活動(dòng)鏈接：2013年控制網(wǎng)行業(yè)專(zhuān)題---節能增效 電力新發(fā)展

  繼DCS后，現場(chǎng)總線(xiàn)系統是自動(dòng)化領(lǐng)域的一重大技術(shù)跨越。這種集成了微機、網(wǎng)絡(luò )、分布控制技術(shù)后建立起一種新的控制結構，將微處理器置于現場(chǎng)設備中，把現場(chǎng)單個(gè)、分散的數字化、智能化設備變成網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)；連接成可以相互溝通信息，將過(guò)去采用點(diǎn)到點(diǎn)式的模擬量信號傳輸或開(kāi)關(guān)量信號的單向并行傳輸，變?yōu)槎帱c(diǎn)一線(xiàn)的雙向串行多節點(diǎn)數字式傳輸的低帶寬底層控制網(wǎng)絡(luò )，為實(shí)現現場(chǎng)設備的信息化提供了可能，是數字化電廠(chǎng)的技術(shù)基礎，正被一步步推上代表未來(lái)電力自動(dòng)化水平的特殊位置。

   新千年最初的10多年時(shí)間里，在電力自動(dòng)化領(lǐng)域，現場(chǎng)總線(xiàn)經(jīng)過(guò)了從概念到產(chǎn)品、從試點(diǎn)到推廣、從小規模試用到大規模應用的發(fā)展歷程。在此過(guò)程中，爭議從未停止，人們一方面驚嘆于現場(chǎng)總線(xiàn)帶給自動(dòng)化系統的全新面貌，另一方面不斷地糾結于現場(chǎng)總線(xiàn)帶來(lái)的新問(wèn)題。作為電力自動(dòng)化領(lǐng)域的從業(yè)者，筆者一直在近距離地觀(guān)察著(zhù)這一有趣的現象，并在思考著(zhù)，試圖從技術(shù)發(fā)展的本質(zhì)來(lái)揭示現象背后的規律，找到現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)推動(dòng)電力自動(dòng)化的發(fā)展方向。

  1　東風(fēng)夜放花千樹(shù)，10年間現場(chǎng)總線(xiàn)從概念到成功應用

   如果從1999年12月，國際電工委員會(huì )投票通過(guò)IEC61158現場(chǎng)總線(xiàn)標準算起，至今不過(guò)13年的時(shí)間。而國內電力自動(dòng)化領(lǐng)域應用現場(chǎng)總線(xiàn)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(chǎng)采用南京科遠自動(dòng)化集團公司的控制系統進(jìn)行了兩臺135MW機組的自動(dòng)化改造。為了縮短項目工期，該項目設計時(shí)，應用遠程I/O來(lái)減少電纜施工量，通過(guò)現場(chǎng)通訊總線(xiàn)實(shí)現與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中，通過(guò)Profibus從安裝在現場(chǎng)的37只遠程機箱中，接入1417點(diǎn)I/O信號，占整個(gè)系統I/O點(diǎn)數的40%。

   嚴格地來(lái)說(shuō)，杭州半山發(fā)電廠(chǎng)的Profibus應用并不是真正意義上的現場(chǎng)總線(xiàn)應用，而只是一種用于工業(yè)現場(chǎng)的具有較高可靠性和實(shí)時(shí)性的串行通訊協(xié)議，當時(shí)的國內市場(chǎng)上還沒(méi)有出現支持現場(chǎng)總線(xiàn)的智能化設備，其傳輸的也只是過(guò)程參數這樣的循環(huán)數據，還不支持診斷參數這樣的非循環(huán)數據。然而，通過(guò)杭州半山發(fā)電廠(chǎng)的探索，現場(chǎng)總線(xiàn)特別是Profibus的可靠性、實(shí)時(shí)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)受了現場(chǎng)環(huán)境，特別是溫度和電磁干擾的考驗，為真正意義上的現場(chǎng)總線(xiàn)應用提供了借鑒。

