现场总线技术在火电厂的应用与前景

梁国杰 高云鹏

(北京京能热电股份有限公司石景山热电厂，北京 100041)

随着自动化仪表技术、计算机网络技术和过程控制技术的日益成熟和快速发展，工业控制领域发生了一次技术变革，而这次变革的基础就是现场总线技术的产生[1]，由于火电厂控制系统采用了现场总线技术，使得其在结构和性能上产生了较大提高。

根据IEC和ISA的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络[2]，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信且要求使用具有现场总线通信能力的智能现场设备。火电厂的现场智能设备完成数据采集、数据处理、控制运算及数据输出等功能，并把这些信息通过现场总线传到控制室的操作员站上，运行人员通过操作员站查看电厂各个设备运行状态和控制就地设备。由于现场总线控制系统体现了“信息集中、控制分散”的概念，正符合了火电厂过程控制的发展方向和必然趋势，因此，近些年在火电厂较多的采用了具有现场总线功能的控制系统。

1 现场总线技术特点①

当前国内外电力行业应用较多的现场总线协议有：FF、Profibus、Modbus、HART、Devicenet、ASI以及CAN等。在实际应用中FF、Profibus、HART、ASI总线协议较成熟，其中比较适用于过程控制的现场总线标准是FF和Profibus-DP/PA。除这两种主流现场总线标准外，HART、Devicenet及ASI等现场总线协议在火电厂中不同需要和场合下也有适当的应用。

以火电厂Profibus-DP/PA协议现场总线为例，典型的网络结构如图1所示，Profibus-DP总线设备连接方式为串级连接，由于其连接方式会造成一定的信号衰减或通信速度降低，实际上每个总线网段最多可连接32台总线设备。PA总线仪表通过DP/PA耦合器进行协议转换后挂接在DP总线上，DP总线将数据信息传到DPU并与主控设备通信。DP总线常用于控制电动、气动执行结构或电机等实时性要求较高的设备，总线控制网络最高通信速率可达到12Mbps，在低速率时，最大传输距离达1 200m；PA总线一般与变送器、定位器及流量计等连接，为低速总线，传输速率为31.25kbps，最大传输距离2 000m，与传统的DCS相比，现场总线在结构、安装和使用中具有较多的优点，如：

a. 信息量大，在现场仪表中实现了更多的控制、多变量的测量和传输、仪表设定值的远程整定以及基于自诊断原则的现场设备预测维护、管理等。

b. 节约资源，现场智能设备通过现场总线与DCS总线接口相连，不占用I/O模件的点位，使DCS模件柜、继电器柜的数量减少，节约集控室电子设备间的面积。

c. 安装简单，一对双绞线或一条光缆上通常可挂接多个设备，电缆、槽盒、电缆桥架的用量将减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新电缆。

d. 维护方便，智能设备将大量信息送入工程师站和操作员站，及时了解就地设备信息，并在设备发生故障时，快速排查，提高了设备安全性和工作效率。

e. 性能提高，智能化的数字设备与传统模拟设备相比，提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统结构简化，设备连线减少，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。另外，由于设备的标准化和功能模块化，其还具有设计简单，易于重构等优点。

图1 Profibus-DP/PA总线网络示意图

2 现场总线技术应用现状

进入21世纪后，现场总线技术在各个领域都有了不同程度的应用，尤其是近几年，现场总线技术已经大量应用于国内外火电厂的控制系统中，由于总线传输的信息量大，负荷的大小会导致通信出现一定的延迟，因此对于重要保护设备和实时性较高的设备一般不推荐采用现场总线，目前火电厂的总线应用大部分集中在辅网，尤其在水处理和输煤系统中应用最多，国内外也有主机设备采用现场总线的应用实例。

2.1 国外应用情况

比较典型的是德国RWE集团的尼德豪森电厂(1×950MW)，机组采用Siemens Profibus总线，设备状态和信息全部通过总线传输到DCS系统中，是目前全球范围内智能化程度最高、采用总线技术最全面、装机容量最大的机组；美国OPPD能源集团的Nebraska电厂(2×740MW)，采用了Emerson公司的Ovation系统，除FSSS、DEH、ETS外，单元机组DCS的I/O点约为7 000点，约有50%的设备和仪表采用了现场总线[3]；德国Niederraussen电厂(1×950MW)，控制系统为Siemens的TXP-2000，除FSSS、DEH、ETS、重要模拟量控制采用常规方案外，其他的被控对象基本采用了Profibus-DP总线，仪表部分采用了HART协议，整个系统包括900台马达、400个电磁阀、1 000个阀门定位器和电动执行机构；意大利TIRRENO POWER联合循环电厂，该工程为改造项目，控制系统为Siemens的T2000系统，模拟仪表和分析仪表采用Profibus-PA协议，除燃机、DEH、ETS采用常规方案外，其他基本采用了Profibus-DP现场总线；意大利联合循环电厂，控制系统采用了FOXBORO公司的I/A系统，现场总线应用范围：900个FF仪表，9 300个Profibus对象，6 000点常规I/O；意大利联合循环电厂(2×400MW)，控制系统采用了ABB公司的800xA系统，单元机组现场Profibus-DP总线设备约220台，包括400V开关、600V开关、变频器及执行机构等，Profibus-PA设备约400台。

