谈如何解决现场总线技术在应用中存在的问题.doc

1、中国石油大学（华东)现代远程教育毕业设计（论文)题 目：谈如何解决现场总线技术在应用中存在的问题 学习中心：重庆信息工程专修学院奥鹏学习中心年级专业：0409级电气工程及自动化 学生姓名:曹 晓 丰 学 号： 0451480010 指导教师：韩 亚 军 职 称: 讲 师 导师单位: 重 庆 信 息 工 程 专 修 学 院 中国石油大学（华东)远程与继续教育学院论文完成时间: 2007 年 12 月 25 日中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员 曹 晓 丰 1设计（论文）题目： 谈如何解决现场总线技术在应用中存在的问题 2学生完成设计(论文)期限： 年 月 日至 年 月

2、 日3设计(论文)课题要求：利用说学知识解决现场总线技术在应用中存在的问题;通过毕业设计进一步加深对所学知识点的理解,并实现理论与实践相结合灵活运用所学知识.如有不熟悉的知识点，向指导老师请教.4实验（上机、调研）部分要求内容：在学校规定的时间内，运用所学知识,理论与实践想结合，到相关场所现场勘察，从实际出发解决现场总线技术的应用问题。 5文献查阅要求:充分利用课余时间到图书馆查阅相关课程设计资料或上网查找与论题相关的电子图书、电子期刊等资料，特别是专业文献和科技期刊；确保题材与设计的内容相符，并能紧跟当今科技的发展趋势.6发 出 日 期: 年 月 日 7学员完成日期： 年 月 日 指导教师签

3、名： 学 生 签 名: 曹晓丰 摘 要 现场总线的开发与发展代表了自动化产业发展的一种前沿实力，随着科学技术的迅猛发展，现场总线技术的深度开发及完善也成为了当今市场经济及一国工业现代化水平的重要标志之一。现场总线固然有很多的优点，而且已日益受到人们的重视，有的已开始应用，但是在实际应用中还有许多应该注意的问题。在应用中，现场总线的开放性、互联性及互操作性也决定了与之俱来的不可避免的安全等诸多问题。本文将在简要描述现场总线技术特点的基础,紧扣系统的可靠性、实用性等，介绍现场总线网络结构、体系结构等关键技术及目前较为流行的有实力的现场总线技术的现状的同时解决一些在实际应用中遇到的一些问题并予以解决

4、，最后阐述现场总线的发展趋势与技术展望。关键词:现场总线 问题 应用及解决方法 目 录摘 要i目 录ii第1章 前言11.1 现场总线技术的概念11。2 现场总线技术的特点及现状21.3 应用现场总线技术存在的问题41。3。1 对现场总线在应用的分析41。3。2 在工程方面的问题51。3.3 调试与运行方面的问题51.3。4 技术方面的问题51.3。5 总体上的问题61.3。6 开发推广的问题71。3.7 瓶颈问题71.4 通过实践来解决应用中的问题71.4。1 解决总线选择问题71.4.2 系统集成商选择问题81。4.3 降低工程费用问题81。4。4 解决瓶颈问题91。5 下一步现场总线应用

5、的热点91.6 智能化现场仪表的开发和应用情况111。7 应注意的几个问题121.7。1 现场总线噪音问题121。7。2 冗余问题121。7。3 维修成本较高131.7.4 对机组保护设计应重点考虑13第2章 现场总线技术在电厂中的应用142.1 电厂生产过程的控制特点142。2 应用现场总线技术在电厂中存在的问题142.3 电厂应用现场总线技术的对策162。3.1 搞清利弊和投资估算182。3.2 明确条件182。3。3 努力使现场设备的总线标准统一182。3。4 合理调整费用192。3.5 提高业务与技术水平192。3。6 大家忧虑的现场总线的冗余问题202.3。7 电厂现场总线的选择21

6、2。3.8 对控制电厂SIS投资的一些不成熟的看法22第3章 结 论24致 谢25参考资料26第1章 前言1。1 现场总线技术的概念在企业信息化的建设过程中，越来越多的专家、学者和电力工程设计人员意识到推动现场总线技术在企业应用的重要性和迫切性,已有许多论文提出了基于现场总线技术的控制系统在企业的应用设想和建议。但到目前为止,在国内已建和在建电厂中，真正意义上的全面和系统地应用现场总线控制系统的实例还未见报道,见诸于文献的还只是局部的试点应用。大家对现场总线技术代表了未来电厂自动化的发展方向均持肯定和积极的态度,但为什么在工程设计中却又难以进入实质性的应用呢？根据国际电工委员会IEC61158

7、标准的定义:安装在制造或生产过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、双向、多点通信的数据总线称为现场总线.由现场总线与现场智能设备组成的控制系统称为现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)。而衡量一个控制系统是否为真正的现场总线控制系统FCS有三个关键要点，即：核心、基础和本质。FCS的核心是总线协议，只有遵循现场总线协议的控制系统,才能称为现场总线控制系统；FCS的基础是数字智能现场仪表，它是FCS的硬件支撑；FCS的本质是信息处理现场化,这是FCS的系统效能体现。从上述定义可以看出，现场总线控制系统是一种全计算机、全数字、双向通信的新型

8、控制系统。它与DCS的本质差异在于现场级设备的数字化、网络化，实现了控制装置与现场装置的双向通信,消除了生产过程监控的信息“盲点”.可以说，现场设备级的数字化、网络化是工厂信息化管理的基础。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点,并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革.国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。1.2 现场总线技术的特点及现状CPU技术的发展导致了现场仪表和装置的数字化革命，也使得现场仪表和装置之间的数字通

