發布日期：2022-04-18 點擊率：39
</t 序言摘要：現場總線技術在電廠的應用剛剛起步，電力行業對現場總線技術還不太了解，尤其是設計人員對現場總線的認識還不多，這對現場總線技術的推廣是很不利的。本文將簡要介紹一下現場總線相對于DCS和PLC的優點，并且著重從電力設計院的角度說明了一下設計人員在設計現場總線系統時應
現場總線技術是最近一段時間大家討論比較多的一項新技術，其實這項技術已經出現十幾年了，只不過真正大規模應用到工業生產中還是最近幾年的事情。現場總線技術和目前電廠大規模使用的DCS和PLC控制系統相比有許多的優點，可以節省大量的設備開銷和維護費用等。雖然現場總線技術目前在電廠應用的還不廣泛，但很多人都認為以現場總線為基礎的FCS(FIELDBUS ConTROL SYSTEM)將會是下一代控制系統。
一、現場總線的優勢
使用現場總線技術可以用一根電纜將多個設備連接起來，同時現場總線所使用的設備都是智能設備，因此現場總線和目前使用的DCS和PLC控制系統相比就具有了許多優點，具體優點歸納如下：
(1)使用現場總線技術可以在大大節省設備投資。目前電廠大量使用的仍然是以DCS和PLC為核心的控制技術。這種技術需要將每個信號用一根電纜拉到控制柜的I/O板卡中，通常一個電廠的信號都達到了上萬點，這樣就需要大量的電纜和電纜橋架來連接現場的設備和控制器。目前國內兩臺600MW超臨界機組的控制電纜長度大約400公里，計算機專用電纜大約800公里，補償導線大約160公里，由此可以看出電纜的使用量是非常巨大的。如果使用了現場總線技術則可以大大減少這方面的開支，現場總線可以將多個現場設備連接到一根通訊電纜上，而不是目前將每個設備用一根電纜連接到控制器上。據有關機械統計，使用現場總線可以比常規控制系統的電纜用量節約40%左右。
(2)使用現場總線技術可以降低設備維護費用，提高設備的效率。在電廠中有著數目眾多的儀表和閥門，維護這些設備的工作量非常 大，需要投入大量的人力和物力。現場總線使用的儀表都是智能儀表，所謂智能儀表是指以微型計算機(單片機)為主體，將計算機技術和檢測技術有機結合組成的儀表。智能儀表不僅擁有常規儀表智傳送測量值的功能。還可以向控制系統傳送儀表狀態的有關信息，這樣運行人員就可以在控制室監視現場儀表的狀態；
智能儀表還可以實現遠程調試，現場將儀表安裝好以后通常需要對儀表進行調試，我們現在通常的做法是利用一些調試工具如手操器等在現場對儀表進行調試，在使用了現場總線后，可以通過現場總線在遠程對現場儀表進行調試；使用現場總線技術可以預測現場設備發生事故的時間，這樣就可以提高對該設備采取措施，避免產生比較嚴重的后果。目前我們經常會出現忽視維護費用而只重視基建費用的情況，其實維護費用在整個電廠的生命周期開銷中占有一個很大的比重，如果能減少這部分的費用，對提高整個電廠的經濟效益將會有很明顯的幫助。根據美國最主要的制造業咨詢公司ARC在2004年5月發布的一項研究報告指出，現現場總線最大的優勢就是可以大大減少對現場設備的維護費用。
(3)使用現場總線可以將現有的HART儀表直接連接到現場總線系統中。目前電廠使用的變送器基本上都是帶有HART協議的智能變送器，而現場部線技術可以直接將HART協議轉化為現場總線的通訊協議，這樣智能儀表在現場總線中就可以正常使用了。這對一些改造項目節省經費是非常有益的，因為如果在改造過程中使用現場總線，則不需要更換這部分的變送器，相應的就可以節省這部分的開支。
(4)使用現場總線可以減少接線的工作量。使用DCS時接線是一項非常繁重的工作，因為每個現場的信號都要通過一根電纜接到控制室的機柜中，這樣控制室中的電纜量就非常龐大，這也加大了接線的工作量。如果在接線的過程中出現接錯線、漏接線的情況，檢查起來更是復雜。使用現場總線后大量的接線工作轉移到現場進行，而且現場的接線也非常簡單，因為通常都是使用一根電纜就將多個現場設備連接起來。這樣連接到控制室的電纜量就可以大大減少。而如果出現接錯線的情況檢查是非常方便的。圖1左半部分是傳統的DCS接線柜，而右半部分是現場總線的接線柜，從圖中可以清楚地看出兩者之間的區別。
