现场总线应用于电力行业的全面分析

    21世纪，人类社会已经迈入了信息化时代。随着电力体制改革的深化，电力企业为提高生产过程自动化和管理现代化，必将投入大力进行信息化建设。这是一个长期而艰巨的任务。电力系统是一个庞大而复杂的网络，现场总线技术作为连接生产现场的仪表、控制器等自动化装置的通信网络，是新一代分布式控制系统的核心技术，在电力行业内，特别是在火电厂、变电站自动控制领域具实现信息化、数字化建设过程中具有广阔的应用远景。

    相比较而言，火电厂运行系统更加复杂，控制参数更多、分散性强，且性质各不相同。在火电厂的各级系统数字化建设过程中，最困难、进展最缓慢的就是火电厂如何将数字化推向现场设备级。因此，推广应用现场总线系统，实现现场设备级的数字化就成了实现火电厂全面数字化的关键一步。

    可喜的是，国际上现场总线技术及现场总线智能设备的开发和推出已有近10年以上历史，现场总线标准化纷争也渐近统一，安全相关标准和系统已问世，现场总线智能设备也已十分成熟。近几年来，国内外现场总线技术在石油、化工等领域的应用势头在加快。在电力行业也取得了一定的成绩。

    在电厂信息化的建设过程中，越来越多的专家、学者和电力工程设计人员意识到推动现场总线技术在电厂应用的重要性和迫切性，已有许多论文提出了基于现场总线技术的控制系统在电厂的应用设想和建议，但到目前为止，在国内已建和在建电厂中，真正意义上的全面和系统地应用现场总线控制系统的实例还未见报道，见诸于文献的还只是局部或试点应用。由于电力生产对安全可靠性要求的特殊性，尽管大家对现场总线技术代表了未来电厂自动化的发展方向均持肯定和积极的态度，但在工程建设中亦不乏观望与等待，使之难以较快进入实质性的应用，个中原因多种多样。

    本期特别策划，邀请了来自工程设计一线、生产厂家的几位专业人士各抒己见，主要围绕如何在火电厂中推广应用的问题，从总线技术、标准、现场设备、效益、设计理念和今后的发展等多角度、全方位透视现场总线技术，以期给广大读者一个全面、客观的介绍，既看到现场总线发展的广阔前景，也不回避现在仍存在的分歧和误区，本着交流经验、探讨问题的态度，为促进现场总线在电力行业的推广应用助一臂之力。

    一、总线技术

    赵文华：

    · 现场总线技术简介

    所谓现场总线，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的开放式、数字化、串行和多点通信的数据总线。

    作为连接生产现场的仪表、控制器等自动化装置的通信网络，现场总线是20世纪90年代国际上兴起的新一代全分布式控制系统的核心技术。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。采用现场总线技术可以促进现场仪表智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合现代工业控制系统领域的技术发展趋势。

    · 现场总线技术特点

    （1）系统的开放性。所谓开放系统是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接，通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。用户可按自己的需要和考虑，选择不同供应商的设备连入现场总线。

    （2）互操作性与互用性。互操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。

    （3）现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

    （4）系统结构的高度分散性。现场总线已构成了一种新的全分散性控制系统的体系结构。简化了DCS，总体可靠性也有所改善。

    （5）对现场环境的适应性。工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
    由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。现场总线技术引入我国虽然只有短短的十几年，却早已融入了工业控制领域的方方面面。目前公认的适合于过程控制的主流现场总线主要有Profibus, FF, WOLDFIP等。

    · 现场总线在电厂中的应用

    现场总线在电厂中的应用能够提高运行的安全可靠性，表现在：

    （1）完善的现场设备及信号的诊断功能，防止其故障或信号偏差导致控制和保护系统发生错误信号而酿成事故(这是过去DCS事故的原因之一)。

    （2）提高了信号的精度和速度。

    （3）减少了大量端子和接线头，大大提高了可靠性。

    （4）采用数字通信，减少大量电缆，有利于抗干扰。

    （5）控制功能和I/O功能的分散，简化了DCS，总体可靠性也有所改善。

    现场总线的应用同时也适应现代化管理的要求，采用现场总线及其智能现场设备无疑将增加一定投资，但根据国外实践和一些用户的报告，综合投资成本还是可以减少(或增加不多)的，理由是：

    （1）减少了I／O机柜、接线端子柜及相应的电子设备间空间。

    （2）减少了计算机电缆、桥架和敷设工程量及接线和查线工程量(据国外文献称可节省电缆66％以上，节省安装费用60％)。

    （3）降低了系统集成、修改和技术改造费用。

    目前，电厂自动化控制还是以DCS为主；国际上可用于电厂的先进的DCS均已开发了与现场总线的接口设备及相应的软件；DCS系统结合现场总线系统和现场总线设备已在火电厂有成功应用业绩，包括300MW等级机组，近一二年有加速推广应用趋势。

    任稳柱：

    现场总线在配电网和变电站自动化中的应用近十年来，由于信息技术领域的飞速发展，带动工业现场总线产品技术极大的提高。从工业现场总线的概念来说，其覆盖的领域极广，包括了上层的计算机管理系统、控制系统、工业机器人、工业现场执行机构和传感器等。现场总线是连接智能化现场设备和控制室之间全数字化、开放的双向的局部通信网络。现场总线种类很多，比较有影响的有：CAN、Lorworks和Profibus等。它们各有特点和优势，在不同领域有不同的应用价值。在输配电系统中，很多设备的智能化功能就需要现场总线进行通信。