9、讯成为可能.数字化、智能化的现场仪表和装置（如传感器、执行器等)不仅仅是替代了420 mA模拟系统，更主要的是可以在现场设备中实现控制功能和设备管理功能，而且有了数字通讯，在控制室可以获得现场设备的诸多信息,如诊断、量程、组态和标识等。现场总线技术的出现,使得原来需要大量电缆进行点到点连接的众多现场设备信号可通过一根网络电缆来传输，可以显著减少电缆的使用量及降低相关的材料和安装费用。现场总线技术开发的出发点就是要为用户提供开放的、具有可互操作性、可互换性和统一标准的测量和控制产品，克服传统DCS和PLC等含有专利性技术的控制系统所带来的封闭性问题,择优选择不同公司的产品,集成最佳的生产过程控制

10、系统，降低工程项目的建造和运营成本，提高企业的竞争力.综合有关资料的论述，同传统DCS和PLC控制系统相比,以现场总线技术为了基础的控制系统FCS的优越性概括起来有以下几方面：(1） 互操作性(2） 分散性（3） 可靠性（4) 精确性（5） 开放性（6） 经济性 （7) 可维护性。这些特点和优越性在相关的文献中有详细的阐述，在此不再赘述。既然有这么多的好处，我们为什么不积极使用呢？这就又引出了现场总线的标准之争以及现场总线自身的局限性问题。首先,现场总线标准之争的结果就是1999年底IEC TC65（负责工业测量和控制的第65标准化委员会）通过了 8种类型的现场总线作为IEC61158国际标准

11、。2001年8月经过修订制定出10种类型的现场总线标准（第三版)，分别为:Type 1 TS61158现场总线Type 2 Control Net 和Ethernet/IP现场总线Type 3 Profibus现场总线Type 4 PNet现场总线Type 5 FF HSE现场总线Type 6 Swift Net现场总线Type 7 WorldFIP现场总线Type 8 Interbus现场总线Type 9 FF H1 现场总线Type 10 PROFInet现场总线（2003年4月成为正式国际标准）除了上述10种标准之外，还有IEC TC17B通过的现场总线标准SDS（Smart Distr

12、ibuted System）、ASI（Actuator Sensor Interface)和DeviceNet，以及ISO11898的CAN协议，还有一些欧洲标准.这么多的标准给用户应用带来了很大的困惑，也就导致了没有事实上的统一标准,因为不同的现场总线标准协议之间是不能够直接进行互连和通讯的.其次，上述各种现场总线是针对不同的应用领域开发的，现场总线自身存在着应用领域的局限性。在工厂自动化领域，离散逻辑控制处于主导地位，因为工厂自动化含有快速移动的机械,同较慢的过程自动化相比，要有更快的响应。适用于这类场合的现场总线类型有DeviceNet、 ControlNet、Profibus（DP及F

13、MS应用行规)、以及Interbus、ASI（ASInterface)。在过程自动化领域，连续的调节性控制占支配地位,但也包含离散或开关量控制。适用于这类场合的现场总线类型有Foundation Fieldbus， ProfibusPA、WorldFIP等。1。3 应用现场总线技术存在的问题1。3.1 对现场总线在应用的分析信号传输数字化是所有现场总线的基本特点,它使系统精度提高；现场设备的信息增加几十倍，可用于自诊断、系统调试和管理，提高系统的有效性；同一电缆挂接多台现场设备,可节省电缆70%90及施工量。但节省电缆只不过是现场总线技术表层的优点，因为DCSPLC远程IO也可达到类似效果,而

14、从现场设备获得丰富的信息才是现场总线技术独有的本质优越性。标准统一开放是所有现场总线必需的特点，也是它与许多原来专有的通信总线的关键区别之一。它给用户带来的本质优点是打破了个别厂商的垄断，给技术以强大的支持群体，促进公平竞争,促进技术进步。DCS只做到操作站以上开放,控制层不可能开放,而FCS则做到系统从上到下全开放.不同总线开放的程度和难度都有所区别，简单的IO总线开放的难度较低，而控制用的系统总线的开放互操作就很难.控制彻底分散是现场总线具有的突出特点。它给用户带来的实质优点是由高度智能的现场设备来分散完成DCS控制器的功能，弱化甚至省去了集中控制器的层次，可降低设备费用,使控制风险彻底分

15、散，提高系统控制的自治性和可靠性.当然,现场总线也有难以发挥其优势的场合。在很长时期内，包括DCSPLC在内的许多控制系统和现行标准都会与现场总线共存，这和DCS出现后乃至今天许多原有控制设备依然存在的局面相似。目前现场总线技术在我国的应用已取得很大进展,但也存在一些问题，制约了其推广.1.3。2 在工程方面的问题在工程应用方面,工程投资比较大.虽然各种现场总线都把节省费用当成自己的主要优点,但在实际应用中现场总线的投资比传统控制系统要大.一是试用的系统规模太小；二是试用的系统并不分散或者是利用原有布线的改造项目，因此无法充分发挥现场总线节省电缆的优势。1。3.3 调试与运行方面的问题其次，调