二、現場總線的設計
現場總線的出現對于我們設計院的工作來說面臨著許多改變。目前設計院一項重要的工作就是繪制接線圖。在使用現場總線后接線圖的數量將會大幅度減少，因為現場總線是用一根電纜將多個設備連接起來，然后再接到上層網絡，而省去了很多的接線盒等設備。這樣設計院就需要其他的工作來代替以往的接線工作。從現場總線的結構來看，網段的設計對整個現場總線系統正常運行將起著非常重要的作用，因此設計院的接線工作將會轉移到現場總線的網段設計以及布線的工作中去，這是現場總線系統設計的核心技術，而且這部分的工作也只能由設計院來完成。
2.1 現場總線的拓撲結構
設計一個現場總線系統首先需要確定其網絡拓撲結構。現場總線的拓撲結構共有4種：總線型、樹型、菊花鏈型和點到點型：
(1)總線型的拓撲結構是由一條干線和連接在干線上不同點的若干支線所組成的。干線的兩端設有終端器，支線的長度可以根據需要從1米到120米不等，在下面的篇幅中將會對支線長度做一些說明。
(2)樹型的拓撲結構是由一條干線和連接在干線端點上的若干支線組成的。與總線型拓撲結構相同，在干線的兩端需要設終端器。
(3)菊花鏈型拓撲結構是用電纜把一臺設備依次連接到下一臺設備上，一直到最后一臺設備和終端器上。這種拓撲結構也可以認為是支線長度為零的總線型拓撲結構。采用這種拓撲結構應注意；每臺設備上的進線和出線應連接在一起，以免脫落時造成鏈的終端故障。可以看出，菊花鏈中如果有一臺設備出現故障，那么連接到這臺設備上的下面的所有設備將和總線斷開，所以這種拓撲結構并不推薦使用。
(4)當一條總線上只連接兩個設備時就形成了點到點型的拓撲結構。例如一臺變送器和一臺執行機構組成的就地控制系統，如果不連接其他設備時，就是點到點型拓撲結構。由于這種結構沒有發揮出現場總線的優點，因此在設計過程中應盡量少采用這種結構。
綜上所述，在設計網絡結構的時候應盡量采用總線型和樹型的拓撲結構，而應少采用菊花鏈和點對點的拓撲結構。同時也可以考慮將總線型和樹型的拓撲結構混合起來使用。
2.2 網段設計
確定現場總線的拓撲結構后就可以設計具體的網段了。現場總線對每個網絡的電纜長度都有具體的規定，這就要求我們設計人員精確的知道每段電纜的長度，而按照目前的作圖深度來說想要做到這一點是非常困難的。因為目前儀控專業的設計人員在布置儀表時只是在機務專業的系統圖中標注出儀表的安裝位置，首先機務專業的系統圖只是一個示意圖，并沒有精確地表示出管道的長度和走向等信息，其次儀控專業在設計儀表的時候考慮的是安裝什么表、裝幾只以及測量量在控制系統中所起作用，而很少考慮儀表安裝的具體位置，更多的是安裝人員根據現場的情況選擇安裝位置，這樣的設計深度對于現場總線系統來說顯然是不夠的。
目前很多電力設計院已經在使用三維設計軟件來進行機務管道的設計，我認為儀控專業也可以使用三維設計軟件來確定儀表安裝的位置。因為大多數的熱控儀表都是布置在機務管道上，這樣當機務專業確定了管道布置以后，熱控專業就可以根據儀表的安裝要求選擇安裝位置，同時可以表示出電纜橋架的布置，這樣就能夠比較精確的計算電纜長度。
一般來說對于總線供電的儀表每個網段上能夠連接儀表的數量都是有規定的，其原因就是電纜和儀表有電壓降，如果數量超過限制則網段末端的儀表可能會出現供電電壓不足的情況，因此在進行網段設計時需要確定每臺儀表的供電電壓是否能夠滿足儀表的要求。要準確地計算每一臺現場總線設備的供電電壓是否滿足要求，需要知道每臺設備的耗電量，每段電纜的電阻和電源電壓。按照直流電路的計算方法計算出每一臺裝置的電壓，當網絡結構非常復雜，節點很多時，這種計算是非常繁瑣的。為此，有些現場總線設備制造商提供了一種軟件，在該軟件中存儲每種現場總線設備的屬性，包括電阻和所需電壓等，設計人員只要輸入網絡結構以及確定每段電纜的長度，該軟件就會自動計算出每臺現場總線設備的電壓，檢查該電壓值是否滿足該設備所要求的工作電壓同時會給出一份設計報告，其中列出了該網段的詳細信息，這份報告可以作為該網段的設計報告。PROFIBUS和FF總線都自己的網段設計軟件，該軟件的作用就是可以知道我們設計的現場總線網段是否符合現場總線協議的規定。使用該軟件的時候我們需要將網段中儀表的連接方式以及儀表的型號輸入該軟件，該軟件可以計算出每個儀表上的供電電壓，電纜中的電流等，從而判斷出該網段設計是否能夠滿足有關協議的要求。通常該軟件是由廠家免費提供的。