   2004年，在江陰夏港電廠(chǎng)，兩臺300MW機組的基建項目中，選用了346只具有現場(chǎng)總線(xiàn)接口的低壓電動(dòng)機保護單元，每個(gè)電動(dòng)機保護單元通過(guò)Profibus DPV1的通訊口與控制器交換數據，不僅傳輸用于操作的循環(huán)數據，還傳輸用于診斷的非循環(huán)數據。在國華寧海閉式循環(huán)水系統中，通過(guò)Profibus連接了電動(dòng)執行機構；在華能玉環(huán)水處理系統中，通過(guò)Profibus連接了變送器、電動(dòng)執行機構和低壓電動(dòng)機保護單元。在這一段時(shí)間，隨著(zhù)支持現場(chǎng)總線(xiàn)的智能化設備的出現和成熟，真正意義的現場(chǎng)總線(xiàn)應用從無(wú)到有，從小到大的逐步發(fā)展起來(lái)。通過(guò)這一系列的實(shí)踐，現場(chǎng)總線(xiàn)可減少現場(chǎng)電纜施工，提供豐富的診斷信息的優(yōu)勢得到了認同。同時(shí)現場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )結構及布線(xiàn)方案，支持現場(chǎng)總線(xiàn)的智能設備逐步地發(fā)展起來(lái)。但是現場(chǎng)總線(xiàn)系統總體造價(jià)高，對維護人員的技能要求也較高，給用戶(hù)選擇現場(chǎng)總線(xiàn)方案的余地卻很小，造成了一定的困擾。

   2009年，為了進(jìn)行數字化電廠(chǎng)的試點(diǎn)，在華能金陵電廠(chǎng)兩臺1000MW超超臨界機組，進(jìn)行了國內最大規模的現場(chǎng)總線(xiàn)應用。其主機控制系統和輔機控制系統通過(guò)Profibus接入了1500余臺總線(xiàn)設備，包括低壓電動(dòng)機保護單元、總線(xiàn)式電磁閥箱、電動(dòng)門(mén)、調節閥、壓力和差壓變送器等。在這里，現場(chǎng)總線(xiàn)已經(jīng)不再是作為常規控制系統的補充，而是占據了所有儀表控制系統的50%，成為控制系統參數的主要傳輸方式?，F場(chǎng)總線(xiàn)的可靠性得到了充分驗證，能夠滿(mǎn)足當時(shí)最大單機容量機組的控制要求。但是，對于現場(chǎng)總線(xiàn)智能設備提供的診斷信息，缺乏分析管理的方法和工具，沒(méi)有得到有效的利用。這個(gè)問(wèn)題與較高造價(jià)給現場(chǎng)總線(xiàn)的進(jìn)一步推廣造成了不小的障礙。

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

  2　 山重水復疑無(wú)路，現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展伴隨著(zhù)不斷的爭議

  與任何一種新技術(shù)的發(fā)展過(guò)程類(lèi)似，現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展也總是伴隨著(zhù)質(zhì)疑和爭議。具有代表意義的三個(gè)問(wèn)題是：
（1）通訊的可靠性較低，現場(chǎng)總線(xiàn)不能用于關(guān)鍵性場(chǎng)合；
（2）通訊的實(shí)時(shí)性不夠，現場(chǎng)總線(xiàn)不能用于高實(shí)時(shí)性要求的控制功能；
（3）連接控制系統和現場(chǎng)智能儀表的現場(chǎng)總線(xiàn)，都是看不見(jiàn)摸不著(zhù)的通訊信號，維護人員很難掌握和進(jìn)行故障處理。

  從現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)本質(zhì)來(lái)看，以上三個(gè)問(wèn)題都是新技術(shù)開(kāi)發(fā)和應用過(guò)程中出現的波折，而不能認定為是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)本身的缺陷。