    电力系统自动化的特点是被控制的对象（设备）复杂而庞大，分散性强且联系紧密，被控制的参数多，干扰严重。

    目前现场总线技术也正在逐步融入电力行业，随着现场总线技术在低压电器、高压开关设备、低压成套等设备中的应用，其作用也越来越突出，是实现电力系统自动化的关键。目前，已经有比较成熟的现场总线产品和系统在电厂、变电站自动化、配电网自动化中投入使用，都获得了很高的经济效益和发展前景。

    比如，现场总线技术可以帮助高压开关设备实现智能化，进行在线检测、运行状态监视、控制和保护以及趋势分析和判断，而且需要进行智能化操作（可控操作）。而现场总线在高压开关设备中的应用是伴随着智能化高压电器的发展而发展。

    再比如，智能化箱式变电站是以智能化设备为基础，以现场总线为核心的智能化系统。该系统及遥测、遥控、遥信、遥调、故障识别、隔离恢复为一体。

    现场总线是一种互连现场智能化设备及其控制系统的双向数字通信协议。一个现场总线系统可以看成是一个由数字通信设备组成的安全分布式系统。实际上现场总线设备就是一种计算机网络，这个网络上的每一个节点就是一个智能化设备。随着智能化高压开关设备的发展，现场总线技术在其中的应用必将会越来越多，越来越完善。

    赵文华：

    · 现场总线技术发展趋势

    近年来，工业以太网技术发展迅速，这个原来用于IT领域的标准，在信息网扩展中得到迅速的发展，不断提高的性能和迅速降低的成本是现有任何工业自动化网络无法比拟的，使工业自动化领域的一些公司不约而同地将注意力集中在利用以太网的资源上，所以新一代的工业自动化网络几乎都是建立在以太网基础之上，使工业以太网成为当前的技术热点。

    从总线技术的发展方向上来看，所有的现场总线最终都将向Ethernet过渡。许多基于现场总线的控制系统最终都将连接到Ethernet，直至与Internet相连接。工业以太网是工业控制系统的一个发展方向。目前工业以太网还主要应用在过程监控层，而在现场层则是采用现场总线技术。随着各项技术的发展，以太网技术正逐渐下移，将走向现场层。伴随这项技术的发展，现场总线在电力行业的应用最终也将向着以太网的方向发展，必将更加有力地推进电力系统自动化建设。

    冯杰：

    众所周知，20年前在控制领域，集中控制系统占据主流地位，它具有系统实时性强、扩展方便、稳定性高等优点，但它的缺点在于：集中控制系统将所有接线由现场联入控制室，带来大量复杂的接线工作，也使现场维护以及故障诊断变得极为困难。随着智能现场仪表的发展，将所有的信号点通过一根通信电缆连接在一起的控制方式——总线诞生了，现场总线给控制领域带来了革命性的变革！

    · 布线便捷

    由于现场总线采用多站点集中传输模式，将大量的接线工作分配到现场，而各站点与主站之间的通信全部由一根总线完成，这样就使得整个系统的接线变得更加简洁、方便。

    现场总线往往可以同时使用多种传输媒介，如可以同时使用总线电缆、光纤、红外技术，甚至目前最受业界关注的以太网以及无线技术。这样就完全可以根据现场需要选择不同的传输媒介：距离远或有强干扰的情况下可以选择光纤；距离较短，没有特殊要求的场合选择普通总线电缆；距离较远不易布线的场合还可以选择无线通信。这些都是普通的集中控制所无法实现的。

    · 系统可靠

    目前电力行业不愿选择总线控制方式的一个主要原因在于：很多人认为对于集中控制方式，如果某一线路发生故障，仅仅是点故障，对系统不造成严重影响；选择总线控制一旦某一线路发生故障就是该点以下所有系统的瘫痪，对系统的安全性以及可靠性不信任。其实不然。总线电缆在抗损坏、抗干扰能力强方面都大大优于以往所选用的普通信号线缆。

    目前总线控制中常选择智能分散技术或分层、分支技术。当我们需要在现场处理一些过程数据，同时又不希望整个系统的其他部分对此处造成影响，我们可以选择一个智能分散控制器用于此处，在现场对数据处理后再将一些系统控制器需要的数据上传，例如菲尼克斯电气的UNI200控制器，加挂不同的总线耦合器后，它可以方便地联入其他总线系统。在现场我们常希望将不同的控制功能区分出来，使他们不互相影响，这时我们就可以选择分层以及分支技术，将不同的控制功能置于不同的控制站点以及分枝。INTERBUS总线甚至可以实现单主站，255个从站，16层分层这样一个庞大而又可靠的系统！

    · 高效诊断

    现场总线系统具有故障发生，可以很快确定故障发生点、确定故障类型、给出解决方案的功能。

    · 硬件灵活

    总线产品常常具备多种功能模块，但它们的接线、安装方式一致，这样在设计时仅需根据系统的要求选择不同的功能模块，像搭积木一样，很方便地就可以完成系统的构建，大大降低现场接线工作，极大缩短系统安装调试时间！[page]

