現(xiàn)場總線技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展前景

繼DCS后，現(xiàn)場總線系統(tǒng)是自動化領(lǐng)域的一重大技術(shù)跨越。這種集成了微機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、分布控制技術(shù)后建立起一種新的控制結(jié)構(gòu)，將微處理器置于現(xiàn)場設(shè)備中，把現(xiàn)場單個、分散的數(shù)字化、智能化設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；連接成可以相互溝通信息，將過去采用點到點式的模擬量信號傳輸或開關(guān)量信號的單向并行傳輸，變?yōu)槎帱c一線的雙向串行多節(jié)點數(shù)字式傳輸?shù)牡蛶�寬底層控制網(wǎng)絡(luò)，為實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的信息化提供了可能，是數(shù)字化電廠的技術(shù)基礎(chǔ)，正被一步步推上代表未來電力自動化水平的特殊位置。

新千年最初的10多年時間里，在電力自動化領(lǐng)域，現(xiàn)場總線經(jīng)過了從概念到產(chǎn)品、從試點到推廣、從小規(guī)模試用到大規(guī)模應(yīng)用的發(fā)展歷程。在此過程中，爭議從未停止，人們一方面驚嘆于現(xiàn)場總線帶給自動化系統(tǒng)的全新面貌，另一方面不斷地糾結(jié)于現(xiàn)場總線帶來的新問題。作為電力自動化領(lǐng)域的從業(yè)者，筆者一直在近距離地觀察著這一有趣的現(xiàn)象，并在思考著，試圖從技術(shù)發(fā)展的本質(zhì)來揭示現(xiàn)象背后的規(guī)律，找到現(xiàn)場總線技術(shù)推動電力自動化的發(fā)展方向。

1東風(fēng)夜放花千樹，10年間現(xiàn)場總線從概念到成功應(yīng)用

如果從1999年12月，國際電工委員會投票通過IEC61158現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)算起，至今不過13年的時間。而國內(nèi)電力自動化領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，我們所了解到的大約也始于1999年。這一年，杭州半山發(fā)電廠采用南京科遠(yuǎn)自動化集團(tuán)公司的控制系統(tǒng)進(jìn)行了兩臺135MW機(jī)組的自動化改造。為了縮短項目工期，該項目設(shè)計時，應(yīng)用遠(yuǎn)程I/O來減少電纜施工量，通過現(xiàn)場通訊總線實現(xiàn)與DCS的信號傳輸。項目選用的DCS具有ProfibusDPV0通訊接口和配套的遠(yuǎn)程I/O機(jī)架，在每臺單元機(jī)組的控制系統(tǒng)中，通過Profibus從安裝在現(xiàn)場的37只遠(yuǎn)程機(jī)箱中，接入1417點I/O信號，占整個系統(tǒng)I/O點數(shù)的40%。

嚴(yán)格地來說，杭州半山發(fā)電廠的Profibus應(yīng)用并不是真正意義上的現(xiàn)場總線應(yīng)用，而只是一種用于工業(yè)現(xiàn)場的具有較高可靠性和實時性的串行通訊協(xié)議，當(dāng)時的國內(nèi)市場上還沒有出現(xiàn)支持現(xiàn)場總線的智能化設(shè)備，其傳輸?shù)囊仓皇沁^程參數(shù)這樣的循環(huán)數(shù)據(jù)，還不支持診斷參數(shù)這樣的非循環(huán)數(shù)據(jù)。然而，通過杭州半山發(fā)電廠的探索，現(xiàn)場總線特別是Profibus的可靠性、實時性得到了充分的驗證。布置在遠(yuǎn)程機(jī)箱中的I/O卡件、通訊模件經(jīng)受了現(xiàn)場環(huán)境，特別是溫度和電磁干擾的考驗，為真正意義上的現(xiàn)場總線應(yīng)用提供了借鑒。

2004年，在江陰夏港電廠，兩臺300MW機(jī)組的基建項目中，選用了346只具有現(xiàn)場總線接口的低壓電動機(jī)保護(hù)單元，每個電動機(jī)保護(hù)單元通過ProfibusDPV1的通訊口與控制器交換數(shù)據(jù)，不僅傳輸用于操作的循環(huán)數(shù)據(jù)，還傳輸用于診斷的非循環(huán)數(shù)據(jù)。在國華寧海閉式循環(huán)水系統(tǒng)中，通過Profibus連接了電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)；在華能玉環(huán)水處理系統(tǒng)中，通過Profibus連接了變送器、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和低壓電動機(jī)保護(hù)單元。在這一段時間，隨著支持現(xiàn)場總線的智能化設(shè)備的出現(xiàn)和成熟，真正意義的現(xiàn)場總線應(yīng)用從無到有，從小到大的逐步發(fā)展起來。通過這一系列的實踐，現(xiàn)場總線可減少現(xiàn)場電纜施工，提供豐富的診斷信息的優(yōu)勢得到了認(rèn)同。同時現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及布線方案，支持現(xiàn)場總線的智能設(shè)備逐步地發(fā)展起來。但是現(xiàn)場總線系統(tǒng)總體造價高，對維護(hù)人員的技能要求也較高，給用戶選擇現(xiàn)場總線方案的余地卻很小，造成了一定的困擾。

