摘要：介紹我國大型火電廠的現場總線控制系統（FCS）應用現狀。為使FCS的系統設計規范化和流程化，引入“現場總線網絡”的概念，指出：與DCS相比，FCS的系統設計主要在其現場總線網絡的設計。基于PROFIBUS總線，遵循該總線歐洲標準和IEC標準，給出FCS現場總線網絡的設計流程和設計方
　　
　　1、現場總線網絡及其結構
　　
　　經過多年的探索和論證[1]，現場總線控制系統（FCS）已在我國大型火電廠進入了實際推廣應用階段。華能玉環電廠4×l000MW機組水處理系統的FCS是我國大型火電廠系統地應用FCS的第1個實例。目前，我國大型火電廠控制系統采用FCS的在建項目有國華寧海電廠二期2×l000MW脫硫系統、華能海門電廠2×l000MW脫硫系統、華能九臺電廠2×660MW機組主機及脫硫系統和華能金陵電廠2×l000MW主機系統。
　　
　　按照IEC/SC65C的定義，安裝在制造或過程區域的現場設備與控制室內的自控裝置之間的數字式、串行和多點通信的數據總線稱為現場總線。
　　
　　現場總線的應用意味著數字化技術延伸到火電廠的現場控制層，相比傳統分散控制系統（DCS）,FCS在設計、安裝和調試上都發生了很大變化。火電廠生產區域內測量儀表和驅動設備數量多、位置分散、分布范圍廣，如何將全廠就地設備劃人不同的現場總線，在一條總線上如何合理地劃分多個網段，是否配置冗余總線以保證重點設備控制的安全可靠，如何合理地設置總線長度和波特率以保證總線的循環時間，滿足控制系統的設計要求，都是FCS工程實踐特別是設計階段需要解決的問題。
　　
　　為了清晰和規范FCS的系統設計，解決FCS工程設計階段面臨的網絡規劃問題，本文在電工委員會IEC/SC65C現場總線定義的基礎上，引入了“現場總線網絡”的概念。“現場總線網絡”指通過現場總線，將地理上分布的、具有現場總線通信功能的就地設備和控制裝置互連起來，完成信息交換、相互操作和協同處理的工廠控制層網絡。現場總線網絡包括FCS控制器、就地現場總線設備、總線通信介質和總線網絡設備。在工程上得到實際應用的現場總線網絡的結構如圖1所示。　　
　　對比FCS和DCS層次結構[2]可知，兩者層次結構區別主要在現場控制層。DCS使用硬接線的方式連接控制器和現場設備，FCS的現場控制層即由現場總線網絡構成。DCS的系統設計主要在于IO點的推薦和控制器的配置，FCS的設計重點在于現場總線網絡的規劃與確定。
　　
　　現場總線網絡定義的提出，清晰了FCS和DCS的系統層次區別，在工程實踐上，明確了FCS區別于傳統DCS的設計重點，對規范化、系統化和流程化FCS的設計有重要的應用價值。現場總線網絡構建了FCS的現場控制層，現場總線網絡的可靠性、可用性和實時性影響整個FCS的相應指標，FCS的設計應圍繞現場總線網絡展開工作。
　　
　　2、現場總線網絡設計
　　
　　設計FCS現場總線網絡包括全廠總線網絡的劃分和各條現場總線網絡的設計。基于PROFIBUS總線技術，依照總線標準EN50l70[3]和IEC6ll58[4],參考國外PROFIBUS總線的工程應用[5-6]，以西門子公司SIMATIC系列產品為硬件平臺，介紹大型火電廠現場總線網絡的設計流程和方法。
　　
　　2.1全廠總線網絡劃分劃分
　　
　　火電廠總線網絡，首先要完成全廠的PROFIBUS就地設備選型，然后配置FCS控制器，zui后確定每個FCS控制器下各總線網絡連接哪些PROFIBUS就地設備。
　　
　　PROFIBUS就地設備分DP（Decentrilizedperiphery）設備和PA（ProcessAutomation）設備，推薦火電廠現場驅動設備（電動門、電動執行機構、電磁閥、400v電機）選用DP設備。推薦現場測量變送器和氣動閥門定位器采用PA設備。溫度測點若位置集中可采用遠程PROFIBUS采集卡匯入PROFIBUS網絡，熱電阻、熱電偶、SOE測點及熱工保護開關推薦采用硬接線接人分布式IO模塊ET200M的熱電阻、熱電偶、SOE和數字量輸人模塊，再通過ET200M的PROFIBUS接口匯人PROFIBUS網絡。為了確保生產的安全可靠，業主一般要求重要調節和保護回路上的相關設備、關鍵的6kv電機采用硬接線控制，這些都可使用分布式IO模塊ET200M解決。現場總線設備在全廠就地設備中的占有率，很大程度表現了火電廠使用FCS的決心，也是體現FCS應用水平的重要指標。
