现场总线应用于电力行业的全面分析

李利：

电力行业是一个自动化程度非常高的行业，如主机DCS系统、脱硫DCS系统以及主要辅机程控系统，这些系统都存在可靠性要求高、监控设备和对象多而复杂、实时性要求高等特点。特别是主机DCS系统，涉及数百台压力和差压变送器，数百台电动或启动执行机构，数百个温度测点，系统要进行复杂的闭环控制、串级控制、三冲量控制、比率控制，要进行设备连锁控制，要进行复杂的锅炉燃烧管理、机炉协调控制。所有这些都需要有高可靠性的控制系统来保证整个生产过程的安全、稳定、可靠运行。

随着现场总线技术的出现和日臻成熟和电厂信息化要求的提高，基于现场总线的控制系统将为电力行业自动化系统提供更好的选择。

目前制约基于现场总线的控制系统在电厂应用主要问题，我认为主要包括以下几个方面：支持现场总线的智能设备造成初期投资的提高；有些设备和仪表不带总线接口；哪些设备、仪表信息可以传送；系统结构如何变化，如何构筑一个基于现场总线的控制系统；通讯是否可靠；设备选型的局限性等。深入研究，加快推广：在电力行业应用现场总线有诸多好处，快速、可靠、高效、灵活，大大降低安装维修成本，应加快推广应用。但目前一些技术还有待完善，比如对处理速度要求高的硬件的开发应用没有跟上，又比如，对于电厂内那些“功能组级”以上至“协调级”的复杂控制系统，采用所谓“分散”的系统结构十分合适、可靠，值得深入研究。

积极对国内外电厂应用现场总线系统的情况进行地调查、研究，不断促进技术的完善，才能使现场总线技术在电力行业得以顺利推广应用。

三、总线标准

· 阎欣军：

由于市场的驱动，世界各大控制系统厂家都相继开发了各自的现场总线产品，现场总线标准繁多。要想达到开放、兼容、互操作和各总线间互联的目的，就必须实行大家都遵守的国际标准。国际IEC/TC65标准化组织为统一现场总线通信协议，在10多年工作中，通过争论与妥协，于1999年12月底通过了8种总线标准的折中方案。这8种总线的类型是：IEC技术报告（FF即H1）、CONTROLNET、PROFIBUS、P-NET、FFHSE、SWIFT NET、WOLDFIP、INTERBUS，再加上IECTC17B通过的3种现场总线国际标准，即SDS、ASI与Device Net，还有ISO11898的CAN，共有12种之多。

有几种现场总线类型，就构成了几种现场总线控制系统体系结构，也都有多家控制系统公司产品支持。由于各厂家对现场总线产品开发时还会要保护自己过去的投资利益，因此各厂家现场总线产品也就各有其应用领域专长，这也使得我们在应用现场总线设备或系统时，要充分考虑对象的实际特点，来合理选择系统，最大限度地发挥其优势作用。如果采用同一厂家开发的控制系统和控制设备，如西门子的分散控制系统、西门子智能执行机构、西门子智能现场仪表等，现场总线间通信没有问题。但是不同制造厂家之间的通信问题还有待进一步完善。

行业人士普遍认为，现场总线目前最大的问题就是通信标准及可靠性问题。虽然国际电工委员会已经公布了现场总线的国际标准IEC61158，但该标准包含了8种现场总线，这就给用户选择带来了困难。

赵瑞阳：

在电厂自动化和信息化的规划过程中，依然要结合电厂各工艺和生产过程的特点，采用最合适的现场总线标准和检测、控制装置。不应强求在全厂统一应用一种现场总线标准，全厂统一为一种现场总线标准既无可能、也无必要。不应过分强调在工程使用的是FCS,还是DCS或PLC+现场总线。在监控层和信息管理层，以太网和OPC协议、交换机、网关等工业IT技术提供了不同网络之间的互联技术，可以实现管控一体化。

在主厂房热力系统的控制中，我们似乎在近期不可能完全脱离主流DCS厂家的产品，用非主流DCS的现场总线产品去集成电厂的控制系统。支持FF和PROFIBUS总线标准的DCS产品当是较佳的选项，目前市场上现场智能设备普遍支持这两种总线标准。

