现场总线技术与工业以太网在燃料管控的结合应用

张德强，朱钢毅，赵福刚，靳志达

(1.长沙开元仪器有限公司，湖南 长沙 410100；2.国能长源汉川发电有限公司，湖北 武汉 413614)

0 引 言

2020年我国能源结构中煤炭占比约在56.8%，由此决定火力发电仍占电力生产的主要部分,而煤炭占火力发电成本的70%以上,因此燃料管控就成为电力生产中的重要环节[1]。随着发电行业改革的不断深入和煤炭价格的市场化，面对着“市场煤、计划电”的现实格局，如何降低成本并提高企业的核心竞争力是每个发电企业面临的巨大挑战。基于发电成本已成为影响发电企业核心竞争力的关键因素，为了提高企业的经济效益与竞争力，须在燃料管控系统挖潜增效。为提高燃料管控的数字化、信息化水平，目前发电企业重点关注的焦点集中于通过燃料管控系统将燃料采制化过程进行集成布置和有效管理[2-3]。

近年来，随着国内各电力集团燃料智能化建设的持续推进，对燃料智能化控制技术的要求也越来越高。为了符合各大电力集团对燃料智能化管控提出的新要求，各大设备厂家、系统集成商研发出多种燃料智能化管控系统，产品覆盖了燃料计量、采样、制样、化验、煤场管理及流程控制等环节的管理全过程，已基本实现过程无人干预、数据不失真及不落地，对提高火电厂燃料管理的能效起到积极的作用。伴随着自动化控制系统日新月异，现场总线技术与工业以太网在火电厂燃料管控等得以现场应用[4-15]，尤其传统的可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、集散控制系统(Distribute Control System，DCS)标准不断相互渗透，从而弥补相互之间的不足而得以完善。现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)也即现场总线技术，其与可编程自动控制器(Programmable Atomic Controller，PAC)也在新的自动控制需求下应运而生并得到飞速发展。现场仪表及传感技术已达到较高的水平且能较好地支持闭环控制。总线控制技术朝着统一、高速、稳定方向发展，其中尤以基于以太网技术发展起来的工业以太网最为流行，Profinet即为其中的佼佼者[16]。

笔者将着重讨论燃料智能化系统控制技术的设计理念、工业过程控制中DCS与FCS两大控制技术在燃料智能化管控系统中的应用和性能对比。

1 现场总线技术的产生与发展

信息技术的飞速发展致使现场总线技术的产生，现场总线技术的发展同时又推动了控制系统的向前发展。现场总线是应用于生产现场并在控制设备之间实现双向串行多节点通讯的数字通信系统，其为在80年代后期发展的1种先进的现场工业控制技术，结合数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破传统的点对点式模拟信号或数字模拟信号控制的局限性[17]。智能现场设备为现场总线的基础，其分散在各个工业现场且通过现场总线连为一体，从而与控制室中的监控设备共同构成FCS。

FCS可将不同厂商的现场总线产品集成在同一套FCS中，具有互换性和互操作性，且将传统DCS的控制功能下放至现场智能设备以完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能，因此FCS更好地体现了“信息集中、控制分散”的概念；FCS连线简单，将大幅降低安装和连线的费用[17]。现场设备的智能化将增强现场设备的功能、减少一半以上的I/O设备，并提供更多的信息流动。由于结构上的改变，FCS比DCS节约硬件设备，同时减少大量电缆，使施工、调试简化。

FCS是影响今后几十年自动控制技术发展的控制体系结构变革，其将成为自动控制系统的主流。

2 现场总线技术的实际使用效果

现场总线技术是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的现场局域网。现场总线使自控系统与设备加入到信息网络的行列，将企业信息沟通的覆盖范围一直延伸至生产现场，在实际应用中也取得显著的经济效益。

以华能玉环电厂水处理FCS系统为例:按传统设计共有I/O点536点(模拟量87点)，其中490点采用了现场总线仪表或设备。经分析和计算，在控制机柜(含模件)、仪表设备2个方面，FCS价格高约12.6%和12.2%；在信号电缆、电缆桥架、安装和接线等材料投资方面，FCS分别节省52.7%、50.6%、86.3%。综合比较基建直接造价，FCS能节省约7%。以上仅是可量化的主要直接投资，未计算节省的安装工日和缩短调试时间的人力费用[3]。

