现场总线技术在火电厂的应用

现场总线技术在火电厂的应用

赵新伟

（中国能源建设集团华北电力试验研究院有限公司天津300012）

摘要：随着自动化仪表技术、计算机网络技术和过程控制技术的日益成熟和快速发展，工业控制领域发生了一次技术变革，而这次变革的基础就是现场总线技术的产生，由于火电厂控制系统采用了现场总线技术，使得其在结构和性能上产生了较大提高。本文介绍现场总线的技术特点，阐述现场总线技术应用前景，根据火电厂的应用表明现场总线的发展趋势。

关键词：现场总线技术；火电厂；应用前景

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信且要求使用具有现场总线通信能力的智能现场设备。火电厂的现场智能设备完成数据采集、数据处理、控制运算及数据输出等功能，并把这些信息通过现场总线传到控制室的操作员站上，运行人员通过操作员站查看电厂各个设备运行状态和控制就地设备。由于现场总线控制系统体现了“信息集中、控制分散”的概念，正符合了火电厂过程控制的发展方向和必然趋势，因此，近些年在火电厂较多的采用了具有现场总线功能的控制系统。

一、现场总线的技术特点

1、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。它把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

2、系统的互可操作性与互用性。这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。

3、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

4、系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系。

5、对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的。它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。

二、典型的现场总线

1、基金会现场总线。基金会现场总线，即FoudationFieldbus，简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。它以IS0/0SI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。

2、LonWorksLonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术。它采用了IS0/0SI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，被誉为通用控制网络。

3、Profibus。Profibus是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170的现场总线。IS0/0SI模型也是它的参考模型。Porfibus支持主一从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。

4、HART。HART是HighwayAddressableRemoteTransduer的缩写。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。

三、现场总线系统（FCS）与传统集散控制系统（DCS）区别

1、总线式结构。FCS是一对传输线（总线）挂接多台现场设备，双向传输多个数字信号。这种结构比DCS一对一的单向模拟信号传送结构布线简单，安装费用低，维护简便。

2、开放互操作性。现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网络，对用户是透明的，而在传统的DCS中不同厂家的设备是不能相互访问的。而FCS采用统一的标准，不同厂家的网络产品可以方便地接入同一网络，集成在同一控制系统中进行互操作，因此简化了系统集成。

3、彻底的分散控制现场总线将控制功能下放到作为网络节点的现场智能仪表和设备中，做到彻底的分散控制，提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性，减轻了控制站CPU的计算负担。DCS的控制功能则集中于控制器，现场设备几乎不参与，从而加重CPU负荷。

4、经济性。FCS由于采用数字通讯方式，因此可采用多种传输介质进行通信。根据控制系统中节点的空间分布情况，可采用多种网络拓扑结构。这种传输介质和网络拓扑结构的多样性给自动化系统的施工带来了极大的方便，据统计，FCS与传统DCS的主从结构相比，只计算布线工程一项即可节省40%的经费。

四、现场总线技术应用前景

现场总线技术在火电厂的应用有很多优越性，但是目前的现场总线并不是万能总线，其自身特点和网络结构在应用中也存在着一定的瓶颈，获得更大应用空间还需要突破下列问题：总线上挂接的设备较多，一旦总线断开，挂接在总线上的所有设备将处于“失控”状态，系统可能产生不可预知的后果。因此在火电厂实时性要求较高的主机重要保护设备应用还需要探索和研究；根据现场总线本安防爆技术的要求，挂接负载供电的关联设备输出电压和电流控制在一个安全的水平上，这个要求将牵制总线系统可挂接负载数的增加。从某种程度上限制了节省电缆的优势；总线网络通信中数据包的传输延迟，且在传输过程中有一定的误码和丢包率，会使控制系统分析与综合情况变得复杂。在全厂范围内的应用还需要突破这些应用瓶颈，目前现场总线还不能完全取代DCS，使用程度和范围在某种程度上还取决于使用者的决心，应用现场总线的火电厂大都是与DCS共存的使用状态，以发挥两者各自的优势。随着网络技术和控制技术的发展，现场总线在火电厂的全面发展和应用是一个不争的事实，它代表了火电厂数字化控制的发展方向。目前，现场总线控制系统达成共识的是三层设备、二层网络的“3+2结构”，三层设备即底层的现场设备、中层的控制设备和上层的操作设备，二层网络即现场设备与控制设备之间的控制网和控制设备与操作之间的管理网。这种网络结构是导致通信延迟和误码的根结所在，很多公司提出了一层网络结构，即用以太网一通到底。较成熟的以太网有Modbus/TCP、EtherNet/IP、EPA、Profinet、Powerlink及EtherCAT等，其中EtherCAT技术以其高速、简单、易于实现正在获得越来越多的关注，它是一种直达I/O级的、高实时性、高可靠性拓扑结构灵活的高速工业以太网总线。通过EtherCAT，无需从现场设备获得的数据包进行接收、解码、复制到控制设备这一过程，而是在报文经过从站节点时读取相应的编址数据并将输入数据插入至报文中，整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。1000个I/O的更新时间只需30μs，EtherCAT还具有通信性能杰出、布线简单及高度开放等特点，可以最大化地利用以太网所提供的巨大带宽，并且成本低廉，EtherCAT技术出色的性能突破了现场总线的瓶颈。

现场总线技术代表着数字化火电厂的发展方向，目前在国内外火电厂已经有了一定规模的使用，由于其自身的特点和结构，全厂范围应用现场总线的案例还比较少，大多数都应用在重要程度较弱的辅助车间，主机多是与DCS共存的使用状态。随着网络技术和控制技术的发展，尤其是简化网络结构，采用高速的以太网协议理念的推出，对突破现场总线应用瓶颈以达到全厂范围内采用现场总线具有现实意义。

参考文献：

［1］刘义学．神华胜利电厂现场总线控制系统选型分析及应用规划［D］．保定：华北电力大学，2016．

［2］张鹏，玛拉沁，肖长歌．现场总线在莱州1000MW超超临界机组中的应用［J］．电力信息化，2015，（6）．

［3］刘继刚．FF现场总线控制技术在1000MW超超临界机组上的应用［J］．华电技术，2015，（6）.