序言
    现场总线技术是最近一段时间大家讨论比较多的一项新技术，其实这项技术已经出现十几年了，只不过真正大规模应用到工业生产中还是最近几年的事情。现场总线技术和目前电厂大规模使用的DCS和PLC控制系统相比有许多的优点，可以节省大量的设备开销和维护费用等。虽然现场总线技术目前在电厂应用的还不广泛，但很多人都认为以现场总线为基础的FCS(FIELDBUS CONTROL SYSTEM)将会是下一代控制系统。
一、现场总线的优势
    使用现场总线技术可以用一根电缆将多个设备连接起来，同时现场总线所使用的设备都是智能设备，因此现场总线和目前使用的DCS和PLC控制系统相比就具有了许多优点，具体优点归纳如下：
    (1)使用现场总线技术可以在大大节省设备投资。目前电厂大量使用的仍然是以DCS和PLC为核心的控制技术。这种技术需要将每个信号用一根电缆拉到控制柜的I/O板卡中，通常一个电厂的信号都达到了上万点，这样就需要大量的电缆和电缆桥架来连接现场的设备和控制器。目前国内两台600MW超临界机组的控制电缆长度大约400公里，计算机专用电缆大约800公里，补偿导线大约160公里，由此可以看出电缆的使用量是非常巨大的。如果使用了现场总线技术则可以大大减少这方面的开支，现场总线可以将多个现场设备连接到一根通讯电缆上，而不是目前将每个设备用一根电缆连接到控制器上。据有关机械统计，使用现场总线可以比常规控制系统的电缆用量节约40%左右。
    (2)使用现场总线技术可以降低设备维护费用，提高设备的效率。在电厂中有着数目众多的仪表和阀门，维护这些设备的工作量非常 大，需要投入大量的人力和物力。现场总线使用的仪表都是智能仪表，所谓智能仪表是指以微型计算机(单片机)为主体，将计算机技术和检测技术有机结合组成的仪表。智能仪表不仅拥有常规仪表智传送测量值的功能。还可以向控制系统传送仪表状态的有关信息，这样运行人员就可以在控制室监视现场仪表的状态；
    智能仪表还可以实现远程调试，现场将仪表安装好以后通常需要对仪表进行调试，我们现在通常的做法是利用一些调试工具如手操器等在现场对仪表进行调试，在使用了现场总线后，可以通过现场总线在远程对现场仪表进行调试；使用现场总线技术可以预测现场设备发生事故的时间，这样就可以提高对该设备采取措施，避免产生比较严重的后果。目前我们经常会出现忽视维护费用而只重视基建费用的情况，其实维护费用在整个电厂的生命周期开销中占有一个很大的比重，如果能减少这部分的费用，对提高整个电厂的经济效益将会有很明显的帮助。根据美国最主要的制造业咨询公司ARC在2004年5月发布的一项研究报告指出，现现场总线最大的优势就是可以大大减少对现场设备的维护费用。
    (3)使用现场总线可以将现有的HART仪表直接连接到现场总线系统中。目前电厂使用的变送器基本上都是带有HART协议的智能变送器，而现场部线技术可以直接将HART协议转化为现场总线的通讯协议，这样智能仪表在现场总线中就可以正常使用了。这对一些改造项目节省经费是非常有益的，因为如果在改造过程中使用现场总线，则不需要更换这部分的变送器，相应的就可以节省这部分的开支。
    (4)使用现场总线可以减少接线的工作量。使用DCS时接线是一项非常繁重的工作，因为每个现场的信号都要通过一根电缆接到控制室的机柜中，这样控制室中的电缆量就非常庞大，这也加大了接线的工作量。如果在接线的过程中出现接错线、漏接线的情况，检查起来更是复杂。使用现场总线后大量的接线工作转移到现场进行，而且现场的接线也非常简单，因为通常都是使用一根电缆就将多个现场设备连接起来。这样连接到控制室的电缆量就可以大大减少。而如果出现接错线的情况检查是非常方便的。图1左半部分是传统的DCS接线柜，而右半部分是现场总线的接线柜，从图中可以清楚地看出两者之间的区别。
          
二、现场总线的设计