    李利：

    电力行业是一个自动化程度非常高的行业，如主机DCS系统、脱硫DCS系统以及主要辅机程控系统，这些系统都存在可靠性要求高、监控设备和对象多而复杂、实时性要求高等特点。特别是主机DCS系统，涉及数百台压力和差压变送器，数百台电动或启动执行机构，数百个温度测点，系统要进行复杂的闭环控制、串级控制、三冲量控制、比率控制，要进行设备连锁控制，要进行复杂的锅炉燃烧管理、机炉协调控制。所有这些都需要有高可靠性的控制系统来保证整个生产过程的安全、稳定、可靠运行。

    随着现场总线技术的出现和日臻成熟和电厂信息化要求的提高，基于现场总线的控制系统将为电力行业自动化系统提供更好的选择。

    目前制约基于现场总线的控制系统在电厂应用主要问题，我认为主要包括以下几个方面：支持现场总线的智能设备造成初期投资的提高；有些设备和仪表不带总线接口；哪些设备、仪表信息可以传送；系统结构如何变化，如何构筑一个基于现场总线的控制系统；通讯是否可靠；设备选型的局限性等。深入研究，加快推广：在电力行业应用现场总线有诸多好处，快速、可靠、高效、灵活，大大降低安装维修成本，应加快推广应用。但目前一些技术还有待完善，比如对处理速度要求高的硬件的开发应用没有跟上，又比如，对于电厂内那些“功能组级”以上至“协调级”的复杂控制系统，采用所谓“分散”的系统结构十分合适、可靠，值得深入研究。

    积极对国内外电厂应用现场总线系统的情况进行地调查、研究，不断促进技术的完善，才能使现场总线技术在电力行业得以顺利推广应用。

    三、总线标准

    · 阎欣军：

    由于市场的驱动，世界各大控制系统厂家都相继开发了各自的现场总线产品，现场总线标准繁多。要想达到开放、兼容、互操作和各总线间互联的目的，就必须实行大家都遵守的国际标准。国际IEC/TC65标准化组织为统一现场总线通信协议，在10多年工作中，通过争论与妥协，于1999年12月底通过了8种总线标准的折中方案。这8种总线的类型是：IEC技术报告（FF即H1）、CONTROLNET、PROFIBUS、P-NET、FFHSE、SWIFT NET、WOLDFIP、INTERBUS，再加上IECTC17B通过的3种现场总线国际标准，即SDS、ASI与Device Net，还有ISO11898的CAN，共有12种之多。

    有几种现场总线类型，就构成了几种现场总线控制系统体系结构，也都有多家控制系统公司产品支持。由于各厂家对现场总线产品开发时还会要保护自己过去的投资利益，因此各厂家现场总线产品也就各有其应用领域专长，这也使得我们在应用现场总线设备或系统时，要充分考虑对象的实际特点，来合理选择系统，最大限度地发挥其优势作用。如果采用同一厂家开发的控制系统和控制设备，如西门子的分散控制系统、西门子智能执行机构、西门子智能现场仪表等，现场总线间通信没有问题。但是不同制造厂家之间的通信问题还有待进一步完善。

    行业人士普遍认为，现场总线目前最大的问题就是通信标准及可靠性问题。虽然国际电工委员会已经公布了现场总线的国际标准IEC61158，但该标准包含了8种现场总线，这就给用户选择带来了困难。

    赵瑞阳：

    在电厂自动化和信息化的规划过程中，依然要结合电厂各工艺和生产过程的特点，采用最合适的现场总线标准和检测、控制装置。不应强求在全厂统一应用一种现场总线标准，全厂统一为一种现场总线标准既无可能、也无必要。不应过分强调在工程使用的是FCS,还是DCS或PLC+现场总线。在监控层和信息管理层，以太网和OPC协议、交换机、网关等工业IT技术提供了不同网络之间的互联技术，可以实现管控一体化。

    在主厂房热力系统的控制中，我们似乎在近期不可能完全脱离主流DCS厂家的产品，用非主流DCS的现场总线产品去集成电厂的控制系统。支持FF和PROFIBUS总线标准的DCS产品当是较佳的选项，目前市场上现场智能设备普遍支持这两种总线标准。

    PROFIBUS是目前适用于整个电厂过程工业的单一现场总线标准，且产品系列齐全；不足之处是现场仪表和设备不支持控制策略，所有控制功能在中央控制器完成。FF总线现场智能设备可以实现部分现场控制策略，但逻辑控制还依赖于主站或中央控制器。但FF同PROFIBUS相比，不足之处在于产品系列不全，给构建完整统一的总线网络造成困难。

    据最新的现场总线技术资料显示，目前已有一些智能设备和控制系统的供应商开发了支持多种现场总线标准的产品，这样可通过通信接口模件将不同标准的现场级设备集成到一个DCS或PLC控制系统中，也就是说，单一的FF总线不能实现全部的电厂控制策略，需要与其他总线混合应用。

    当然，WorldFIP也是一个可选项，它具有单一的总线，可用于过程控制和离散控制，而且没有任何网桥或网关，低速与高速部分的衔接用软件的办法来解决。但由于它所占的市场份额较小，因而支持它的仪表设备供应商也较少，影响也较FF和Profibus小。

    电厂辅助系统如煤、灰、水、脱硫系统，离散控制占主导地位，只含少量单参数连续调节回路，且物理位置分散。PLC在这些系统中将依旧发挥主要作用，同时电力设计院和工程公司在这些领域已取得十分成熟的工程经验，因此选用支持Profibus-DP、ControlNet 、Modbus/Modbus Plus等总线标准的产品均是合适的。如这类总线控制系统可以通过转换模件实现与FF总线产品的连接，那么系统中的单参数调节功能宜采用支持FF总线标准的就地智能仪表或执行器完成，并通过操作员实现对就地设备的远程监控和调试。

