从技术本质管窥现场总线在国内电力行业的发展

　　继DCS后，现场总线系统是自动化领域的一重大技术跨越。这种集成了微机、网络、分布控制技术后建立起一种新的控制结构，将微处理器置于现场设备中，把现场单个、分散的数字化、智能化设备变成网络节点；连接成可以相互沟通信息，将过去采用点到点的模拟量信号传输或开关量信号的单向并行传输，变为多点一线的双向串行多节点数字式传输的低带宽底层控制网络，为实现现场设备的信息化提供了可能，是数字化电厂的技术基础，正被一步步推上代表未来电力自动化水平的特殊位置。
　　新千年最初的10多年时间里，在电力自动化领域，现场总线经过了从概念到产品、从试点到推广、从小规模试用到大规模应用的发展历程。在此过程中，争议从未停止，人们一方面惊叹于现场总线带给自动化系统的全新面貌，另一方面不断地纠结于现场总线带来的新问题。作为电力自动化领域的从业者，笔者一直在近距离地观察着这一有趣的现象，并在思考着，试图从技术发展的本质来揭示现象背后的规律，找到现场总线技术推动电力自动化的发展方向。

　　1 东风夜放花千树，10年间现场总线从概念到成功应用

　　如果从1999年12月，国际电工委员会投票通过IEC61158现场总线标准算起，至今不过13年的时间。而国内电力自动化领域应用现场总线技术，我们所了解到的大约也始于1999年。这一年，杭州半山发电厂采用南京科远自动化集团公司的控制系统进行了两台135MW机组的自动化改造。为了缩短项目工期，该项目设计时，应用远程I/O来减少电缆施工量，通过现场通讯总线实现与DCS的信号传输。项目选用的DCS具有Profibus DPV0通讯接口和配套的远程I/O机架，因此在每台单元机组的控制系统中，通过Profibus从安装在现场的37只远程机箱中，接入了1417点I/O信号，占整个系统I/O点数的40%。
　　严格地来说，杭州半山发电厂的Profibus应用并不是真正意义上的现场总线应用，而只是一种用于工业现场的具有较高可靠性和实时性的串行通讯协议，当时的国内市场上还没有出现支持现场总线的智能化设备，其传输的也只是过程参数这样的循环数据，还不支持诊断参数这样的非循环数据。然而，通过杭州半山发电厂的探索，现场总线特别是Profibus的可靠性、实时性得到了充分的验证。布置在远程机箱中的I/O卡件、通讯模件经受了现场环境，特别是温度和电磁干扰的考验。为真正意义上的现场总线应用提供了借鉴。
　　2004年，在江阴夏港电厂，两台300MW机组的基建项目中，选用了346只具有现场总线接口的低压电动机保护单元，每个电动机保护单元通过Profibus DPV1的通讯口与控制器交换数据，不仅传输用于操作的循环数据，还传输用于诊断的非循环数据。在国华宁海闭式循环水系统中，通过Profibus连接了电动执行机构；在华能玉环水处理系统中，通过Profibus连接了变送器、电动执行机构和低压电动机保护单元。在这一段时间，随着支持现场总线的智能化设备的出现和成熟，真正意义的现场总线应用从无到有，从小到大的逐步发展起来。通过这一系列的实践，现场总线可减少现场电缆施工，提供丰富的诊断信息的优势得到了认同。同时现场总线的网络结构及布线方案，支持现场总线的智能设备逐步地发展起来。但是现场总线系统总体造价较高，对维护人员的技能要求也较高，给用户选择现场总线方案的余地却很小，造成了一定的困扰。
　　2009年，为了进行数字化电厂的试点，在华能金陵电厂两台1000MW超超临界机组，进行了国内最大规模的现场总线应用。其主机控制系统和辅机控制系统通过Profibus接入了1500余台总线设备，包括低压电动机保护单元、总线式电磁阀箱、电动门、调节阀、压力和差压变送器等。在这里，现场总线已经不再是作为常规控制系统的补充，而是占据了所有仪表控制系统的50%，成为控制系统参数的主要传输方式。现场总线的可靠性得到了充分验证，能够满足当时最大单机容量机组的控制要求。但是，对于现场总线智能设备提供的诊断信息，缺乏分析管理的方法和工具，没有得到有效的利用。这个问题与较高造价给现场总线的进一步推广造成了不小的障碍。
　　以上三批具有典型意义的现场总线应用，分别间隔五年，应用的单机容量越来越大，应用的范围也越来越广，应用的总线标准都是Profibus。作为工业自动化领域的全新技术，现场总线在国内电力行业的应用与国际上没有明显的滞后，基本是同步发展的。这个发展的背后，是中国经济的重工业化带来的对于电力自动化新技术的需求，市场的需求和电力自动化专家群体的超前布局成为推动现场总线技术在国内电力行业应用的强大合力，在10年时间内，现场总线就从国际标准中的概念发展为在电力行业最高水平控制系统上有着成功应用的全新技术。

