现场总线控制技术作为一门新兴技术，已广泛、成功地应用在石化、化工、冶金、医药、市政工程、楼宇、建材等多个行业。与其形成鲜明对照的是现场总线技术在电厂过程控制中的实质性实施却始终不多，究其原因主要有以下几点[2]：

① 从2002年下半年开始，电力供应缺口导致大量电厂项目工程建设的主要精力放在如何在最短时间内完成项目设计任务，常规技术方案自然成为首选;

② 工程技术人员对现场总线技术优势的理解仅局限于节省电缆、功能分散、设备信息数字化，缺乏应用的积极性;

③ 电厂过程控制回路具有相关度高、控制功能复杂、安全性和稳定性要求高等特点，要求对现场总线技术的切实掌握和实践验证;

④ 现场总线仪控设备比常规仪控设备价格高，总线型设备的选择范围还相对较小，也在一定程度上阻碍了现场总线技术在电厂过程控制中的大量应用。随着认识的提高和技术的发展，这样的局面近期已有所改变。如在华能玉环电厂补给水、废水系统中成功实现了现场总线技术的全面应用，化水控制系统在较短时间内完成了安装、调试，并很快投入运行，由此说明了现场总线在电厂辅助生产控制系统中应用是完全可行的。

1 国内外现场总线火电厂应用现状

山东莱城电厂扩建工程3#、4#机组采用西门子TELEPERM-XP分散控制系统，400V及以下的电动机在开关柜中配套西门子公司的SIMOCODE电动机控制保护设备，通过ProfibuS现场总线与TELEPERM-XP相连接。目前电厂已投入运行，现场总线系统运行基本稳定。江阴夏港电厂5、6#机组(2×330MW)采用Fox-BORO公司的FA分散控制系统，380V开关柜采用西门子公司的SIMOCODE电动机保护控制设备，通过Profibus-DP与FA分散控制系统相连接。6kV马达采用WDZ400系列国产智能装置，重要信号通过硬接线与分散控制系统相连，其它信号通过Modbus总线与FA分散控制系统连接。浙江国华宁海发电厂(4×600MW )控制系统采用西门子TELEPERM-XP分散控制系统。现场总线控制系统的控制范围为闭式水系统34个现场总线电动门(现场总线电动门配AUMA公司的AUMATIC电动执行器)，现场总线标准为Profibus-DP，采用冗余总线接口与TELEPEM-XP连接。

华能玉环电厂(4×1000MW)在锅炉补给水系统、废水系统中完全采用Profibus现场总线技术通信的方式，将气动门电磁阀、气动调节阀、流量变送器、压力变送器、化学分析仪表、水泵电动机、风机电动机、加药变频器等控制设备连在一起。所有的底层设备都具有数字通信接口，从控制室到现场之间除了工作电源外，没有任何直接的控制硬接线，所有的控制室的指令和现场设备的状态信息都通过现场总线进行传输。目前已成功投入运行[3]。

上世纪90年代末，现场总线控制系统就已经在国外的电厂中得到应用，如SMAR公司的systern302就曾先后在美国的 Seattle Steam、Mohave Generation Plant、Duke power Oconee Nuclear Power Plant、墨西哥的Mazatlan、Guaymas、巴西的CESE等6个电厂中的15台锅炉上得到的应用。其中最大的锅炉容量为600t/h, 最大的单元机组容量为158MW，这些现场总线控制系统除了完成一般的数据采集功能之外，还实现了燃烧控制、给水控制、过热汽温控制、再热汽温控制、除氧器控制以及电机的启停控制、联锁保护和报警等功能。

德国Niederaussem电厂较全面地使用了现场总线。该厂采用了Profibus-DP和HART两种现场总线。整个系统包括900台马达、400个电磁阀、1000个阀门定位器和电动执行机构。这些智能设备均通过Profibus-DP与DPU相连。通过采用Profibus 现场总线系统，真正实现了全厂监控，提供更加完善有效的设备诊断功能，实现现场设备的远程编程和维护，实现了全厂数据的集中箕理，使设备的状态检修成为可能，提供更多的设备信息使操作和维护得到优化。

2 现场总线火电厂控制关键问题技术分析

通过多年来现场总线在多个行业的成功应用以及在电厂辅助生产系统的实施经验积累，特别是 Nieder - aussemK 机组及上海赛科项目中现场总线技术的全面成功运用[4]，为我们在国内火电机组控制上推广现场总线技术应用提供了有力的支持。推行现场总线在机组控制中的应用，应重点考虑以下几个方面的问题。

2.1 可靠性和可用性

电厂发电机组连续安全稳定运行是至关重要的。控制系统的可靠性是保证机组可用率的重要因素。为了提高系统的可靠性，现场总线技术(FF和Profibus)已经采用了多项措施，常用的有分散和冗余二项。