    何时打破行业标准“真空”：应当承认，在我国电力行业中推广应用现场总线系统是刚刚起步，在电力行业内暂时还没有一个专门为现场总线制定的标准，需要打破行业标准“真空”，规范、引导总线技术在行业中的应用。

    目前，市场上现场总线产品多样，国际标准也未能实现统一，为了避免今后在电厂或配电网控制中出现由于不同厂家产品通信协议不兼容而带来的问题，国内有关机构或组织应对产品的选择进行规范，通过调研和试点，选择适用于我国电力行业的标准，并以用户需求为导向，促进厂家间通信协议的尽早统一，或寻求一种可以兼容的方式。

    四、现场设备

    · 赵瑞阳：　

    在电厂各系统中涉及到的仪表和装置从传感器、各种类型的过程变量变送器与逻辑开关、分析仪、执行机构到电气的高低压开关设备等不下数百种。虽然目前市场上的现场总线产品也已有上百种，而以单一现场总线标准提供的智能现场设备在规格和品种系列上还不齐全，支持总线标准的国产设备则更少。现在大多数现场智能设备往往只支持一种协议，最多两种协议，如果要将各种不同协议的现场智能设备集成在一个系统中，其复杂程度可想而知。有些专家的观点是尽量采用变送器来代替逻辑开关或传感器，但通常情况下，变送器的价格是逻辑开关等装置的数倍或十倍以上，智能现场总线仪表价格则更高，而在有些场合变送器还并不适用。因此，这些在进行系统规划时，投资方和工程技术人员必须要权衡这些问题。

    从上面的问题可以看出，我们所期待的是仪表和设备供应商能提供支持多种现场总线标准的产品，为用户选型和集成系统提供方便。据了解已有一些供应商在这方面有所突破，如美国STONEL公司提供的阀门位置开关就支持ASI、Devicenet、Modbus、FF,还可以通过网关与Profibus、Ethernet相连。正如前面所述，目前电厂主厂房内控制系统的选择因电厂独特的生产特性，我们还不能脱离主流DCS产品，因此，未来现场总线智能设备和现场总线协议应融入DCS中，推动DCS功能进一步发展。

    尽管我们可以通过总线协议转换模件将不同标准的总线设备集成在一起，但如前所述，我们不可能指望短期内就完全实现现场设备的网络化。在电厂应用领域，当有些现场仪表没有现场总线产品时，或者不值得采用现场总线仪表时，选择传统仪表连接到能挂接到现场总线上去的远程I/O则是较好的方案。在主厂房或辅助车间的某些测点比较集中的区域，通过智能远程I/O同样可以节省电缆和桥架等硬件及工程施工等方面的费用。远程智能I/O的生产商需将信号输出统一到采用符合国际的现场总线，并增加对每一点温度传感器（热电偶、热电阻）或变送器的远程诊断和调校功能。事实上，有不少远程I/O支持HART智能通信，通过集成在远程I/O中的HART多路扫描器，建立独立的远程HART管理系统。

    现场总线技术是开放的技术，因此国内仪表和设备供应商应抓住这个机遇，努力开发自己的产品，发展拥有自主知识产权的现场总线控制系统和现场设备，用优质、低价的产品尽快占领市场。新一轮的电力建设热潮中，国外DCS和仪控产品几乎占据了电厂控制系统的绝大部分市场，不能不说是我国自动化设备制造行业的尴尬。国产现场总线产品如果能迅速进入电力行业，将有助于进一步降低工程设备投资，更有利于保证我国的电力生产安全。诚然，这有赖于各电厂投资方、建设方和设计人员对国产控制系统和设备的信任和支持。

    阎欣军：

    要推广现场总线技术，必然要提到带现场总线的现场仪表。现场总线的关键技术是通信协议标准的统一。现有招标法规定，超过50万人民币的设备必须招标，而国内现有的体制造成所选设备品种不一定一致，这样会给总线标准的选择带来困难。

    配套现场智能设备的现状，单独来看是满足用户要求的，但是目前一般的现场总线设备大都实现单一的控制功能，要在一个现场总线设备中同时实现两种控制功能仍十分困难。作为控制设备制造商应该充分了解电厂的需求，在提高可靠性上下工夫，让用户用的放心。

    此外，使用现场总线智能仪表及相应控制系统卡件增加的费用是相当惊人的，仪表与控制设备制造商应在降低成本上下工夫。

    刘文：

    相对电厂DCS而言，就发电厂电气控制系统来说，一种基于现场总线技术的厂用电监控系统正越来越多地被应用到发电厂生产控制中。其技术原型是广泛应用于220kV、500kV变电站的综合自动化系统，其技术基础是电气系统中大量的智能型的终端设备，如智能型断路器、马达控制器、智能仪表、微机型综合测控保护装置等。

    厂用电监控系统中压部分一般采用微机型综合测控保护装置作为其间隔层设备，就是将已经有十多年运行经验的基于微处理器的综合保护装置增加现场总线级的通信口，如RS485口、以太网口等，从目前运行单位的反馈意见来看，该装置基本上能够满足电厂运行的要求。而厂用电监控系统中的低压部分存在的问题相对多一些。