   首先來(lái)談?wù)劕F場(chǎng)總線(xiàn)的可靠性問(wèn)題。在現場(chǎng)總線(xiàn)之前，現場(chǎng)的物理信號通過(guò)傳感器轉換成電信號，通過(guò)硬接線(xiàn)電纜將標準的電信號送到控制系統中的I/O卡件，經(jīng)A/D轉換處理成數字信號，最終進(jìn)入控制系統進(jìn)行運算處理。而在現場(chǎng)總線(xiàn)系統中，將現場(chǎng)的D/A轉換、電纜的傳輸、控制系統的A/D三個(gè)環(huán)節簡(jiǎn)化為現場(chǎng)的智能芯片與控制系統直接的通訊。因此，從原理上來(lái)說(shuō)現場(chǎng)總線(xiàn)的可靠性明顯優(yōu)于傳統的硬接線(xiàn)。而且現場(chǎng)總線(xiàn)可以傳輸多點(diǎn)信號，在進(jìn)行冗余設計時(shí)具有比硬接線(xiàn)更好的性?xún)r(jià)比。同時(shí)現場(chǎng)總線(xiàn)具有的診斷功能，能夠更有效防止信號故障，進(jìn)一步提高整個(gè)控制系統的可靠性。因此，從技術(shù)本質(zhì)上來(lái)看，現場(chǎng)總線(xiàn)具有更高的可靠性。關(guān)于可靠性的質(zhì)疑更多的是由于現場(chǎng)總線(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品的成熟度問(wèn)題，特別是支持現場(chǎng)總線(xiàn)的智能設備多種多樣，由不同的廠(chǎng)家提供，良莠不齊。

    其次，我們再來(lái)談?wù)劕F場(chǎng)總線(xiàn)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。在電力自動(dòng)化過(guò)程控制領(lǐng)域，按照控制要求，實(shí)時(shí)性分為兩種：一是一般過(guò)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(guò)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。目前現場(chǎng)總線(xiàn)主要用于一般過(guò)程信號的采集和控制，對于快速過(guò)程信號的采用和控制還是在使用傳統的硬接線(xiàn)方案。從串行通訊的實(shí)時(shí)性能來(lái)分析，對于小于64個(gè)字節的報文，以500K的波特率，傳輸時(shí)間在2ms以?xún)?。對于最高波特?2M的Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)，要滿(mǎn)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、現場(chǎng)智能設備的通訊從站，以及整個(gè)通訊鏈路中進(jìn)行整體設計，才能穩定可靠地滿(mǎn)足快速過(guò)程的實(shí)時(shí)性需要。

   最后，我們來(lái)談現場(chǎng)總線(xiàn)維護的問(wèn)題。從技術(shù)本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，現場(chǎng)總線(xiàn)標準和4～20mA電氣信號標準，都用來(lái)規范控制系統與現場(chǎng)儀表的信號交換方式。4～20mA電氣信號屬于電工技術(shù)知識，而現場(chǎng)總線(xiàn)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。但現場(chǎng)總線(xiàn)系統中提供了界面友好的調試工具，在建立總線(xiàn)通訊的情況下，能夠大大提高對于現場(chǎng)儀表的調試效率。因此，現場(chǎng)總線(xiàn)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。由于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在電力行業(yè)沒(méi)有得到推廣，使得絕大多數電廠(chǎng)設備和系統維護人員對現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)缺乏基本的認知，又因為電力行業(yè)內已有的現場(chǎng)總線(xiàn)多數是在電廠(chǎng)輔助車(chē)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(diǎn)而已，根本上沒(méi)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(lái)，從技術(shù)本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，可靠性、實(shí)時(shí)性、難于維護的爭議，都不應是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展的阻礙（目前現場(chǎng)總線(xiàn)在電力行業(yè)的應用案例已經(jīng)證明了這一點(diǎn)）。那么阻礙現場(chǎng)總線(xiàn)推廣應用的障礙究竟在哪里？這是筆者一直在思考的問(wèn)題。

