浅析现场总线在电厂辅助车间的应用

王懿　张晓北

摘 要：随着控制、计算机、通信、网络、信息等技术的飞速发展，产生了现场总线技术，并且其在人们的生产生活中发挥着越来越大的作用。该文主要介绍了现场总线控制系统的特点，以及其较与DCS的优点；对在过程控制领域中应用广泛的基金会现场总线和过程现场总线作了简要介绍。继而讨论了现场总线在电厂中的适用范围。并结合平顶山鲁阳发电厂2×1000MW机组主厂房外水系统的工程应用实例，提出了目前现场总线在电厂应用中需要注意的一些问题，展望了现场总线的发展。

关键词：现场总线 应用 FF Profibus FCS

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0085-02

随着控制、计算机、通信、网络、信息等技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统，现场总线应运而生。现场总线的出现标志着工业控制技术领域新时代的开始。按照国际电工委员会IEC61158的标准定义，现场总线是“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动化控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线”。现场总线技术的出现形成了一种新型的网络集成式全分布控制系统—现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。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FCS；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。

1 FCS与传统DCS的比较

简单的DCS与FCS的关系如（图1）所示：

从图1中可以看出，相对于需要一对一设备接线方式的DCS来说，现场总线控制系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，而且相对于采用常规模拟仪表的DCS来说，现场总线控制系统采用了总线数字仪表，由于采用了智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。

总的说来，相较于DCS来说，FCS具有以下优点：（1）由于节省了大量传统的IO卡件、隔离器、控制柜、信号电缆及设备间连接电缆，安装、调试方便，并可减少控制室的占地面积，使系统成本大大降低；（2）由于它的设备标准化，具有完全开放的系统结构，便于系统扩充，用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统，使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中；（3）系统易学易用、可控性好，各种设备的功能设置、相互链接、下载等组态简单，一致性好，有着友善的图形化的人机界面；（4）系统可靠性高，全数字化信号精度比传统的模拟信号高，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。高度分散控制使风险得到彻底分摊；（5）系统可维护性好，智能化的现场级设备，具有自诊断功能，利用大量的非控制信号，可实现就地设备状态远程控制、诊断及预见性维护。

2 总线标准

现场总线国际标准IEC61158中采用了8种协议类型，以及其他一些现场总线。每种总线都有其产生的背景和应用领域。不同领域的自动化需求各有其特点，因此在某个领域中产生的总线技术一般对本领域的满足度高一些，应用多一些，适用性好一些。例如DeviceNet适用于加工制造业，LonWorks适用于楼宇自动化等。其中有两类现场总线在过程控制领域有较广泛的应用，一类是基金会现场总线FF（Foudation Fieldbus）；另一类是过程现场总线Profibus（Process Fieldbus）。FF比较适合连续量控制，Profibus比较适合开关量控制。

2.1 基金会现场总线FF

基金会现场总线FF，是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子Siemens等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议。屈于用户的压力，这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。

基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25 kbps，通信距离可达1900 m（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为1 Mbps和2.5 Mbps两种，其通信距离为750 m和500 m。物理传输介质可支持比绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。

2.2 过程现场总线Profibus

Profibus是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN 50170的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。由Profibus-DP、Profibus-PA、Profibus-FMS组成了Profibus系列。

PROFIBUS-DP：是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4-20mA信号传输，专为现场级分散IO节点设计。其传输速率为9.6 kbit/s至12 Mbit/s，最大传输距离在9.6 kbit/s下为1200 m，在12 Mbit/s小为200 m，可采用中继器延长至10 km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点。endprint

PORFIBUS-PA：专为过程自动化设计，适合于本质安全的场合，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。其传输速率为31.25 kbps，最大传输距离为1900 m，每段最多32个站点。

PROFIBUS-FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构.实时多主网络。为车间级通信任务提供了大量的通信服务。其最高通讯速率为12 Mbit/s（最大距离不超过100 m）。

