现场总线技术应用研究
关键词：现场总线，电厂，FCS，水处理控制系统
1引言
随着控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，数字化技术正在从工业生产过程的决策层、管理层、监控层和控制层渗透到现场设备，这样就产生了现场总线技术以及由此组成的控制系统—现场总线控制系统（FCS，FieldbusControlSystem）。自现场总线技术在90年代后期问世以来，它就已经开创了自动化控制技术的新纪元—数字时代。目前现场总线技术已经在国内化工、石化、冶金、建材、医药等工业过程中开始了成功的应用并取得了显著的效益。
在国内，现场总线在火电厂机组控制方面已有局部使用，但还没有在全厂使用现场总线控制系统的范例。签与此，我们在某电厂机组重要程度相对较低的锅炉补给水处理、工业废水处理、循环水处理系统（以下简称主厂房外水系统）采用现场总线技术进行控制，作为FCS应用的尝试与研究。
2现场总线技术
根据国际电工委员会IEC61158标准的定义：安装在制造或生产过程区域的现场装置与控制自动控制装置之间的数字式、串行、双向、多点通信的数据总线称为现场总线。由现场总线与现场智能设备组成的控制系统称为现场总线控制系统FCS。
衡量一个控制系统是否为真正的现场总线控制系统FCS有三个关键要点，即：核心、基础和本质。FCS的核心是总线协议，只有遵循现场总线协议的控制系统，才能称为现场总线控制系统；FCS的基础是数字智能现场仪表，它是FCS的硬件支撑；FCS的本质是信息处理现场化，这是FCS的系统效能体现。现场总线控制系统是一种全计算机、全数字、双向通信的新型控制系统。现场设备级的数字化、网络化是电厂信息化管理的基础。
现场总线技术开发的出发点就是要为用户提供开放的、具有可互操作性、可互换性和统一标准的测量和控制产品，以现场总线技术为基础的FCS的优越性概括起来有以下几方面：互操作性、分散性、可靠性、精确性、开放性、经济性、可维护性。
1999年底IECTC65（负责工业测量和控制的第65标准化委员会）通过了8种类型的现场总线作为IEC61158国际标准。2001年8月经过修订制定出10种类型的现场总线标准（第三版），分别为：
（1）Type1TS61158现场总线
（2）Type2ControlNet和Ethernet/IP现场总线
（3）Type3 Profibus现场总线
（4）Type4 P-Net现场总线
（5）Type5 FFHSE现场总线
（6）Type6 SwiftNet现场总线
（7）Type7 WorldFIP现场总线
（8）Type8 Interbus现场总线
（9）Type9 FFH1现场总线
（10）Type10Profinet现场总线
各种现场总线是针对不同的应用领域开发的，不可能采用同一种总线解决所有的工业控制和过程控制。
在连续生产的过程自动化领域如石化、化工、电力、冶金等Profibus和FF总线比较适合。下面对Profibus和FF总线分别进行介绍：
Profibus现场总线
PROFIBUS是过程现场总线(ProcessFieldBus)的缩写。它是IEC61158和IEC61784所规定的现场总线标准，PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS。
PROFIBUS-DP是一种高速低成本通讯系统，主要应用于自动化系统中单元级和现场级通讯。它按照ISO/OSI参考模型定义了物理层、数据链路层和用户接口，传输技术采用RS-485双绞线电缆和光缆，波特率从9.6kbps到12Mbps；支持单主或多主系统令牌传输方式，总线上最大站点数为126个。采用双绞线则最大通讯距离为1200m(通信速率为93.75kpbs)，若采用中继器可延长至10km。采用光纤则距离可延长至几十公里且可达到12Mbps的通讯速率。
PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使变送器与执行器连接在一根总线上，并提供本质安全和总线供电特性。PROFIBUS-PA采用扩展的PROFIBUS-DP协议，另外还有现场设备描述的PA行规。通讯介质采用双绞线，传输率为31.25kbps，距离可达1900m。每段最多32个站点。