2009年，為了進(jìn)行數(shù)字化電廠的試點，在華能金陵電廠兩臺1000MW超超臨界機(jī)組，進(jìn)行了國內(nèi)最大規(guī)模的現(xiàn)場總線應(yīng)用。其主機(jī)控制系統(tǒng)和輔機(jī)控制系統(tǒng)通過Profibus接入了1500余臺總線設(shè)備，包括低壓電動機(jī)保護(hù)單元、總線式電磁閥箱、電動門、調(diào)節(jié)閥、壓力和差壓變送器等。在這里，現(xiàn)場總線已經(jīng)不再是作為常規(guī)控制系統(tǒng)的補(bǔ)充，而是占據(jù)了所有儀表控制系統(tǒng)的50%，成為控制系統(tǒng)參數(shù)的主要傳輸方式�，F(xiàn)場總線的可靠性得到了充分驗證，能夠滿足當(dāng)時最大單機(jī)容量機(jī)組的控制要求。但是，對于現(xiàn)場總線智能設(shè)備提供的診斷信息，缺乏分析管理的方法和工具，沒有得到有效的利用。這個問題與較高造價給現(xiàn)場總線的進(jìn)一步推廣造成了不小的障礙。

以上三批具有典型意義的現(xiàn)場總線應(yīng)用，分別間隔五年，應(yīng)用的單機(jī)容量越來越大，應(yīng)用的范圍也越來越廣，應(yīng)用的總線標(biāo)準(zhǔn)都是Profibus。作為工業(yè)自動化領(lǐng)域的全新技術(shù)，現(xiàn)場總線在國內(nèi)電力行業(yè)的應(yīng)用與國際上沒有明顯的滯后，基本是同步發(fā)展的。這個發(fā)展的背后，是中國經(jīng)濟(jì)的重工業(yè)化帶來的對于電力自動化新技術(shù)的需求，市場的需求和電力自動化專家群體的超前布局成為推動現(xiàn)場總線技術(shù)在國內(nèi)電力行業(yè)應(yīng)用的強(qiáng)大合力，在10年時間內(nèi)，現(xiàn)場總線就從國際標(biāo)準(zhǔn)中的概念發(fā)展為在電力行業(yè)最高水平控制系統(tǒng)上有著成功應(yīng)用的全新技術(shù)。

2山重水復(fù)疑無路，現(xiàn)場總線的發(fā)展伴隨著不斷的爭議

與任何一種新技術(shù)的發(fā)展過程類似，現(xiàn)場總線的發(fā)展也總是伴隨著質(zhì)疑和爭議。具有代表意義的三個問題是：

(1)通訊的可靠性較低，現(xiàn)場總線不能用于關(guān)鍵性場合；

(2)通訊的實時性不夠，現(xiàn)場總線不能用于高實時性要求的控制功能；

(3)連接控制系統(tǒng)和現(xiàn)場智能儀表的現(xiàn)場總線，都是看不見摸不著的通訊信號，維護(hù)人員很難掌握和進(jìn)行故障處理。

從現(xiàn)場總線的技術(shù)本質(zhì)來看，以上三個問題都是新技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用過程中出現(xiàn)的波折，而不能認(rèn)定為是現(xiàn)場總線技術(shù)本身的缺陷。

首先來談?wù)劕F(xiàn)場總線的可靠性問題。在現(xiàn)場總線之前，現(xiàn)場的物理信號通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，通過硬接線電纜將標(biāo)準(zhǔn)的電信號送到控制系統(tǒng)中的I/O卡件，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換處理成數(shù)字信號，最終進(jìn)入控制系統(tǒng)進(jìn)行運算處理。而在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，將現(xiàn)場的D/A轉(zhuǎn)換、電纜的傳輸、控制系統(tǒng)的A/D三個環(huán)節(jié)簡化為現(xiàn)場的智能芯片與控制系統(tǒng)直接的通訊。因此，從原理上來說