摘要：文章就现场总线控制系统的基本概念进行阐述，分析了现场总线控制系统的基本特点，结合多个火力发电厂对现场总线控制系统的应用反馈，指出现场总线控制系统在大型火力发电厂的应用过程中应注意的问题，为大型火力发电厂现场总线控制系统的实际应用提供必要的参考。
关键词：现场总线；控制系统；应用；火力发电厂
1引言
随着电子计算机技术等科学技术的不断发展,现场总线的智能仪表与开放自动化系统已经成为了当今工业自动化发展的热点。现场总线是用数字通信替代了4～20 mA 模拟信号和开关量信号，连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统，它是一种全计算机化、全数字化、双向通信的新型控制系统。
现场总线控制系统（Fieldbus Control System,简称FCS）打破了传统控制系统按控制回路一对一连接的结构形式，将部分控制任务下放至现场，采用数字智能现场设备，实现信息处理的现场化，这也是现场总线控制系统的本质所在。本文在分析现场总线控制系统基本定义及相关特点之后，结合多个现场的实际应用反馈，指出现场总线控制系统在大型火力发电厂的应用过程中应注意的问题，为大型火力发电厂现场总线控制系统的实际应用提供必要的参考。
2现场总线相关理论及分析
2.1总线标准
现场总线标准，即现场总线协议是FCS 的核心，目前国际电工委员会IEC 61158 现场总线国际标准中采用的大约有20 余种，例如FF H1、Control Net、Profibus 等等。每种总线标准适用的主要领域有所不同，对火电厂过程控制应用而言，FF和PROFIBUS总线比较适合。
FF总线是由国际性组织现场总线基金会制定的一种总线标准，具有低速H1和高速H2两种速率标准。FF H1通信速率为31.25Kb/s，H2通信速率可达1Mb/s，目前火电厂中应用的主要为FF H1。Profibus总线是德国开发的生产过程现场总线，由Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS组成。Profibus-DP与Profibus-FMS的传输速率可在9.6Kb/s～12Mb/s之间选择，而Profibus-PA传输速率与FF H1相同，为31.25Kb/s，火电厂过程控制层主要应用Profibus-DP和Profibus-PA总线。
Profibus-DP为高速总线，不支持总线供电，而Profibus-PA与FF H1支持总线供电方式。因此，采用外部供电的电动执行器、阀岛与分析仪表等设备多采用Profibus-DP总线，而变送器、气动调节门等设备则通常采用FF H1或者Profibus-PA总线，由总线系统供电。目前大型火电机组现场总线控制系统一般采用Profibus-DP与Profibus-PA总线的组合或者Profibus-DP与FF H1总线的组合。
2.2现场总线的特点分析
随着现场总线技术的不断成熟, 支持现场总线技术协议的产品越来越多, 为现场总线技术的应用奠定了良好的基础。与传统的DCS 相比, 现场总线技术具有如下特点。
（1）智能的现场总线设备
现场总线设备将微处理器置入现场测量控制仪表中，具有数字计算和数字通信能力。数字信号使设备的信息量大大增加，传输抗干扰能力强，精确度高，减少了传输误差，提高系统的可靠性。
（2）现场总线设备的开放性、互操作性与互换性
现场总线设备根据标准要求提供了电子设备描述语言（Electronic Device Description Language, EDDL）。EDDL为对象设备提供一个不依赖某种软件平台的描述文件，使控制系统能够理解设备中数据的意义。互操作性能使来自不同制造厂商的设备在集成时更加方便易用。
（3）节约维修费用，降低生命周期成本
采用现场总线后，控制系统的电缆、槽盒、桥架的用量减少，减少设计和安装的工作量。现场总线变送器和阀门定位器在安装后只需在DCS的资源管理器中检查现场总线设备的参数就能确认现场总线设备是否正常，节省了调试时间和调试费用。
现场总线设备具有更多的故障自诊断能力，并通过数字通信方式将诊断维护信息送往DCS，仪表设备状况始终处于维护人员的远程监控之中，节约维修费用，降低生命周期成本。
3现场总线控制系统的应用研究
随着现场总线控制系统的顺利实施，现场总线技术已经被证明在大型火力发电机组的规模化应用是完全可行的，但在工程具体实施过程中还存在一些注意问题。
3.1现场总线控制技术的应用介绍
最近几年，现场总线控制技术火电工程中的应用越来越多，范围也逐步扩展，从最初在非重要辅助系统中的试用发展到现阶段在大型火电机组中的规模化应用。