    首先是由于作为低压厂用电主体的低压电器（如低压框架断路器、塑壳断路器等）控制功能不够完善，存在诸如I/O接口少、没有支持双网的通信口等问题，间隔层设备主要有以下几种组合方式：采用智能断路器的控制器的方式；采用断路器配合智能型的马达控制器的方式；还有的采用断路器配合低压综合测控装置的方式。这样往往会造成运行维护的工作量，底层设备的增加、通信接点的增多也常常会带来故障点的增加。本人认为，深化低压断路器的智能化，实现其功能模块化、接口多样化将是智能型终端设备的一个发展方向。值得一提的是国内的某些科研院所已经开发出基于DeviceNET和Profibus总线的智能型低压电器设备，如数字量输入输出I/O、智能低压断路器、接触器通信口等电器，这将为技术人员又提供一个选择。

    其次，由于低压厂用电系统中低压元器件数量巨大，远多于中压系统，往往会造成需要通过现场总线上传的信息量巨大，存在某些极端事故情况下发生短时通信阻塞的可能性，或者造成实时故障信号延时上传的情况。这往往是困扰业主和工程技术人员的一个心病。

    另外，现场智能设备安装于生产现场，环境通常比较恶劣，所以提供设备的可靠性、增强其抗干扰的能力也是广大业主和工程技术人员所关心的问题。工程实际中技术人员往往采用装设空调、增加隔离、屏蔽、接地等措施来保证其正常运行。                        　

    李利：　

    对于新建电厂，选用带总线接口的仪表、执行机构、变频器、智能马达控制器、阀门定位器等设备的条件已经成熟，因为很多知名的仪表、设备制造商如：SIEMENS、ABB、EMERSON等都可以提供多种可供选择的成熟的带总线接口的系统和设备，而且价格也逐渐与常规智能设备接近。而且基于HART协议连接变送器的结构已经在很多电厂获得应用，在集中校验、提高采集精度等方面得到了用户的好评。而现场总线是比HART协议更全面的总线，因此具有更好的应用前景。在新建电厂的DCS、FGD 、DCS和辅机程控系统都可以采用现场总线系统，并且已经有很多非常成功的应用。

    老电厂的改造系统，由于大量采用非智能仪表和执行机构，全面更换、更新可能性很小，PROFIBUS也可以为这种情况的系统提供很好的解决方案。可以采用远程I/O的方式，通过常规I/O模块采集非智能仪表的信号，然后通过PROFIBUS-DP总线连接到中央控制器。仪表和执行机构可以按设备生命周期逐批更换。

    推进现场设备国产化：可以预见，在不远的将来，现场总线将会广泛应用于电力系统，与之密切相关的现场智能设备也必将有光明的前景。但是目前我国现场设备的研发生产状况并不尽如人意，与国外同行业存在较大差距。到目前为止，我国的现场智能设备绝大部分依赖进口，只有个别产品可以实现国产化，如调节阀。随着现场总线技术的推广应用，现场设备技术研发和生产能力的跟进需要两方面的支持：一是有关行业管理机构的引导与投入；另一方面也需要企业及时洞察市场商机，及早投入人力、财力进行相关技术研发。借鉴电力行业其他领域设备产品引进、消化、吸收、自主研发的国产化进程，总线技术在电力行业的推广期待更多现场设备的国产化！

    五、总线效益

    · 阎欣军：

    采用现场总线后，原来传统的现场仪表改用智能现场设备将增加一定投资，控制系统卡件改用支持现场总线卡件后费用增加；但是同时减少了电缆以及接线和查线工程量、电缆桥架及辅设工程量、I/O机柜以及相应的电子设备间空间。总体来讲，投资是持平或略有增加。国外采用现场总线其中最大的一个原因是节约电缆安装人力，因为国外人工费用非常高，使用现场总线后投资会大幅度减少，效益明显。而国内人力便宜，在总体投资上并无优势。

    使用现场总线后，落实到成本控制，在设计阶段现场智能仪表及控制系统卡件费用大量增加；在施工调试阶段显著减少了电缆敷设及接线的工作量；在移交生产后仅减少了对控制设备及电缆的维护管理人员，但这样的人员减少基本上无法定量，因为无论是否采用现场总线控制设备，电缆的维护管理人员都是不可缺少的。

    · 赵瑞阳：

    不可否认，支持现场总线标准的智能现场设备价格相对较高。比如，支持FF或PROFIBUS-PA总线标准的智能变送器价格比带HART协议的智能变送器约高20%（HART协议现为标准配置）；同样，支持现场总线标准的智能执行机构比一般的智能执行机构也要高出20%～30%。

    尽管如此，使用现场总线通常所带来的布线费用的降低仍然会对工厂和安装成本的降低产生影响。据ARC了解，使用现场总线，一个600MW燃煤发电厂能够降低其总成本的40%，而它的每I/O点成本可以降低35%。由于ARC集团的研究报告未提供研究的边界条件包括现场总线的使用范围，我们无法评估这些数据的合理性。

    从我国国情出发，如果使用现场总线产品，估计大部分设备还要依赖进口。同时国内工程建设的设计、施工和调试费用也与国外同行有较大差距，因此可以认为目前基于现场总线技术的控制系统软硬件费用与传统DCS相比持平或略高。但从长远看，使用现场总线技术，可以通过智能资产管理降低维护费用，减少设备库存。更重要的是，能为预测性维护解决方案提供准确、实时的现场数据，可以让用户研究和分析资产在性能方面细微和渐进的衰退，从而避免灾难性的设备故障。并且可以减少设备非故障停机，提高系统的可用率水平。

