現(xiàn)場總線技術在電廠自動化控制中的應用

王征

(西安航天自動化股份有限公司，西安 710065)

1 現(xiàn)場總線技術概況

現(xiàn)場總線技術(Fieldbus)是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內的自動裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。它是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動化領域中底層數(shù)據(jù)通信網絡。該技術主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信問題，以及這些現(xiàn)場控制設備與高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。

2 現(xiàn)場總線標準

2003年4月，IEC 61158《現(xiàn)場總線標準》第3版正式成為國際標準，規(guī)定了10種類型的現(xiàn)場總線:(1)TS 61158現(xiàn)場總線;(2)ControlNet和Ethernet/IP現(xiàn)場總線;(3)PROFIBUS現(xiàn)場總線;(4)P－NET現(xiàn)場總線;(5)FF HSE現(xiàn)場總線;(6)SwiftNet現(xiàn)場總線;(7)World FIP現(xiàn)場總線;(8)INTERBUS現(xiàn)場總線;(9)FF H1現(xiàn)場總線;(10)PROFInet現(xiàn)場總線。

2008年，國際電工委員會(IEC)提出新的現(xiàn)場總線標準IEC 61158，將現(xiàn)場總線相關的標準分為15個通信行規(guī)族。

(1)基金會現(xiàn)場總線。

(2)通用工業(yè)協(xié)定現(xiàn)場總線。

(3)PROFIBUS及PROFINET現(xiàn)場總線。

(4)P－NET現(xiàn)場總線。

(5)World FIP現(xiàn)場總線(法國標準通信協(xié)定)。

(6)INTERBUS現(xiàn)場總線。

(7)CC－Link現(xiàn)場總線。

(8)HART(Highway Addressable Remote Transducer Protocol)現(xiàn)場總線。

(9)Vnet/IP現(xiàn)場總線(由日本橫河電機有限公司推動的通信協(xié)定)。

(10)TCnet現(xiàn)場總線(Time-critical Information and Control Network，由日本東芝推動的通信協(xié)定)。

(11)EtherCAT現(xiàn)場總線。

(12)Ethernet POWERLINK現(xiàn)場總線。

(13)EPA現(xiàn)場總線(Ethernet for Plant Automation，中國提出的即時工業(yè)以太網通信協(xié)定)。

(14)MODBUS－RTPS現(xiàn)場總線(MODBUS實時發(fā)布與訂閱)。

(15)SERCOS現(xiàn)場總線。

國內工業(yè)總線目前制定的標準有EPA，G－link，Symotion與NCUC－BUS等，基本上都基于以太網技術。

3 電廠自動化中常見的幾種過程控制技術

工業(yè)控制自動化主要包含3個層次，從下往上依次是基礎自動化、過程自動化和管理自動化，其核心是基礎自動化和過程自動化。在傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)中，過程自動化部分被可編程邏輯控制器(PLC)系統(tǒng)和分散控制系統(tǒng)(DCS)所壟斷，過程自動化和管理自動化主要由各種過程計算機或小型機組成。

(1)由于PC－based的工業(yè)計算機(以下簡稱工業(yè)PC)的快速發(fā)展，以工業(yè)PC、I/O裝置、監(jiān)控裝置、控制網絡組成的PC－based的自動化系統(tǒng)得到了迅速普及，現(xiàn)已成為實現(xiàn)低成本工業(yè)自動化的重要途徑。基于PC的控制系統(tǒng)易于安裝和使用，它具有高級診斷功能，容易被操作人員和維護人員接受，被證明可以像PLC一樣可靠。從長遠角度來看，PC控制系統(tǒng)維護成本低，逐漸向監(jiān)控、管理方面過渡，會得到廣泛應用。

(2)PLC系統(tǒng)早期主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，PLC功能已經大大超過了邏輯控制的范圍?，F(xiàn)代PLC所具有的功能及其各種擴展單元、智能單元和特殊功能模塊可以方便、靈活地組成滿足不同要求和不同規(guī)模的控制系統(tǒng)，以適應各種工業(yè)控制的需要。PLC系統(tǒng)對環(huán)境要求低，安裝簡單，容易維修，使用方便，編程簡單，抗干擾能力和可靠性都很強。目前，微型化、網絡化、PC化和開放性是PLC系統(tǒng)未來發(fā)展的主要方向。

(3)DCS是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機(Computer)、現(xiàn)代通信(Communication)、現(xiàn)代圖形顯示(CRT)和現(xiàn)代控制(Control)4C技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活和組態(tài)方便。DCS通常采用若干個控制器(過程站)對一個生產過程中的眾多控制點進行控制，各控制器之間通過網絡連接可進行數(shù)據(jù)交換。DCS具有高可靠性，系統(tǒng)結構采用容錯設計，若某臺計算機出現(xiàn)故障不會導致系統(tǒng)其他功能的喪失。DCS控制功能齊全，控制算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實現(xiàn)串級、前饋、解耦、自適應和預測等先進控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。但DCS行業(yè)壁壘較強，通用性較差。

