现场总线技术在电力行业的应用与发展前景

继DCS后，现场总线系统是自动化领域的一重大技术跨越。这种集成了微机、网络、分布控制技术后建立起一种新的控制结构，将微处理器置于现场设备中，把现场单个、分散的数字化、智能化设备变成网络节点;连接成可以相互沟通信息，将过去采用点到点式的模拟量信号传输或开关量信号的单向并行传输，变为多点一线的双向串行多节点数字式传输的低带宽底层控制网络，为实现现场设备的信息化提供了可能，是数字化电厂的技术基础，正被一步步推上代表未来电力自动化水平的特殊位置。

新千年最初的10多年时间里，在电力自动化领域，现场总线经过了从概念到产品、从试点到推广、从小规模试用到大规模应用的发展历程。在此过程中，争议从未停止，人们一方面惊叹于现场总线带给自动化系统的全新面貌，另一方面不断地纠结于现场总线带来的新问题。作为电力自动化领域的从业者，笔者一直在近距离地观察着这一有趣的现象，并在思考着，试图从技术发展的本质来揭示现象背后的规律，找到现场总线技术推动电力自动化的发展方向。

1东风夜放花千树，10年间现场总线从概念到成功应用

如果从1999年12月，国际电工委员会投票通过IEC61158现场总线标准算起，至今不过13年的时间。而国内电力自动化领域应用现场总线技术，我们所了解到的大约也始于1999年。这一年，杭州半山发电厂采用南京科远自动化集团公司的控制系统进行了两台135MW机组的自动化改造。为了缩短项目工期，该项目设计时，应用远程I/O来减少电缆施工量，通过现场通讯总线实现与DCS的信号传输。项目选用的DCS具有Profibus DPV0通讯接口和配套的远程I/O机架，在每台单元机组的控制系统中，通过Profibus从安装在现场的37只远程机箱中，接入1417点I/O信号，占整个系统I/O点数的40%。

严格地来说，杭州半山发电厂的Profibus应用并不是真正意义上的现场总线应用，而只是一种用于工业现场的具有较高可靠性和实时性的串行通讯协议，当时的国内市场上还没有出现支持现场总线的智能化设备，其传输的也只是过程参数这样的循环数据，还不支持诊断参数这样的非循环数据。然而，通过杭州半山发电厂的探索，现场总线特别是Profibus的可靠性、实时性得到了充分的验证。布置在远程机箱中的I/O卡件、通讯模件经受了现场环境，特别是温度和电磁干扰的考验，为真正意义上的现场总线应用提供了借鉴。

2004年，在江阴夏港电厂，两台300MW机组的基建项目中，选用了346只具有现场总线接口的低压电动机保护单元，每个电动机保护单元通过Profibus DPV1的通讯口与控制器交换数据，不仅传输用于操作的循环数据，还传输用于诊断的非循环数据。在国华宁海闭式循环水系统中，通过Profibus连接了电动执行机构;在华能玉环水处理系统中，通过Profibus连接了变送器、电动执行机构和低压电动机保护单元。在这一段时间，随着支持现场总线的智能化设备的出现和成熟，真正意义的现场总线应用从无到有，从小到大的逐步发展起来。通过这一系列的实践，现场总线可减少现场电缆施工，提供丰富的诊断信息的优势得到了认同。同时现场总线的网络结构及布线方案，支持现场总线的智能设备逐步地发展起来。但是现场总线系统总体造价高，对维护人员的技能要求也较高，给用户选择现场总线方案的余地却很小，造成了一定的困扰。

2009年，为了进行数字化电厂的试点，在华能金陵电厂两台1000MW超超临界机组，进行了国内最大规模的现场总线应用。其主机控制系统和辅机控制系统通过Profibus接入了1500余台总线设备，包括低压电动机保护单元、总线式电磁阀箱、电动门、调节阀、压力和差压变送器等。在这里，现场总线已经不再是作为常规控制系统的补充，而是占据了所有仪表控制系统的50%，成为控制系统参数的主要传输方式。现场总线的可靠性得到了充分验证，能够满足当时最大单机容量机组的控制要求。但是，对于现场总线智能设备提供的诊断信息，缺乏分析管理的方法和工具，没有得到有效的利用。这个问题与较高造价给现场总线的进一步推广造成了不小的障碍。