2.2 国内应用情况

秦岭电厂(2×660MW)超临界机组首次采用国产FCS165现场总线控制系统，控制范围包括主控17个工艺系统和7个辅助车间系统，采用Profibus-DP/PA总线协议实现现场总线设备的控制，单元机组和公用系统配置DP网段20个，PA网段18个，采用现场总线的设备417台，包含常规I/O点1 539点，公用系统9台，包含常规I/O点9点，现场总线设备实际组态点4 809点，包括设备诊断、状态及内部参数等数据点，于2011年12月通过了168h，目前设备运行稳定[4]；金陵电厂(2×1000MW)超超临界机组，采用Siemens T-3000控制系统，除FSSS、DEH、ETS、MEH、METS系统外，主机的单回路控制设备均采用了现场总线，其中1号机总线对象978个，辅助生产车间锅炉补给水、净水站和废水处理采用了具有现场总线的控制系统。锅炉补给水采用西门子的S7系列总线控制系统，总线对象114个，净水站和废水处理系统采用FCS165总线控制系统，前者总线对象104个，后者42个；邹县电厂(2×1000MW)超超临界机组是中国首例采用FF总线技术的机组，控制系统为Emerson公司的Ovation系统。总线应用在汽轮机轴封系统、发电机温度测点和锅炉壁温测点中[5,6]；江阴夏港电厂5、6号机组(2×330MW)采用FOXBORO公司的I/A分散控制系统，现场总线主要应用在380V开关柜电气马达控制，采用Siemens公司的SIMOCODE电动机保护控制设备，通过Profibus-DP与I/A分散控制系统相连接；国华宁海发电厂(4×600MW)控制系统采用西门子TELEPERM-XP分散控制系统，总线控制范围为闭式水系统34个现场总线电动门，采用Profibus-DP冗余总线接口与TELEPEM-XP连接；莱州电厂(2×1000MW)超超临界机组海水淡化、 凝结水精处理和锅炉补给水、二次风系统等系统采用FF和Profibus总线和传统硬接线方式相结合的设计方案，采用树形拓扑结构，设计FF网段33个，DP网段16个，其中采用FF总线控制的设备223个，采用DP总线控制的设备137个[7]。

另外还有华能玉环电厂、广东河源电厂、江阴苏龙电厂、四川广安电厂、京能集团的京桥及高安屯燃气-蒸汽联合循环电厂等，也在不同的设备范围采用了现场总线。

3 现场总线技术应用前景

现场总线技术在火电厂的应用有很多优越性，但是目前的现场总线并不是万能总线，其自身特点和网络结构在应用中也存在着一定的瓶颈，获得更大应用空间还需要突破下列问题：

a. 总线上挂接的设备较多，一旦总线断开，挂接在总线上的所有设备将处于“失控”状态，系统可能产生不可预知的后果。因此在火电厂实时性要求较高的主机重要保护设备应用还需要探索和研究。

b. 根据现场总线本安防爆技术的要求，挂接负载供电的关联设备输出电压和电流控制在一个安全的水平上，这个要求将牵制总线系统可挂接负载数的增加。从某种程度上限制了节省电缆的优势。

c. 总线网络通信中数据包的传输延迟，且在传输过程中有一定的误码和丢包率，会使控制系统分析与综合情况变得复杂。

在全厂范围内的应用还需要突破这些应用瓶颈，目前现场总线还不能完全取代DCS，使用程度和范围在某种程度上还取决于使用者的决心，应用现场总线的火电厂大都是与DCS共存的使用状态，以发挥两者各自的优势。随着网络技术和控制技术的发展，现场总线在火电厂的全面发展和应用是一个不争的事实，它代表了火电厂数字化控制的发展方向。

目前，现场总线控制系统达成共识的是三层设备、二层网络的“3+2结构”，三层设备即底层的现场设备、中层的控制设备和上层的操作设备，二层网络即现场设备与控制设备之间的控制网和控制设备与操作之间的管理网。这种网络结构是导致通信延迟和误码的根结所在，很多公司提出了一层网络结构，即用以太网一通到底。较成熟的以太网有Modbus/TCP、EtherNet/IP、EPA、Profinet、Powerlink及EtherCAT等，其中EtherCAT技术以其高速、简单、易于实现正在获得越来越多的关注，它是一种直达I/O级的、高实时性、高可靠性拓扑结构灵活的高速工业以太网总线[8]。通过EtherCAT，无需从现场设备获得的数据包进行接收、解码、复制到控制设备这一过程，而是在报文经过从站节点时读取相应的编址数据并将输入数据插入至报文中，整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。1 000个I/O的更新时间只需30μs，EtherCAT还具有通信性能杰出、布线简单及高度开放等特点，可以最大化地利用以太网所提供的巨大带宽，并且成本低廉，EtherCAT技术出色的性能突破了现场总线的瓶颈。

4 结束语

现场总线技术代表着数字化火电厂的发展方向，目前在国内外火电厂已经有了一定规模的使用，由于其自身的特点和结构，全厂范围应用现场总线的案例还比较少，大多数都应用在重要程度较弱的辅助车间，主机多是与DCS共存的使用状态。随着网络技术和控制技术的发展，尤其是简化网络结构，采用高速的以太网协议理念的推出，对突破现场总线应用瓶颈以达到全厂范围内采用现场总线具有现实意义。