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2006年2月华能玉环电厂4×1000MW的锅炉补给水系统是电厂第一次成功的实现了现场总线技术的应用。2009年10月华能九台电厂2×600MW是国内第一次将现场总线技术应用到主机控制系统，单台主机总线设备数量达到300余台。
2009年12月华能金陵电厂二期2×1000MW超超临界燃煤机组是国内百万机组首次大范围应用现场总线的示范工程。
3.2现场总线技术应用过程中的关键点分析
（1）网段划分
现场总线网络的网段划分对现场总线控制系统的可靠性至关重要，现场总线网段划分不合理是造成现场总线控制系统故障及重复施工的重要因素之一。总线设备网段的划分需要充分考虑工艺系统功能和设备间的关系，逻辑相关的设备宜挂接在同一网段上，而冗余配置的设备则应挂接在不同的网段上，以免单一设备故障引起生产单元的控制失效。另外，每一种总线标准都对其网段的长度及网段上挂接的设备数量具有限制，而网段的最大长度又与总线的传输速率、网段上设备的数量、供电能力等因素有关。若网段长度超出了规定的最大长度，则极易导致通信故障，故此项工作从实施开始，就应该充分明确总线设备的安装位置和电缆路径，尽量采用电厂三维设计、并且做到仪控设备布置精细化设计等。
（2）电缆敷设设计时充分考虑抗干扰问题
现场总线电缆的敷设与常规信号电缆的敷设基本类似，但需特别注意抗干扰问题。现场总线通讯电缆应选用A型标准通讯电缆。应避免总线电缆与60V 以上的动力电缆或控制电缆共用一根电缆保护管，在同一电缆桥架中平行敷设时，应采用金属隔板进行分割。冗余的通讯电缆宜在分开的电缆路径上敷设。总线电缆的屏蔽层应严格按照《DL/T 1212-2013 火力发电厂现场总线设备安装技术导则》进行接地。对于Profibus-PA 和FF H1 现场总线，支线的屏蔽层和干线的屏蔽层连接在一起，最后集中于机柜内的接地线或接地铜排，实现单点接地；Profibus-DP 总线网络则应采用等电位接地。
3.3现场总线技术在火电厂应用过程中存在的问题
现场总线控制系统虽然已经有许多成功的应用，并不代表该技术方案完美无缺，在各工程项目应用过程中，仍存在以下问题需要进一步解决。
（1）工作模式的进一步完善改进
目前采用现场总线技术的工程项目设计应用仍沿用类似传统DCS控制系统的工作模式，系统的IO分配与控制器配置一般是在设计院确定技术要求的前提下，由DCS 厂家负责完成。因此，FCS控制器的配置和网段划分设计需要设计院与现场总线控制系统厂家进行密切配合，由设计院主导提出控制器配置推荐方案及网段逻辑划分，现场总线控制系统厂家据此确定现场总线控制系统网络的物理拓扑，再由设计院根据各现场设备的安装位置确定设备间总线电缆的长度，对网段进行调整，通过相互交流确认，最终确定设计方案。
（2）现场总线技术应用范围的制约
在现场测点密集的区域，例如锅炉壁温、发电机本体金属温度的测量以及一些压力开关、温度开关等开关量仪表不宜直接采用现场总线连接，而宜通过支持现场总线接口的采集模块汇入现场总线网络，热电偶、热电阻及开关等现场仪表则应采用硬接线接入此类支持现场总线接口的采集模块。反之，则会导致系统极为繁琐，可靠性降低。另外，在涉及到机组主系统保护的场合，通讯方式因响应时间受到整条网段信息量的影响，可信度不及硬接线方式高。因此，火电机组的炉膛安全监控系统（FSSS）、汽轮机紧急跳闸系统（ETS）、事故顺序记录（SOE）等保护控制以及主要辅机的保护控制目前不宜采用现场总线。其他系统的控制则均可根据工程实际和业主要求确定是否纳入现场总线。
4结论
随着现场总线控制系统在大型火力发电厂的普及应用，现场总线控制系统应用过程中的相关问题必然逐步被解决，设计过程的一些注意事项逐渐溶入相应工程的标准工作规范，本文在对现场总线技术分析介绍的基础上，结合多个工程实践经验及效果反馈，分析得出应用现场总线技术工程中需要注意的一些关键点及目前现场总线技术应用过程中存在的相关问题，为相关类似工程项目的顺利实施具有一定的参考价值。
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作者简介
高先鹏，男，1974年11月生，现为大唐陕西彬长发电有限公司热控专业技术带头人，研究方向为热能与动力控制工程。
论文作者:高先鹏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第2期
论文发表时间:2017/4/6
标签：现场总线论文; 控制系统论文; 总线论文; 网段论文; 设备论文; 现场论文; 电缆论文; 《电力设备》2017年第2期论文;