繼DCS后，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是自動(dòng)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(chǎng)設(shè)備中，把現(xiàn)場(chǎng)單個(gè)、分散的數(shù)字化、智能化設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；連接成可以相互溝通信息，將過去采用點(diǎn)到點(diǎn)式的模擬量信號(hào)傳輸或開關(guān)量信號(hào)的單向并行傳輸，變?yōu)槎帱c(diǎn)一線的雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字式傳輸?shù)牡蛶挼讓涌刂凭W(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化水平的特殊位置。

新千年最初的10多年時(shí)間里，在電力自動(dòng)化領(lǐng)域，現(xiàn)場(chǎng)總線經(jīng)過了從概念到產(chǎn)品、從試點(diǎn)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(zhēng)議從未停止，人們一方面驚嘆于現(xiàn)場(chǎng)總線帶給自動(dòng)化系統(tǒng)的全新面貌，另一方面不斷地糾結(jié)于現(xiàn)場(chǎng)總線帶來的新問題。

1東風(fēng)夜放花千樹，10年間現(xiàn)場(chǎng)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(huì)投票通過IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)算起，至今不過13年的時(shí)間。而國內(nèi)電力自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化集團(tuán)公司的控制系統(tǒng)進(jìn)行了兩臺(tái)135MW機(jī)組的自動(dòng)化改造。為了縮短項(xiàng)目工期，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用遠(yuǎn)程I/O來減少電纜施工量，通過現(xiàn)場(chǎng)通訊總線實(shí)現(xiàn)與DCS的信號(hào)傳輸。項(xiàng)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(tái)單元機(jī)組的控制系統(tǒng)中，通過Profibus從安裝在現(xiàn)場(chǎng)的37只遠(yuǎn)程機(jī)箱中，接入1417點(diǎn)I/O信號(hào)，占整個(gè)系統(tǒng)I/O點(diǎn)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(chǎng)總線應(yīng)用，而只是一種用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的具有較高可靠性和實(shí)時(shí)性的串行通訊協(xié)議，當(dāng)時(shí)的國內(nèi)市場(chǎng)上還沒有出現(xiàn)支持現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線特別是Profibus的可靠性、實(shí)時(shí)性得到了充分的驗(yàn)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(chǎng)環(huán)境，特別是溫度和電磁干擾的考驗(yàn)，為真正意義上的現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用提供了借鑒。

2004年，在江陰夏港電廠，兩臺(tái)300MW機(jī)組的基建項(xiàng)目中，選用了346只具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)單元，每個(gè)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)單元。在這一段時(shí)間，隨著支持現(xiàn)場(chǎng)總線的智能化設(shè)備的出現(xiàn)和成熟，真正意義的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)踐，現(xiàn)場(chǎng)總線可減少現(xiàn)場(chǎng)電纜施工，提供豐富的診斷信息的優(yōu)勢(shì)得到了認(rèn)同。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及布線方案，支持現(xiàn)場(chǎng)總線的智能設(shè)備逐步地發(fā)展起來。但是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)總體造價(jià)高，對(duì)維護(hù)人員的技能要求也較高，給用戶選擇現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)，在華能金陵電廠兩臺(tái)1000MW超超臨界機(jī)組，進(jìn)行了國內(nèi)最大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)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(tái)總線設(shè)備，包括低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)單元、總線式電磁閥箱、電動(dòng)門、調(diào)節(jié)閥、壓力和差壓變送器等。在這里，現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線的可靠性得到了充分驗(yàn)證，能夠滿足當(dāng)時(shí)最大單機(jī)容量機(jī)組的控制要求。但是，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)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(gè)問題與較高造價(jià)給現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)化領(lǐng)域的全新技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)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(gè)發(fā)展的背后，是中國經(jīng)濟(jì)的重工業(yè)化帶來的對(duì)于電力自動(dòng)化新技術(shù)的需求，市場(chǎng)的需求和電力自動(dòng)化專家群體的超前布局成為推動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線的發(fā)展伴隨著不斷的爭(zhēng)議

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

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

(2)通訊的實(shí)時(shí)性不夠，現(xiàn)場(chǎng)總線不能用于高實(shí)時(shí)性要求的控制功能；

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

從現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)本質(zhì)來看，以上三個(gè)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(chǎng)總線技術(shù)本身的缺陷。

首先來談?wù)劕F(xiàn)場(chǎng)總線的可靠性問題。在現(xiàn)場(chǎng)總線之前，現(xiàn)場(chǎng)的物理信號(hào)通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過硬接線電纜將標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)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(hào)，最終進(jìn)入控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算處理。而在現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中，將現(xiàn)場(chǎng)的D/A轉(zhuǎn)換、電纜的傳輸、控制系統(tǒng)的A/D三個(gè)環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)的智能芯片與控制系統(tǒng)直接的通訊。因此，從原理上來說現(xiàn)場(chǎng)總線的可靠性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的硬接線。而且現(xiàn)場(chǎng)總線可以傳輸多點(diǎn)信號(hào)，在進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)時(shí)具有比硬接線更好的性價(jià)比。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線具有的診斷功能，能夠更有效防止信號(hào)故障，進(jìn)一步提高整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性。因此，從技術(shù)本質(zhì)上來看，現(xiàn)場(chǎng)總線具有更高的可靠性。關(guān)于可靠性的質(zhì)疑更多的是由于現(xiàn)場(chǎng)總線相關(guān)產(chǎn)品的成熟度問題，特別是支持現(xiàn)場(chǎng)總線的智能設(shè)備多種多樣，由不同的廠家提供，良莠不齊。