    因此，使用现场总线技术的控制系统从设计、建造、调试直至运行、维护的整个项目生命周期成本同传统DCS相比确实要低得多。[page]

    但遗憾的是，尽管我国电力建设的模式和体制发生了重大变革，但重视控制工程基本建设造价、轻视运行维护及管理费用的观念在相当多的投资方和建设方的思想中还占据相当的地位。另外，由于目前现场总线技术在国内电厂的应用示范工程较少，各种文献中提出的节省投资费用也缺乏具有说服力的实例，而各种现场总线产品的市场价格确实比常规仪表和控制装置高出许多，设计院在方案阶段由于设计深度的限制，也拿不出全面、系统的技术经济比较数据，更不要说投产后的潜在经济效益了。

    长期效益可观：专家认为，利用现场总线技术，乐观的讲在初期投资时现场总线的效益就能有所体现，就算保守的计算，也能与现在所采用的技术和设备达到基本持平。虽然目前有些现场总线用设备比普通智能型设备在价格上还要贵一些，但随着技术和生产能力的进步，价格也在不断接近。从长远运行效益来看，现场总线系统及设备应用后，运行、维护成本大大降低，人员工作量大幅减少，适应现代化管理的要求，潜在经济效益可观。

    六、选用态度／投资态度

    · 阎欣军：

    一个火力发电厂设计要经历立项、项目审批、设计、施工调试等几个阶段，具体可划分为初步可行性研究阶段、可行性研究阶段、初步设计阶段、施工图设计阶段几个重要过程。在初步可行性研究阶段、可行性研究阶段、初步设计阶段都要经过各方人士审查。在可行性研究阶段工程的总投资基本上已确定。

    投资方及业主单位要尽早明确是否同意采用现场总线技术，以及可以接受使用的范围。如采用现场总线，必要时要与设计院一道做主辅机厂家的工作，对其供货范围内的现场仪表及控制设备进行跟踪以保证现场总线的顺利实施。

    火力发电厂一直遵循“安全、可靠”的原则，安全第一。长期以来人们已经习惯了这样的模式。目前我国电力行业迎来了前所未有的市场发展机遇，各投资公司都想抓住这个机会把早日发电赢利作为一个最终目标。因为国内还没有实质性大面积的使用，连接现场总线设备的现场总线不能冗余，使得部分人士对底层现场总线在发电厂环境下应用的可靠性持怀疑和观望的态度。如使用现场总线，可能会有一定的风险，在目前形势下需要有一定的勇气。

    要在电厂采用现场总线，首先是要经过投资方和业主的同意，投资方和业主首先要了解采用现场总线后对投资的影响、机组安全运行可靠性是否降低、对设备的要求、对物资采购和管理的要求。投资方和业主是否能在采用现场总线技术所能带来的长远效益上有深入认识，与集团公司整体的思路不无关系，如果目前还不能接受现场总线是可以理解的，毕竟电厂运行安全是最重要的。

    赵瑞阳：

    投资方和建设方在使用现场总线技术方面应起关键作用，一方面应立足于企业的长远效益来考虑应用现场总线的问题；另一方面应用现场总线不纯粹是技术方面的问题，可能会涉及项目的投资和进度风险，设计院应对应用现场总线技术提出透彻的技术分析报告，讲清应用现场总线的利弊和投资估算，提出切实的项目实施计划和风险应对方案。但各方应坚持一个共识，即只要有合适的场合、合适的产品及合适的效能比，就应积极使用现场总线技术及产品。

    七、设计态度

    · 阎欣军：　

    近几年来，现场总线一直是我们设计人员致力想用的，我们做了充分的技术储备，包括请高校老师讲课培训、专业人员系统地进行学习、了解现场总线设备，并一直在寻找使用现场总线的机会。

    设计单位要负责向投资方及业主进行技术交底，说明采用现场总线后的优点和可能带来的问题；各专业间要相互配合协调。最重要的是要对现场总线技术有足够充分的认识。重点解决接口连接问题。

    发电厂的控制系统是一个庞大的系统工程，它需要锅炉、汽机、发电机及其辅机的相互协调，现场总线控制系统中的现场设备可实现基本的控制功能，但复杂系统的协调控制如何实现仍是需要考虑的问题。

    设计原则在工程设计开始阶段就要确定。在可行性研究阶段按可研对热工自动化的要求，只是说明控制方式与控制水平，如确定要采用现场总线，应在可研报告中明确。但此时至少热工自动化专业没有与投资方及业主方专业人员接触，不知道他们的真实想法。由于现场总线的应用还不够系统和广泛，可能在可研审查时会要求再做调研。而在可研与初步设计之间，主机将确定，但不能确定主机随带的控制设备和调节阀门是否采用智能型，加上主机制造厂在目前电力市场的大好形势下不会因为某个工程而改变其已定型的供货。因此，在初步设计开始时再探讨是否采用现场总线效果不会很大，会由于主辅机的原因、工期的原因而放弃。

    热工自动化专业的特点是为工艺专业服务，完成工艺系统控制。是否采用现场总线，不是热工自动化专业能够决定的，而是要各工艺专业（如机务、水工、除灰、暖通等专业）及制造厂的支持配合。要求随工艺及设备带的控制设备和调节阀门采用智能型。