16、试和运行比较难。由于现阶段熟练掌握现场总线的应用技术和开发技术的人才少,企业在调试和运行时经常会遇到困难。因此,企业在选择系统集成商时,应选择技术力量比较强,比较有经验的单位.再者，与传统控制系统相比优点不明显.以智能化现场仪表为基础的现场总线系统与传统系统相比，其优点不仅在于控制方面，更多的在于自诊断、自校正等自动管理方面。1.3。4 技术方面的问题在技术方面，当总线切断时，系统有可能产生不可预知的后果，用户希望这时系统的效能可以降低,但不能崩溃，这一点目前许多现场总线不能保证；现有的防爆规定限制了总线长度和总线上所挂设备的数量，也就限制了现场总线节省电缆优点的发挥;系统组态参数过分复杂，不

17、容易掌握。但组态参数设定得好坏，对系统性能影响很大。在应用中，现场总线的开放、互联性及互操作性决定了与之俱来的不可避免的安全问题。外部网是一个由现场总线实现的自动化系统，是和企业的Intranet紧密结合在一起的，存在着与Internet普通应用相同的种种威胁，包括窃听、盗取资料、非法获取控制权、进行破坏、阻碍通信等。要解决这些问题，必须建立起一套适合企业的针对现场总线应用的安全策略。在Intranet内部,人们容易放松警惕.由于现场总线多应用于化工、电气及楼宇自动化控制中,这些场合都要求系统连续运行,因此现场总线可能受到的攻击时间与普通应用相比长得多。基于安全情况，可以考虑将各子系统设计得较

18、为独立,使一个子系统受到破坏不会影响到整个系统;采用通信控制器将总线与以太网相联，改善通信控制器的功能，可以起到一定程度的安全防范作用，包括拒绝非法访问,危险时将总线与以太网隔离等;进行合理的冗余设计,以提高系统稳定性.1。3。5 总体上的问题“说"的人和“听”的人多，“用"的人少现在每年举办的现场总线讲座、刊登的现场总线文章量很大，听众和读者也很多。问题是用现场总线的人还不够多，主要原因可能是关心现场总线的以技术人员为多，有决策权的企业领导们对现场总线“听”和“读”还不够多。下一步可能需要加强对企业决策者的宣传。初步了解现场总线的人多，熟练掌握应用技术和开发技术的人才少“

19、听”过，“读”过现场总线的人多了,议论现场总线的人也多了，但是由于真正做过现场总线工作的人少，因此在现场总线产品应用、现场总线系统集成、现场总线产品开发方面都显得人才匮乏。看来企业有必要加强对自己技术人员的培养。现场总线种类很多，不知道到底哪种好一些企业下决心要提高自动控制装备的技术水平,准备上现场总线.但是面对如此众多的现场总线,以及各种现场总线之间的相互攻击宣传，企业无法决定到底选哪一种现场总线.我们认为现场总线在中国作为一种新兴技术，对各种具体的现场总线具有一荣俱荣、一毁俱毁的效果。各种现场总线之间的相互攻击对自身也是有杀伤力的。在开发现场总线时,应根据所针对的服务对象来选择现场总线。前

20、几年，我们一般是根据得到技术资料、开发工具的难易的程度来选择现场总线,因此导致国内很多单位集中开发某种现场总线.现在资料、工具都比较容易获得，而且现场总线的核心通信栈的使用许可也比较容易解决,已经到了按应用来选择现场总线的时候.根据各方面了解的情况，采取购习成熟的现场总线通信使用许可,是保证开发质量和产品可互操作性的捷径。1。3.6 开发推广的问题开发的难度远比预料的大 所需的人力、物力、时间和经费远比预料的多.许多企业一开始仅仅把现场总线看成是通信问题，现场的企业一般都有几个搞过计算机通信的问题，现在的企业一般都有几个搞过计算机通信的技术人员，因此把问题看得很简单.实际上现场总线是特定的现场

21、应用技术与计算机通信技术紧密结合的产物，单靠计算机通信技术人员还不足以完成开发。在投入开发现场总线产品时,还必须考虑到现场总线是正在发展中的技术,只有持续的投入才会有所收获.在有足够资金支持时，采用购买通信栈使用许可的方法，是早出成果的捷径.推广应用所要做的工作过于繁锁 由于现场总线技术比较新和技术本身的复杂性，推广应用中会遇到许多意想不到问题，这一点连国外大公司的产品在我国推广时也不例外.1.3。7 瓶颈问题虽然现场总线技术的发展非常词，但是从众多用户的反映中发现有三个瓶颈阻碍应用面的扩大.当总线切断时，系统有可能产生不可预知的后果 用户希望，这时系统的效能可以降低，但不能崩溃，这一点目前许

22、多现场总线不能保证.在本安防爆应用中，现有的防爆规定限制总线的长度和总线上所挂设备的数量 这就是限制了现场总线节省线缆优点的发挥.系统组态参数过分复杂 现场总线的组态参数很多，不容易掌握，但组态参数设定得好坏,对系统性能影响很大。1。4 通过实践来解决应用中的问题1。4。1 解决总线选择问题每种现场总线都有自己最适合的应用领域，如果能根据应用对象，将不同层次的现场总线组合使用，使系统的各部分都选择最合适的现场总线，这样既能充分展现现场总线的优越性,又能有效地降低成本.要搞现场总线的组合应用,就必须直接了解各种现场总线的技术细节和它们的最新发展,以便在组合应用中扬长避短。现场总线并不是为解决传统

