现场总线技术在电厂的应用 
王 军 
（艾默生过程控制有限公司公用事业部，北京，100020） 
摘要：现场总线技术，以其智能化和先进性，成为自动化控制系统的发展主流。本文重点讨论了现场总线在电厂的具体应用原则，并以艾默生过程控制有限公司的Ovation系统为例，介绍了现场总线在国内外电厂的具体应用案例和应用范围。 
关键词：现场总线 电厂 控制系统 
Abstract: Fieldbus technology becomes the direction of process automation development, because of intelligence and advance. Based on the implementation experiences of Emerson, this paper presents the principles of fieldbus applications in power plants, and introduces Ovation fieldbus projects, and detailed fieldbus scopes.
Keywords: Fieldbus, power plant, control system
概述 
现场总线技术，即采用总线的方式连接现场智能设备，将数字化延伸到变送器、执行机构等现场设备，实现提升控制品质、智能化设备管理、降低施工成本和周期和未来的维护成本的目的。目前，现场总线技术在石化行业已有广泛的应用，如上海赛科。但在国内电力行业，现场总线技术虽有应用，但多停留在过程测点监视方面，控制回路应用极少。 
本文结合艾默生过程控制有限公司多年来现场总线的开发应用经验，详细介绍了现场总线的电力行业应用建议，和国外的具体应用案例。 
总线标准 
现场总线技术是目前自动化领域最先进成熟的技术之一。其概念一经提出，各国际大公司都致力于发展自己的现场总线标准，以期在未来的竞争中占得先机。截至目前为止，现场总线的标准已经有40多种。但就电力行业而言，广泛采用的现场总线标准是基金会现场总线(简称Ff：Foundation Fieldbus)、Profibus、DeviceNet等。 
基金会现场总线 Ff (Foundation Fieldbus)
基金会现场总线Ff是由现场总线基金会组织开发的，得到了世界上主要自动控制设备制造商(艾默生、ABB、Invensys等公司的广泛支持，在北美、亚太与欧洲等地区具有很强的影响力。其前身是ISP和WorldFIP标准，分为低速h5和高速HSE两种通信速率。h5的传输速率位31.25kbit/s，通信距离可达1.9km(与传输介质有关，可加中继器延长)，可支持总线供电和本质安全防爆环境。很多变送器、阀门等都支持h5协议。HSE则采用基于以太网(IEEE802.3)+ TCP/IP的六层结构，主要用于离散控制、批量控制、高级控制等场合。 
每段Ff总线最多支持32个设备，最远距离1.9km，加中继器可延长到9.5km；支持总线冗余供电，传输速率31.25kbit/s。Ff总线技术多用于温度、压力、液位、流量、pH/ORP、导电度、密度、浓度、阻抗、溶解氧和氧量变送器，以及阀门定位器、电动执行机构、离散开关等。 
Profibus现场总线 
Profibus现场总线是Process Field Bus的简称，符合德国国家标准和欧洲标准EN50170。Profibus根据应用特点分为Profibus-DP、Profibus-PA、Profibus-FMS三个兼容版本。其中，Profibus-DP是一种经过优化的高速通信连接，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计的，可用于分布式控制系统的高速数据传输，最高可达12Mbit/s(100m范围内)。 
Profibus-DP的物理层采用RS485总线，每段可挂接32个设备，可通过增加中继器的方式扩展到126个设备。传输速率因距离的不同而不同，范围从9.6kbit/s 到12Mbit/s，但考虑到设备的支持程度和经济性，具体应用中一般选择500kbit/s。DP总线不供电，多用于支持现场供电的驱动设备、马达起动器、回路断路器、阀门等。 
DeviceNet现场总线 
DeviceNet是应用日益广泛的一种底层设备现场总线，目前有包括罗克韦尔自动化公司在内的300多家自动化设备制造商的产品支持这种协议。它是一种基于CAN总线技术的协议，既可连接底端工业设备，又可连接像变频器、操作员终端这样的复杂设备。 
DeviceNet传输速率从125kbit/s到500kbit/s不等，每段总线最多支持64个节点，多用于常规I/O块、感应式和光学开关、编码器与解码器、条码阅读器、射频卡、电动和气动执行机构和阀门、直流和交流驱动设备、马达起动器等。 
电厂现场总线技术的实施原则 
现场总线总的应用原则是：保证安全可靠的前提下，兼顾经济性；合适的地方用合适的总线技术。无论哪种总线技术都无法涵盖电厂中的所有设备类型，因此电厂控制系统必然是综合使用多种主流总线技术，包括Ff、Profibus、DeviceNet等，实现系统的高可靠性、高可用性、先进性、可扩展性。 
考虑到电厂控制的安全特性，以下部分不纳入现场总线，但建议采用HART仪表实现： 
SOE信号 
FSSS或者BMS 
CCS，含风量控制(Air Flow)，炉膛压力控制(Furnace Pressure), 送引风机(ID Fan & FD Fan), 磨煤机(Mill)等 
DEH和MEH 
所有的保护回路或者保护逻辑 
控制周期小于500ms的回路 
对于电气部分， 
6kv开关柜或者综合保护装置仍采用传统硬接线方式实现，但可以考虑采用冗余Modbus或者Profibus DP方式将电流、电度等模拟量和其它数字量接入机组控制系统。 
一般而言，380v马达控制中心根据重要性可以分为保安段、PC段(大于75kW)、MCC段(小于75kW)和直流系统。这些设备可以考虑采用Modbus或者Profibus DP方式将电流、电度等模拟量和其它数字量接入机组控制系统，而关系到供电和保护功能的点仍采用传统方式实现。 
各种总线技术的特点和侧重点不同，也就有了不同的应用范围： 
Ff：可用于连续测量点或者控制点，多用于压力、温度、液位、化学分析等测量点、气动阀门定位器和电动执行机构等。在电厂控制中，可用于汽包水位控制、汽包压力控制、给水加热器水位控制、冷凝器水位控制、蒸汽温度控制等回路。采用Ff控制回路时，其总线段宏循环周期一般设为500ms，而控制回路周期一般设为1秒。当然，这并不意味着Ff无法用于更快回路的控制，仅仅因为宏循环周期愈短，网段所连接设备就越少，整体性能价格比将大为降低。 
Profibus DP：用于电气量的监测、直接在线马达控制、变速马达控制、现场供电的执行机构等。在电厂中，可用于电动阀门、变频器、中低压断路器、马达控制中心等设备。其通讯速率一般设置为500kbit/s。在控制系统中，其执行周期可设置为500ms。 
DeviceNet：多用于离散开关量的测量。在电厂中，可用于液位开关、压力开关、变频器、中低压断路器、马达控制中心等设备。事实上，DeviceNet和ProfibusDP的应用范围多有重合，因此在具体电厂应用中，一般仅会采用其中一种协议，以缩短调试周期、降低维护工作量。 
现场总线的电厂应用案例 
艾默生过程控制有限公司已经将Ovation系统用在了国内外多个现场总线的电厂项目，如美国Omaha公用电力的Nebraska二号机组、美国Xcel电力集团Comanche三号机组、华电山东邹县电厂2*1000MW机组等。 
Ovation系统是艾默生过程控制有限公司专门用于电力、冶金和水处理的专家控制系统，支持模拟量、数字量、脉冲量的输入输出，提供有SOE、DEH控制、第三方通讯等特殊模件，也同时支持Ff、Profibus和DeviceNet三种现场总线标准。在同一控制器下，用户可以根据需要任意组合输入/输出模件类型。图1为安装有Ff接口模块和Profibus DP接口模块的Ovation机柜图。Ovation控制器支持五个不同的控制域，每个控制域可以配置为不同的执行速度(速度范围从10毫秒到30秒)，即同一控制的控制策略可以各自不同的速度执行，而不会相互影响。这一特点在总线控制策略的应用中非常重要。 