　　2 山重水复疑无路，现场总线的发展伴随着不断的争议

　　与任何一种新技术的发展过程类似，现场总线的发展也总是伴随着质疑和争议。具有代表意义的三个问题是：
　　（1） 通讯的可靠性较低，现场总线不能用于关键性场合；
　　（2） 通讯的实时性不够，现场总线不能用于高实时性要求的控制功能；
　　（3） 连接控制系统和现场智能仪表的现场总线，都是看不见摸不着通讯信号，维护人员很难掌握和进行故障处理。
　　从现场总线的技术本质来看，以上三个问题都是新技术开发和应用过程中出现的波折，而不能认定为是现场总线技术本身的缺陷。
　　首先来谈谈现场总线的可靠性问题。在现场总线之前，现场的物理信号通过传感器转换成电信号，通过硬接线电缆将标准的电信号送到控制系统中的I/O卡件，经A/D转换处理成数字信号，最终进入控制系统进行运算处理。而在现场总线系统中，将现场的D/A转换、电缆的传输、控制系统的A/D三个环节简化为现场的智能芯片与控制系统直接的通讯。因此，从原理上来说现场总线的可靠性明显优于传统的硬接线。而且现场总线可以传输多点信号，在进行冗余设计时具有比硬接线更好的性价比。同时现场总线具有的诊断功能，能够更有效防止信号故障，进一步提高整个控制系统的可靠性。因此，从技术本质上来看，现场总线具有更高的可靠性。关于可靠性的质疑更多的是由于现场总线相关产品的成熟度问题，特别是支持现场总线的智能设备多种多样，由不同的厂家提供，良莠不齐。
　　其次，我们再来谈谈现场总线的实时性问题。在电力自动化过程控制领域，按照控制要求，实时性分为两种。一是一般过程信号的采集和控制，要求采样周期和控制周期在200ms~500ms以上，涵盖95%以上的控制要求。二是快速过程信号的采集和控制，要求采样周期和控制周期在50ms左右，主要包括FSSS、ETS和DEH等特殊控制回路。目前现场总线主要用于一般过程信号的采集和控制，对于快速过程信号的采用和控制还是在使用传统的硬接线方案。从串行通讯的实时性能来分析，对于小于64个字节的报文，以500K的波特率，传输时间在2ms以内。对于最高波特率12M的Profibus现场总线，要满足50ms的控制周期要求，在协议本身并不存在任何困难。但是，必须从控制器通讯主站、现场智能设备的通讯从站、以及整个通讯链路中进行整体设计，才能稳定可靠地满足快速过程的实时性需要。
　　最后，我们来谈现场总线维护的问题。从技术本质上来说，现场总线标准和4~20mA电气信号标准，都是用来规范控制系统与现场仪表的信号交换方式。4~20mA电气信号属于电工技术知识，而现场总线标准要求更多的是通讯和软件的知识范畴，对维护人员提出了更高的要求。但现场总线系统中提供了界面友好的调试工具，在建立总线通讯的情况下，能够大大提高对于现场仪表的调试效率。因此，现场总线的确对维护人员提出了更高的要求，这不是技术缺陷，而是在新技术发展对人员知识提出的更新要求。由于现场总线技术在电力行业没有得到推广，使得绝大多数电厂设备和系统维护人员对现场总线技术缺乏基本的认知，又因为电力行业内已有的现场总线多数是在电厂辅助车间使用，更大程度上只是一种新技术的试验，或纯粹是大型基建中所谓的亮点而已，根本没有得到管理层的重视，相关技术人员也就缺乏足够的热情去掌握其必要的维护技术。
　　由此看来，从技术本质上来说，可靠性、实时性、难于维护的争议都不应是现场总线技术发展的阻碍（目前现场总线在电力行业的应用案例已经证明了这一点）。那么阻碍现场总线推广应用的阻碍究竟在哪里？这是笔者一直在思考的问题。