23、控制系统不能解决的问题而出现的.它的主要优点是更灵活、更开放,并为采用新型的系统维护方式和企业管理模式提供了可能。因此在以价格作为首选条件的场合，系统规模较小、控制对象分布比较集中的场合,以及没有扩展设备智能诊断和管理要求的场合，现场总线并不一定是最佳选择.1.4.2 系统集成商选择问题由于现阶段大多数企业都缺乏现场总线系统集成的实践经验，因此慎重地选择有经验的系统提供商和系统集成商非常重要。应该选能提供多种现场总线产品的供应商,有多种现场总线系统集成经验，尤其是有现场总线组合系统集成经验的服务商；系统集成商要有现场总线网络布局设计和网络功能组态的经验。现场总线系统在设计网络布局时，不仅要考虑

24、各现场节点的距离，还要考虑现场节点之间的功能关系、信息在网络上的流动情况等。由于智能化现场仪表的功能很强，因此许多仪表会有同样的功能块，组态时选哪个功能块是要仔细考虑的:要使网络上的信息流动最小化。同时通信参数的组态也很重要，要在系统的实时性与网络效率之间做好平衡；系统集成商还要有足够的智能仪表系统的调试技巧和经验。大量的智能仪表为系统调试提供了许多方便，充分利用仪表的智能功能可以高效地完成复杂的调试.这需要系统集成者对智能仪表的功能非常熟，并掌握一定的调试技巧。1。4.3 降低工程费用问题现场总线系统在一定条件下才能展现显著降低工程费用的特点，这些条件在许多应用中并不具备。但是我们还是可以想

25、一些办法降低成本。现场总线系统成本高的重点是智能化现场仪表价格高。如果少用一点，尤其是尽可能少用个别价格特别昂贵的特殊智能仪表,将可以大大降低工程费用。不同形式的现场总线应用方式会有不同的价格表现。采用远程I/O方式、现场PLC方式、现场IPC方式或采用现场总线组合应用方式都可以有效地降低工程费用。一些技术人员认为，不采用现场智能仪表和现场智能设备,就不是纯粹的现场总线。应该看到，现场总线技术的最大优点是可以降低系统的建设和运行维护成本，因此如果我们能够降低成本，为什么非要追求现场总线的纯粹性呢？我们认为多种现场总线组合、智能仪表与传统模拟仪表组合的混合系统（典型代表是DeltaV系统)将会长

26、期存在。发展混合系统是推广现场总线技术的必要步骤。1.4.4 解决瓶颈问题大力推进对FISCO3技术和低功耗技术的研究和推广，可以解决现场总线的本安防爆瓶颈。FISCO技术基本解决了线缆长度问题,同时将挂接的现场仪表数量扩展到10台。但实际是否能接10台仪表,还要看现场仪表的功耗是否低到规定值.现场总线系统软件开发者应尽快提供智能化组态软件。目前的组态软件提供了一系统缺省参数设置,这种设置对许多场合都是可以用的。但是当调整了部分参数后,另一些参数需要做相应的变化;这项工作应该可以自动化，不过目前还是由人凭经验来做。对于有高可靠性要求的场合,目前往往采用双机双网络热备份的方式冗余技术的研究,以避

27、免断线引起的系统崩溃。现在已经有国内企业在考虑开发一种应用技术来解决这个问题。1.5 下一步现场总线应用的热点由于Ethernet技术的快速发展，Ethernet介入控制已经成为事实4。有一些人认为Ethernet将会取代现场总线。我们认为它并不会马上取代将会取代现场总线。我们认为它并不会马上取代全部现场总线,因为它们之间还是有许多不同.表1列出IEC 61158.2的H1系列总线与Ethernet物理层的对比，可见Ethernet目前还难以解决两者之间的差异.而且Ethernet最有竞争力的特点是价格低廉，如果Ethernet最终解决了现场总线的全部问题，那么它还价廉吗？对于已经非常价廉、乘

28、法的AS-I、SDS等现场总线，有必要去取代它们吗?所以我们认为整合了Ethernet和TCP/IP技术的现场总线是今后发展的主流体系和应用热点。Ethernet在工业现场的应用需要解决实时性问题、可互操作问题,与现场总线技术的结合是解决上述问题的途径之一。如何整合Ethernet与现场总线,对各种现场总线的未来命运是至关重要的，因此各种现场总线在整合的方法上展开了激烈的争夺，成为当前现场总线领域的热点。目前现场总线正在开发与Ethernet、TCP/IP结合的技术有：ControlNet、DeviceNet和Ethernet/IP联合推出CIP（Control and Information

29、 Protocol）；Foundation Fieldbus推出HSE(High Speed Ethernet)；Profibus推出ProfiNet；还有一些现场总线本身就是与Ethernet功能接近的LAN（局域网），因此它们不经过Ethernet而直接与TCP/IP推出WorldFIP推出WorldFIP TCP/IP。Ethernet与现场总线整合的方案分三种即：包裹法、网关和代理服务器法和重建法。包裹法 典型代表是CIP、HSE和ModbusTCP/IP。整合的方法是:将几科保持原样的现场总线报文作为“用户数据”嵌入TCP/UDP的数据帧,然后在Ethernet上发送.其优点是不需要

30、花时间一切新的规范，有得向下兼容，不同现场总线的数据可以同时传输。缺点是报文的效率低，更适合传送长数据。例如CIP就是将ControlNet、DeviceNet和Ethernet/IP报文加上表示是哪一种现场总线的报文经常很短,因此常常需要填入无效内容，降低报文效率。InterBurs采用反向包裹法。它是将TCP/IP数据帧嵌入InterBus报文.由于InterBus报文短，TCP/IP数据帧被拆开传送。这样做的优点是：InterBus设备可以不受影响地用在现场,正常运行时的现场总线短报文信息传输效率大大提高。需要拆开传送的长报文主要用于传送程序和组态信息，这种传送出现的几率稍低，而且对实时

