠應用現場總線技術需注意的問題

（1）控制系統的選擇：國外主流DCS廠商基本支持Profibus和FF總線協議，并有較多工程實例，國內廠商雖也支持，但還沒有大規模應用的工程能力和相關的管理軟件，故選擇控制系統時，盡量選用國外主流DCS。

（2）控制設備的選擇：用戶應盡量選擇國際知名度大、擁有用戶多、產品應用基礎好的公司產品，因為這些公司的現場總線技術被國際標準采納的可能性大。即使沒有被國際標準采納，大公司為考慮信譽，會提出原有技術與國際標準的接口，而不會置公司信譽于不顧，丟掉老客戶不管。

（3）雖然總線技術維護和管理方便，但是智能現場設備價格現在還普遍偏高，維修中，更換儀表的費用會比較昂貴。

（4）現場總線設計思想，低速部分不需冗余，因為現場儀表在現場可以自成調節回路而自主調節。故一旦總線故障就地雖然可以完成調節，但是運行人員無法監視系統運行情況。

6 結語

現場總線控制系統是一種全開放、全數字、全分散的新型控制系統，它實現了現場級設備的數字化、網絡化?，F場設備級的數字化、網絡化是火電廠數字化管理的基礎，使用現場總線控制系統必將大大提高發電企業的管理效率。雖然現場總線技術在電廠中開始廣泛應用，但還有很多問題總線技術還不能解決，在一定時期內，DCS在某些領域還保持著其優越性，故還會長期存在DCS與總線技術并存的局面。但是，我們可以預見，隨著總線技術的發展，其產品會越來越完善，現場總線必將是電廠自動化的發展方向。

參考文獻

[1] 周明.現場總線控制[M].北京：電力工業出版社，2002.

[2] 斯可克，王尊華，伍錦榮.基金會現場總線功能塊原理及應用[M].北京化學工業出版社，2003.

[3] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

[4] 李子連.現場總線技術在電廠應用綜論[M].北京：中國電力出版社，2002.

[5] 王慧鋒，何衍慶.現場總線控制系統原理及應用[M].北京：化學工業出版社，2006.endprint

PORFIBUS-PA：專為過程自動化設計，適合于本質安全的場合，可使傳感器和執行機構聯在一根總線上，并有本征安全規范。其傳輸速率為31.25 kbps，最大傳輸距離為1900 m，每段最多32個站點。

PROFIBUS-FMS：用于車間級監控網絡，是一個令牌結構.實時多主網絡。為車間級通信任務提供了大量的通信服務。其最高通訊速率為12 Mbit/s（最大距離不超過100 m）。

3 總線適用范圍

現場總線并不是在所有的控制場合下都能發揮優勢，電廠控制系統對運行可靠性有著特殊的要求，對于火電廠測點密集、現場裝置密集、設備立體密集、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控制技術，又是DCS所不及的。在電廠的輔助車間中，由于控制設備（壓力、閥門、泵等）分散，采用現場總線就有著DCS無可比擬的優越性。所以應采取DCS與現場總線共存，發揮兩者各自的優勢。

4 工程應用

平頂山魯陽發電廠一期工程2×1000MW機組的主機DCS系統和輔助車間的DCS系統均采用的艾默生的Ovation系統，Ovation系統是艾默生過程控制有限公司專門用于電力、冶金和水處理的專家控制系統，支持模擬量、數字量、脈沖量的輸入輸出，提供有SOE、DEH控制、第三方通訊等特殊模件，也同時支持FF、Profibus和DeviceNet三種現場總線標準?？紤]到上文所述總線適用范圍，主廠房外水系統控制設備分散，且水系統出現故障的情況下，對主機運行的安全性影響小，故在主廠房外水系統中采用了現場總線與DCS相結合的控制技術。

在總線標準的選擇中，選擇了適合連續量控制的FF-H1，以及適合開關量控制Profibus-DP。原則上氣動閥電磁閥箱DO信號，電氣MCC控制DO、DI、AI信號，壓力、差壓變送器AI信號，其他表計AI信號，電動調節閥AO、AI、DI信號，電動閥DO、DI信號等采用現場總線方式。其中，FF-H1主要連接的是橫河EJA的壓力/差壓變送器，其余均采用的Profibus-DP總線技術。

最終，主廠房外水控制系統配置了9塊Profibus-DP總線接口模塊，每個模塊為兩個端口，共配置了18段DP總線。還配置了4塊FF總線接口模塊，每個模塊為兩個端口，可配置8段FF總線，實際應用中只用到了5段FF總線，其余留作擴展用。這23段總線共連接了132個設備，設備包括FESTO閥島、西門子電磁流量計、西門子電機控制器、EMG電動執行機構、橫河EJA的壓力/差壓變送器等。根據現場設備的物理分布，總線結構形式上Profibus-DP采用了線性結構，FF總線采用了樹形結構，下圖中展示了一段DP總線和一段FF總線在實際應用中的結構形式（圖2）。

系統投運后，由于大量采用了符合現場總線標準的設備，不僅大量采集和傳輸數字化狀態信號又不會大幅增加通訊負荷，而且可實現就地設備的遠程診斷，用戶可以根據設備診斷信息進行預見性維護，極大提高了電廠設備的日常維護和管理效率。

5 電廠應用現場總線技術需注意的問題

（1）控制系統的選擇：國外主流DCS廠商基本支持Profibus和FF總線協議，并有較多工程實例，國內廠商雖也支持，但還沒有大規模應用的工程能力和相關的管理軟件，故選擇控制系統時，盡量選用國外主流DCS。

（2）控制設備的選擇：用戶應盡量選擇國際知名度大、擁有用戶多、產品應用基礎好的公司產品，因為這些公司的現場總線技術被國際標準采納的可能性大。即使沒有被國際標準采納，大公司為考慮信譽，會提出原有技術與國際標準的接口，而不會置公司信譽于不顧，丟掉老客戶不管。

（3）雖然總線技術維護和管理方便，但是智能現場設備價格現在還普遍偏高，維修中，更換儀表的費用會比較昂貴。

（4）現場總線設計思想，低速部分不需冗余，因為現場儀表在現場可以自成調節回路而自主調節。故一旦總線故障就地雖然可以完成調節，但是運行人員無法監視系統運行情況。

6 結語

現場總線控制系統是一種全開放、全數字、全分散的新型控制系統，它實現了現場級設備的數字化、網絡化?，F場設備級的數字化、網絡化是火電廠數字化管理的基礎，使用現場總線控制系統必將大大提高發電企業的管理效率。雖然現場總線技術在電廠中開始廣泛應用，但還有很多問題總線技術還不能解決，在一定時期內，DCS在某些領域還保持著其優越性，故還會長期存在DCS與總線技術并存的局面。但是，我們可以預見，隨著總線技術的發展，其產品會越來越完善，現場總線必將是電廠自動化的發展方向。

參考文獻

[1] 周明.現場總線控制[M].北京：電力工業出版社，2002.

[2] 斯可克，王尊華，伍錦榮.基金會現場總線功能塊原理及應用[M].北京化學工業出版社，2003.

[3] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

[4] 李子連.現場總線技術在電廠應用綜論[M].北京：中國電力出版社，2002.

[5] 王慧鋒，何衍慶.現場總線控制系統原理及應用[M].北京：化學工業出版社，2006.endprint