   3　眾里尋他千百度，影響現場(chǎng)總線(xiàn)推廣應用的障礙

   為說(shuō)明上面提出的問(wèn)題。我們還是從技術(shù)的本質(zhì)出發(fā)來(lái)進(jìn)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(gè)前提之下，第一是更低的成本，第二是更高的性能。那么：

   第一，應用現場(chǎng)總線(xiàn)后的成本更低嗎？從目前來(lái)看，采用了現場(chǎng)總線(xiàn)系統之后，儀控系統的造價(jià)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(lái)看，現場(chǎng)總線(xiàn)提供了大量的診斷數據，但是缺乏分析管理的方法和工具，還沒(méi)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(lài)電力自動(dòng)化專(zhuān)家群體的超前布局，現場(chǎng)總線(xiàn)只能夠獲得少量試點(diǎn)應用，但是缺少大規模推廣的市場(chǎng)動(dòng)力。

   在這一點(diǎn)上，與現場(chǎng)總線(xiàn)在石化行業(yè)的推廣應用形成了明顯的差距。根據筆者的理解，電力行業(yè)和石化行業(yè)都是大規模的流程工業(yè)，被控對象復雜而龐大，物理分散聯(lián)系緊密。而相對來(lái)說(shuō)，石化行業(yè)的物理分散度更大，而電力行業(yè)的設備更為集中，因此現場(chǎng)總線(xiàn)節省電纜及其施工費用的優(yōu)點(diǎn)，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，如果采用傳統硬接線(xiàn)，其控制系統的I/O接口上要配置大量的安全柵，安全柵的成本與整個(gè)控制系統的成本相當。如果采用本安型的現場(chǎng)總線(xiàn)，節省I/O接口及相應的安全柵，對于石化行業(yè)的控制系統而言，將會(huì )節省大量的成本。因此，我們認為，正是總體成本上的劣勢，影響了現場(chǎng)總線(xiàn)在電力行業(yè)的推廣。

  另外，同樣是防爆的原因，在運行過(guò)程中，石化行業(yè)不允許到現場(chǎng)打開(kāi)防爆箱，進(jìn)行現場(chǎng)設備的維護，而是必須通過(guò)遠程的通訊接口對現場(chǎng)設備進(jìn)行調試?，F場(chǎng)總線(xiàn)的特點(diǎn)恰恰契合了石化行業(yè)的這一內在需求，成為現場(chǎng)總線(xiàn)在石化行業(yè)推廣應用的一個(gè)原因。而同樣的功能特點(diǎn)，在電力行業(yè)反而成為維護人員不太適應的一個(gè)障礙。

   還有，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的主要優(yōu)勢在于提供現場(chǎng)設備的診斷信息，為電廠(chǎng)的設備狀態(tài)檢修、故障診斷提供數據。但實(shí)際上，由于故障診斷、設備狀態(tài)檢修在國內電力行業(yè)發(fā)展停滯不前，致使現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)提供的大量設備狀態(tài)信息數據失去了現實(shí)意義，已經(jīng)采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的電廠(chǎng)對這些診斷信息也沒(méi)有進(jìn)一步的挖掘利用。這就使得本應大放光彩的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在電力行業(yè)的使用總是“雷聲大，雨點(diǎn)小”。

   4　柳暗花明又一村，堅守本質(zhì)迎接現場(chǎng)總線(xiàn)的時(shí)代

   因此，我們認為，從技術(shù)本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，任何一種新技術(shù)的推廣，其最強大的推動(dòng)力只能是來(lái)自于市場(chǎng)的內在需求，那就是： 相近的性能，更低的成本； 相近的成本，更高的性能； 性?xún)r(jià)比最優(yōu)。

