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   活動鏈接：2013年控制網(wǎng)行業(yè)專題---節(jié)能增效 電力新發(fā)展

  繼DCS后，現(xiàn)場總線系統(tǒng)是自動化領(lǐng)域的一重大技術(shù)跨越。這種集成了微機、網(wǎng)絡、分布控制技術(shù)后建立起一種新的控制結(jié)構(gòu)，將微處理器置于現(xiàn)場設(shè)備中，把現(xiàn)場單個、分散的數(shù)字化、智能化設(shè)備變成網(wǎng)絡節(jié)點；連接成可以相互溝通信息，將過去采用點到點式的模擬量信號傳輸或開關(guān)量信號的單向并行傳輸，變?yōu)槎帱c一線的雙向串行多節(jié)點數(shù)字式傳輸?shù)牡蛶挼讓涌刂凭W(wǎng)絡，為實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的信息化提供了可能，是數(shù)字化電廠的技術(shù)基礎(chǔ)，正被一步步推上代表未來電力自動化水平的特殊位置。

   新千年最初的10多年時間里，在電力自動化領(lǐng)域，現(xiàn)場總線經(jīng)過了從概念到產(chǎn)品、從試點到推廣、從小規(guī)模試用到大規(guī)模應用的發(fā)展歷程。在此過程中，爭議從未停止，人們一方面驚嘆于現(xiàn)場總線帶給自動化系統(tǒng)的全新面貌，另一方面不斷地糾結(jié)于現(xiàn)場總線帶來的新問題。作為電力自動化領(lǐng)域的從業(yè)者，筆者一直在近距離地觀察著這一有趣的現(xiàn)象，并在思考著，試圖從技術(shù)發(fā)展的本質(zhì)來揭示現(xiàn)象背后的規(guī)律，找到現(xiàn)場總線技術(shù)推動電力自動化的發(fā)展方向。

  1　東風夜放花千樹，10年間現(xiàn)場總線從概念到成功應用

   如果從1999年12月，國際電工委員會投票通過IEC61158現(xiàn)場總線標準算起，至今不過13年的時間。而國內(nèi)電力自動化領(lǐng)域應用現(xiàn)場總線技術(shù)，我們所了解到的大約也始于1999年。這一年，杭州半山發(fā)電廠采用南京科遠自動化集團公司的控制系統(tǒng)進行了兩臺135MW機組的自動化改造。為了縮短項目工期，該項目設(shè)計時，應用遠程I/O來減少電纜施工量，通過現(xiàn)場通訊總線實現(xiàn)與DCS的信號傳輸。項目選用的DCS具有Profibus DPV0通訊接口和配套的遠程I/O機架，在每臺單元機組的控制系統(tǒng)中，通過Profibus從安裝在現(xiàn)場的37只遠程機箱中，接入1417點I/O信號，占整個系統(tǒng)I/O點數(shù)的40%。

   嚴格地來說，杭州半山發(fā)電廠的Profibus應用并不是真正意義上的現(xiàn)場總線應用，而只是一種用于工業(yè)現(xiàn)場的具有較高可靠性和實時性的串行通訊協(xié)議，當時的國內(nèi)市場上還沒有出現(xiàn)支持現(xiàn)場總線的智能化設(shè)備，其傳輸?shù)囊仓皇沁^程參數(shù)這樣的循環(huán)數(shù)據(jù)，還不支持診斷參數(shù)這樣的非循環(huán)數(shù)據(jù)。然而，通過杭州半山發(fā)電廠的探索，現(xiàn)場總線特別是Profibus的可靠性、實時性得到了充分的驗證。布置在遠程機箱中的I/O卡件、通訊模件經(jīng)受了現(xiàn)場環(huán)境，特別是溫度和電磁干擾的考驗，為真正意義上的現(xiàn)場總線應用提供了借鑒。