① 分散方面。对FCS系统而言，主要通过网络分散和控制分散来提高可用性。除去将一般控制功能下放到现场，设计中通过上层网络的区域划分和下层网络的风险管理等，做到一个回路的故障不影响到另一个回路。在工程设计中，建议主要控制策略还是采用常规DCS应用方式，按工艺系统分散在不同的控制器内实现，功能分散能够满足要求。火电厂机组控制中存在大量控制回路之间的相互联锁、信号交换，当不同检测控制设备处在不同网络分段时，如何确保它们之间联锁、交换信号的实时可靠性将是一个需要关注的问题。

② 冗余方面。现场总线系统通过主站网络冗余、变送器冗余、总线电源冗余、链路设备冗余、控制器冗余、冗余分离等实现。其中链路设备、电源、主站网络和操作员站冗余是现场总线系统常用的冗余措施。在工程设计中可以对所有具有冗余总线接口的电动执行机构、马达驱动控制装置等设备考虑采用冗余总线连接;控制系统中所有总线电源也应该冗余配置。目前FF的Hl和Profibus-DP已实现了网段介质冗余，但由于Prfibus-PA设备通常没有冗余接口，PA网段还没有实现冗余。对此，在工程设计中可通过将冗余配置的变送器等总线设备分散在不同网络分段中来提高系统的可靠[5-6]。

通过诊断可以提高系统的可用性。如冗余的备用设备状况和切换状况，通过诊断，证明冗余的备用状况和切换情况，从而警示操作员更换冗余设备组中故障部分，使其准备好在下次故障发生时能正常投入。

另外，为提高系统的可靠性，整个现场范围内的通信光缆应至少有50%的冗余量。同时为了在一路通信光缆发生损坏情况下不影响通信的正常进行，应使用两种光缆路径敷设。因为互联到现场总线的计算机或控制器可以方便地被其它计算机监控，因此，现场总线技术的电厂应用是可靠的。

2.2 实时性

在火电厂机组控制运用现场总线控制技术，现场总线的实时性是一个需要关注的内容。我们对一些潜在供货商的控制系统进行了了解。其中，Profibus总线的数据为：一个典型的通过Profibus-PA总线连接的智能仪表的响应时间为10ms;一个典型的通过 Profibus-PA总线连接的执行机构的响应时间为15ms;一个Profibus-DP从站的响应时间<0.3m;Profibus总线系统中一条DP分支的查询循环周期是2ms;一条PA分支的查询循环周期是80ms。

在DCS技术规范中对现场信号的采集周期要求为：所有模拟量输入每秒至少扫描和更新4次，所有数字量输入每秒至少扫描和更新10次。为满足某些需要快速处理的控制回路要求，其模拟量输入信号应达到每秒扫描8次，数字量输入信号应达到每秒扫描20次。由此可见，Profibus总线和FF总线完全能够满足机组控制对一般输入、输出信号处理的实时性的要求。鉴于目前FF总线宏周期一般在100ms-1s之间，这还无法满足电厂机组控制中的快速处理回路的时间(50ms左右)要求。因此，系统中为安全或快速响应而设置的开关量信号，我们还是考虑采用常规DCS的FO模块来处理。

2.3 故障影响性

现场总线控制系统的网络设计至关重要，不仅要根据系统I/O点的规模，而且要根据设备的地理分布、功能的相关性等因素。设计各层网络的覆盖范围，支路的数量，支路及分支的长度、各分支的设备数量等，这些设计对系统的性能、硬件配置等都有重要影响。因此，在工程应用中各工艺子系统应根据工艺相关性和现场布置位置情况进行网络分段设计。进行网络分段设计时应遵循以下原则：每个网段上挂接的现场总线数量不超过6个;冗余设置的现场仪表应接入不同网段;工艺上并列运行或冗余配置的设备其相关驱动装置应连接在不同的网段上。控制系统应根据工艺流程合理配置总线数量和挂接的现场设备，确保任何一条总线故障时，只产生工艺系统的局部故障，不会引起机组的危急状态，造成整个工艺系统停运，并将这一影响限制到最小。

鉴于目前现场总线在机组控制中的应用还处在起步阶段，可能在具体工程实施中还会碰到一些意想不到的情况。为最大程度地降低现场总线的工程应用风险，确保机组安全顺利投产，推荐对机组安全运行至关重要的保护系统仍采用常规 DCS 方式实现。

2.4 其它设计及安装考虑

要使现场总线回路能够正常运行，总线回路的正确设计和组态非常重要。根据现场总线系统工程指南要求和其它工程使用经验，需要考虑如下几个方面：现场总线网段的设计应考虑网段总的电流负载、电缆型号、总线干线长度、总线支线长度、电压降和现场设备数量、总线的拓扑结构形式等。总线网段上可挂的设备最大数量受到设备之间的通信量、电源的容量、总线可分配的地址、每段电缆的阻抗等因素影响。

为提高总线工作效率，在设计和组态时应尽量减少设备在总线上的通信量。具体应注意以下几点：

对于简单的单回路调节应用，尽量将PID控制模块放在现场阀门的智能执行机构中，这样可减少DCS控制与现场阀门执行机构之间的通信量。