分享另1个某石油化工厂的案例:采用FCS设备的总投资费用比DCS系统要多0.158%，所占费用比例不高却使控制系统的层次上升至较高的水平。采用FCS可以加快项目建设的进度，对日后设备的管理和维护均带来革命性的变化[2]。

从以上2个实际案例中可看出，用户对FCS系统的实际使用效果持正面和肯定的态度。

3 现场总线技术与工业以太网的结合应用

3.1 工业以太网对现场总线技术的意义

现场总线技术(以下简称现场总线)同样也存在着各式各样的标准，根据国际电工委员会针对现场总线最新的标准IEC 61158(2007年发布的第4版)，目前已有20种现场总线加入了该标准，详见表1。在相当长的一段时间内，仍将会出现多种现场总线标准共存的局面。

表1 IEC 61158中收录的20种现场总线Table 1 20 fieldbuses included in IEC 61158

而在现场总线标准中，由于工业以太网具有良好的适应性、兼容性、扩展性及与信息网络的无缝连接等特性，越来越多的厂商正在努力使以太网技术进入工业自动化领域。

3.2 工业以太网的技术特点与应用

由于现场总线的标准化制定存在一定的难度，人们开始寻求新的工业通讯出路，此时符合IEEE 802.3标准的局域网(LAN)产品组之以太网技术出现，并按照IEEE 802.3实施标准化。工业以太网是指在工业环境的自动化控制及过程控制中应用以太网的相关组件及技术并采用TCP/IP协议、与IEEE 802.3标准兼容、在应用层会加入各自特有协议的通信技术[18-19]。工业以太网技术具有技术简单、开放性好、价格低廉等特点，在办公和商务市场具有很高的占有率。

工业以太网最大的优势在于可满足控制系统各个层次的要求，使得企业的信息网络和控制网络能够实现统一，网络集成相对容易且快速，开发技术广泛，硬件升级范围广，价格低廉，易获得众多厂商的支持[20]。其技术特点具体表现在以下4个方面:① Ethernet是全开放、全数字化的网络，不同厂商的设备遵照网络协议极易实现互联；② 以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络；③ 软硬件成本低廉:由于以太网技术已很成熟，支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持，目前有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择[21]；④ 通信速率高:随着企业应用场景的复杂化，10 M、100 M的快速以太网开始广泛应用，千兆以太网技术也逐渐成熟，10 G以太网也正在研究，其速率比现场总线更快[22]。

在生产过程数字化和工业设备网络化的时代，实时数据传输是迈向工业 4.0 的关键因素。工业以太网在所有业务和生产级别创建一致的网络基础设施，并支持实时数据和IT数据的无冲突透明传输。通过使用工业以太网协议，可以在可预测的传输时间内可靠地获得大量数据，甚至是在对参与者的数量几乎没有限制的情况下。

由于快速以太网、交换技术或全双工传输等技术的进一步发展，工业以太网协议已成为当今自动化技术中最重要的传输类型之一。通过快速以太网实现的实时传输在传感器和控制/执行器级别变得日益重要。PROFINET、VNET/IP和EtherCAT等协议的总线周期可达到100 μs，意味着其周期时间不到1 ms，可满足严格的实时要求。

以工业以太网的佼佼者Profinet为例，其实时通信功能主要是在交换式以太网的基础上通过优化数据帧RT实时通道与时分复用等技术来实现。Profinet对于不同的应用及其实时性能要求的不同，包含了3种实时类型，且该3种通道可以在同一网络或设备上同时运行[23]。Profinet通信协议结构如图1所示。

图1 Profinet通信协议结构Fig.1 Profinet communication protocol structure

Profinet通信的性能等级如下：

(1)用于非实时性数据的TCP/IP标准通信。适合对时间要求不高的普通应用场合，满足自动化层与其他网络连接的需求。

(2)用于实行性数据的实时(RT)通信。为了能满足自动化中的实时要求，在 Profinet中规定优化的实时通信通道，不仅最小化通信栈，且也对网络中数据的传输进行优化。按照IEEE802.1q的标准将信息包区分为不同的优先级，设备之间的数据流由网络部件根据此优先级进行控制。RT通信需要使用特殊的工业交换机。

(3)对于时间要求特别严格的同步实时(IRT)通信，特别适用于高性能传输、过程数据的等时同步传输以及高性能的同步运动控制，比如一些伺服运动控制场合。Profinet的同步实时IRT功能由内嵌的同步实时交换芯片提供，需要使用特殊的工业交换机，且须对通信路径进行规划，明确通信规则。此种基于硬件的同步实时通信解决方案能够在大量数据传递下保持足够高的时间确定性。