PROFIBUS是目前适用于整个电厂过程工业的单一现场总线标准，且产品系列齐全；不足之处是现场仪表和设备不支持控制策略，所有控制功能在中央控制器完成。FF总线现场智能设备可以实现部分现场控制策略，但逻辑控制还依赖于主站或中央控制器。但FF同PROFIBUS相比，不足之处在于产品系列不全，给构建完整统一的总线网络造成困难。

据最新的现场总线技术资料显示，目前已有一些智能设备和控制系统的供应商开发了支持多种现场总线标准的产品，这样可通过通信接口模件将不同标准的现场级设备集成到一个DCS或PLC控制系统中，也就是说，单一的FF总线不能实现全部的电厂控制策略，需要与其他总线混合应用。

当然，WorldFIP也是一个可选项，它具有单一的总线，可用于过程控制和离散控制，而且没有任何网桥或网关，低速与高速部分的衔接用软件的办法来解决。但由于它所占的市场份额较小，因而支持它的仪表设备供应商也较少，影响也较FF和Profibus小。

电厂辅助系统如煤、灰、水、脱硫系统，离散控制占主导地位，只含少量单参数连续调节回路，且物理位置分散。PLC在这些系统中将依旧发挥主要作用，同时电力设计院和工程公司在这些领域已取得十分成熟的工程经验，因此选用支持Profibus-DP、ControlNet 、Modbus/Modbus Plus等总线标准的产品均是合适的。如这类总线控制系统可以通过转换模件实现与FF总线产品的连接，那么系统中的单参数调节功能宜采用支持FF总线标准的就地智能仪表或执行器完成，并通过操作员实现对就地设备的远程监控和调试。

何时打破行业标准“真空”：应当承认，在我国电力行业中推广应用现场总线系统是刚刚起步，在电力行业内暂时还没有一个专门为现场总线制定的标准，需要打破行业标准“真空”，规范、引导总线技术在行业中的应用。

目前，市场上现场总线产品多样，国际标准也未能实现统一，为了避免今后在电厂或配电网控制中出现由于不同厂家产品通信协议不兼容而带来的问题，国内有关机构或组织应对产品的选择进行规范，通过调研和试点，选择适用于我国电力行业的标准，并以用户需求为导向，促进厂家间通信协议的尽早统一，或寻求一种可以兼容的方式。

四、现场设备

· 赵瑞阳：　

在电厂各系统中涉及到的仪表和装置从传感器、各种类型的过程变量变送器与逻辑开关、分析仪、执行机构到电气的高低压开关设备等不下数百种。虽然目前市场上的现场总线产品也已有上百种，而以单一现场总线标准提供的智能现场设备在规格和品种系列上还不齐全，支持总线标准的国产设备则更少。现在大多数现场智能设备往往只支持一种协议，最多两种协议，如果要将各种不同协议的现场智能设备集成在一个系统中，其复杂程度可想而知。有些专家的观点是尽量采用变送器来代替逻辑开关或传感器，但通常情况下，变送器的价格是逻辑开关等装置的数倍或十倍以上，智能现场总线仪表价格则更高，而在有些场合变送器还并不适用。因此，这些在进行系统规划时，投资方和工程技术人员必须要权衡这些问题。

从上面的问题可以看出，我们所期待的是仪表和设备供应商能提供支持多种现场总线标准的产品，为用户选型和集成系统提供方便。据了解已有一些供应商在这方面有所突破，如美国STONEL公司提供的阀门位置开关就支持ASI、Devicenet、Modbus、FF,还可以通过网关与Profibus、Ethernet相连。正如前面所述，目前电厂主厂房内控制系统的选择因电厂独特的生产特性，我们还不能脱离主流DCS产品，因此，未来现场总线智能设备和现场总线协议应融入DCS中，推动DCS功能进一步发展。