(4)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)。現(xiàn)場總線是順應智能現(xiàn)場儀表而發(fā)展起來的一種開放型的數(shù)字通信技術，其發(fā)展的初衷是用數(shù)字通信代替一對一的I/O連接方式，把數(shù)字通信網絡延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場。根據(jù)IEC和美國儀表協(xié)會(ISA)的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，它的關鍵標志是能支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字通信，在控制過程中將控制能力再分散，是新一代分散控制系統(tǒng)，可以降低總成本，提高可靠性，系統(tǒng)更加開放，功能更加強大。

4 總線控制系統(tǒng)在電廠自動化中的發(fā)展

總線控制技術的發(fā)展與PLC和DCS的發(fā)展是分不開的。世界上第1臺可編程序控制器產生于1969年，主要用來替代繼電器邏輯控制，實現(xiàn)微機化邏輯控制。PLC是集計算機技術與自動控制技術為一體的工業(yè)控制產品，是在硬接線邏輯控制技術和計算機技術的基礎上發(fā)展起來的。PLC產品的標準化、系列化以及模塊化可以實現(xiàn)非常復雜的邏輯控制功能，同時隨著技術的進步，網絡技術、信息技術的發(fā)展，PLC可通過通信聯(lián)網實現(xiàn)分散控制和集中管理，因此從20世紀80年代起，PLC就得到了廣泛應用，成為工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎控制設備之一。

DCS是在集中式控制系統(tǒng)的基礎上發(fā)展演變過來的，問世于1975年。DCS包括過程級、操作級和管理級。過程級主要由過程控制站、I/O單元和現(xiàn)場儀表組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實施部分。操作級包括操作員站和工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。管理級主要是指工廠管理信息系統(tǒng)(MIS)，為DCS更高層次的應用。經過30余年的發(fā)展，從功能上來看，現(xiàn)在的DCS已經不再局限于控制層，而是增加了更多的管理層功能，向上提供企業(yè)管理系統(tǒng)接口。與此同時，DCS向下不再局限于主工藝裝置系統(tǒng)的控制，而是將更多的輔助系統(tǒng)納入到整個控制系統(tǒng)中去。

在常規(guī)電廠自動化控制方面，DCS和PLC技術的應用各占半壁江山，DCS主要占據(jù)主廠房區(qū)域，起源于儀表控制，主要面向鍋爐、汽輪機以及發(fā)電機變壓器組(以下簡稱發(fā)變組)等的數(shù)據(jù)采集、過程控制以及生產管理;PLC由于起步于邏輯控制而在電廠的輔機控制中得到大量應用。由于DCS立足于全局，而PLC立足于局部，因此DCS的發(fā)展更快，逐漸滲透到PLC控制范圍。但由于DCS成本及對環(huán)境的要求都較高，邏輯執(zhí)行速度慢，順序連鎖功能相對較弱，編程較PLC復雜，因此也不能完全取代PLC。目前新型的DCS與新型的PLC有互相滲透的趨勢，新型的DCS已有很強的順序控制功能，而新型的PLC在處理閉環(huán)控制方面也有很大提高，并且兩者都能組成大型網絡，DCS與PLC彼此間的適用范圍已有很大延伸。

無論是DCS還是PLC，其基礎控制都是模擬信號(離散量或模擬量)控制，現(xiàn)場到控制卡件有一定距離，同時由于是一對一進行數(shù)據(jù)采集，因此會有大量電纜同向敷設，其抗干擾能力及精度必然存在先天不足，工程造價也大。電廠自動化控制中常常由于接地不良、線間強感應電干擾、變頻干擾，電磁干擾等原因造成設備故障、誤報和誤動，甚至跳機，這都是模擬控制系統(tǒng)的弊病。大量控制電纜的存在也增加了檢修工作的難度。隨著使用年代的增加，查找、更換絕緣老化的電纜成本也非常高。隨著電廠自動化控制要求的提高和控制范圍點數(shù)的增加，控制器的效率和可靠性將急劇下降。由于各控制系統(tǒng)廠家開放性不足，難以實現(xiàn)系統(tǒng)間的網絡互連和信息共享，并且總體造價昂貴，因此用戶對網絡控制系統(tǒng)提出了開放化和降低成本的迫切需求。

總線技術具有以下6個特征:(1)具有全數(shù)字化通信;(2)開放型的互聯(lián)網絡;(3)互可操作性與互用性;(4)現(xiàn)場設備的智能化;(5)系統(tǒng)結構的高度分散性;(6)對現(xiàn)場環(huán)境的適應性。