2.3 現場總線對于電纜的要求
有許多種類型的電纜可以用于現場總線中，但一般推薦使用的是屏蔽雙絞線電纜，電纜的允許長度和電纜類型是有關系的，表1中列出的是IEC/ISA物理層標準中指定的電纜類型：
在各類電纜中，應優先選擇A類電纜，因為它的傳輸性能最好，允許的傳輸距離也最遠，因此在進行新項目設計時，一般應選擇這種類型的電纜。
其次應選擇B類電纜，這是一種多線對雙絞線電纜，而且是全屏蔽的，它的傳輸性能略差于A類電纜，主要用于多條現場總線共存于同一區域的情況。
C類和D類電纜的傳輸性能較差，一般不推薦使用。其中C類是不帶屏蔽的雙絞線電纜，D類是帶屏蔽的非雙絞線電纜。
雖然IEC有關文件對現場總線使用的電纜進行了規定，但遺憾的是目前還沒有一個權威機構對生產廠家所生產的現場總線電纜進行認證。
前面已經得到現場總線對于一個網段的電纜總長度是有要求的，表1中就列出了這種規定。
如果在同一個網段中使用了多種電纜，則可以使用下面的公式進行核算：
式中，L1，L2……Ln表示每種電纜的實際長度；
L1max,L2max……Lnmax表示每種電纜所允許的最大長度。
2.4 支線長度的限制
除了電纜總長度對支線度度有所限制外，連接到支線上的設備數是對于支線長度也有限制。
表2表示出IEC-1158-2和ISAS50.02-1992推薦的支線長度限制：
我們設計的支線長度不能超過表格中規定的電纜長度，如果電纜總長度或支線長度超出了限制條件，應考慮改變網絡的拓撲結構，更換電纜型號，縮短電纜的敷設路徑，或者是采用中繼器。
2.5 現場總線儀表的選擇
現場總線使用的儀表和我們現在使用的常規儀表是不一樣的。常規儀表傳送給控制器的僅僅是測量值，而現場部線儀表不僅可以傳送測量值，還可以傳送儀表的狀態以及調試信息。對于FF總線儀表的狀態以及調試信息。對于FF總線儀表我們還需要選擇儀表所具有的功能模塊，因為FF總線將處理功能放在儀表中，這樣就需要確定每個儀表所具有的功能模塊，一般包括AI，AO，DI，DO，PID等模塊。通常可以將處理功能模塊PID選擇放在執行機構上，這樣可以減少網絡上的信息流量。
需要注意的是，目前有些廠家宣稱自己的儀表也具有現場總線的接口，但是其儀表本身不是智能儀表，也就是說它傳送的仍然只是測量值，并沒有遠程調試等功能，這樣的現場總線儀表是沒有意義的。因此在選擇現場總線儀表的時候應該加以注意。
三、總結
(1)目前現場總線之所以在電廠中沒有能夠大規模的使用，我個人認為是因為我們電力行業的人員對現場總線的技術還不夠了解，對它在現場的應用情況還存有疑慮。針對這種情況我認為可以先在電廠的某個工藝過程中少量的使用現場總線技術，在取得一定的運行和維護經驗以后再大規模的推廣使用。目前已經有很多電廠在進行有益的嘗試，我院設計的華能玉環電廠在水處理過程中就采用了PROFIBUS的總線技術。
(2)使用遠程I/O連接現有的DCS。目前在全廠范圍內使用現場總線還不太可能，但可以在一些范圍內使用具有現場總線接口的遠程I/O來連接現場設備和控制器。目前很多DCS廠家都推出了帶有現場總線接口的DCS產品，將現場總線和DCS混合使用主要采用了遠程I/O的思想。目前在電廠在測量鍋爐水冷壁溫度等場合也大量使用了遠程I/O，然后使用光纜將遠程I/O中的信號傳送到DPU中進行處理。借鑒這種思想，我們可以用帶有PROFIBUS接口的遠程I/O將現場儀表連接起來，當然這里的儀表并不一定是溫度元件，只要是滿足PROFIBUS協議的儀表都可以連接到該遠程I/O中去，然后再通過PROFIBUS-DP連接到DCS中去進行數據處理。值得注意的是通常現場的環境比較惡劣，這樣對遠程I/O柜的防護等級要求較高，最好在環境較為惡劣的場合布置一些小房間，將遠程I/O柜放在房間內，這樣對遠程I/O的安全運行將會起到很好的作用。
