现场总线技术在电站控制系统应用中的发展展望

现场总线技术在电站控制系统应用中的发展展望

张国政

（山东电力建设第三工程有限公司，山东青岛，266100）

摘要：本文以现场总线系统定义为切入点，从总线技术特性、优缺点、网络结构以及总线技术近几年在常规电站的应用情况等几个方面，对总线技术进行相对全面的介绍。

关键字：现场总线、总线分类、总线优点、展望

一．引言

本文通过编者近年对总线技术的学习和研究，力争从总线的定义、总线技术的特性及该技术在电站的应用情况等几个方面对总线系统做一个比较全面的描述，并对总线未来的发展趋势进行了大胆的预测。

二．现场总线的定义、特性、分类

2.1 现场总线及现场总线控制系统（FCS）的定义

   现场总线：一个数字化、串行、双向传输、多分支结构的通信网络系统，是用于工厂/车间仪表和控制设备的局域网。

  现场总线控制系统：利用现场总线技术、把现场测量、控制设备连接成网络系统，按公开、规范的通信协议，在现场测量、控制设备之间，以及这些设备与监控计算机（或DCS控制站）之间，实现双向数据传输和信息交换，构成由现场总线测量、控制设备集成的自治式控制系统。

2.2 现场总线的特征、特点

根据上述定义，现场总线的特征及特点主要有如下几个方面：

1）通信信号全数字化性以及双向传输特性

现场总线仅依靠两芯电缆（同轴电缆、双绞线或者光缆）以数字信号方式进行传输，替代传统硬接线点到点模拟量信号；

2）互联网络的开放性

开放性指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可以进行互联并实现信息交换。任何遵守相同规约的设备或系统均可以与之互联，实现信息交互。

3）现场设备的智能化性与功能自治性

现场设备均为智能化设备，将传感测量、补偿计算、信号处理与控制等功能分散到现场智能设备中，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能。且智能设备含有足够的设备状态信息并能够随时诊断设备状态上传至于上位控制系统。

4）系统结构的高度分散性

高度分散性能是指废弃了DCS的输入/输出单元，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场总线上的智能仪表，实现彻底的分散控制。

2.3现场总线控制系统总体网络结构及设备组成

2.3.1现场总线网络拓扑结构形式

现场总线网络拓扑结构形式一般分为三种,如下图（简图）：

1. 树形拓扑结构；
2. 点对点与树形混合拓扑
3. 点对点拓扑结构

2.3.2 现场总线网络设备组成

主要组成设备及作用：

1）终端器T:每个区段应设置两个终端器。第一个终端器安装在控制室内，第二个安装在现场接线盒内；其由一个1uF电容和1个100Ω电阻串联组成, 该装置减少信号反射，保障通讯质量；

每个网段有两个终端器，分别接在该网段的两端（一个在电源模块中，另一个在现场专用端子块箱内）；支线长度不应大于120m；

2)接线盒：支线连接到主线上时使用

3)中继器：也称强波器。使用中继器能够增加网段上的设备数量，增加主干线的长度，如：采用FF总线H1的传输速率为31.25kbit/s,通讯距离可达1.9Km，加中继器可延长9.5Km。一个网段上最多能够使用4个中继器。4)DP/PA耦合器：可以将DP网络转换为PA网络

2.4 适用于电厂过程控制的现场总线

目前适用于电厂过程控制的现场总线有如下3种：

1）基金会（FF）现场总线：该现场总线得到了爱默生、ABB以及Invensys等主要自动控制设备制造商的广泛支持。

2）过程现场总线Profibus：该总线是由西门子、ABB等十几家重要的自动化设备厂家联合推出，分为Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS三种类似，其中DP类型由于结构简单，具有高速传输且价格低廉和实施简单等特点，得到了广泛的应用。

应用于PA总线的设备类型为：变送器（压力和差压）、温度变送器、阀门定位器、电磁流量计、质量流量计、导波雷达液位计、磁翻板液位计等；

适用于DP总线的设备类型为：电动执行机构、马达控制器、化学分析仪表（硅表、钠表、浊度计、PH计、电导计等）、阀岛、变频器等；

3）HART总线：该总线是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间双向通信的协议规程。

三．现场总线通讯电缆的选型及网段长度要求

现场总线电缆通常选用光缆、双绞线及同轴电缆，其中以光缆和双绞线为主。具体通讯电缆的型式选择及每个网段长度要求参见DL/T1212-2013 火力发电厂现场总线设备安装技术导则 附录A.1-A.4。

四．目前现场总线技术在电站的应用情况

自上世纪90年代中期尤其是2000年以后到现在，现场总线技术得到了长足的发展，各电站企业也逐步认识到了采用现场总线的优势。各电站从开始尝试应用到局部小系统应用再扩展到除主要保护系统外的大量应用，可以说现场总线技术这些年在常规电站受到越来越高的重视。

五．现场总线系统的优点及与常规DCS系统经济性对比分析

5.1现场总线系统的优点

      1）系统结构简单、容易拓展

      2）采用设备管理软件，记录和积累设备运行状态、诊断信息，预测设备故障，提前维护、降低故障发生率；

      3）综合实时和历史数据，开发有针对性的软件，能够实现“状态维修”、“性能优化”、“寿命评估”

     5.2现场总线系统与常规DCS系统经济性对比分析

    对于采用现场总线系统是否更加经济，已经有不少设计和建设单位进行过对比分析，华能玉环电厂（4x1000MW）在锅炉补给水系统和净水系统以及废水系统中采用了现场总线技术，并对采用总线技术后与采用常规技术进行了对比分析，通过对比可以得出采用现场总线技术后仪控专业的初期投资可能会稍微有所增加，但采用总线技术后，电厂会大大减少后期设备维护费用、减少电站事故率。因此从电站长远发展角度考虑，采用现场总线技术还是有着不小的优势。

六．现场总线网络缺点分析

现场总线有不少优点，但也有不足之处，其不足之处主要体现在如下几个方面：

1）网络通信中数据包的传输延迟

2）通信系统的瞬时错误和数据包丢失

3）发送与到达持续的不一致等

七．现场总线在电站中应用的几点建议

1）.由于现场总线种类比较多，不同现场总线标准的设备无法互联，因此应选择相关现场总线国际组织授权部门认证的产品；

2）现场总线设备与控制系统互联验证

现场总线设备招标前或预中标后，应要求供货商提供样品与控制系统进行互联测试，确保相互兼容。

3）现场总线设备应按照工艺系统功能区设计考虑，保持区域自治的原则，使控制器间的通信量最少，减少主控网的通讯负荷。

八．小结

总的来说，总线技术因相对常规硬接线技术有着更大的优势，因此随着科学技术的发展，总线技术将会得到进一步的发展和应用。

参考文献

［1］DL/T 701-2012 <<火力发电厂自动化术语>> 7.11、7.12

［2］DL/T1212-2013 《火力发电厂现场总线设备安装技术导则》

［3］汪志华，刘浩《现场总线控制技术简介》