其次，我們?cè)賮碚務(wù)劕F(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)時(shí)性問題。在電力自動(dòng)化過程控制領(lǐng)域，按照控制要求，實(shí)時(shí)性分為兩種：一是一般過程信號(hào)的采集和控制，要求采樣周期和控制周期在200ms～500ms以上，涵蓋95%以上的控制要求。二是快速過程信號(hào)的采集和控制，要求采樣周期和控制周期在50ms左右，主要包括FSSS、ETS和DEH等特殊控制回路。目前現(xiàn)場(chǎng)總線主要用于一般過程信號(hào)的采集和控制，對(duì)于快速過程信號(hào)的采用和控制還是在使用傳統(tǒng)的硬接線方案。從串行通訊的實(shí)時(shí)性能來分析，對(duì)于小于64個(gè)字節(jié)的報(bào)文，以500K的波特率，傳輸時(shí)間在2ms以內(nèi)。對(duì)于最高波特率12M的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，要滿足50ms的控制周期要求，就協(xié)議本身并不存在任何困難。但是，必須從控制器通訊主站、現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的通訊從站，以及整個(gè)通訊鏈路中進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，才能穩(wěn)定可靠地滿足快速過程的實(shí)時(shí)性需要。

最后，我們來談現(xiàn)場(chǎng)總線維護(hù)的問題。從技術(shù)本質(zhì)上來說，現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)和4～20mA電氣信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，都用來規(guī)范控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)儀表的信號(hào)交換方式。4～20mA電氣信號(hào)屬于電工技術(shù)知識(shí)，而現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)要求更多的是通訊和軟件的知識(shí)范疇控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，對(duì)維護(hù)人員提出了更高的要求。但現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中提供了界面友好的調(diào)試工具，在建立總線通訊的情況下，能夠大大提高對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)儀表的調(diào)試效率。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)維護(hù)人員提出更高的要求，這不是技術(shù)缺陷，而是新技術(shù)發(fā)展對(duì)人員知識(shí)提出的更新要求。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電力行業(yè)沒有得到推廣，使得絕大多數(shù)電廠設(shè)備和系統(tǒng)維護(hù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)缺乏基本的認(rèn)知，又因?yàn)殡娏π袠I(yè)內(nèi)已有的現(xiàn)場(chǎng)總線多數(shù)是在電廠輔助車間使用，更大程度上只是一種新技術(shù)的試驗(yàn)，或純粹是大型基建中所謂的亮點(diǎn)而已，根本上沒有得到管理層的重視，相關(guān)技術(shù)人員也就缺乏足夠的熱情去掌握其必要的維護(hù)技術(shù)。

由此看來，從技術(shù)本質(zhì)上來說，可靠性、實(shí)時(shí)性、難于維護(hù)的爭(zhēng)議，都不應(yīng)是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的阻礙(目前現(xiàn)場(chǎng)總線在電力行業(yè)的應(yīng)用案例已經(jīng)證明了這一點(diǎn))。那么阻礙現(xiàn)場(chǎng)總線推廣應(yīng)用的障礙究竟在哪里？這是筆者一直在思考的問題。

3眾里尋他千百度，影響現(xiàn)場(chǎng)總線推廣應(yīng)用的障礙

為說明上面提出的問題。我們還是從技術(shù)的本質(zhì)出發(fā)來進(jìn)行分析，任何一種新技術(shù)的發(fā)展和對(duì)舊技術(shù)的替代都必須建立在兩個(gè)前提之下，第一是更低的成本，第二是更高的性能。那么：

第一，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線后的成本更低嗎？從目前來看，采用了現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)之后，儀控系統(tǒng)的造價(jià)明顯提高。

第二，成本的提高能夠獲得更高的性能嗎？從目前的應(yīng)用案例來看，現(xiàn)場(chǎng)總線提供了大量的診斷數(shù)據(jù)，但是缺乏分析管理的方法和工具，還沒有能夠提升電力行業(yè)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)產(chǎn)生正面的影響。

那么在這種情況，僅僅依賴電力自動(dòng)化專家群體的超前布局，現(xiàn)場(chǎng)總線只能夠獲得少量試點(diǎn)應(yīng)用，但是缺少大規(guī)模推廣的市場(chǎng)動(dòng)力。

在這一點(diǎn)上，與現(xiàn)場(chǎng)總線在石化行業(yè)的推廣應(yīng)用形成了明顯的差距。根據(jù)筆者的理解，電力行業(yè)和石化行業(yè)都是大規(guī)模的流程工業(yè)，被控對(duì)象復(fù)雜而龐大，物理分散聯(lián)系緊密。而相對(duì)來說，石化行業(yè)的物理分散度更大，而電力行業(yè)的設(shè)備更為集中，因此現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)省電纜及其施工費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)，在電力行業(yè)就顯得不太突出。石化行業(yè)還有防爆的要求，如果采用傳統(tǒng)硬接線，其控制系統(tǒng)的I/O接口上要配置大量的安全柵，安全柵的成本與整個(gè)控制系統(tǒng)的成本相當(dāng)。如果采用本安型的現(xiàn)場(chǎng)總線，節(jié)省I/O接口及相應(yīng)的安全柵，對(duì)于石化行業(yè)的控制系統(tǒng)而言，將會(huì)節(jié)省大量的成本。因此，我們認(rèn)為，正是總體成本上的劣勢(shì)，影響了現(xiàn)場(chǎng)總線在電力行業(yè)的推廣。