   2004年，在江陰夏港電廠，兩臺300MW機組的基建項目中，選用了346只具有現(xiàn)場總線接口的低壓電動機保護單元，每個電動機保護單元通過Profibus DPV1的通訊口與控制器交換數(shù)據(jù)，不僅傳輸用于操作的循環(huán)數(shù)據(jù)，還傳輸用于診斷的非循環(huán)數(shù)據(jù)。在國華寧海閉式循環(huán)水系統(tǒng)中，通過Profibus連接了電動執(zhí)行機構(gòu)；在華能玉環(huán)水處理系統(tǒng)中，通過Profibus連接了變送器、電動執(zhí)行機構(gòu)和低壓電動機保護單元。在這一段時間，隨著支持現(xiàn)場總線的智能化設(shè)備的出現(xiàn)和成熟，真正意義的現(xiàn)場總線應用從無到有，從小到大的逐步發(fā)展起來。通過這一系列的實踐，現(xiàn)場總線可減少現(xiàn)場電纜施工，提供豐富的診斷信息的優(yōu)勢得到了認同。同時現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及布線方案，支持現(xiàn)場總線的智能設(shè)備逐步地發(fā)展起來。但是現(xiàn)場總線系統(tǒng)總體造價高，對維護人員的技能要求也較高，給用戶選擇現(xiàn)場總線方案的余地卻很小，造成了一定的困擾。

   2009年，為了進行數(shù)字化電廠的試點，在華能金陵電廠兩臺1000MW超超臨界機組，進行了國內(nèi)最大規(guī)模的現(xiàn)場總線應用。其主機控制系統(tǒng)和輔機控制系統(tǒng)通過Profibus接入了1500余臺總線設(shè)備，包括低壓電動機保護單元、總線式電磁閥箱、電動門、調(diào)節(jié)閥、壓力和差壓變送器等。在這里，現(xiàn)場總線已經(jīng)不再是作為常規(guī)控制系統(tǒng)的補充，而是占據(jù)了所有儀表控制系統(tǒng)的50%，成為控制系統(tǒng)參數(shù)的主要傳輸方式。現(xiàn)場總線的可靠性得到了充分驗證，能夠滿足當時最大單機容量機組的控制要求。但是，對于現(xiàn)場總線智能設(shè)備提供的診斷信息，缺乏分析管理的方法和工具，沒有得到有效的利用。這個問題與較高造價給現(xiàn)場總線的進一步推廣造成了不小的障礙。

   以上三批具有典型意義的現(xiàn)場總線應用，分別間隔五年，應用的單機容量越來越大，應用的范圍也越來越廣，應用的總線標準都是Profibus。作為工業(yè)自動化領(lǐng)域的全新技術(shù)，現(xiàn)場總線在國內(nèi)電力行業(yè)的應用與國際上沒有明顯的滯后，基本是同步發(fā)展的。這個發(fā)展的背后，是中國經(jīng)濟的重工業(yè)化帶來的對于電力自動化新技術(shù)的需求，市場的需求和電力自動化專家群體的超前布局成為推動現(xiàn)場總線技術(shù)在國內(nèi)電力行業(yè)應用的強大合力，在10年時間內(nèi)，現(xiàn)場總線就從國際標準中的概念發(fā)展為在電力行業(yè)最高水平控制系統(tǒng)上有著成功應用的全新技術(shù)。

  2　 山重水復疑無路，現(xiàn)場總線的發(fā)展伴隨著不斷的爭議

  與任何一種新技術(shù)的發(fā)展過程類似，現(xiàn)場總線的發(fā)展也總是伴隨著質(zhì)疑和爭議。具有代表意義的三個問題是：
（1）通訊的可靠性較低，現(xiàn)場總線不能用于關(guān)鍵性場合；
（2）通訊的實時性不夠，現(xiàn)場總線不能用于高實時性要求的控制功能；
（3）連接控制系統(tǒng)和現(xiàn)場智能儀表的現(xiàn)場總線，都是看不見摸不著的通訊信號，維護人員很難掌握和進行故障處理。