尽管我们可以通过总线协议转换模件将不同标准的总线设备集成在一起，但如前所述，我们不可能指望短期内就完全实现现场设备的网络化。在电厂应用领域，当有些现场仪表没有现场总线产品时，或者不值得采用现场总线仪表时，选择传统仪表连接到能挂接到现场总线上去的远程I/O则是较好的方案。在主厂房或辅助车间的某些测点比较集中的区域，通过智能远程I/O同样可以节省电缆和桥架等硬件及工程施工等方面的费用。远程智能I/O的生产商需将信号输出统一到采用符合国际的现场总线，并增加对每一点温度传感器（热电偶、热电阻）或变送器的远程诊断和调校功能。事实上，有不少远程I/O支持HART智能通信，通过集成在远程I/O中的HART多路扫描器，建立独立的远程HART管理系统。

现场总线技术是开放的技术，因此国内仪表和设备供应商应抓住这个机遇，努力开发自己的产品，发展拥有自主知识产权的现场总线控制系统和现场设备，用优质、低价的产品尽快占领市场。新一轮的电力建设热潮中，国外DCS和仪控产品几乎占据了电厂控制系统的绝大部分市场，不能不说是我国自动化设备制造行业的尴尬。国产现场总线产品如果能迅速进入电力行业，将有助于进一步降低工程设备投资，更有利于保证我国的电力生产安全。诚然，这有赖于各电厂投资方、建设方和设计人员对国产控制系统和设备的信任和支持。

阎欣军：

要推广现场总线技术，必然要提到带现场总线的现场仪表。现场总线的关键技术是通信协议标准的统一。现有招标法规定，超过50万人民币的设备必须招标，而国内现有的体制造成所选设备品种不一定一致，这样会给总线标准的选择带来困难。

配套现场智能设备的现状，单独来看是满足用户要求的，但是目前一般的现场总线设备大都实现单一的控制功能，要在一个现场总线设备中同时实现两种控制功能仍十分困难。作为控制设备制造商应该充分了解电厂的需求，在提高可靠性上下工夫，让用户用的放心。

此外，使用现场总线智能仪表及相应控制系统卡件增加的费用是相当惊人的，仪表与控制设备制造商应在降低成本上下工夫。

刘文：

相对电厂DCS而言，就发电厂电气控制系统来说，一种基于现场总线技术的厂用电监控系统正越来越多地被应用到发电厂生产控制中。其技术原型是广泛应用于220kV、500kV变电站的综合自动化系统，其技术基础是电气系统中大量的智能型的终端设备，如智能型断路器、马达控制器、智能仪表、微机型综合测控保护装置等。

厂用电监控系统中压部分一般采用微机型综合测控保护装置作为其间隔层设备，就是将已经有十多年运行经验的基于微处理器的综合保护装置增加现场总线级的通信口，如RS485口、以太网口等，从目前运行单位的反馈意见来看，该装置基本上能够满足电厂运行的要求。而厂用电监控系统中的低压部分存在的问题相对多一些。

首先是由于作为低压厂用电主体的低压电器（如低压框架断路器、塑壳断路器等）控制功能不够完善，存在诸如I/O接口少、没有支持双网的通信口等问题，间隔层设备主要有以下几种组合方式：采用智能断路器的控制器的方式；采用断路器配合智能型的马达控制器的方式；还有的采用断路器配合低压综合测控装置的方式。这样往往会造成运行维护的工作量，底层设备的增加、通信接点的增多也常常会带来故障点的增加。本人认为，深化低压断路器的智能化，实现其功能模块化、接口多样化将是智能型终端设备的一个发展方向。值得一提的是国内的某些科研院所已经开发出基于DeviceNET和Profibus总线的智能型低压电器设备，如数字量输入输出I/O、智能低压断路器、接触器通信口等电器，这将为技术人员又提供一个选择。

其次，由于低压厂用电系统中低压元器件数量巨大，远多于中压系统，往往会造成需要通过现场总线上传的信息量巨大，存在某些极端事故情况下发生短时通信阻塞的可能性，或者造成实时故障信号延时上传的情况。这往往是困扰业主和工程技术人员的一个心病。

另外，现场智能设备安装于生产现场，环境通常比较恶劣，所以提供设备的可靠性、增强其抗干扰的能力也是广大业主和工程技术人员所关心的问题。工程实际中技术人员往往采用装设空调、增加隔离、屏蔽、接地等措施来保证其正常运行。 　