PROFIBUS-FMS定义了主站与主站之间的通讯，根据ISO/OSI参考模型定义了物理层、链路层和应用层，其中应用层包含了现场总线报文规范FMS(FieldMessageSpecification)和低层接口LLI(LowerLayerInterface),最高通信速率为12Mbps(通信距离不超过100m)。
FF现场总线
FF现场总线系统由低速H1总线和高速以太网H2组成。其传输介质为双绞线。H1总线主要用于生产现场，速率为31.25kbps，两线制信号传输并同时向现场设备供电，具备本质安全特征。H2总线主要面向过程控制级、远程I/O和高速工厂自动化的应用，采用100Mbps高速以太网协议。
通过上面的介绍可以对Profibus和FF总线相比较，FF较适合连续量控制（取代4~20mA模拟量），而Profibus较适合离散量控制。Profibus和FF总线在国内外电厂均有成功的应用。
3某电厂机组主厂房外水系统现场总线选取
主厂房外水系统的工艺特点
◇重要性
各辅助系统（车间）的运行状况关系到整个电厂的正常运行。某套系统一旦出现问题，必须及时处理，积极联络，合理调整，否则将影响全厂机组的安全经济运行。
◇分散性
化学补给水处理系统、凝结水精处理系统、机组汽水取样/化学加药系统、净水处理系统、废水处理系统、循环水加氯控制系统、生活污水处理系统等采用独立系统（车间），遍布于全厂，相互之间距离较远。
◇非连续性
各辅助系统大都是间歇式运行，即在一定的要求后才进行操作，满足一定的条件后，系统停止运行，等待下一次运行。只有凝结水精处理系统系统需要随机组长期连续运行。
◇开关量控制为主
开关量控制占辅助系统控制的绝大部分，大量的阀门、电磁阀、电动机等要受联锁条件的逻辑控制，主要以设备的状态、阀门的开关、电机的启停、压力流量和料液位的限值等条件进行控制。模拟量控制集中体现在各加药控制环节上。
◇运行环境条件
各辅助系统（车间）运行环境较复杂，部分车间往往粉尘较大、环境温度及湿度变化范围较大、部分车间有防腐蚀要求、部分车间有防爆要求。
根据主厂外水系统的控制特点，结合各现场总线标准的特点及应用领域，在某电厂机组主厂房外水系统选用Profibus-DP和FF现场总线控制。
4某电厂机组主厂房外水系统现场总线设计方案
本工程辅网硬件为艾默生公司的Ovation控制系统控制器、Profibus-DP和FF总线接口装置。下面简要的对这两种现场总线模块进行介绍。
OvationFF现场总线模块
每个Ovation控制器可连接多达12只现场总线FF模块。每只FF模块可支持2个H1现场总线分支，每个H1现场总线分支可连16只支持总线驱动的现场智能仪表。OvationFf现场总线模块可以控制现场智能设备和Ovation控制器之间的通讯。OvationFf现场总线模块提供了标准的连接端子，使用带屏蔽的一对双绞线缆连接现场智能设备，通信和供电都通过这对线缆实现。OvationFf现场总线模块通过本地I/O总线与Ovation控制器连接。这等同于一个拥有很多通道的超级I/O模件。控制器可以象使用其它I/O数据一样将这个模块的数据用在控制逻辑、报警等应用中。
OvationProfibus-DP现场总线模块
每对控制器最多支持12个ProfibusDP现场总线模块，即24段单主控现场总线分支或者12段冗余主控现场总线分支。Profibus-DP总线采用主从通讯模式。每段总线支持32个从设备，加中继器时最多支持126个设备。
OvationProfibus-DP现场总线模块作为总线段的主设备而工作。模块采用标准的RS485传输技术。这种传输技术一般被称为H2，可以用于高速传输、安装简便而且便宜的场合。
Profibus总线支持增加和删除从设备，可以逐一投运设备，而不影响其他设备的正常运行。未来总线段的扩展也不会影响到正常运行的从设备。Profibus-DP技术基于带终端器的总线，每个连接器都能提供可切换的终端器功能。Ovation系统一般将这种终端器设置于总线段的两端。过程信号从DP接口模块进入Ovation控制器后，可以直接应用于控制策略中，如同传统的直连式I/O。有些Profibus-DP设备能够提供诊断信息，可以显示于专门的诊断窗口，也可以被Ovation系统所使用。
由于本工程在主厂房外水系统确定采用现场总线时，超滤及反渗透设备已经招标，厂供的表计不带总线接口，所以这些表计采用硬接线方式接入控制系统。其他设备按以下原则进行设计：