   根據這樣的需求，現場(chǎng)總線(xiàn)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(hù)的綜合成本。目前成本較高的原因，主要來(lái)自于兩個(gè)方面。一是支持現場(chǎng)總線(xiàn)的智能設備價(jià)格過(guò)高，二是現場(chǎng)總線(xiàn)通訊設備價(jià)格過(guò)高。我們不應該認為現場(chǎng)總線(xiàn)設備的高價(jià)是完全合理的現象。從產(chǎn)品制造的角度來(lái)看，采用了現場(chǎng)總線(xiàn)反而會(huì )減少現場(chǎng)智能設備的硬件成本，而現場(chǎng)總線(xiàn)通訊設備的成本與普通卡件的成本并沒(méi)有本質(zhì)的差別，現場(chǎng)總線(xiàn)的芯片成本并不會(huì )高于工業(yè)以太網(wǎng)的芯片。去除新技術(shù)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本，現場(chǎng)總線(xiàn)相關(guān)設備之所以?xún)r(jià)格過(guò)高，更多的是一種市場(chǎng)壟斷行為。只有更多有實(shí)力的國內廠(chǎng)家參與到現場(chǎng)總線(xiàn)領(lǐng)域，達到和國外競爭對手相近的產(chǎn)品性能，只有打破現場(chǎng)總線(xiàn)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(lái)統一現場(chǎng)總線(xiàn)，才有可能打破這個(gè)壟斷，向市場(chǎng)提供價(jià)格合理的現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品。

   第二是實(shí)現對于設備診斷數據的分析和管理，提升設備管理的效率，為節能降耗、降低電力行業(yè)的整體運營(yíng)成本提供實(shí)實(shí)在在的價(jià)值。這更多是資產(chǎn)管理的功能，而不是現場(chǎng)總線(xiàn)系統的功能?，F場(chǎng)總線(xiàn)能夠為資產(chǎn)管理提供大量的設備診斷數據，從而提升資產(chǎn)管理的效率。在這個(gè)方面，現場(chǎng)總線(xiàn)領(lǐng)域已經(jīng)出現了FDT標準（Field Device Tool），這是一個(gè)獨立于各個(gè)設備制造商和現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的，將智能現場(chǎng)設備集成到過(guò)程自動(dòng)化系統的開(kāi)發(fā)標準。FDT能夠以標準的方法將大量設備診斷數據送到資產(chǎn)管理系統中，從而發(fā)揮出現場(chǎng)總線(xiàn)的數據優(yōu)勢，使得現場(chǎng)總場(chǎng)真正成為數字化電廠(chǎng)的基礎。

   5　結束語(yǔ)

   堅持技術(shù)的本質(zhì)規律，用創(chuàng )新技術(shù)向用戶(hù)提供更好更便宜的產(chǎn)品，是市場(chǎng)競爭的王道，也同樣是推動(dòng)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在電力行業(yè)發(fā)展的最強大動(dòng)力。我們相信，有中國經(jīng)濟的持續發(fā)展，有專(zhuān)家群體的超前布局，電力自動(dòng)化將會(huì )迎來(lái)現場(chǎng)總線(xiàn)的全新時(shí)代。

  參考文獻：

[1] 侯子良.推廣應用現場(chǎng)總線(xiàn)系統全面實(shí)現火電廠(chǎng)數字化[J].中國電力，2004,3.
[2] 錢(qián)淵. 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在江陰蘇龍發(fā)電有限公司的應用探討[J].中國科技財富,2008,7.
[3] 金黔軍.現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在華能金陵電廠(chǎng)二期(2Xl000MW)機組控制中的應用研究.
[4] 黃冬蘭、吳國瑛.現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在數字化電廠(chǎng)中的應用范圍及投資分析[J].工業(yè)控制計算機.2009,22 (8).
[5] 西門(mén)子.現場(chǎng)總線(xiàn)設備兼容性測試報告[R].2008.6.

  作者簡(jiǎn)介

孫長(cháng)生（1954-），男，安徽桐城人，高級工程師，從事火電廠(chǎng)熱工自動(dòng)化系統應用研究和科技項目開(kāi)發(fā)工作。
曹瑞峰（1975－），男，南京人，高級工程師，從事發(fā)電廠(chǎng)熱工自動(dòng)化控制系統的開(kāi)發(fā)和項目管理工作。