3 总线适用范围

现场总线并不是在所有的控制场合下都能发挥优势，电厂控制系统对运行可靠性有着特殊的要求，对于火电厂测点密集、现场装置密集、设备立体密集、数字量与模拟量混合的大型系统，采用现场总线控制分散的特点来实施控制，由于需要多台设备才能实现，则显得繁琐，降低其可靠性；相反，DCS在此反显得有优越性，但现场总线的双向数字通信现场总线信号控制技术，又是DCS所不及的。在电厂的辅助车间中，由于控制设备（压力、阀门、泵等）分散，采用现场总线就有着DCS无可比拟的优越性。所以应采取DCS与现场总线共存，发挥两者各自的优势。

4 工程应用

平顶山鲁阳发电厂一期工程2×1000MW机组的主机DCS系统和辅助车间的DCS系统均采用的艾默生的Ovation系统，Ovation系统是艾默生过程控制有限公司专门用于电力、冶金和水处理的专家控制系统，支持模拟量、数字量、脉冲量的输入输出，提供有SOE、DEH控制、第三方通讯等特殊模件，也同时支持FF、Profibus和DeviceNet三种现场总线标准。考虑到上文所述总线适用范围，主厂房外水系统控制设备分散，且水系统出现故障的情况下，对主机运行的安全性影响小，故在主厂房外水系统中采用了现场总线与DCS相结合的控制技术。

在总线标准的选择中，选择了适合连续量控制的FF-H1，以及适合开关量控制Profibus-DP。原则上气动阀电磁阀箱DO信号，电气MCC控制DO、DI、AI信号，压力、差压变送器AI信号，其他表计AI信号，电动调节阀AO、AI、DI信号，电动阀DO、DI信号等采用现场总线方式。其中，FF-H1主要连接的是横河EJA的压力/差压变送器，其余均采用的Profibus-DP总线技术。

最终，主厂房外水控制系统配置了9块Profibus-DP总线接口模块，每个模块为两个端口，共配置了18段DP总线。还配置了4块FF总线接口模块，每个模块为两个端口，可配置8段FF总线，实际应用中只用到了5段FF总线，其余留作扩展用。这23段总线共连接了132个设备，设备包括FESTO阀岛、西门子电磁流量计、西门子电机控制器、EMG电动执行机构、横河EJA的压力/差压变送器等。根据现场设备的物理分布，总线结构形式上Profibus-DP采用了线性结构，FF总线采用了树形结构，下图中展示了一段DP总线和一段FF总线在实际应用中的结构形式（图2）。

系统投运后，由于大量采用了符合现场总线标准的设备，不仅大量采集和传输数字化状态信号又不会大幅增加通讯负荷，而且可实现就地设备的远程诊断，用户可以根据设备诊断信息进行预见性维护，极大提高了电厂设备的日常维护和管理效率。

5 电厂应用现场总线技术需注意的问题

（1）控制系统的选择：国外主流DCS厂商基本支持Profibus和FF总线协议，并有较多工程实例，国内厂商虽也支持，但还没有大规模应用的工程能力和相关的管理软件，故选择控制系统时，尽量选用国外主流DCS。

（2）控制设备的选择：用户应尽量选择国际知名度大、拥有用户多、产品应用基础好的公司产品，因为这些公司的现场总线技术被国际标准采纳的可能性大。即使没有被国际标准采纳，大公司为考虑信誉，会提出原有技术与国际标准的接口，而不会置公司信誉于不顾，丢掉老客户不管。