  從現(xiàn)場總線的技術(shù)本質(zhì)來看，以上三個問題都是新技術(shù)開發(fā)和應用過程中出現(xiàn)的波折，而不能認定為是現(xiàn)場總線技術(shù)本身的缺陷。

   首先來談談現(xiàn)場總線的可靠性問題。在現(xiàn)場總線之前，現(xiàn)場的物理信號通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，通過硬接線電纜將標準的電信號送到控制系統(tǒng)中的I/O卡件，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換處理成數(shù)字信號，最終進入控制系統(tǒng)進行運算處理。而在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，將現(xiàn)場的D/A轉(zhuǎn)換、電纜的傳輸、控制系統(tǒng)的A/D三個環(huán)節(jié)簡化為現(xiàn)場的智能芯片與控制系統(tǒng)直接的通訊。因此，從原理上來說現(xiàn)場總線的可靠性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的硬接線。而且現(xiàn)場總線可以傳輸多點信號，在進行冗余設(shè)計時具有比硬接線更好的性價比。同時現(xiàn)場總線具有的診斷功能，能夠更有效防止信號故障，進一步提高整個控制系統(tǒng)的可靠性。因此，從技術(shù)本質(zhì)上來看，現(xiàn)場總線具有更高的可靠性。關(guān)于可靠性的質(zhì)疑更多的是由于現(xiàn)場總線相關(guān)產(chǎn)品的成熟度問題，特別是支持現(xiàn)場總線的智能設(shè)備多種多樣，由不同的廠家提供，良莠不齊。

    其次，我們再來談談現(xiàn)場總線的實時性問題。在電力自動化過程控制領(lǐng)域，按照控制要求，實時性分為兩種：一是一般過程信號的采集和控制，要求采樣周期和控制周期在200ms～500ms以上，涵蓋95%以上的控制要求。二是快速過程信號的采集和控制，要求采樣周期和控制周期在50ms左右，主要包括FSSS、ETS和DEH等特殊控制回路。目前現(xiàn)場總線主要用于一般過程信號的采集和控制，對于快速過程信號的采用和控制還是在使用傳統(tǒng)的硬接線方案。從串行通訊的實時性能來分析，對于小于64個字節(jié)的報文，以500K的波特率，傳輸時間在2ms以內(nèi)。對于最高波特率12M的Profibus現(xiàn)場總線，要滿足50ms的控制周期要求，就協(xié)議本身并不存在任何困難。但是，必須從控制器通訊主站、現(xiàn)場智能設(shè)備的通訊從站，以及整個通訊鏈路中進行整體設(shè)計，才能穩(wěn)定可靠地滿足快速過程的實時性需要。

   最后，我們來談現(xiàn)場總線維護的問題。從技術(shù)本質(zhì)上來說，現(xiàn)場總線標準和4～20mA電氣信號標準，都用來規(guī)范控制系統(tǒng)與現(xiàn)場儀表的信號交換方式。4～20mA電氣信號屬于電工技術(shù)知識，而現(xiàn)場總線標準要求更多的是通訊和軟件的知識范疇，對維護人員提出了更高的要求。但現(xiàn)場總線系統(tǒng)中提供了界面友好的調(diào)試工具，在建立總線通訊的情況下，能夠大大提高對于現(xiàn)場儀表的調(diào)試效率。因此，現(xiàn)場總線對維護人員提出更高的要求，這不是技術(shù)缺陷，而是新技術(shù)發(fā)展對人員知識提出的更新要求。由于現(xiàn)場總線技術(shù)在電力行業(yè)沒有得到推廣，使得絕大多數(shù)電廠設(shè)備和系統(tǒng)維護人員對現(xiàn)場總線技術(shù)缺乏基本的認知，又因為電力行業(yè)內(nèi)已有的現(xiàn)場總線多數(shù)是在電廠輔助車間使用，更大程度上只是一種新技術(shù)的試驗，或純粹是大型基建中所謂的亮點而已，根本上沒有得到管理層的重視，相關(guān)技術(shù)人員也就缺乏足夠的熱情去掌握其必要的維護技術(shù)。