    此外，施工单位要重视现场智能仪表及智能控制设备间通信电缆敷设的可靠性问题。有些地域环境条件很差，这就对通信电缆的敷设提出了新的要求，在施工中要充分给予重视。

   赵瑞阳：

    目前现场总线之所以在电厂中没有能够大规模使用，另一个主要原因就是因为电力设计人员对现场总线的技术还不够了解，对它在现场的应用情况还存有疑虑。

    我们一直强调在电厂应用的控制系统必须已有在2台同类型机组3年以上的成功应用业绩。需知现场总线技术已发展了十多年，支持现场总线技术的智能设备已经基本成熟，且在其他行业得到了广泛应用。由美国电力研究院主持编制的核电厂用户要求文件UDR中已将现场总线作为核电厂控制系统的选项，这对我们在火力发电厂应用现场总线技术应该有所启示。

    设计院在应用现场总线技术方面应要求设计人员要有创新意识，管理层要为设计人员营造设计创新条件和环境。现场总线技术不同于常规设计，设计院各级领导应重视和加强自身及对设计人员的技术培训和知识更新。针对这种情况可以先在电厂的某些工艺过程中少量的使用现场总线技术，在取得一定的运行和维护经验以后再大规模推广使用。比如，在主厂房区域，当DCS支持FF现场总线标准时，可以将那些单参数调节回路从DCS控制器中回到现场的智能变送器或智能执行机构中实现。同样在辅助车间的控制系统中也可以采用这种方式。

    自动化设计人员要努力提高自己的业务水平，改变目前在常规DCS和PLC系统设计方面的习惯做法，熟练掌握和应用现场总线技术和产品。设计院现在几乎不参与DCS或PLC系统施工图阶段的网络构建与配置工作，只负责提供P&ID、初步的I/O清册，最终完成DCS或PLC的外部接线图。这样做的后果就是，设计院对全厂的控制策略掌握不透彻，对系统组态方式和功能分布是否合理了解不深入。

    要扭转这种局面，设计院应抓住应用现场总线技术的机遇，加深设计深度，适应新技术带来的转变。这种改变主要体现在以下几个内容：P&ID图、仪表位置布置图、调节框图和逻辑图、设备规范和数据表、接线图、电源配置图等。举例来讲，目前设计院施工图一项重要的工作就是绘制接线图。在使用现场总线后接线图的数量将会大幅度减少，因为现场总线是用一根电缆将多个设备连接起来，然后再接到上层网络，而省去了大量的一对一连接线绘图工作。从现场总线的结构来看，网段设计对整个现场总线系统正常运行起着非常重要的作用，是现场总线系统设计的核心技术，因此设计院的接线工作将会转移到现场总线的网段设计以及布线的工作中去。

    当采用FF现场总线时，P&ID图工作显得尤其重要，现有的P&ID图深度要提高，因为在采用FF现场总线标准的情况下，需要通过P&ID规划系统和设备的控制策略。在P&ID图的设计中，需引入区域设计的概念。为了达到调节功能和逻辑的可靠和完整，通常一个回路的所有I/O应处于相同的区域；采用P&ID应确保所有与区域回路有关的点都在那个区域内。

    八、采购态度

    · 赵瑞阳：

    现在电厂控制设备的采购大多是由设计院编制设备规范书，由建设单位组织采购，也有一些设备由施工单位采购，还有的控制装置由主机厂配套或分包。这种设备的采购方式难以确保按照统一的总线标准供货。根据现在的实际情况，即使规范书中的技术条件十分明确，往往现场到货却是另一回事。不同的现场总线标准是不兼容的，不能达到预期的效果。另外，现在建设方只允许设计院开列检测和控制装置的工艺参数要求，而不开列具体型号和供应商，致使设计院在设计时不知道将来到达现场的是什么样的设备。而这样的采购方式如果继续沿用到应用现场总线技术的系统设计上，将会产生严重后果，甚至不能保证现场总线系统正常工作。因此，在确定工程中采用现场总线标准后，采购方式必须调整。

    在主机和辅机招标过程中，涉及配套仪表和控制装置的供货，其总线标准必须等DCS系统招标后再确定，也就是说，用DCS支持的现场总线协议决定其他配套设备的总线协议的选择；或者，尽可能减少主、辅机配套的仪控设备，由建设方和设计院根据DCS招标后确定的总线标准再集中采购。

    辅助系统控制系统的选择也可以改变以往控制装置由系统集成商配套的做法，各辅助系统采用的PLC可以确定合适的某两种总线标准集中招标采购，以利于现场设备的总线标准统一。无需强调辅助车间控制系统采用与主厂房一致的现场总线协议。

    在招标书中可以指定两种比较成熟、且支持的供应商较多的总线协议供选择。现场总线适用范围由投标的DCS供应商提出推荐方案。选用总线协议的原则有两种，一是跟着DCS走，二是使用设计方熟悉的协议。

    投资方、建设单位对于设计院采用现场总线技术的设计方案，须给予足够的设计周期，并在产品设计选型方面给予更多的自主权，因为总线产品的选型需要供应商更为详细的设计配合。
                            　　
    与时俱进、大胆创新、谨慎求实：从历史的角度看，技术的进步总是可以起到解放生产力的作用，推动社会不断向前进步发展。因此，效益也好，可靠性也好，相信都会随着技术的进步得到提高和保证。况且这项技术在其他行业已经得到了认可，在电厂与电网的局部也有成功应用，只是现在需要各方的积极努力，达成共识，建起更多的单个完整系统的试点工程实践。通过试点，不断摸索，提高可靠性，做出具有说服力的经济分析。