(3)關于現場總線的冗余問題。現在電力行業沒有大規模使用現場總線的一個重要原因就是現場總線的冗余問題。目前PROFIBUS總線的PA和FF總線的H1網段都是不能實現冗余的。但我們可以分析一下DCS的冗余水平，目前DCS的冗余也僅限于DPU、通訊總線，而對于I/O通常是不冗余的，對于一些重要信號通常采用的是將現場的儀表冗余，然后將冗余信號接到不同的I/O板卡上的做法。我們再來看一下現場總線的冗余情況。對于PROFIBUS總線，其PA是不冗余的，而上層的DP是能夠做到冗余的，對于一些重要信號也可以采用冗余設置儀表的方法來解決這個問題，PA總線可以通過冗余的耦合器連接到冗余的DP網絡中去；對于FF現場總線其H1網段是不冗余的。對于重要信號可以采取與PROFIBUS總線相同的措施，而將H1網段和HSE網絡連接的H1卡也可以做到冗余。由此可以看出現場總線并沒有降低現有的冗余水平!而且SIEMENS公司計劃推出環狀的PA網絡結構，這也可以被看成是一種冗余措施。
(4)符合目前建設數字化電廠的趨勢、目前我國的電廠在車間級(DCS和PLC)和管理級(SIS，MIS，ERP)都基本實現了數字化管理，但卻忽視了現場級的數字化建設。可以說現場設備的數字化是整個電廠數字化的基礎，現場設備實現數字化可以省去大量將模擬信號轉化為數字信號的過程，這樣可以提高信號的精確度以及傳輸信號的速度。現場總線技術可以實現現場設備級的數字化。現場總線中傳輸的信號是一個疊加在24VDC信號上的數字量信號，其信號采用的是曼徹斯特編碼方式，也是目前使用較為廣泛的一種編碼方式。由此可以看出現場總線實現現場設備級的數字化，這對于我們建設數字化電廠來說是非常有益的。
(5)現場總線與傳統控制系統之間的集成主要有三種途徑：一是現場總線在DCS的I/O層次上的集成，現場總線設備作為I/O卡件集成在DCS中；第二是現場總線集成在DCS網絡上，現場總線設備通過網關集成到DCS上，統一組態、監控與管理；第三則是獨立FCS與DCS之間的信息集成，即FCS與DCS都獨立工作，兩者之間通過網關實現信息的映射與互訪。在目前DCS仍在大量使用的情況下，以上幾種方法不僅可以利用DCS成熟的技術與經驗，也可以發揮現場總線的優勢。
(6)由于各種現場總線協議互不兼容，不同現場總線設備不能直接進行信息互訪和交換。因此，隨著現場總線系統的廣泛應用，由于分期投資和用戶要求的多樣性，必然會導致多種現場總線系統共同工作的現象。為此，各大公司紛紛推出能夠讓多種現場總線協同工作的控制系統，如Smar公司的System302系統能夠連接FF、HART、Profibus和4～20mA的設備；Foxboro公司的系統也能夠包容FF、Profibus、Modbus、DeviceNet等。ABB公司在其推出的ControlIT產品中也將Profibus、FF、HART等現場總線產品集成在一個系統環境下共同工作，并在以太網平臺上通過OPC協議進行集成。
四、結束語
現場總線作為一項新技術已經出現十幾年的時間了，但大規模的應用到工業場合還是近些年的事情。種種事實表明，現場總線確實可以降低我們工程建設的費用，更重要的是可以降低設備運行期間的維護費用，從而降低整個工程生命周期的費用。可以說現場總線技術代表著控制技術發展的方向，它真正實現了控制分散的思想。雖然現場總線本身也存在著某些不足，但我們不能因為這些不足而排斥它，我們應該主動的去了解它，充分利用其先進的一面，想辦法克服其不足的一面，這才是對待一項新事物的正確態度，才能使我們的自動化水平能夠繼續的往前發展!
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