   由此看來，從技術(shù)本質(zhì)上來說，可靠性、實時性、難于維護的爭議，都不應是現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的阻礙（目前現(xiàn)場總線在電力行業(yè)的應用案例已經(jīng)證明了這一點）。那么阻礙現(xiàn)場總線推廣應用的障礙究竟在哪里？這是筆者一直在思考的問題。

   3　眾里尋他千百度，影響現(xiàn)場總線推廣應用的障礙

   為說明上面提出的問題。我們還是從技術(shù)的本質(zhì)出發(fā)來進行分析，任何一種新技術(shù)的發(fā)展和對舊技術(shù)的替代都必須建立在兩個前提之下，第一是更低的成本，第二是更高的性能。那么：

   第一，應用現(xiàn)場總線后的成本更低嗎？從目前來看，采用了現(xiàn)場總線系統(tǒng)之后，儀控系統(tǒng)的造價明顯提高。

   第二，成本的提高能夠獲得更高的性能嗎？從目前的應用案例來看，現(xiàn)場總線提供了大量的診斷數(shù)據(jù)，但是缺乏分析管理的方法和工具，還沒有能夠提升電力行業(yè)的運行經(jīng)濟指標產(chǎn)生正面的影響。

   那么在這種情況，僅僅依賴電力自動化專家群體的超前布局，現(xiàn)場總線只能夠獲得少量試點應用，但是缺少大規(guī)模推廣的市場動力。

   在這一點上，與現(xiàn)場總線在石化行業(yè)的推廣應用形成了明顯的差距。根據(jù)筆者的理解，電力行業(yè)和石化行業(yè)都是大規(guī)模的流程工業(yè)，被控對象復雜而龐大，物理分散聯(lián)系緊密。而相對來說，石化行業(yè)的物理分散度更大，而電力行業(yè)的設(shè)備更為集中，因此現(xiàn)場總線節(jié)省電纜及其施工費用的優(yōu)點，在電力行業(yè)就顯得不太突出。石化行業(yè)還有防爆的要求，如果采用傳統(tǒng)硬接線，其控制系統(tǒng)的I/O接口上要配置大量的安全柵，安全柵的成本與整個控制系統(tǒng)的成本相當。如果采用本安型的現(xiàn)場總線，節(jié)省I/O接口及相應的安全柵，對于石化行業(yè)的控制系統(tǒng)而言，將會節(jié)省大量的成本。因此，我們認為，正是總體成本上的劣勢，影響了現(xiàn)場總線在電力行業(yè)的推廣。

  另外，同樣是防爆的原因，在運行過程中，石化行業(yè)不允許到現(xiàn)場打開防爆箱，進行現(xiàn)場設(shè)備的維護，而是必須通過遠程的通訊接口對現(xiàn)場設(shè)備進行調(diào)試。現(xiàn)場總線的特點恰恰契合了石化行業(yè)的這一內(nèi)在需求，成為現(xiàn)場總線在石化行業(yè)推廣應用的一個原因。而同樣的功能特點，在電力行業(yè)反而成為維護人員不太適應的一個障礙。

   還有，現(xiàn)場總線技術(shù)的主要優(yōu)勢在于提供現(xiàn)場設(shè)備的診斷信息，為電廠的設(shè)備狀態(tài)檢修、故障診斷提供數(shù)據(jù)。但實際上，由于故障診斷、設(shè)備狀態(tài)檢修在國內(nèi)電力行業(yè)發(fā)展停滯不前，致使現(xiàn)場總線技術(shù)提供的大量設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)失去了現(xiàn)實意義，已經(jīng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)的電廠對這些診斷信息也沒有進一步的挖掘利用。這就使得本應大放光彩的現(xiàn)場總線技術(shù)在電力行業(yè)的使用總是“雷聲大，雨點小”。