31、性的要求也低。网关和代理服务器法 网关和代理服务器法是传统的跨协议转换方法，在现场总线领域中的典型代表是ProfiNet。事例的方法是通过网关或代理服务器进行Ethernet与现场总线的信息转换.优点是已经在用的现场总线设备可以不受限制地用下去。缺点是不同现场总线同时使用时系统组态很复杂,实时性受到一定影响。重建法 就是抛弃已有现场总线,为Ethernet建新的实时通信用户层，从而建立以Ethernet为基础的全新现场总线。典型代表是：IDA（Interface for Distributed Automation）。我们都知道现场总线前一轮的热点是国际标准，最后Profibus与FF鹬蚌相争

32、的结果是其它现场总线渔翁得利，产生了包括8种现场总线的IEC标准。这一轮没有赢家。下轮的热点将是Ethernet用户层之争，信在Ethernet的用户层或Ethernet的整合方式上抢得先机，谁就将在今后的竞争中赢得主动。1.6 智能化现场仪表的开发和应用情况由于无法完全自主地选择现场总线,只能按技术资料的开放程序,得到开发工具的难易程序和成本来选择现场总线。因此“九五”科技攻关计划决定对HART和FF进行攻关，十多家单位参加三个项目的攻关。现在“九五”攻关项目已经完成验收.其中浙江大学承担的项目获得了国家科技进步二等奖。中科院沈阳自动化所和联合攻关集团（由上海自动化仪表股份公司、重庆四联集团

33、有限责任公司、西安仪表有限责任公司、北京华控技术有限责任公司、重庆自动化仪表研究所和上海工业自动化仪表所组成）开发的FF通信栈分别通过了FF的一致性认证。联合攻关集团开发了40余种基型现场总线智能化仪表。其中基于HART的智能化仪表已经投入指生产.用上海工业自动化仪表研究所开发的智能圆卡生产的智能电容式变送器WT-2000型已经通过HART基金会的认证和DDL注册.北京华控技术有限责任公司的智能温度变送器也通过 了HART基金会的认证.国内成立了HART仪表登记办公室，对国产HART仪表进行登录。已经有一批产品做了登录.许多采用LonWorks技术的产品已经在楼宇自动化工程和环保工程中投入使用

34、。采用Profibus、LonWorks和DeviceNet的电器设备完成开发，即将投入使用。目前的应用情况是:仪表正常运行时用到的智能功能并不多，智能仪表的优点主要体现在性能稳定，精度高。在系统安装调试和周期性维护中智能仪表的智能功能已经表现出明显的优越性,用户对国产智能仪表的接受程度大大提高。现价段智能仪表最大的受益者是现场仪表生产企业.仪表厂普遍感到智能仪表改善了仪表的性能，提高了生产效率，弥补了国产传感器的缺陷，降低了部件的废品率，减少了生产消耗。存在的问题是：由于智能化仪表的稳定性、分辨率大大提高，能够洞悉传感器、执行器提出了更高的要求，这些要求目前还不能完全满足；智能化仪表的销售、

35、培训、宣传服务很不够，许多智能仪表在用户处没有充分发挥作用.1。7 应注意的几个问题1.7。1 现场总线噪音问题现场总线应用必然涉及到系统噪音问题，由于所有的现场设备完全连接到现场总线的网络当中，连接处必然使用TAP接头，这种接头长期处于现场环境较为恶劣的地方,就会出现网络噪音的现象，继而出现设备与网络连接错误的报警，所以现场总线对现场的卫生条件,现场的振动条件都有严格的要求。接头每次停机都要进行检查，但是并不是检查后就可以完全消除噪音。 1.7.2 冗余问题现场总线设计思想，低速部分是不要冗余的,因为现场总线已经分散了危险，现场仪表在现场可以自成调节回路而实现自主调节。虽然是这样，但是由于没

36、有冗余功能，所以一旦总线故障，虽然可以完全依靠就地来完成功能调节，却无法让运行人员监视到全系统运行状况，按照热控的检修标准在控制系统机组主要运行参数的监视就应该停止机组运行，所以要想达到安全的目的，冗余设计是很有必要的。1.7.3 维修成本较高 如果在以往的DCS系统改为有现场总线技术的DCS系统，现场的设备需要全部更换,以便适应现场总线的需要,现场智能设备承担的调节功能增加也会使其造价的成本增加，同样维修中，如果更换一样仪表都会有很昂贵的费用.减低这种费用就要选择信誉较好的厂家,使用其设备，如果设备的性能好，对环境适应能力强，同样可以达到降低生产成本的效果，改善设备运行性能。1.7。4 对机

37、组保护设计应重点考虑比如说在电厂中,热控最重要的是对热控保护的严格设计，防止保护不发生误动同时也要保证保护不发生拒动，要求在控制系统的IO卡件以及设备上要求采用三取二的要求：如汽包水位变送器设计、炉膛负压的设计在DCS上要求现场的三个设备分别进入三个不相同的IO卡件当中，三个不同的IO卡件分属不同的控制站，达到保护不因为一个设备、一个IO卡件、一个故障而导致的保护误动现象现场总线对这方面应该着重考虑，由于现场总线现场布置需要我们改变这种设计，否则就要增加费用,如就地设备需要在就地完成三取二功能，而且信号需要分别与三条就地总线到达三个控制柜，这无疑增加了工作量，同时也增加了费用，只有这样才能达到