以上三批具有典型意义的现场总线应用，分别间隔五年，应用的单机容量越来越大，应用的范围也越来越广，应用的总线标准都是Profibus。作为工业自动化领域的全新技术，现场总线在国内电力行业的应用与国际上没有明显的滞后，基本是同步发展的。这个发展的背后，是中国经济的重工业化带来的对于电力自动化新技术的需求，市场的需求和电力自动化专家群体的超前布局成为推动现场总线技术在国内电力行业应用的强大合力，在10年时间内，现场总线就从国际标准中的概念发展为在电力行业最高水平控制系统上有着成功应用的全新技术。

2 山重水复疑无路，现场总线的发展伴随着不断的争议

与任何一种新技术的发展过程类似，现场总线的发展也总是伴随着质疑和争议。具有代表意义的三个问题是：

(1)通讯的可靠性较低，现场总线不能用于关键性场合;

(2)通讯的实时性不够，现场总线不能用于高实时性要求的控制功能;

(3)连接控制系统和现场智能仪表的现场总线，都是看不见摸不着的通讯信号，维护人员很难掌握和进行故障处理。

从现场总线的技术本质来看，以上三个问题都是新技术开发和应用过程中出现的波折，而不能认定为是现场总线技术本身的缺陷。

首先来谈谈现场总线的可靠性问题。在现场总线之前，现场的物理信号通过传感器转换成电信号，通过硬接线电缆将标准的电信号送到控制系统中的I/O卡件，经A/D转换处理成数字信号，最终进入控制系统进行运算处理。而在现场总线系统中，将现场的D/A转换、电缆的传输、控制系统的A/D三个环节简化为现场的智能芯片与控制系统直接的通讯。因此，从原理上来说现场总线的可靠性明显优于传统的硬接线。而且现场总线可以传输多点信号，在进行冗余设计时具有比硬接线更好的性价比。同时现场总线具有的诊断功能，能够更有效防止信号故障，进一步提高整个控制系统的可靠性。因此，从技术本质上来看，现场总线具有更高的可靠性。关于可靠性的质疑更多的是由于现场总线相关产品的成熟度问题，特别是支持现场总线的智能设备多种多样，由不同的厂家提供，良莠不齐。

其次，我们再来谈谈现场总线的实时性问题。在电力自动化过程控制领域，按照控制要求，实时性分为两种：一是一般过程信号的采集和控制，要求采样周期和控制周期在200ms～500ms以上，涵盖95%以上的控制要求。二是快速过程信号的采集和控制，要求采样周期和控制周期在50ms左右，主要包括FSSS、ETS和DEH等特殊控制回路。目前现场总线主要用于一般过程信号的采集和控制，对于快速过程信号的采用和控制还是在使用传统的硬接线方案。从串行通讯的实时性能来分析，对于小于64个字节的报文，以500K的波特率，传输时间在2ms以内。对于最高波特率12M的Profibus现场总线，要满足50ms的控制周期要求，就协议本身并不存在任何困难。但是，必须从控制器通讯主站、现场智能设备的通讯从站，以及整个通讯链路中进行整体设计，才能稳定可靠地满足快速过程的实时性需要。

最后，我们来谈现场总线维护的问题。从技术本质上来说，现场总线标准和4～20mA电气信号标准，都用来规范控制系统与现场仪表的信号交换方式。4～20mA电气信号属于电工技术知识，而现场总线标准要求更多的是通讯和软件的知识范畴控制工程网版权所有，对维护人员提出了更高的要求。但现场总线系统中提供了界面友好的调试工具，在建立总线通讯的情况下，能够大大提高对于现场仪表的调试效率。因此，现场总线对维护人员提出更高的要求，这不是技术缺陷，而是新技术发展对人员知识提出的更新要求。由于现场总线技术在电力行业没有得到推广，使得绝大多数电厂设备和系统维护人员对现场总线技术缺乏基本的认知，又因为电力行业内已有的现场总线多数是在电厂辅助车间使用，更大程度上只是一种新技术的试验，或纯粹是大型基建中所谓的亮点而已，根本上没有得到管理层的重视，相关技术人员也就缺乏足够的热情去掌握其必要的维护技术。

由此看来，从技术本质上来说，可靠性、实时性、难于维护的争议，都不应是现场总线技术发展的阻碍(目前现场总线在电力行业的应用案例已经证明了这一点)。那么阻碍现场总线推广应用的障碍究竟在哪里?这是笔者一直在思考的问题。