    现场总线的出现对于我们设计院的工作来说面临着许多改变。目前设计院一项重要的工作就是绘制接线图。在使用现场总线后接线图的数量将会大幅度减少，因为现场总线是用一根电缆将多个设备连接起来，然后再接到上层网络，而省去了很多的接线盒等设备。这样设计院就需要其他的工作来代替以往的接线工作。从现场总线的结构来看，网段的设计对整个现场总线系统正常运行将起着非常重要的作用，因此设计院的接线工作将会转移到现场总线的网段设计以及布线的工作中去，这是现场总线系统设计的核心技术，而且这部分的工作也只能由设计院来完成。
2.1 现场总线的拓扑结构
    设计一个现场总线系统首先需要确定其网络拓扑结构。现场总线的拓扑结构共有4种：总线型、树型、菊花链型和点到点型：
    (1)总线型的拓扑结构是由一条干线和连接在干线上不同点的若干支线所组成的。干线的两端设有终端器，支线的长度可以根据需要从1米到120米不等，在下面的篇幅中将会对支线长度做一些说明。
    (2)树型的拓扑结构是由一条干线和连接在干线端点上的若干支线组成的。与总线型拓扑结构相同，在干线的两端需要设终端器。
    (3)菊花链型拓扑结构是用电缆把一台设备依次连接到下一台设备上，一直到最后一台设备和终端器上。这种拓扑结构也可以认为是支线长度为零的总线型拓扑结构。采用这种拓扑结构应注意；每台设备上的进线和出线应连接在一起，以免脱落时造成链的终端故障。可以看出，菊花链中如果有一台设备出现故障，那么连接到这台设备上的下面的所有设备将和总线断开，所以这种拓扑结构并不推荐使用。
    (4)当一条总线上只连接两个设备时就形成了点到点型的拓扑结构。例如一台变送器和一台执行机构组成的就地控制系统，如果不连接其他设备时，就是点到点型拓扑结构。由于这种结构没有发挥出现场总线的优点，因此在设计过程中应尽量少采用这种结构。
    综上所述，在设计网络结构的时候应尽量采用总线型和树型的拓扑结构，而应少采用菊花链和点对点的拓扑结构。同时也可以考虑将总线型和树型的拓扑结构混合起来使用。
2.2 网段设计
    确定现场总线的拓扑结构后就可以设计具体的网段了。现场总线对每个网络的电缆长度都有具体的规定，这就要求我们设计人员精确的知道每段电缆的长度，而按照目前的作图深度来说想要做到这一点是非常困难的。因为目前仪控专业的设计人员在布置仪表时只是在机务专业的系统图中标注出仪表的安装位置，首先机务专业的系统图只是一个示意图，并没有精确地表示出管道的长度和走向等信息，其次仪控专业在设计仪表的时候考虑的是安装什么表、装几只以及测量量在控制系统中所起作用，而很少考虑仪表安装的具体位置，更多的是安装人员根据现场的情况选择安装位置，这样的设计深度对于现场总线系统来说显然是不够的。
    目前很多电力设计院已经在使用三维设计软件来进行机务管道的设计，我认为仪控专业也可以使用三维设计软件来确定仪表安装的位置。因为大多数的热控仪表都是布置在机务管道上，这样当机务专业确定了管道布置以后，热控专业就可以根据仪表的安装要求选择安装位置，同时可以表示出电缆桥架的布置，这样就能够比较精确的计算电缆长度。
    一般来说对于总线供电的仪表每个网段上能够连接仪表的数量都是有规定的，其原因就是电缆和仪表有电压降，如果数量超过限制则网段末端的仪表可能会出现供电电压不足的情况，因此在进行网段设计时需要确定每台仪表的供电电压是否能够满足仪表的要求。要准确地计算每一台现场总线设备的供电电压是否满足要求，需要知道每台设备的耗电量，每段电缆的电阻和电源电压。按照直流电路的计算方法计算出每一台装置的电压，当网络结构非常复杂，节点很多时，这种计算是非常繁琐的。为此，有些现场总线设备制造商提供了一种软件，在该软件中存储每种现场总线设备的属性，包括电阻和所需电压等，设计人员只要输入网络结构以及确定每段电缆的长度，该软件就会自动计算出每台现场总线设备的电压，检查该电压值是否满足该设备所要求的工作电压同时会给出一份设计报告，其中列出了该网段的详细信息，这份报告可以作为该网段的设计报告。PROFIBUS和FF总线都自己的网段设计软件，该软件的作用就是可以知道我们设计的现场总线网段是否符合现场总线协议的规定。使用该软件的时候我们需要将网段中仪表的连接方式以及仪表的型号输入该软件，该软件可以计算出每个仪表上的供电电压，电缆中的电流等，从而判断出该网段设计是否能够满足有关协议的要求。通常该软件是由厂家免费提供的。