上述3种性能等级的Profinet通信已覆盖自动化应用的全部范围。相信在不久的将来，工业以太网将成为工业控制网络结构的主要形式和发展趋势。

4 燃料智能化管控系统控制技术设计理念

燃料智能化管控系统是集智能化设备、设备监控和经营管理流程于一体的信息化综合系统，系统控制技术的稳定性、可靠性、安全性直接影响到整个系统的实用性。整个系统应采用高度解耦架构设计，设备、部件、单元控制系统可以按需组合，快速适应客户需求。通过现场仪表、传感器、执行机构、控制器完成对现场的控制，总体上应采用“危险分散”理论，将控制功能下放到各级设备，实现分布式控制，子系统分散运行可以避免采用集中控制带来的系统性风险。

设备内部应实现总线接入，如Profibus、Profinet、Modbus，方便接入各种仪表和控制器。设备级之间建议统一采用工业以太网Profinet环网形式组网:Profinet采用全双工通讯，各子系统之间数据传递实时、网络抗干扰稳定。应深入挖掘闭环控制，既从整个燃料流程中找大的闭环，又从细节上找精度控制的闭环，实现人闭环、信息流闭环、设备动作闭环、煤样闭环。数据系统应坚持“不落地”思维，加强对数据的加密措施，确保数据在整个燃料系统中的全流程信息安全。应加强安全措施，从人员、设备、信息、煤样的安全着手，在任何可能的环节均细致考虑，妥善安排安全联锁、警示标识、培训、区域限制等工作。人机界面(管控界面)应从技术标准、功能性、安全性、实用性、易用性等多个角度综合设计，以期最终达到易用性好、实用性强、集中管控到位、安全稳定可靠、予人美感。自主研发的燃料智能化管控系统架构如图2所示。

图2 自主研发的燃料智能化管控系统架构Fig.2 Intelligent fuel management and control system architecture by developed independently

5 DCS与FCS技术的应用对比

目前燃料智能化管控系统，主要采用以PLC、以太网、串口、数据库、人机组态等技术实现，也有部分系统通过DCS控制实现，各大厂家也在不断融合FCS控制方式，将更多的总线控制融入到燃料管控系统中。采用DCS和FCS的燃料管控系统结构对比如图3所示。

图3 分别采用DCS和FCS的燃料管控系统结构对比Fig.3 Comparison of fuel management and control system structures using DCS and FCS respectively

5.1 燃料智能化系统功能层级架构

电厂对燃料总体控制需求基本统一，燃料智能化系统功能层级也基本一致。燃料智能化系统功能层级架构如图4所示。

图4 燃料智能化系统功能层级架构Fig.4 Functional hierarchy diagram of fuel intelligent system

5.2 燃料控制系统方案分析比对

针对DCS、PLC+数据库/OPC+IPC、PLC+FCS+IPC控制系统的相应方案分析各控制系统应用到燃料管控系统中的优缺点，并从中优选1种方案。

5.2.1DCS控制系统方案

选用DCS控制器进行集中控制，将所有设备的控制集中到1个控制单元内。DCS控制系统架构如图5所示。

图5 DCS控制系统架构Fig.5 DCS control system architecture

5.2.2PLC+数据库/OPC+IPC控制系统方案

选用独立PLC+数据库/OPC (用于过程控制的OLE) +IPC(工业计算机)控制模式，各个设备具有独立的控制器和控制回路以及能独自完成一定功能的子系统，即使管控中心出现故障，各子系统仍能完成各自的功能；各子系统通过数据库或OPC服务器的方式，实现各系统之间的联系；各子系统独立，有利于标准化，能灵活实现各子系统之间的组合，形成适应于现场的系统。PLC+数据库/OPC+IPC控制系统架构如图6所示。

图6 PLC+数据库/OPC+IPC控制系统架构Fig.6 PLC + database/OPC + IPC control system architecture

5.2.3PLC+FCS+IPC控制系统方案

PLC+FCS+IPC控制系统有效利用分布式控制技术、运动控制技术、总线控制技术的结合，有效地贴合燃料智能化系统设备分散、子系统小型化、子系统组合多样化、子系统数字化、子系统控制高速要求等特点，从根本上解决燃料智能化设备控制系统遇到的问题，既能解决各制造商的标准化诉求，又能实现使用方要求的集中管控需求。