　　3 众里寻他千百度，影响现场总线推广应用的障碍

　　为说明上面提出的问题。我们还是从技术的本质出发来进行分析，任何一种新技术的发展和对旧技术的替代都必须建立在两个前提之下，第一是更低的成本，第二是更高的性能。那么：
　　第一， 应用现场总线后的成本更低吗？从目前来看，采用了现场总线系统之后，仪控系统的造价明显提高。
　　第二， 成本的提高能够获得更高的性能吗？从目前的应用案例来看，现场总线提供了大量的诊断数据，但是缺乏分析管理的方法和工具，还没有能够提升电力行业的运行经济指标产生正面的影响。
　　那么在这种情况，仅仅依赖电力自动化专家群体的超前布局，现场总线只能够获得少量试点应用，但是缺少大规模推广的市场动力。
　　在这一点上，与现场总线在石化行业的推广应用形成了明显的差距。根据笔者的理解，电力行业和石化行业都是大规模的流程工业，被控对象复杂而庞大，物理分散联系紧密。而相对来说，石化行业的物理分散度更大，而电力行业的设备更为集中，因此现场总线节省电缆及其施工费用的优点，在电力行业就显得不太突出。石化行业还有防爆的要求，如果采用传统硬接线，其控制系统的I/O接口上要配置大量的安全栅，安全栅的成本与整个控制系统的成本相当。如果采用本安型的现场总线，节省I/O接口及相应的安全栅，对于石化行业的控制系统而言，将会节省大量的成本。因此，我们认为，正是总体成本上的劣势，影响了现场总线在电力行业的推广。
　　另外，同样是防爆的原因，在运行过程中，石化行业不允许到现场打开防爆箱，进行现场设备的维护，而是必须通过远程的通讯接口对现场设备进行调试。现场总线的特点恰恰契合了石化行业的这一内在需求，成为现场总线在石化行业推广应用的一个原因。而同样的功能特点，在电力行业反而成为维护人员不太适应的一个障碍。
　　还有，现场总线技术的主要优势在于提供现场设备的诊断信息，为电厂的设备状态检修、故障诊断提供数据。但实际上，由于故障诊断，设备状态检修在国内电力行业发展停滞不前，致使现场总线技术提供的大量设备状态信息数据失去了现实意义，已经采用现场总线技术的电厂对这些诊断信息也没有进一步的挖掘利用。这就使得本应大放光彩的现场总线技术在电力行业的使用总是“雷声大，雨点小”。

　　4 柳暗花明又一村，坚守本质迎接现场总线的时代

　　因此，我们认为，从技术本质上来说，任何一种新技术的推广，其最强大的推动力只能是来自于市场的内在需求，那就是：
　　相近的性能，更低的成本；
　　相近的成本，更高的性能；
　　性价比最优。
　　根据这样的需求，现场总线要想加快在电力行业推广应用的步伐，以下是两大努力方向：
　　一是降低用户的综合成本。目前成本较高的原因，主要来自于两个方面。一是支持现场总线的智能设备价格过高，二是现场总线通讯设备价格过高。我们不应该认为现场总线设备的高价是完全合理的现象。从产品制造的角度来看，采用了现场总线反而会减少现场智能设备的硬件成本，而现场总线通讯设备的成本与普通卡件的成本并没有本质的差别，现场总线的芯片成本并不会高于工业以太网的芯片。去除新技术新产品的开发成本，现场总线相关设备之所以价格过高，更多的是一种市场垄断行为。只有更多有实力的国内厂家参与到现场总线领域，达到和国外竞争对手相近的产品性能，只有打破现场总线之间不能互操作的人为技术壁垒，甚至用工业以太网来统一现场总线，才有可能打破这个垄断，向市场提供价格合理的现场总线产品。
　　第二是实现对于设备诊断数据的分析和管理，提升设备管理的效率，为节能降耗、为降低电力行业的整体运营成本提供实实在在的价值。这更多是资产管理的功能，而不是现场总线系统的功能。现场总线能够为资产管理提供大量的设备诊断数据，从而提升资产管理的效率。在这个方面，现场总线领域已经出现了FDT标准（Field Device Tool），这是一个独立于各个设备制造商和现场总线协议的，将智能现场设备集成到过程自动化系统的开发标准。FDT能够以标准的方法将大量设备诊断数据送到资产管理系统中，从而发挥出现场总线的数据优势，使得现场总场真正成为数字化电厂的基础。

　　5 结束语

　　坚持技术的本质规律，用创新技术向用户提供更好更便宜的产品，是市场竞争的王道，也同样是推动现场总线技术在电力行业发展的最强大动力。我们相信，有中国经济的持续发展，有专家群体的超前布局，电力自动化将会迎来现场总线的全新时代。

　　参考文献：
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　　[3] 金黔军.现场总线技术在华能金陵电厂二期(2Xl000MW)机组控制中的应用研究.
　　[4] 黄冬兰、吴国瑛.现场总线技术在数字化电厂中的应用范围及投资分析[J].工业控制计算机.2009,22(8).
　　[5]西门子.现场总线设备兼容性测试报告[R].2008.6.

　　作者简介：
　　孙长生（1954－），男，安徽桐城人，高级工程师，从事火电厂热工自动化系统应用研究和科技项目开发工作。
　　曹瑞峰（1975－），男，南京人，高级工程师，从事发电厂热工自动化控制系统的开发和项目管理工作。