（3）虽然总线技术维护和管理方便，但是智能现场设备价格现在还普遍偏高，维修中，更换仪表的费用会比较昂贵。

（4）现场总线设计思想，低速部分不需冗余，因为现场仪表在现场可以自成调节回路而自主调节。故一旦总线故障就地虽然可以完成调节，但是运行人员无法监视系统运行情况。

6 结语

现场总线控制系统是一种全开放、全数字、全分散的新型控制系统，它实现了现场级设备的数字化、网络化。现场设备级的数字化、网络化是火电厂数字化管理的基础，使用现场总线控制系统必将大大提高发电企业的管理效率。虽然现场总线技术在电厂中开始广泛应用，但还有很多问题总线技术还不能解决，在一定时期内，DCS在某些领域还保持着其优越性，故还会长期存在DCS与总线技术并存的局面。但是，我们可以预见，随着总线技术的发展，其产品会越来越完善，现场总线必将是电厂自动化的发展方向。

参考文献

[1] 周明.现场总线控制[M].北京：电力工业出版社，2002.

[2] 斯可克，王尊华，伍锦荣.基金会现场总线功能块原理及应用[M].北京化学工业出版社，2003.

[3] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，1999.

[4] 李子连.现场总线技术在电厂应用综论[M].北京：中国电力出版社，2002.

[5] 王慧锋，何衍庆.现场总线控制系统原理及应用[M].北京：化学工业出版社，2006.endprint

PORFIBUS-PA：专为过程自动化设计，适合于本质安全的场合，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。其传输速率为31.25 kbps，最大传输距离为1900 m，每段最多32个站点。

PROFIBUS-FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构.实时多主网络。为车间级通信任务提供了大量的通信服务。其最高通讯速率为12 Mbit/s（最大距离不超过100 m）。

3 总线适用范围

现场总线并不是在所有的控制场合下都能发挥优势，电厂控制系统对运行可靠性有着特殊的要求，对于火电厂测点密集、现场装置密集、设备立体密集、数字量与模拟量混合的大型系统，采用现场总线控制分散的特点来实施控制，由于需要多台设备才能实现，则显得繁琐，降低其可靠性；相反，DCS在此反显得有优越性，但现场总线的双向数字通信现场总线信号控制技术，又是DCS所不及的。在电厂的辅助车间中，由于控制设备（压力、阀门、泵等）分散，采用现场总线就有着DCS无可比拟的优越性。所以应采取DCS与现场总线共存，发挥两者各自的优势。

4 工程应用

平顶山鲁阳发电厂一期工程2×1000MW机组的主机DCS系统和辅助车间的DCS系统均采用的艾默生的Ovation系统，Ovation系统是艾默生过程控制有限公司专门用于电力、冶金和水处理的专家控制系统，支持模拟量、数字量、脉冲量的输入输出，提供有SOE、DEH控制、第三方通讯等特殊模件，也同时支持FF、Profibus和DeviceNet三种现场总线标准。考虑到上文所述总线适用范围，主厂房外水系统控制设备分散，且水系统出现故障的情况下，对主机运行的安全性影响小，故在主厂房外水系统中采用了现场总线与DCS相结合的控制技术。

在总线标准的选择中，选择了适合连续量控制的FF-H1，以及适合开关量控制Profibus-DP。原则上气动阀电磁阀箱DO信号，电气MCC控制DO、DI、AI信号，压力、差压变送器AI信号，其他表计AI信号，电动调节阀AO、AI、DI信号，电动阀DO、DI信号等采用现场总线方式。其中，FF-H1主要连接的是横河EJA的压力/差压变送器，其余均采用的Profibus-DP总线技术。

最终，主厂房外水控制系统配置了9块Profibus-DP总线接口模块，每个模块为两个端口，共配置了18段DP总线。还配置了4块FF总线接口模块，每个模块为两个端口，可配置8段FF总线，实际应用中只用到了5段FF总线，其余留作扩展用。这23段总线共连接了132个设备，设备包括FESTO阀岛、西门子电磁流量计、西门子电机控制器、EMG电动执行机构、横河EJA的压力/差压变送器等。根据现场设备的物理分布，总线结构形式上Profibus-DP采用了线性结构，FF总线采用了树形结构，下图中展示了一段DP总线和一段FF总线在实际应用中的结构形式（图2）。