總線控制技術的應用，相當于把原先位于控制室的DCS或PLC的控制模塊、輸入/輸出模塊置于現(xiàn)場總線設備中，同時具有強大的遠程診斷能力，簡化了系統(tǒng)結構，極大地減少了安裝成本。由于設備和系統(tǒng)之間使用數(shù)字化通信，也提高了系統(tǒng)的抗干擾性和控制精度。加上現(xiàn)場總線設備間具有通信能力，控制功能可分散到現(xiàn)場，使得控制系統(tǒng)結構具備高度的分散性。通信標準的開放性、一致性可以很容易使遵循同標準的設備進行互換，靈活增減設備。

FCS利用現(xiàn)場總線這一開放的、具有可互操作性的數(shù)字化網絡，將現(xiàn)場各控制器及儀表設備互連，構成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，同時將控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了安裝成本和維護費用。FCS實質是一種開放的、可互操作的和徹底分散的分散控制系統(tǒng)。

5 總線技術在電廠自動化控制中應用現(xiàn)狀

總線技術的開放性、可互操作性意味著用戶可以打破DCS或PLC的壟斷，提高用戶對產品的可選擇性和易換性;總線技術的分散性意味著系統(tǒng)具有較高的可靠性和靈活性，用戶很容易對系統(tǒng)進行重組和擴建，且系統(tǒng)易于維護;總線技術的數(shù)字化和分散性的特點，可使系統(tǒng)節(jié)省布線安裝成本和維護費用，以及模擬信號傳輸過程中大量的A/D，D/A轉換裝置，即降低系統(tǒng)的總成本。總線的載體也從傳統(tǒng)的雙絞線發(fā)展為以太網，通信速率的提升為總線技術帶來了更廣泛的發(fā)展空間。

目前現(xiàn)場總線控制技術在電廠中雖不占主導地位，但在電廠中得到廣泛應用，在自動化控制過程中起著重要作用。智能儀表、智能執(zhí)行機構的大量出現(xiàn)和應用以及數(shù)字化的通信方式，使現(xiàn)場總線很容易通過總線接口接入到現(xiàn)有的DCS和PLC中，從而實現(xiàn)控制。由于成本問題，還有很多電廠不具備總線接口或智能控制器的設備，短期內無法完全實現(xiàn)整體的總線控制，因此總線控制技術的最終應用，還需依賴于微處理器技術和通信技術的發(fā)展，降低成本，才能使現(xiàn)場總線控制技術得到更好的應用。

電廠現(xiàn)有設備采用的總線標準不一，也為將來控制系統(tǒng)過渡到總線控制帶來很大困難，總線技術在電廠中的應用還需要結合實際情況來進行綜合考慮。規(guī)劃時應首先選擇適合自己的總線標準，摸清現(xiàn)有總線的情況，充分考慮系統(tǒng)的可過渡性，選擇合適的標準，做到標準統(tǒng)一;其次應從成本考慮，選擇目前具有高性價比、應用廣泛的總線標準;最后需要按系統(tǒng)以及功能區(qū)域進行結構規(guī)劃，新上項目可以提前規(guī)劃，舊系統(tǒng)可分片改造升級，逐步過渡使用。

從國內目前火電廠對總線技術的應用來看，由于很少使用帶有控制功能的總線單元，集成的總線單元大多針對I/O信號采集和傳輸，控制還需要有專門的控制器來實現(xiàn)，總體來說控制能力還較弱，屬于DCS，PLC控制的底層分支。雖然目前有部分電廠開始按總線控制技術進行規(guī)劃建設，但由于種種原因，還是依存于具有總線控制能力的DCS或PLC系統(tǒng)。例如 ControlNet，PROFIBUS，World FIP和 INTERBUS是以PLC為基礎的控制系統(tǒng)發(fā)展起來的現(xiàn)場總線，F(xiàn)F H1，H2和HSE是以傳統(tǒng)DCS發(fā)展起來的現(xiàn)場總線，總線功能較為復雜和全面，它們都是IEC推薦的國際現(xiàn)場總線標準。相比較而言，F(xiàn)F和PROFIBUS是過程自動化領域中最具競爭力的現(xiàn)場總線，它們得到了眾多著名自動化儀表設備廠商的支持，也具有相當廣泛的應用基礎，它們與DCS和PLC融合較好，在電廠中應用較廣，將來也容易升級為FCS。

