1、 現場總線系統概述

隨著控制技術、計算機技術和通信技術的飛速發展，數字化技術正在從工業生產過程的決策層、管理層、監控層和控制層滲透到現場設備，這樣就產生了現場總線技術以及由此組成的控制系統—現場總線控制系統（FCS，FieldbusControlSystem）。自現場總線技術在90年代后期問世以來，它就已經開創了自動化控制技術的新紀元—數字時代。目前現場總線技術已經在國內化工、石化、冶金、建材、醫藥等工業過程中開始了成功的應用并取得了顯著的效益。

在國內，現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場總線控制系統的范例。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、工業廢水處理、循環水處理系統（以下簡稱主廠房外水系統）采用現場總線技術進行控制，作為FCS應用的嘗試與研究。

2 、現場總線技術

根據國際電工委員會IEC61158標準的定義：安裝在制造或生產過程區域的現場裝置與控制自動控制裝置之間的數字式、串行、雙向、多點通信的數據總線稱為現場總線。由現場總線與現場智能設備組成的控制系統稱為現場總線控制系統FCS。

衡量一個控制系統是否為真正的現場總線控制系統FCS有三個關鍵要點，即：核心、基礎和本質。FCS的核心是總線協議，只有遵循現場總線協議的控制系統，才能稱為現場總線控制系統；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?，F場總線控制系統是一種全計算機、全數字、雙向通信的新型控制系統。現場設備級的數字化、網絡化是電廠信息化管理的基礎。

現場總線技術開發的出發點就是要為用戶提供開放的、具有可互操作性、可互換性和統一標準的測量和控制產品，以現場總線技術為基礎的FCS的優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、經濟性、可維護性。

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

各種現場總線是針對不同的應用領域開發的，不可能采用同一種總線解決所有的工業控制和過程控制。

在連續生產的過程自動化領域如石化、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現場總線

PROFIBUS是過程現場總線（ProcessFieldBus）的縮寫。它是IEC61158和IEC61784所規定的現場總線標準，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，主要應用于自動化系統中單元級和現場級通訊。它按照ISO/OSI參考模型定義了物理層、數據鏈路層和用戶接口，傳輸技術采用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令牌傳輸方式，總線上最大站點數為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專為過程自動化設計，可使變送器與執行器連接在一根總線上，并提供本質安全和總線供電特性。PROFIBUS-PA采用擴展的PROFIBUS-DP協議，另外還有現場設備描述的PA行規。通訊介質采用雙絞線，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ISO/OSI參考模型定義了物理層、鏈路層和應用層，其中應用層包含了現場總線報文規范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現場總線

FF現場總線系統由低速H1總線和高速以太網H2組成。其傳輸介質為雙絞線。H1總線主要用于生產現場，速率為31.25kbps，兩線制信號傳輸并同時向現場設備供電，具備本質安全特征。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用，采用100Mbps高速以太網協議。

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

3、某電廠機組主廠房外水系統現場總線選取

主廠房外水系統的工藝特點

◇重要性

各輔助系統（車間）的運行狀況關系到整個電廠的正常運行。某套系統一旦出現問題，必須及時處理，積極聯絡，合理調整，否則將影響全廠機組的安全經濟運行。

◇分散性

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

◇非連續性

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

◇開關量控制為主

開關量控制占輔助系統控制的絕大部分，大量的閥門、電磁閥、電動機等要受聯鎖條件的邏輯控制，主要以設備的狀態、閥門的開關、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在各加藥控制環節上。

◇運行環境條件

各輔助系統（車間）運行環境較復雜，部分車間往往粉塵較大、環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。

根據主廠外水系統的控制特點，結合各現場總線標準的特點及應用領域，在某電廠機組主廠房外水系統選用Profibus-DP和FF現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現場總線設計方案

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

Ovation基金會現場總線現場總線模塊

每個Ovation控制器可連接多達12只現場總線FF模塊。每只FF模塊可支持2個H1現場總線分支，每個H1現場總線分支可連16只支持總線驅動的現場智能儀表。OvationFf現場總線模塊可以控制現場智能設備和Ovation控制器之間的通訊。OvationFf現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場智能設備，通信和供電都通過這對線纜實現。OvationFf現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?？刂破骺梢韵笫褂闷渌麵/O數據一樣將這個模塊的數據用在控制邏輯、報警等應用中。

Ovation Profibus-DP現場總線模塊

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

OvationProfibus-DP現場總線模塊作為總線段的主設備而工作。模塊采用標準的RS485傳輸技術。這種傳輸技術一般被稱為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備，可以逐一投運設備，而不影響其他設備的正常運行。未來總線段的擴展也不會影響到正常運行的從設備。Profibus-DP技術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系統一般將這種終端器設置于總線段的兩端。過程信號從DP接口模塊進入Ovation控制器后，可以直接應用于控制策略中，如同傳統的直連式I/O。有些Profibus-DP設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系統所使用。

由于本工程在主廠房外水系統確定采用現場總線時，超濾及反滲透設備已經招標，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。其他設備按以下原則進行設計：

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，電動調節閥AO、AI采用FF總線。氣動閥門的電磁閥箱采用閥島，其DO信號以現場總線方式接入控制系統；MCC采用智能馬達控制器，DO、DI、AI信號以現場總線方式接入控制系統。

本系統控制方案由2層通訊結構：上層為操作員站與控制器間的高速工業以太網通訊；控制器與現場設備之間采用現場總線通訊?？紤]到主廠房外水系統的重要性以及系統設備眾多，為該系統配備5對冗余的Ovation控制器，其鍋爐補給水預處理系統1對，鍋爐補給水除鹽處理系統1對，工業廢水+儲氫1對，循環水處理2對。

下面以其中一對控制器為例說明各網段的FF總線和Profibus-DP總線的設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，現場采用“雞爪形”的拓撲結構，每個智能現場設備通過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電源調節模塊。

在接線盒中安裝一個現場終端器，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的電源調節器內。接線盒安裝在就地并盡可能保證設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，現場設備需要外部供電。本工程DP總線采用總線型拓撲結構，每個智能現場設備通過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備上。DP總線上的單個設備故障不會引起總線故障。在總線的開頭和結尾都安裝有終端電阻。DP電纜選用的是BeldenYR47052。

5、 采用現場總線技術的優點總結

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

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

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

（4）在現場設備中實現控制功能和設備管理功能，通過數字通訊，在控制室可以獲得現場設備的諸多信息，如遠方診斷、維護、組態和標識等，使得這些現場設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據傳輸加強了預維護能力。

（5）提高了精度，不會在D/A、A/D轉換上損失精度。

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

6、 電廠應用現場總線技術遇到的問題

現場總線技術具有一系列的特點，建設數字化和信息化電廠的呼聲越來越高，但在電力系統投入使用的工程不多。本工程中遇到的問題有：

（1）現場總線標準多，難以選擇。另外，各種現場總線是針對不同的應用領域開發的，如FF、HART在連續信號的處理中具有一定的特色，而PROFIBUS、INTERBUS等在開關量信號的處理中又有一定的優勢。可見，現場總線自身存在著應用領域的局限性。

（2）支持現場總線標準的智能現場設備的規格和品種較少，支持總線標準的國產設備更少，尤其是針對電廠開發的智能設備，不能滿足電廠各專業的需要。

（3）支持現場總線標準的智能現場設備價格較高。

（4）連接現場總線設備底層的網絡不支持冗余結構。

（5）現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 、結束語

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

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