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

　　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(guò)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(guò)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(lái)的新問(wèn)題。作為電力自動(dòng)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(lái)揭示現(xiàn)象背后的規(guī)律，找到現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)推動(dòng)電力自動(dòng)化的發(fā)展方向。

　　1東風(fēng)夜放花千樹(shù)，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(guó)際電工委員會(huì)投票通過(guò)IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)算起，至今不過(guò)13年的時(shí)間。而國(guó)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(lái)減少電纜施工量，通過(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(guó)內(nèi)市場(chǎng)上還沒(méi)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^(guò)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(guò)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(guò)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(guó)華寧海閉式循環(huán)水系統(tǒng)中，通過(guò)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(guò)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(wú)到有，從小到大的逐步發(fā)展起來(lái)。通過(guò)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(lái)。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(guó)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(guò)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(mén)、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(méi)有得到有效的利用。這個(gè)問(wèn)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(lái)越大，應(yīng)用的范圍也越來(lái)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(guó)內(nèi)電力行業(yè)的應(yīng)用與國(guó)際上沒(méi)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(guó)經(jīng)濟(jì)的重工業(yè)化帶來(lái)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(guó)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(guó)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(wú)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(guò)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(wèn)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(jiàn)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(lái)看，以上三個(gè)問(wèn)題都是新技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用過(guò)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(lái)談?wù)劕F(xiàn)場(chǎng)總線的可靠性問(wèn)題。在現(xiàn)場(chǎng)總線之前，現(xiàn)場(chǎng)的物理信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)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(lái)說(shuō)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(lái)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(wèn)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。