38、现场的设计要求.现场的总线现在还存在着一定的缺陷，所以在电厂中在大多数的监视系统和外围设备上应用广泛，原因就是外围设备的缺陷和停运不会对主业生产造成影响，同时总线用于外围设备控制可以使控制系统设计简洁明快。第2章 现场总线技术在电厂中的应用2。1 电厂生产过程的控制特点电厂的生产包含了以下几个主要工艺过程：燃料系统（煤炭和燃油/气的运输及贮存）、热力系统及锅炉和汽轮机发电机组（将燃料的化学能转变成热能、热能将水变成蒸汽、蒸汽热能在汽轮机中转变成机械能、再转变为电能）、除渣出灰系统（燃烧物的固体废弃物处理)、脱硫系统（大气排放物的处理）、水处理系统（含净水、锅炉补给水、废水、凝结水精处理、化学取

39、样和加药等)、发配电系统（含厂用电系统、升压站等).由此可以看出，电力生产是一个极其复杂的工业过程，它涵盖了工厂自动化和过程自动化的内容。在传统的电厂控制系统模式中,主厂房区域热力生产过程通常采用DCS作为主要的控制系统，其他辅助系统则采用以PLC为核心控制系统.由于现场级设备主要采用传统的模拟量和开关量信号，生产过程的监控只能到达I/O子系统。在近几年的电力建设过程中,电力生产企业的信息化管理引起了广泛的重视，投入了大量的资金构建辅助控制系统网络、电厂实时监控系统(SIS）和电厂信息管理系统（MIS）,而对于现场级的设备依然采用传统的装置和方式接入控制系统I/O子系统。这对于以预测性设备维护

40、和设备管理为预期目标的信息化建设，无疑是“无源之水"。因此解决电厂“信息盲区”的根本出路是应用支持现场总线的智能现场设备。2。2 应用现场总线技术在电厂中存在的问题尽管现场总线技术具有一系列的特点和诱人的优越性,尽管建设数字化和信息化电厂的呼声越来越高,但在电力设计院和建设单位尝试使用现场总线技术的工程屈指可数。主要的应用障碍在一些文献中已有分析，如：(1） 现场总线标准多，用户选择无所适从。（2) 支持现场总线标准的智能现场设备的规格和品种较少,支持总线标准的国产设备更少,尤其是针对电厂开发的智能设备，不能满足电厂各专业的需要。（3） 支持现场总线标准的智能现场设备价格较高。尽管基

41、于现场总线技术的控制系统软硬件费用与DCS相比持平或略高，但FCS对于控制系统的设计、建造、调试直至运行、维护的整个项目生命周期成本同DCS相比确实要低得多。而这种效益往往是投资方和建设单位在项目规划阶段可能不会引起足够重视的问题。（4) 连接现场总线设备底层的网络不支持冗余结构。除以上这些应用障碍之外，还有以下一些制约因素限制了现场总线技术在电厂的应用.(1） 现有电厂的基建模式.现在电厂控制设备的采购大多是由设计院编制设备规范书，由建设单位组织采购，也有一些设备由施工单位采购，还有的控制装置由主机厂配套或分包。这种设备的采购方式难以保证按照统一的总线标准供货。根据现在的实际情况，即使规范书

42、中的技术条件十分明确，往往现场到货却是另一回事。不同的现场总线标准是不兼容的，结果化了钱却起不到效果。（2） 在设计院内部，自动控制涉及电气专业、热控专业甚至系统专业。这些专业分管的系统和现场设备各不相同。如在主厂房内,泵与风机的开关站（SWITCHGEAR)和PC、MCC设备归电气管，电动门MCC归热控管。成百个设备在设计和订货时要求电气和热控采用统一的现场总线标准，难度可想而知.（3) 投资方、建设单位、施工单位甚至设计院的技术人员对现场总线技术缺乏深入的了解。现场总线是一个新型控制系统，作为现场总线应用的技术人员,尤其是设计院的热控设计人员如果还停留在对DCS的认识水平上是无法设计合理的

43、现场总线控制系统,也不可能发挥现场总线的优势,甚至不能保证现场总线控制系统的正常工作。比如,现场总线FF和Profibus-PA支持总线供电,但对于挂接的现场设备数量和总线的通信距离均有限制，还要设置合适的终端装置，因此必须熟悉掌握现场总线及智能设备的特性，才能保证总线设计的正确性.再如，只有FF总线协议支持建立控制策略的编程语言，也就是说，只有支持FF总线协议的智能设备如阀门定位器可以当作调节器使用，在自身回路执行PID功能，控制功能分散到现场设备，系统功能和故障更加分散，也进一步降低了中央控制器的负载，改善了系统的性能,中央控制器的数量也相应减少了。但Profibus技术没有控制策略的编程

44、语言,也即支持ProfibusPA的现场设备不能实现控制策略,控制必须由中央控制器完成。然而，支持Profibus的产品系列比FF要齐全、广泛。这些特性都必须是在选择现场总线标准时设计人员所必须要考虑的。（4) 设计观念的限制。我们一直强调在电厂应用的控制系统必须已有在2台同类型机组3以上的成功应用业绩。需知现场总线技术已发展了十多年，支持现场总线技术的智能设备已经基本成熟，且在石化等行业得到了广泛应用.由美国电力研究院主持编制的核电厂用户要求文件UDR中已将现场总线作为核电厂控制系统的选项，这对我们在火力发电厂应用现场总线技术应有所启示。（5) 缺乏合理的设计周期。现在大多数电厂的工程设计周