　　
　　推薦FCS控制器按工藝系統功能區（燃燒系統、煙風系統、給水系統和汽溫系統等）配置，工藝區內同一分系統的PROFIBUS就地設備盡可能地分配到同一對FCS控制器下的同一PROFIBUS網絡上，以減少分系統運行時的各設備協同動作、調節帶來的跨PROFIBUS網絡通信，假如1個PROFIBUS網絡無法覆蓋分系統的所有就地設備，要盡可能地把這些設備劃分在同一FCS控制器下的不同PROFIBUS網絡上，以減少控制器之間的工業以太網通信。
　　
　　全廠總線網絡劃分的目的是確定全廠FCS控制器的對數、每對FCS控制器下PROFIBUS網絡的數量、每條PROFIBUS網絡上連接多少DP和PA就地設備。網絡劃分后的工作就是針對每條總線進行網絡設計，網絡劃分后應給出現場總線設備屬性表（見表l）。　　
　　2.2確定各總線網絡的拓撲結構
　　
　　現場總線網絡的拓撲結構是指用現場總線網絡互連的各種現場設備的物理布局。網絡的拓撲和波特率一起決定了網絡的可用性、可靠性和實時性，一旦網絡通信電纜敷設完畢，現場條件的限制使重新修改網絡拓撲變得困難，必須在整個設計工作的開始階段就重視網絡拓撲的設計。
　　
　　推薦使用總線型、樹型、星型、菊花鏈型連接及以上方式的混合結構構建PROFIBUS網絡。在高波特率通信下，DP網段嚴禁出現就地DP設備到總線主干網的連接分支線，應使用菊花鏈型連接。PA網段容許使用分支線連接就地PA設備和總線主干網，就地PA設備和PA分配器構成星型連接，PA分配器之間形成總線型連接。
　　
　　設計PROFIBUS網絡拓撲須考慮PROFIBUS總線對DP、PA網段長度的限定。1個DP網段的通信長度受限于本DP網段波特率的設置，波特率越高，通信長度越短，當DP網段長度超過規定長度時，應使用光電轉換模塊進行光纖連接，或使用中繼器在PROFIBUS網絡上劃分多個DP網段。PROFIBUS規定l個PA網段總長不超過1900m,網段總長包括各分支線路長度，分支線路的長度與分支的總數、就地設備是否在本質安全區有關。當PA網段長度超過限長時，應在DP/PA鏈接器下擴展出新的PA網段。
　　
　　現場總線網絡拓撲設計完后，應給出現場總線網絡拓撲圖，并標出設備之間總線通信電纜的長度。
　　
　　2.3現場總線網絡波特率確定
　　
　　PROFIBUSPA物理層采用IEC61158-2、同步Manchester編碼傳輸，波特率固定為31.25kb/S。PROFIBUSDP波特率可選擇9.6kb/s至12Mb/s，波特率越高，傳輸距離越短。火電廠PROFIBUSDP的總線波特率一般為500kh/s或1.5Mh/s。
　　
　　2.4就地總線設備網絡地址分配
　　
　　1個PROFIBUSDP網絡支持的站點地址是0~127，除幾個特殊地址保留外，其他地址可供就地DP設備任意使用。地址127保留，用于全局控制或廣播信息；地址126保留，用于需要使用總線設置地址的從站；地址。應預留給二類主站；一類主站地址一般應從地址1開始編號。
　　
　　l個PROFIBUSPA網段支持的站點地址是1~126。1個DP/PA鏈接器zui多連接5個PA網段，PA段內的就地設備可以和DP網絡上的站點地址重復。
　　
　　2.5PRORBUS通信電纜和網絡設備選擇
　　
　　PROFIBUSDP一般用屏蔽雙絞線電纜傳輸信號，在傳輸距離較長、電磁環境惡劣的情況下使用光纖傳輸，屏蔽雙絞線和光纖均支持冗余PROFIBUSDP網絡。共有4類符合IEC61158-2規定的電纜供PROFIBUSPA選用，因火電廠就地變送器分布廣，安裝位置分散，火電廠一般使用限長zui大的TypeA電纜做PROFIBUSPA總線電纜。
　　
　　現場總線網絡設備提供總線中繼、網段擴展、改變網絡拓撲、DP/PA協議轉換和連接就地設備等功能，它們和就地設備一起構成現場總線網絡。SIMATIC硬件平臺提供各種網絡設備[7]，供設計和規劃PROFIBUS網絡時使用。