图 1 安装有Ff和Profibus DP接口模块的Ovation机柜 
Nebraska二号机组装机容量为740MW，采用亚临界汽包锅炉。其控制系统Ovation，共连接了69段Ff总线，共413台Ff智能设备；连接了29段Profibus DP总线，共220台智能设备。在这个项目中，采用现场总线的控制回路有：汽包水位控制、高压和再热蒸汽减温水控制、除氧器水位控制、给水加热器水位控制、热井水位控制、给水泵和凝结水泵的再循环阀控制等。 Comanche三号机组装机容量为750MW，采用超临界直流锅炉。其控制系统Ovation，共连接了220段Ff总线，共计1350个Ff智能设备；连接了38段DeviceNet总线，共358台智能设备。采用现场总线技术的控制回路有：高压和再热蒸汽减温水控制、除氧器水位控制、给水加热器水位控制、热井水位控制、给水泵和凝结水泵的再循环阀控制等。 
华电邹县电厂四期两台百万千瓦超超临界机组，采用Ff总线设备(罗斯蒙特848T)测量锅炉部分230多个温度点和汽机部分100个温度点，并在轴封控制回路中应用了现场总线控制技术。 
实际上，很多工艺流程都是多种技术应用的综合。以送引风机为例，马达控制可以通过冗余的Modbus/TCP方式实现，风量档板则采用传统的硬接线方式，润滑油泵可以采用Profibus DP方式，而风温、差压、润滑油压和润滑油温则可以采用Ff总线设备。在Ovation系统中，所有这些信号可以接入到同一对控制器下，分配到不同的控制域相互配合但互不干扰地运行。在上面的例子中，Modbus/TCP的控制策略处理可以放到1秒或者2秒控制域，Profibus DP的控制策略处理可以放到500毫秒控制域，硬接线的控制策略处理可以放到200毫秒控制域，而Ff的控制策略处理则放到1秒控制域。 
现场总线技术的优势不仅仅是数字化通讯、节省安装和线缆成本，同时推动和发展了智能设备的诊断功能，为状态检修的广泛而深入地实施提供了前提。在上面的几个应用案例中，Ovation控制系统集成了智能设备诊断功能，使得诊断信息能够显示在操作人员的警报窗口中，及时告知智能设备的当前健康状态，并能指导操作人员或者维护人员在设备报警、故障或者失效情况下进行正确的操作。图2和图3为智能设备健康状态窗口示例。 

图 2 Ff设备的诊断窗口 

图 3 Profibus DP的健康状态窗口 
总结 
作为工业控制技术的主流发展方向，现场总线技术正在逐步进入电力行业,其安装成本和维护成本的节省、控制性能的提高必将促进更为广泛地应用；同时由于智能设备本身诊断功能的完善，必将推动状态检修的深入开展，最终形成数字化电厂的蓝图。 
参　考　文　献： 
[1] Ovation系统工程师手册, 艾默生过程控制有限公司 
[2] 白焰 分散控制系统与现场总线控制系统：基础、评选、设计和应用, 中国电力出版社, 2001.03
[3] 王永华 现场总线技术及应用教程－从Profibus到AS-I, 机械工业出版社, 2007.01
[4] 刘泽祥 现场总线技术, 机械工业出版社, 2005.08