系统投运后，由于大量采用了符合现场总线标准的设备，不仅大量采集和传输数字化状态信号又不会大幅增加通讯负荷，而且可实现就地设备的远程诊断，用户可以根据设备诊断信息进行预见性维护，极大提高了电厂设备的日常维护和管理效率。

5 电厂应用现场总线技术需注意的问题

（1）控制系统的选择：国外主流DCS厂商基本支持Profibus和FF总线协议，并有较多工程实例，国内厂商虽也支持，但还没有大规模应用的工程能力和相关的管理软件，故选择控制系统时，尽量选用国外主流DCS。

（2）控制设备的选择：用户应尽量选择国际知名度大、拥有用户多、产品应用基础好的公司产品，因为这些公司的现场总线技术被国际标准采纳的可能性大。即使没有被国际标准采纳，大公司为考虑信誉，会提出原有技术与国际标准的接口，而不会置公司信誉于不顾，丢掉老客户不管。

（3）虽然总线技术维护和管理方便，但是智能现场设备价格现在还普遍偏高，维修中，更换仪表的费用会比较昂贵。

（4）现场总线设计思想，低速部分不需冗余，因为现场仪表在现场可以自成调节回路而自主调节。故一旦总线故障就地虽然可以完成调节，但是运行人员无法监视系统运行情况。

6 结语

现场总线控制系统是一种全开放、全数字、全分散的新型控制系统，它实现了现场级设备的数字化、网络化。现场设备级的数字化、网络化是火电厂数字化管理的基础，使用现场总线控制系统必将大大提高发电企业的管理效率。虽然现场总线技术在电厂中开始广泛应用，但还有很多问题总线技术还不能解决，在一定时期内，DCS在某些领域还保持着其优越性，故还会长期存在DCS与总线技术并存的局面。但是，我们可以预见，随着总线技术的发展，其产品会越来越完善，现场总线必将是电厂自动化的发展方向。

参考文献

[1] 周明.现场总线控制[M].北京：电力工业出版社，2002.

[2] 斯可克，王尊华，伍锦荣.基金会现场总线功能块原理及应用[M].北京化学工业出版社，2003.

[3] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，1999.

[4] 李子连.现场总线技术在电厂应用综论[M].北京：中国电力出版社，2002.

[5] 王慧锋，何衍庆.现场总线控制系统原理及应用[M].北京：化学工业出版社，2006.endprint

PORFIBUS-PA：专为过程自动化设计，适合于本质安全的场合，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。其传输速率为31.25 kbps，最大传输距离为1900 m，每段最多32个站点。

PROFIBUS-FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构.实时多主网络。为车间级通信任务提供了大量的通信服务。其最高通讯速率为12 Mbit/s（最大距离不超过100 m）。

3 总线适用范围

现场总线并不是在所有的控制场合下都能发挥优势，电厂控制系统对运行可靠性有着特殊的要求，对于火电厂测点密集、现场装置密集、设备立体密集、数字量与模拟量混合的大型系统，采用现场总线控制分散的特点来实施控制，由于需要多台设备才能实现，则显得繁琐，降低其可靠性；相反，DCS在此反显得有优越性，但现场总线的双向数字通信现场总线信号控制技术，又是DCS所不及的。在电厂的辅助车间中，由于控制设备（压力、阀门、泵等）分散，采用现场总线就有着DCS无可比拟的优越性。所以应采取DCS与现场总线共存，发挥两者各自的优势。

4 工程应用

平顶山鲁阳发电厂一期工程2×1000MW机组的主机DCS系统和辅助车间的DCS系统均采用的艾默生的Ovation系统，Ovation系统是艾默生过程控制有限公司专门用于电力、冶金和水处理的专家控制系统，支持模拟量、数字量、脉冲量的输入输出，提供有SOE、DEH控制、第三方通讯等特殊模件，也同时支持FF、Profibus和DeviceNet三种现场总线标准。考虑到上文所述总线适用范围，主厂房外水系统控制设备分散，且水系统出现故障的情况下，对主机运行的安全性影响小，故在主厂房外水系统中采用了现场总线与DCS相结合的控制技术。