此方案系统由管控中心上位机、中心控制器(冗余PLC)、各子系统控制器(PLC)、统一的工业以太网、现场智能执行机构和信息采集器等组成。利用中心控制器管理总流程，衔接各子系统间控制流转，使用标准统一的工业以太网实现网络统一，一网到底，高速安全。管控中心上位机接收信息系统业务数据，辅助中心控制器控制，根据中心控制器提供的控制信息，各子系统独立完成系统内功能，同时将执行结果和过程状态提供给中心控制器，管控中心上位机将采集到中心控制器的信息展示给监控者，实现对燃料智能化过程管控。采用PLC+FCS+IPC控制系统架构如图7所示。

图7 PLC+FCS+IPC控制系统架构Fig.7 PLC + FCS + IPC control system architecture

5.2.4方案优缺点比较

DCS控制系统方案、PLC+数据库/OPC+IPC控制系统方案、PLC+FCS+IPC控制系统方案的优缺点对比汇总于表2。

表2 3种控制系统方案的优缺点对比Table 2 Comparison of three control system schemes’s advantages and disadvantages

智能化的实现离不开1套最贴合燃料智能化系统的控制系统，结合描述的特点，可认为PLC+FCS+数据库+IPC+工业以太网将是1个最优组合。笔者一直致力于方案的深入研究，以期燃料智能化系统更加先进可靠，从而实现更高层次的智能化。综上所述，推荐优先采用方案3(PLC+FCS+IPC)燃料智能化系统的控制系统方案。

6 燃料智能管控系统改造与自主研发

尽管前文中阐述了现场总线技术与工业以太网的大量优点，但任何新技术的出现均为对原有技术的继承和发展，而非彻底否定原来的技术。由DCS向FCS的过渡是1个渐进的过程，而目前正处于过渡阶段，大多数用户更倾向于对其现有的控制系统进行逐步的增添和替换。在开发新系统时，既要考虑现有设备的基础，又需兼顾系统的开放性和兼容性。因此，在许多电厂的燃料管控项目中大多使用FCS、PLC和DCS混合的系统。

很多电厂已有的自动化控制系统属于DCS系统，在此种情况下仍有多种可采取的方案：① 将现场总线集成于DCS系统:比如将现场总线在DCS系统的I/O总线上集成，或现场总线通过网关与DCS系统集成；② 将现有的DCS系统集成至FCS中:如将规模较小的DCS工程师站加装1块支持现场总线的网卡，将DCS系统变成FCS上的1个站点；③ 利用OPC技术将DCS与FCS集成。

以自主研发的燃料智能化管控系统为例，该系统属于FCS+PLC的控制系统，设备之间统一采用工业以太网Profinet环网形式组网，采用全双工通讯。该系统由管控中心上位机、中心控制器(冗余PLC)、各子系统控制器(PLC)、工业以太网、现场智能执行机构和信息采集器等组成。利用中心控制器管理总流程，衔接各子系统间控制流转，使用标准统一的工业以太网。管控中心上位机接收信息系统业务数据，辅助中心控制器控制，根据中心控制器提供的控制信息，各子系统独立完成系统内功能，同时将执行结果和过程状态提供给中心控制器，管控中心上位机将采集到中心控制器的信息展示给监控者，实现对燃料智能化过程管控。各子系统之间数据传递实时、网络抗干扰稳定、数据“不落地”，完全实现了人闭环、信息流闭环、设备动作闭环、煤样闭环。

自主研发的FCS+PLC管控系统及智能化设备如图8所示。

图8 自主研发的FCS+PLC管控系统及智能化设备Fig.8 FCS + PLC control system and intelligent equipment developed independently

7 结 语

随着《中国制造2025》战略的推进以及“工业4.0”技术的实施推广，工业智能化的概念越来越深入人心。为了实现发电行业燃料管控进一步的智能优化，大数据、工业互联网、云计算等技术会日益成为各电力集团重点考虑的方向。在上述背景下，现场总线技术和以太网相结合的技术优势将会更加突显。智能优化决策采用工业云来实现，现场设备通过工业以太网与工业云连接，提供智能优化决策所需要的数据，实现远程监控和宏观决策。现场总线技术与以太网的结合能为发电企业跨入“工业4.0”时代提供最为可靠和有力的技术实现平台。