    一个电力项目的服役期一般都在几十年，无论投资者还是设计者都应着眼于长远，用科学发展观的眼光看待新技术、新事物，为其发展助一臂之力；工作态度、工作流程也都应与时俱进。

    九、总线发展

    赵文华：

    由于现场总线现今还是多种标准共存的局面，没有事实上统一的标准，给用户的使用也带来很大的困惑；目前符合现场总线标准的产品规格、品种少，国产设备更少；支持现场总线标准的智能设备价格高等原因，构成了现场总线技术发展的障碍。对于电力行业来说，由于电厂自身的基建模式，它对安全可靠性的高要求，电力设计的生命周期，以及电力行业现有设计人员对现场总线技术知识的欠缺等因素使得现场总线技术目前在电力行业的应用相比其他工业应用领域显得很薄弱，需要电力行业设计人员共同努力，大胆创新，大力推进现场总线技术在电力系统中的应用。

    阎欣军：

    火力发电厂推进现场总线的应用，涉及到审批单位、投资方、业主单位、设计单位、施工单位、产品供应单位等各方面。我们建议审批单位给出明确的导向，是否可考虑在小范围如单一控制回路使用，积累经验后再总结推广。

    赵瑞阳：

    在近几年的电力建设过程中，电力生产企业的信息化管理引起了广泛的重视，投入了大量的资金构建辅助控制系统网络、电厂实时监控系统（SIS）和电厂信息管理系统（MIS）,而对于现场级的设备依然采用传统的装置和方式接入控制系统I/O子系统，生产过程的监控只能到达I/O子系统。这对于以预测性设备维护和设备管理为预期目标的信息化建设，无疑是“无源之水”。因此解决电厂“信息盲区”的根本出路是应用支持现场总线的智能现场设备。

    推广现场总线是明智之举：尽管到目前为止，市场和工程实践中尚缺乏真正意义上的现场总线控制系统供电厂使用，但不代表我们在现场总线技术方面无所作为。只要我们认清应用现场总线技术的真正目的，克服制约现场总线技术在电厂的应用障碍，我们就能让现场总线技术为电厂自动化和信息化发挥积极的贡献。

    十、产品应用

    李利：

    Profibus在电力行业最典型的应用是德国尼德豪森电厂2X950MW机组的DCS系统。德国尼德豪森电厂隶属于德国RWE电力公司，该电厂K机组采用了热电联产方式，总出力达到1012MW，由于采用了过程优化技术，整个机组的效率达到了45%。K机组为超超临界机组，主汽温度为580℃，主汽压力达到27MPA。整个机组的DCS系统中由于采用了PROFIBUS现场总线技术，实现了现场设备智能化，设备状态和状态信息都能通过总线传输到DCS系统中，是目前全球范围智能化程度最高，采用总线技术最全面，装机容量最大的机组。

    除了DCS系统之外，西门子公司还提供了汽机的DEH系统、智能仪表、执行机构、SIS、MIS、马达保护装置等系统和设备，并承担了控制室的设计任务。

    DCS系统包括2700个模拟量输入、模拟量计算点845个、模拟量输出点3个、流量计输入点63个、开关量输入3798个、开关量输出67个，这些信号中采用常规信号的，通过ET200远程I/O进行采集并通过PROFIBUS-DP与DPU相连；采用HART协议的仪表通过HART协议与远程I/OET200通讯。整个系统包括721台马达、670个电磁阀、957个阀门定位器、698台电动执行机构和350个现场控制器，这些智能设备均通过PROFIBUS-DP与DPU相连。整个系统于2002年12月投入商业运行，整个系统只需配备一个操作员，大大提高了电厂的自动化水平。除了尼德豪森电厂外，还有德国曼海姆电厂DCS系统采用PROFIBUS总线，柏林北部电厂DCS系统采用PROFIBUS总线，慕尼黑电厂DCS系统采用PROFIBUS总线，礼克林豪森电厂DCS系统采用PROFIBUS总线等很多国外电厂的DCS系统都采用了PROFIBUS总线结构。

    在国内电力系统中也有很多应用，如江苏夏港电厂DCS系统采用PROFIBUS总线，韩峰电厂DCS系统采用PROFIBUS总线，山东莱程电厂DCS系统以及华能玉环电厂主厂房外补给水系统均采用了PROFIBUS-DP总线结构。

    因此，可以毫不夸张地说，采用PROFIBUS现场总线的新一代过程控制系统必将成为保证电厂安全可靠运行的生力军。 

    当前我国正处于一个改革创新的时代，只要是对发展有利，就应该勇于实践。作为投资主体的发电集团，随着电力体制改革进展的加速，火电厂信息化已经成为日益迫切的要求，再过3～5年，如果一个电厂仍未实现生产过程的自动化和现代化管理，那么在电力市场竞争中势必将会处于十分被动的地位，这是运营者不愿看到的。因此，数字化和信息化任务已经迫在眉睫！

    我们必须站在社会发展和技术演变的高度，辩证地看问题，摸清火电厂自动化技术发展的进程，加快推广应用现场总线技术，既要谨慎求实，也应勇于创新。通过试点不断摸索积累经验，早日实现电厂信息化。