2.3 现场总线对于电缆的要求
    有许多种类型的电缆可以用于现场总线中，但一般推荐使用的是屏蔽双绞线电缆，电缆的允许长度和电缆类型是有关系的，表1中列出的是IEC/ISA物理层标准中指定的电缆类型：
         
    在各类电缆中，应优先选择A类电缆，因为它的传输性能最好，允许的传输距离也最远，因此在进行新项目设计时，一般应选择这种类型的电缆。
    其次应选择B类电缆，这是一种多线对双绞线电缆，而且是全屏蔽的，它的传输性能略差于A类电缆，主要用于多条现场总线共存于同一区域的情况。
    C类和D类电缆的传输性能较差，一般不推荐使用。其中C类是不带屏蔽的双绞线电缆，D类是带屏蔽的非双绞线电缆。
    虽然IEC有关文件对现场总线使用的电缆进行了规定，但遗憾的是目前还没有一个权威机构对生产厂家所生产的现场总线电缆进行认证。
    前面已经得到现场总线对于一个网段的电缆总长度是有要求的，表1中就列出了这种规定。
如果在同一个网段中使用了多种电缆，则可以使用下面的公式进行核算：
    
    式中，L1，L2……Ln表示每种电缆的实际长度；
    L1max,L2max……Lnmax表示每种电缆所允许的最大长度。
2.4 支线长度的限制
    除了电缆总长度对支线度度有所限制外，连接到支线上的设备数是对于支线长度也有限制。
表2表示出IEC-1158-2和ISAS50.02-1992推荐的支线长度限制：
         
    我们设计的支线长度不能超过表格中规定的电缆长度，如果电缆总长度或支线长度超出了限制条件，应考虑改变网络的拓扑结构，更换电缆型号，缩短电缆的敷设路径，或者是采用中继器。
2.5 现场总线仪表的选择
    现场总线使用的仪表和我们现在使用的常规仪表是不一样的。常规仪表传送给控制器的仅仅是测量值，而现场部线仪表不仅可以传送测量值，还可以传送仪表的状态以及调试信息。对于FF总线仪表的状态以及调试信息。对于FF总线仪表我们还需要选择仪表所具有的功能模块，因为FF总线将处理功能放在仪表中，这样就需要确定每个仪表所具有的功能模块，一般包括AI，AO，DI，DO，PID等模块。通常可以将处理功能模块PID选择放在执行机构上，这样可以减少网络上的信息流量。
    需要注意的是，目前有些厂家宣称自己的仪表也具有现场总线的接口，但是其仪表本身不是智能仪表，也就是说它传送的仍然只是测量值，并没有远程调试等功能，这样的现场总线仪表是没有意义的。因此在选择现场总线仪表的时候应该加以注意。
三、总结
    (1)目前现场总线之所以在电厂中没有能够大规模的使用，我个人认为是因为我们电力行业的人员对现场总线的技术还不够了解，对它在现场的应用情况还存有疑虑。针对这种情况我认为可以先在电厂的某个工艺过程中少量的使用现场总线技术，在取得一定的运行和维护经验以后再大规模的推广使用。目前已经有很多电厂在进行有益的尝试，我院设计的华能玉环电厂在水处理过程中就采用了PROFIBUS的总线技术。
    (2)使用远程I/O连接现有的DCS。目前在全厂范围内使用现场总线还不太可能，但可以在一些范围内使用具有现场总线接口的远程I/O来连接现场设备和控制器。目前很多DCS厂家都推出了带有现场总线接口的DCS产品，将现场总线和DCS混合使用主要采用了远程I/O的思想。目前在电厂在测量锅炉水冷壁温度等场合也大量使用了远程I/O，然后使用光缆将远程I/O中的信号传送到DPU中进行处理。借鉴这种思想，我们可以用带有PROFIBUS接口的远程I/O将现场仪表连接起来，当然这里的仪表并不一定是温度元件，只要是满足PROFIBUS协议的仪表都可以连接到该远程I/O中去，然后再通过PROFIBUS-DP连接到DCS中去进行数据处理。值得注意的是通常现场的环境比较恶劣，这样对远程I/O柜的防护等级要求较高，最好在环境较为恶劣的场合布置一些小房间，将远程I/O柜放在房间内，这样对远程I/O的安全运行将会起到很好的作用。