在总线标准的选择中，选择了适合连续量控制的FF-H1，以及适合开关量控制Profibus-DP。原则上气动阀电磁阀箱DO信号，电气MCC控制DO、DI、AI信号，压力、差压变送器AI信号，其他表计AI信号，电动调节阀AO、AI、DI信号，电动阀DO、DI信号等采用现场总线方式。其中，FF-H1主要连接的是横河EJA的压力/差压变送器，其余均采用的Profibus-DP总线技术。

最终，主厂房外水控制系统配置了9块Profibus-DP总线接口模块，每个模块为两个端口，共配置了18段DP总线。还配置了4块FF总线接口模块，每个模块为两个端口，可配置8段FF总线，实际应用中只用到了5段FF总线，其余留作扩展用。这23段总线共连接了132个设备，设备包括FESTO阀岛、西门子电磁流量计、西门子电机控制器、EMG电动执行机构、横河EJA的压力/差压变送器等。根据现场设备的物理分布，总线结构形式上Profibus-DP采用了线性结构，FF总线采用了树形结构，下图中展示了一段DP总线和一段FF总线在实际应用中的结构形式（图2）。

系统投运后，由于大量采用了符合现场总线标准的设备，不仅大量采集和传输数字化状态信号又不会大幅增加通讯负荷，而且可实现就地设备的远程诊断，用户可以根据设备诊断信息进行预见性维护，极大提高了电厂设备的日常维护和管理效率。

5 电厂应用现场总线技术需注意的问题

（1）控制系统的选择：国外主流DCS厂商基本支持Profibus和FF总线协议，并有较多工程实例，国内厂商虽也支持，但还没有大规模应用的工程能力和相关的管理软件，故选择控制系统时，尽量选用国外主流DCS。

（2）控制设备的选择：用户应尽量选择国际知名度大、拥有用户多、产品应用基础好的公司产品，因为这些公司的现场总线技术被国际标准采纳的可能性大。即使没有被国际标准采纳，大公司为考虑信誉，会提出原有技术与国际标准的接口，而不会置公司信誉于不顾，丢掉老客户不管。

（3）虽然总线技术维护和管理方便，但是智能现场设备价格现在还普遍偏高，维修中，更换仪表的费用会比较昂贵。

（4）现场总线设计思想，低速部分不需冗余，因为现场仪表在现场可以自成调节回路而自主调节。故一旦总线故障就地虽然可以完成调节，但是运行人员无法监视系统运行情况。

6 结语

现场总线控制系统是一种全开放、全数字、全分散的新型控制系统，它实现了现场级设备的数字化、网络化。现场设备级的数字化、网络化是火电厂数字化管理的基础，使用现场总线控制系统必将大大提高发电企业的管理效率。虽然现场总线技术在电厂中开始广泛应用，但还有很多问题总线技术还不能解决，在一定时期内，DCS在某些领域还保持着其优越性，故还会长期存在DCS与总线技术并存的局面。但是，我们可以预见，随着总线技术的发展，其产品会越来越完善，现场总线必将是电厂自动化的发展方向。

参考文献

[1] 周明.现场总线控制[M].北京：电力工业出版社，2002.

[2] 斯可克，王尊华，伍锦荣.基金会现场总线功能块原理及应用[M].北京化学工业出版社，2003.

[3] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，1999.

[4] 李子连.现场总线技术在电厂应用综论[M].北京：中国电力出版社，2002.

[5] 王慧锋，何衍庆.现场总线控制系统原理及应用[M].北京：化学工业出版社，2006.endprint