　　
　　2.6預估總線網絡循環時間
　　
　　現場總線網絡的循環時間是FCS實時性的重要指標，每條總線網絡設計完后，必須預估和計算總線循環時間是否滿足系統要求。PROFIBUS總線循環時間主要與網絡通信波特率、從站數量、從站IO數據的總字節量和從站通信延遲時間有關，具體計算公式參見文獻[8]。
　　
　　3、現場總線網絡設計實例
　　
　　華能九臺電廠2×660MW機組采用西門子基于PROFIBUS總線技術的SPPA－T3000控制系統為平臺，是國內第1個在主機范圍內大規模使用現場總線控制系統的火電廠。單元機組中使用了19對冗余控制器（ASl0l-ASll9），其中包含9對FCS控制器（鍋爐側5對，汽輪機側4對），用作現場總線網絡的PROFIBUS主站。單元機組共使用354個現場總線就地設備，其中199個DP設備，包括電動執行機構、電機控制與監視單元、分析儀表、變頻器及電磁閥等；155個PA設備，包括壓力變送器、溫度變送器、流量計、智能閥門定位器及液位計等。每對AS連接l-3對冗余PROFIBUS網絡，共53條PROFIBUS網絡，覆蓋整個單元機組的鍋爐房、汽輪機房及電氣MMC間，9對FCS主站按工藝系統劃分配置：AS104、AS105鍋爐制粉系統；AS108鍋爐汽水系統；AS109、AS110二次風調節擋板控制系統；ASll2鍋爐房閉式循環冷卻水系統；ASll3汽輪機抽汽系統；AS114輔汽及真空泵系統；AS117發電機氫氣、定子冷卻水及本體疏水系統。圖2是華能九臺電廠2×660MW機組輔汽及真空泵系統的現場總線網絡示意，由FCS控制器ASll4引出，劃分2條PROFIBUS網絡。PROFIBUS1由光電轉換模塊（OLM）經光纖延伸到現場，連接2個PA網段和1個DP網段。PA網段由DP/PA鏈接器從冗余DP總線上接出，連接測量變送器及智能閥門定位器；DP網段分3組，均用DP/DP鏈接器把單接口就地DP設備接入冗余DP總線，第1組連接系統內的電磁閥島和電機控制與監視單元，采用小分叉鏈接方式構成總線型連接；第2組用來連接系統內的電動執行機構，采用菊花鏈型連接方式；第3組用來連接系統內的分析儀表。在每段DP總線的末端單獨增加1個有源終端電阻，使傳輸線路阻抗匹配，保證通信的可靠性。PROFIBUS2連接ET200M站，波特率為1.5Mb/S，用來處理系統內的硬接線IO信號。　　
　　4、FCS設計若干問題探討
　　
　　4.1設計院和FCS廠家工作的劃分和配合
　　
　　設計院對生產流程和就地設備的安裝位置比較熟悉，FCS設備廠家對其產品比較了解，在現場總線網絡設計中，設計院和FCS廠家應密切配合，由設計院推薦FCS控制器的配置、全廠總線網絡的規劃，并提供每條總線的邏輯拓撲和總線上各就地設備之間的電纜距離（不是直線距離）,FCS廠家根據其產品功能，確定物理拓撲，應相互交流，隨時修改網絡設計。
　　
　　4.2關于FCS一體化和對外通信
　　
　　FCS和DCS在現場控制層以上結構基本一致，就SPPA－T3000系統，DEH、MEH和ECS的控制都可通過工業以太網接入火電廠應用總線。MFT控制柜可接入火電廠自動化總線，和FCS控制器構成火電廠自動控制環，若業主要求FSSS采用硬接線，硬接線IO的FSSS控制柜也同樣可接入自動控制環。SPPA－T3000還提供了當今主流DCS的大部分第三方接口，方便不同系統之間通信。
　　
　　4.3關于FCS的可靠性
　　
　　為保證FCS通信電纜的可靠，推薦使用冗余總線，但在FCS設計階段就要嚴格保證總線和就地設備的連接高度可靠。工程上的網絡通信故障絕大部分旱因庫接故障造成的。如何在設計階段保證就地設備接人總線網絡的連接可靠性，是值得研究的問題。
　　
　　5、結語
　　
　　隨著FCS在大型火電廠的普及應用，FCS的設計工作凸顯重要。本文引入現場總線網絡概念，指出了FCS的設計工作重點，給出PROFIBUS現場總線網絡的設計流程和方法，用一個工程實例具體化本文工作，并就大型火電廠FCS設計的一些實際問題給出建議，為設計FCS和制定FCS設計規程提供參考。