45、期被大大压缩，因此从设计院来讲能按常规方案完成设计已经是十分紧张。（6） 对于设计人员缺乏创新的机制和动力。在工程中应用新技术总会有一定的风险,这需要设计人员投入大量的精力进行调研和方案论证，但现实往往是对应用新技术的研究没有额外的投入，尤其对新技术的成功应用也并无特别的奖励机制。2。3 电厂应用现场总线技术的对策 尽管到目前为止市场和工程实践中尚缺乏真正意义上的现场总线控制系统供电厂使用，但不代表我们在现场总线技术方面无所作为。只要我们认清应用现场总线技术的真正目的,克服制约现场总线技术在电厂的应用障碍，我们就能让现场总线技术为电厂自动化和信息化发挥积极的贡献。首先,我们必须在电厂自动化和信

46、息化方案的规划和设计过程中，避免陷入为现场总线而现场总线的误区。应将降低电厂生命周期成本和以合理的投资建设企业的信息化平台和企业管理体系作为投资方、建设单位和设计院共同追求的目标。基于这样的原则和指导思想，我们将会实事求是地研究现有控制技术、计算机技术和通信技术带给我们的自动化和信息化产品，构建电厂监控和信息管理系统。在电厂自动化和信息化的规划过程中，依然要结合电厂各工艺和生产过程的特点，采用最合适的现场总线标准和检测、控制装置.不应强求在全厂统一应用一种现场总线标准，全厂统一为一种现场总线标准既无可能、也无必要。在监控层和信息管理层，以太网和OPC协议、交换机、网关等工业IT技术已经提供了不

47、同网络之间的互联技术。不应过分强调在工程使用的是FCS,还是DCS或PLC+现场总线,只要符合上述原则，就是最合适的控制系统。用FCS取代DCS和PLC系统的争论也无实质性意义。深入了解现有现场总线控制系统之后，我们就会发现，除了FF总线现场智能设备可以实现部分现场控制策略以外,逻辑控制还依赖于主站或中央控制器，其他总线系统均还采用中央控制器。虽然这些中央控制器可以小型化、现场化布置，但依然是需要集中运算和处理（有些场合中央控制器可以省去I/O处理，控制器也需要冗余设置）。从现场总线控制系统总体结构上分析，依然类似DCS的结构分层，只是网络协议更开放.系统的集成方式在目前也不会有重大的改变，我

48、们似乎在近期不可能完全脱离主流DCS厂家的产品,完全由设计院或工程公司用市场主流或非主流DCS厂家的产品去集成电厂的控制系统。当然在这个过程中,笔者不否认，设计院在设计模式和设计深度上作出重大转变之后,与主流DCS或其他型式的控制系统供应商紧密合作，像石化行业的设计院一样，承担更大范围的工作内容和开展DCS或现场总线控制系统的深度设计。就如早期控制系统运用组装组件仪表的年代，设计院就承担了整个电厂控制系统的配置和集成，只不过随着DCS和PLC的应用，设计院在这方面的能力已衰退殆尽.2.3。1 搞清利弊和投资估算投资方和建设方在使用现场总线技术方面起关键作用。没有他们的支持，设计院所起的作用是有

49、限的.因为涉及项目的投资和技术风险。设计院自动化设计人员应在现场总线技术的应用中起领先和推动作用.但设计院应对应用现场总线技术作出透彻的技术分析报告，讲清应用现场总线的利弊和投资估算,提出切实的项目实施计划和风险应对方案。2.3。2 明确条件设计院在应用现场总线技术方面设计人员要有创新意识，管理层要为设计人员营造设计创新条件和环境.要解决热控和电气两个专业在控制系统规划上各自为政的现状，要充分重视全厂自动化和信息化方案的总体规划，必要的时候对两个专业的分工要进行适当的整合。在应用现场总线技术方面，一些电力设计院已进行了有益的尝试,并积累了宝贵的设计和应用经验，如山东莱城电厂、江阴夏港电厂、云南

50、宣威电厂、贵州纳雍电厂、浙江宁海电厂、山东威海电厂等。在控制系统招标书编制阶段,要广泛了解主流和非主流DCS产品支持现场总线的能力和解决方案，并组织有关专家进行必要的论证。无论主机招标、辅机招标或辅助系统招标以及DCS、PLC系统的招标，必须把支持应用现场标准的产品要求作为必要条件予以明确。2。3.3 努力使现场设备的总线标准统一投资方、建设单位对于设计院采用现场总线技术的设计方案，须给予足够的设计周期，并在技术方案论证和产品设计选型方面给予必要的支持.在确定工程采用某种类型的总线标准后，设计院在总线产品方面应有更多的自主权。因为总线产品的选型需要供应商更为详细的设计配合，列入详尽的规格和规范

51、以及参数和选项,而不似现在只允许设计院开列检测和控制装置的工艺参数要求，而不开列具体型号和供应商的做法。建设单位可以改变以往控制装置由系统集成商配套的做法，各辅助系统采用的PLC可以确定合适的某两种总线标准集中招标采购，以利于现场设备的总线标准统一。2。3。4 合理调整费用由于现场总线不同于常规设计,设计院自动化专业的深度和难度均有所提高，因而相应的设计费用和设计定额也要作出合理的调整。2.3。5 提高业务与技术水平自动化设计人员要努力提高自己的业务水平，要改变目前在常规DCS和PLC系统设计方面的习惯做法，熟练掌握和应用现场总线技术和产品，这需要设计院各级领导尤其是部门领导重视和加强对设计人