气动阀电磁阀箱DO信号，电气MCC控制DO信号、DI信号、电动阀DO、DI信号采用PROFIBUS-DP总线。电流AI信号，表计AI信号，电动调节阀AO、AI采用FF总线。气动阀门的电磁阀箱采用阀岛，其DO信号以现场总线方式接入控制系统；MCC采用智能马达控制器，DO、DI、AI信号以现场总线方式接入控制系统。
本系统控制方案由2层通讯结构：上层为操作员站与控制器间的高速工业以太网通讯；控制器与现场设备之间采用现场总线通讯。考虑到主厂房外水系统的重要性以及系统设备众多，为该系统配备5对冗余的Ovation控制器，其锅炉补给水预处理系统1对，锅炉补给水除盐处理系统1对，工业废水+储氢1对，循环水处理2对。
下面以其中一对控制器为例说明各网段的FF总线和Profibus-DP总线的设备连接形式及所采用的总线电缆的型号。FF总线为带电总线，现场采用“鸡爪形”的拓扑结构，每个智能现场设备通过FF总线电缆接入FF总线通讯接线盒，接线盒又通过FF总线接入控制柜的FF电源调节模块。
在接线盒中安装一个现场终端器，该终端器有醒目的标签，防止因疏忽被拆卸。另一个终端器安装在主机侧的电源调节器内。接线盒安装在就地并尽可能保证设备至接线盒的长度最短。FF电缆型号为Belden3076F。
DP总线为不带电总线，现场设备需要外部供电。本工程DP总线采用总线型拓扑结构，每个智能现场设备通过DP9总线连接器（9针D型连接器，第3针脚为正第8针脚为负）接入DP总线，DP9总线连接器插座部分安装在设备上。DP总线上的单个设备故障不会引起总线故障。在总线的开头和结尾都安装有终端电阻。DP电缆选用的是BeldenYR47052。
5采用现场总线技术的优点总结
(1)FCS由于信息处理现场化，与DCS相比，可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同时也节省了电子设备间面积。
（2）数字化、智能化的现场仪表和装置（如传感器、执行器等）不仅仅是替代了4～20mA模拟系统，使得原来需要大量电缆进行点到点连接的众多现场设备信号可通过一根网络电缆来传输，可以显著减少电缆的使用量，也就相应省去了大量的电缆桥架及电缆敷设，同时也节省了设计、安装和维护的费要。
（3）FCS系统将中央控制器的控制功能分散下放到智能的现场装置中，减少控制器的配置及复杂程度，使得控制器功能与重要性相对减弱，也省去了大量的设计及组态的工作量。
（4）在现场设备中实现控制功能和设备管理功能，通过数字通讯，在控制室可以获得现场设备的诸多信息，如远方诊断、维护、组态和标识等，使得这些现场设备的维护检修可以有计划的在线进行。更丰富和快捷的诊断数据传输加强了预维护能力。
（5）提高了精度，不会在D/A、A/D转换上损失精度。
（6）系统调试更加灵活方便。可以根据需要将系统分为几个部分分别进行调试。在进行复杂故障的排除中也可以采用同样的方法，使控制系统的档次跨越了一个新台阶。
6电厂应用现场总线技术遇到的问题
现场总线技术具有一系列的特点，建设数字化和信息化电厂的呼声越来越高，但在电力系统投入使用的工程不多。本工程中遇到的问题有：
（1）现场总线标准多，难以选择。另外，各种现场总线是针对不同的应用领域开发的，如FF、HART在连续信号的处理中具有一定的特色，而PROFIBUS、INTERBUS等在开关量信号的处理中又有一定的优势。可见，现场总线自身存在着应用领域的局限性。
（2）支持现场总线标准的智能现场设备的规格和品种较少，支持总线标准的国产设备更少，尤其是针对电厂开发的智能设备，不能满足电厂各专业的需要。
（3）支持现场总线标准的智能现场设备价格较高。
（4）连接现场总线设备底层的网络不支持冗余结构。
（5）现场总线的传输速率较低，不能满足控制速度要求高的场合。
7结束语
FCS的应用提高了现场设备级信息化水平，尤其在设备诊断和运行维护方面具有明显的优势，缩短工期，节省投资。随着现场总线技术的完善和热工自动化技术的提高，以及数字化、智能现场设备的进一步开发和应用，FCS在火电厂的应用将更广泛，以其具有的开放性数字化通信的特点，为发展火电厂热工自动化技术发挥更大的作用，使火电厂的自动化水平提高到一个新的水平，加速实现电厂的数字化和信息化。
参考文献
【1】现场总线控制[M].北京：中国电力出版社，周明，2002，1
【2】现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社，阳宪惠，1999
【3】现场总线技术在电厂中的应用[J].微计算机信息，徐明，2006，（1）