李利：　

对于新建电厂，选用带总线接口的仪表、执行机构、变频器、智能马达控制器、阀门定位器等设备的条件已经成熟，因为很多知名的仪表、设备制造商如：SIEMENS、ABB、EMERSON等都可以提供多种可供选择的成熟的带总线接口的系统和设备，而且价格也逐渐与常规智能设备接近。而且基于HART协议连接变送器的结构已经在很多电厂获得应用，在集中校验、提高采集精度等方面得到了用户的好评。而现场总线是比HART协议更全面的总线，因此具有更好的应用前景。在新建电厂的DCS、FGD 、DCS和辅机程控系统都可以采用现场总线系统，并且已经有很多非常成功的应用。

老电厂的改造系统，由于大量采用非智能仪表和执行机构，全面更换、更新可能性很小，PROFIBUS也可以为这种情况的系统提供很好的解决方案。可以采用远程I/O的方式，通过常规I/O模块采集非智能仪表的信号，然后通过PROFIBUS-DP总线连接到中央控制器。仪表和执行机构可以按设备生命周期逐批更换。

推进现场设备国产化：可以预见，在不远的将来，现场总线将会广泛应用于电力系统，与之密切相关的现场智能设备也必将有光明的前景。但是目前我国现场设备的研发生产状况并不尽如人意，与国外同行业存在较大差距。到目前为止，我国的现场智能设备绝大部分依赖进口，只有个别产品可以实现国产化，如调节阀。随着现场总线技术的推广应用，现场设备技术研发和生产能力的跟进需要两方面的支持：一是有关行业管理机构的引导与投入；另一方面也需要企业及时洞察市场商机，及早投入人力、财力进行相关技术研发。借鉴电力行业其他领域设备产品引进、消化、吸收、自主研发的国产化进程，总线技术在电力行业的推广期待更多现场设备的国产化！

五、总线效益

· 阎欣军：

采用现场总线后，原来传统的现场仪表改用智能现场设备将增加一定投资，控制系统卡件改用支持现场总线卡件后费用增加；但是同时减少了电缆以及接线和查线工程量、电缆桥架及辅设工程量、I/O机柜以及相应的电子设备间空间。总体来讲，投资是持平或略有增加。国外采用现场总线其中最大的一个原因是节约电缆安装人力，因为国外人工费用非常高，使用现场总线后投资会大幅度减少，效益明显。而国内人力便宜，在总体投资上并无优势。

使用现场总线后，落实到成本控制，在设计阶段现场智能仪表及控制系统卡件费用大量增加；在施工调试阶段显著减少了电缆敷设及接线的工作量；在移交生产后仅减少了对控制设备及电缆的维护管理人员，但这样的人员减少基本上无法定量，因为无论是否采用现场总线控制设备，电缆的维护管理人员都是不可缺少的。

· 赵瑞阳：

不可否认，支持现场总线标准的智能现场设备价格相对较高。比如，支持FF或PROFIBUS-PA总线标准的智能变送器价格比带HART协议的智能变送器约高20%（HART协议现为标准配置）；同样，支持现场总线标准的智能执行机构比一般的智能执行机构也要高出20%～30%。

尽管如此，使用现场总线通常所带来的布线费用的降低仍然会对工厂和安装成本的降低产生影响。据ARC了解，使用现场总线，一个600MW燃煤发电厂能够降低其总成本的40%，而它的每I/O点成本可以降低35%。由于ARC集团的研究报告未提供研究的边界条件包括现场总线的使用范围，我们无法评估这些数据的合理性。

从我国国情出发，如果使用现场总线产品，估计大部分设备还要依赖进口。同时国内工程建设的设计、施工和调试费用也与国外同行有较大差距，因此可以认为目前基于现场总线技术的控制系统软硬件费用与传统DCS相比持平或略高。但从长远看，使用现场总线技术，可以通过智能资产管理降低维护费用，减少设备库存。更重要的是，能为预测性维护解决方案提供准确、实时的现场数据，可以让用户研究和分析资产在性能方面细微和渐进的衰退，从而避免灾难性的设备故障。并且可以减少设备非故障停机，提高系统的可用率水平。

因此，使用现场总线技术的控制系统从设计、建造、调试直至运行、维护的整个项目生命周期成本同传统DCS相比确实要低得多。