    (3)关于现场总线的冗余问题。现在电力行业没有大规模使用现场总线的一个重要原因就是现场总线的冗余问题。目前PROFIBUS总线的PA和FF总线的H1网段都是不能实现冗余的。但我们可以分析一下DCS的冗余水平，目前DCS的冗余也仅限于DPU、通讯总线，而对于I/O通常是不冗余的，对于一些重要信号通常采用的是将现场的仪表冗余，然后将冗余信号接到不同的I/O板卡上的做法。我们再来看一下现场总线的冗余情况。对于PROFIBUS总线，其PA是不冗余的，而上层的DP是能够做到冗余的，对于一些重要信号也可以采用冗余设置仪表的方法来解决这个问题，PA总线可以通过冗余的耦合器连接到冗余的DP网络中去；对于FF现场总线其H1网段是不冗余的。对于重要信号可以采取与PROFIBUS总线相同的措施，而将H1网段和HSE网络连接的H1卡也可以做到冗余。由此可以看出现场总线并没有降低现有的冗余水平!而且SIEMENS公司计划推出环状的PA网络结构，这也可以被看成是一种冗余措施。
    (4)符合目前建设数字化电厂的趋势、目前我国的电厂在车间级(DCS和PLC)和管理级(SIS，MIS，ERP)都基本实现了数字化管理，但却忽视了现场级的数字化建设。可以说现场设备的数字化是整个电厂数字化的基础，现场设备实现数字化可以省去大量将模拟信号转化为数字信号的过程，这样可以提高信号的精确度以及传输信号的速度。现场总线技术可以实现现场设备级的数字化。现场总线中传输的信号是一个叠加在24VDC信号上的数字量信号，其信号采用的是曼彻斯特编码方式，也是目前使用较为广泛的一种编码方式。由此可以看出现场总线实现现场设备级的数字化，这对于我们建设数字化电厂来说是非常有益的。
    (5)现场总线与传统控制系统之间的集成主要有三种途径：一是现场总线在DCS的I/O层次上的集成，现场总线设备作为I/O卡件集成在DCS中；第二是现场总线集成在DCS网络上，现场总线设备通过网关集成到DCS上，统一组态、监控与管理；第三则是独立FCS与DCS之间的信息集成，即FCS与DCS都独立工作，两者之间通过网关实现信息的映射与互访。在目前DCS仍在大量使用的情况下，以上几种方法不仅可以利用DCS成熟的技术与经验，也可以发挥现场总线的优势。
    (6)由于各种现场总线协议互不兼容，不同现场总线设备不能直接进行信息互访和交换。因此，随着现场总线系统的广泛应用，由于分期投资和用户要求的多样性，必然会导致多种现场总线系统共同工作的现象。为此，各大公司纷纷推出能够让多种现场总线协同工作的控制系统，如Smar公司的System302系统能够连接FF、HART、Profibus和4～20mA的设备；Foxboro公司的系统也能够包容FF、Profibus、Modbus、DeviceNet等。ABB公司在其推出的ControlIT产品中也将Profibus、FF、HART等现场总线产品集成在一个系统环境下共同工作，并在以太网平台上通过OPC协议进行集成。
四、结束语
    现场总线作为一项新技术已经出现十几年的时间了，但大规模的应用到工业场合还是近些年的事情。种种事实表明，现场总线确实可以降低我们工程建设的费用，更重要的是可以降低设备运行期间的维护费用，从而降低整个工程生命周期的费用。可以说现场总线技术代表着控制技术发展的方向，它真正实现了控制分散的思想。虽然现场总线本身也存在着某些不足，但我们不能因为这些不足而排斥它，我们应该主动的去了解它，充分利用其先进的一面，想办法克服其不足的一面，这才是对待一项新事物的正确态度，才能使我们的自动化水平能够继续的往前发展!
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