就目前情況來看，PROFIBUS是一種國際化、經濟性、開放型、不依賴于設備生產商的總線標準，在電廠中實際運用很廣泛，采用它很方便并會帶來很大的經濟效益。PROFIBUS由3個兼容部分組成，即 PROFIBUS－DP(Decentralized Periphery)，PROFIBUS－PA(Process Automation)，PROFIBUS－FMS(Fieldbus Message Specification)。PROFIBUS－DP應用于現(xiàn)場級，它是一種高速、低成本通信技術，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O之間的通信;PROFIBUS－PA適用于過程自動化，可使傳感器和執(zhí)行器接在1根共用的總線上，可應用于本征安全領域;PROFIBUS－FMS用于車間級監(jiān)控網絡，用來完成控制器和智能現(xiàn)場設備之間的通信以及控制器之間的信息交換。

在江蘇新海發(fā)電有限公司“上大壓小”擴建工程中，PROFIBUS總線技術就得到較好的應用。其運煤系統(tǒng)采用PROFIBUS現(xiàn)場總線全通信控制方式，包括監(jiān)控層和現(xiàn)場控制層?，F(xiàn)場控制層由現(xiàn)場智能設備和網絡設備組成，現(xiàn)場控制采用PROFIBUS－DP協(xié)議，主干網采用光纖雙網樹型結構方式，現(xiàn)場分支網采用單網方式直接接至各智能設備(電動機控制器)和I/O總線耦合器(含滾輪機無線傳輸模塊)?？紤]到運煤系統(tǒng)結構復雜，地域分散，并且還有老系統(tǒng)接入，該項目統(tǒng)一使用PROFIBUS總線標準，按照控制集中、數(shù)據(jù)采集分散的原則進行規(guī)劃，控制器選用西門子S7－400系列PLC，按系統(tǒng)區(qū)域劃分了22個分站(含通信和I/O采集)，就地選用了采用菲尼克斯電氣Fieldline系列的PROFIBUS總線的I/O產品。通過提前布局新系統(tǒng)，局部改造老系統(tǒng)，減少了工程總造價現(xiàn)場施工量，靈活地分塊調試加快了整體投運進度，同時由于總線標準統(tǒng)一，原本就采用PROFIBUS標準的老系統(tǒng)很容易融合到新系統(tǒng)中去。

總線技術的應用過程中，還要注意系統(tǒng)安全可靠性問題，這主要分為物理結構和通信方式。從結構上來說，現(xiàn)場總線最大的技術弊端就是多種設備連接在同一條電纜上，終端設備又缺乏故障冗余能力，即使此網絡固若金湯，一旦電纜發(fā)生故障，那么上面所有的設備都會失效，這對于過程工業(yè)中的用戶是致命的。另外，如一個簡單總線地址重復故障，也有可能造成系統(tǒng)控制功能失效，這尤其會發(fā)生在新加節(jié)點過程中。因此設計時需要對總線終端分支上的設備數(shù)量及地址按控制功能整體規(guī)劃，不能把關鍵設備安排在同一條總線分支上，并且還需要在通信主干鏈路部署冗余總線或采用環(huán)網結構。另一方面，還需在電源方面加以考慮，盡量避免采用總線供電方式，采用單獨供電、冗余電源的方式是比較安全可靠的方案。從通信方式上來看，雖然通過應用光纖可以解決因距離增加而導致的通信速率降低的問題，但總線上設備的增加必然會帶來通信信息量的增加，同樣會造成通信速率的降低，同時電源負載增加帶來電源壓降，也會導致整個系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此在設計中既要合理劃分控制區(qū)域和設備，又要考慮預留可擴充容量，需要考慮適當降低通信速率。另外還要提到的一點是，由于總線末端大都是低速率的設備，適當增加高速互通網關，可以平衡低速采集和大信息數(shù)據(jù)通信之間的瓶頸，滿足信息管理的需求。

拋開總線的本質安全屬性不說，從信息安全方面來看，不論采用星形、環(huán)形還是樹形結構，其本質還是總線結構，協(xié)議是透明標準的，因此在總線上的節(jié)點之間的信息交換是透明且不安全的，如果存在一個非法侵入的節(jié)點，將很容易竊取總線上的關鍵生產數(shù)據(jù)信息，甚至取得對系統(tǒng)的控制權。目前雖有防火墻、密文通信以及硬件加密等解決方案，但應用上并不成熟可靠。目前總線的信息安全問題還沒有得到廣泛的關注，電廠大多著眼于解決總線故障安全范圍的問題，但是現(xiàn)場總線系統(tǒng)的開放互聯(lián)是未來發(fā)展的趨勢，因此通信安全是電廠自動化進程中不得不考慮的重要環(huán)節(jié)，也需要在發(fā)展中加以注意。

6 結束語

要充分認識總線技術數(shù)字化、開放性、互換性、互操作性的特點，緊跟控制發(fā)展的趨勢，把握電廠總線現(xiàn)狀，通過合理規(guī)劃總線結構和制訂長遠發(fā)展計劃，推動總線技術應用的發(fā)展，以提升電廠的自動化水平。

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