52、员的技术培训。设计院现在几乎不参与DCS或PLC系统施工图阶段的网络构建与配置工作,只负责提供PID、初步的I/O清册,最终完成DCS或PLC的外部接线图.各设计院的深度与此可能有所不同，但总体上讲没有深入到DCS和PLC系统的内部.这样做的后果就是，设计院对全厂的控制策略掌握不透彻,系统组态方式和功能分布是否合理了解不深入。因此设计院对于系统优化、网络配置、功能分配的发言权越来越弱。笔者以为，要扭转这种局面，设计院应抓住应用现场总线技术的机遇,加深设计深度.这种深度主要体现在以下几个内容：PID图、仪表位置布置图、调节框图和逻辑图、设备规范和数据表、接线图、电源配置图等。当采用FF现场总线时

53、，P&ID图工作显得尤其重要，现有的PID图深度要提高,因为在采用FF现场总线标准的情况下，需要通过PID规划系统和设备的控制策略。在P&ID图的设计中,需引入区域设计的概念。为了达到调节功能和逻辑的可靠和完整，通常一个回路的所有I/O应处于相同的区域，每个区域可以有26个回路。采用PID应确保所有与区域回路有关的点都在那个区域内。不仅如此,还要学习和掌握现场总线的接线、布线技术和计算方法。因为现场总线的接线不同于常规DCS和PLC控制系统的接线。现场总线区域设计将取代传统的I/O分配连线。为了准确估算现场总线网络电缆的长度、规划合理的网络连接方式，避免现场信号的往返，影响系统

54、响应速度和控制性能，需要依靠现场仪表和控制装置的布置图。仪表位置布置图的作用是确定网络主干和分支以及接线盒的位置,这才能保证总线安装符合区域长度、分支长度和终端位置的要求，实现现场总线的成功安装和工作。此外，现场总线网络存在三种拓朴结构：总线带分支结构、树型或分支或鸡爪型结构、雏菊链拓朴结构。不同结构适用的场合不同，要避免使用雏菊链拓朴结构,它似乎能降低电缆和安装费用，但对系统维护和可靠性极为不利。作为设计人员对此均要了解和掌握。电源配置具有类似的问题，不再赘述。文档为个人收集整理，来源于网络文档为个人收集整理，来源于网络还必须意识到，现在许多的现场总线设备之间的连接已采用了接插件的方式,如果

55、设计院还抱着只做DCS机柜外部端子排接线图的思维模式和工作态度，控制策略和逻辑图的工作以及将预制电缆和连接推到集成商的工作范围，那么当控制系统发展到绝大部分系统设备之间的连接采用预制电缆和接插件模式的时候，设计院自动化专业还有什么生存的手段？但如果我们今天迅速迈出一步，改变现今的设计思维,设计院还会面临新的机遇。笔者以为在现场总线控制系统的设计中,将来采用3D的网络布线设计技术是设计院的一个优势，也是一般的控制系统集成商难以替代的角色.2.3.6 大家忧虑的现场总线的冗余问题如FF H1和Profibus-PA不支持冗余网络，不应制约现场总线技术的应用。我们在深入分析了电厂工艺流程的特性之后，

56、应大胆在设计中采用现场总线技术。在工艺过程中双路热备或多路配置的设备和系统，即使总线短时间的中断也不会影响系统的安全运行，因为系统本身已采取了冗余设置，而且像输煤、化学水处理等系统，一般均设有中间的缓冲环节，如贮存水箱或煤斗等。因此，只要对现场总线网络合理规划,就像在DCS I/O分配时不能将互为备用或冗余的点集中在同一卡件的原则一样，现场总线的网络上挂结的现场设备也需避免同样的问题。在莱城发电厂使用3UF5 SIMOCODDP时最初发生的问题就属于这一类，据资料介绍最初的设计将数台磨煤机、风机的A/B润滑油泵马达的智能控制器挂结在同一根总线上，且采用的是雏菊链的连接方式。像这样的设计，即使采

57、用冗余网络，也不能解决设备检修和可靠性的问题.这更有力地说明了设计院在使用现场总线时网络设计规划的重要性,以及设计人员必须熟悉工艺系统和运行方式的必要性。2.3.7 电厂现场总线的选择前面已经讲述了不可能采用一种总线解决所有的工业控制和过程控制。电厂辅助系统如煤、灰、水系统本质上属工业自动化的范畴，在这些领域如石化行业和制造业采用现场总线技术的控制系统均具有成熟的经验.且PLC在这些场合依旧发挥主要作用，因此选用支持ProfibusDP、ControlNet 等总线标准的产品均是合适的选项。笔者以为在输煤出灰系统应用现场总线技术最能体现其优势。在主厂房热力系统的控制中,FF当是最佳的选项，单回路控制分散到现场，就如早期的基地式调节器回路，但在性能方面已不可同日而言。但FF同Profibus相比，不足之处在于产品系列不全，给构建完整统一的总线网络造成困难.据最新的现场总线技术资料显示,目前已有一些智能设备和控制系统的供应商已开发了支持多种现场总线标准的产品，这给现场级总线设备的选用带来了方便.且支持现场多种总线标准的通讯模件也已问世，这样可通过通