   4　柳暗花明又一村，堅守本質(zhì)迎接現(xiàn)場總線的時代

   因此，我們認為，從技術(shù)本質(zhì)上來說，任何一種新技術(shù)的推廣，其最強大的推動力只能是來自于市場的內(nèi)在需求，那就是： 相近的性能，更低的成本； 相近的成本，更高的性能； 性價比最優(yōu)。

   根據(jù)這樣的需求，現(xiàn)場總線要想加快在電力行業(yè)推廣應用的步伐，以下是兩大努力方向：

   第一是降低用戶的綜合成本。目前成本較高的原因，主要來自于兩個方面。一是支持現(xiàn)場總線的智能設(shè)備價格過高，二是現(xiàn)場總線通訊設(shè)備價格過高。我們不應該認為現(xiàn)場總線設(shè)備的高價是完全合理的現(xiàn)象。從產(chǎn)品制造的角度來看，采用了現(xiàn)場總線反而會減少現(xiàn)場智能設(shè)備的硬件成本，而現(xiàn)場總線通訊設(shè)備的成本與普通卡件的成本并沒有本質(zhì)的差別，現(xiàn)場總線的芯片成本并不會高于工業(yè)以太網(wǎng)的芯片。去除新技術(shù)新產(chǎn)品的開發(fā)成本，現(xiàn)場總線相關(guān)設(shè)備之所以價格過高，更多的是一種市場壟斷行為。只有更多有實力的國內(nèi)廠家參與到現(xiàn)場總線領(lǐng)域，達到和國外競爭對手相近的產(chǎn)品性能，只有打破現(xiàn)場總線之間不能互操作的人為技術(shù)壁壘，甚至用工業(yè)以太網(wǎng)來統(tǒng)一現(xiàn)場總線，才有可能打破這個壟斷，向市場提供價格合理的現(xiàn)場總線產(chǎn)品。

   第二是實現(xiàn)對于設(shè)備診斷數(shù)據(jù)的分析和管理，提升設(shè)備管理的效率，為節(jié)能降耗、降低電力行業(yè)的整體運營成本提供實實在在的價值。這更多是資產(chǎn)管理的功能，而不是現(xiàn)場總線系統(tǒng)的功能。現(xiàn)場總線能夠為資產(chǎn)管理提供大量的設(shè)備診斷數(shù)據(jù)，從而提升資產(chǎn)管理的效率。在這個方面，現(xiàn)場總線領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了FDT標準（Field Device Tool），這是一個獨立于各個設(shè)備制造商和現(xiàn)場總線協(xié)議的，將智能現(xiàn)場設(shè)備集成到過程自動化系統(tǒng)的開發(fā)標準。FDT能夠以標準的方法將大量設(shè)備診斷數(shù)據(jù)送到資產(chǎn)管理系統(tǒng)中，從而發(fā)揮出現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)優(yōu)勢，使得現(xiàn)場總場真正成為數(shù)字化電廠的基礎(chǔ)。

   5　結(jié)束語

   堅持技術(shù)的本質(zhì)規(guī)律，用創(chuàng)新技術(shù)向用戶提供更好更便宜的產(chǎn)品，是市場競爭的王道，也同樣是推動現(xiàn)場總線技術(shù)在電力行業(yè)發(fā)展的最強大動力。我們相信，有中國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，有專家群體的超前布局，電力自動化將會迎來現(xiàn)場總線的全新時代。

  參考文獻：

[1] 侯子良.推廣應用現(xiàn)場總線系統(tǒng)全面實現(xiàn)火電廠數(shù)字化[J].中國電力，2004,3.
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[5] 西門子.現(xiàn)場總線設(shè)備兼容性測試報告[R].2008.6.

  作者簡介

孫長生（1954-），男，安徽桐城人，高級工程師，從事火電廠熱工自動化系統(tǒng)應用研究和科技項目開發(fā)工作。
曹瑞峰（1975－），男，南京人，高級工程師，從事發(fā)電廠熱工自動化控制系統(tǒng)的開發(fā)和項目管理工作。