摘要：介绍我国大型火电厂的现场总线控制系统（FCS）应用现状。为使FCS的系统设计规范化和流程化，引入“现场总线网络”的概念，指出：与DCS相比，FCS的系统设计主要在其现场总线网络的设计。基于PROFIBUS总线，遵循该总线欧洲标准和IEC标准，给出FCS现场总线网络的设计流程和设计方
1、现场总线网络及其结构
经过多年的探索和论证[1]，
现场总线控制系统（FCS）已在我国大型火电厂进入了实际推广应用阶段。华能玉环电厂4×l000MW机组水处理系统的FCS是我国大型火电厂系统地应用FCS的第1个实例。目前，我国大型火电厂控制系统采用FCS的在建项目有国华宁海电厂二期2×l000MW脱硫系统、华能海门电厂2×l000MW脱硫系统、华能九台电厂2×660MW机组主机及脱硫系统和华能金陵电厂2×l000MW主机系统。
按照IEC/SC65C的定义，安装在制造或过程区域的现场设备与控制室内的自控装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线。
现场总线的应用意味着数字化技术延伸到火电厂的现场控制层，相比传统分散控制系统（DCS）,FCS在设计、安装和调试上都发生了很大变化。火电厂生产区域内测量仪表和驱动设备数量多、位置分散、分布范围广，如何将全厂就地设备划人不同的现场总线，在一条总线上如何合理地划分多个网段，是否配置冗余总线以保证重点设备控制的安全可靠，如何合理地设置总线长度和波特率以保证总线的循环时间，满足控制系统的设计要求，都是FCS工程实践特别是设计阶段需要解决的问题。
为了清晰和规范FCS的系统设计，解决FCS工程设计阶段面临的网络规划问题，本文在电工委员会IEC/SC65C现场总线定义的基础上，引入了“现场总线网络”的概念。“现场总线网络”指通过现场总线，将地理上分布的、具有现场总线通信功能的就地设备和控制装置互连起来，完成信息交换、相互操作和协同处理的工厂控制层网络。现场总线网络包括FCS控制器、就地现场总线设备、总线通信介质和总线网络设备。在工程上得到实际应用的现场总线网络的结构如图1所示。
对比FCS和DCS层次结构[2]可知，两者层次结构区别主要在现场控制层。DCS使用硬接线的方式连接控制器和现场设备，FCS的现场控制层即由现场总线网络构成。DCS的系统设计主要在于IO点的推荐和控制器的配置，FCS的设计重点在于现场总线网络的规划与确定。
现场总线网络定义的提出，清晰了FCS和DCS的系统层次区别，在工程实践上，明确了FCS区别于传统DCS的设计重点，对规范化、系统化和流程化FCS的设计有重要的应用价值。现场总线网络构建了FCS的现场控制层，现场总线网络的可靠性、可用性和实时性影响整个FCS的相应指标，FCS的设计应围绕现场总线网络展开工作。
2、现场总线网络设计
设计FCS现场总线网络包括全厂总线网络的划分和各条现场总线网络的设计。基于PROFIBUS总线技术，依照总线标准EN50l70[3]和IEC6ll58[4],参考国外PROFIBUS总线的工程应用[5-6]，以西门子公司SIMATIC系列产品为硬件平台，介绍大型火电厂现场总线网络的设计流程和方法。
2.1全厂总线网络划分划分
火电厂总线网络，首先要完成全厂的PROFIBUS就地设备选型，然后配置FCS控制器，zui后确定每个FCS控制器下各总线网络连接哪些PROFIBUS就地设备。
PROFIBUS就地设备分DP（Decentrilizedperiphery）设备和PA（ProcessAutomation）设备，推荐火电厂现场驱动设备（电动门、电动执行机构、
电磁阀、400v电机）选用DP设备。推荐现场测量变送器和气动阀门定位器采用PA设备。温度测点若位置集中可采用远程PROFIBUS采集卡汇入PROFIBUS网络，热电阻、热电偶、SOE测点及热工保护开关推荐采用硬接线接人分布式IO模块ET200M的热电阻、热电偶、SOE和数字量输人模块，再通过ET200M的PROFIBUS接口汇人PROFIBUS网络。为了确保生产的安全可靠，业主一般要求重要调节和保护回路上的相关设备、关键的6kv电机采用硬接线控制，这些都可使用分布式IO模块ET200M解决。现场总线设备在全厂就地设备中的占有率，很大程度表现了火电厂使用FCS的决心，也是体现FCS应用水平的重要指标。
推荐FCS控制器按工艺系统功能区（燃烧系统、烟风系统、给水系统和汽温系统等）配置，工艺区内同一分系统的PROFIBUS就地设备尽可能地分配到同一对FCS控制器下的同一PROFIBUS网络上，以减少分系统运行时的各设备协同动作、调节带来的跨PROFIBUS网络通信，假如1个PROFIBUS网络无法覆盖分系统的所有就地设备，要尽可能地把这些设备划分在同一FCS控制器下的不同PROFIBUS网络上，以减少控制器之间的工业以太网通信。
全厂总线网络划分的目的是确定全厂FCS控制器的对数、每对FCS控制器下PROFIBUS网络的数量、每条PROFIBUS网络上连接多少DP和PA就地设备。网络划分后的工作就是针对每条总线进行网络设计，网络划分后应给出现场总线设备属性表（见表l）。
2.2确定各总线网络的拓扑结构
现场总线网络的拓扑结构是指用现场总线网络互连的各种现场设备的物理布局。网络的拓扑和波特率一起决定了网络的可用性、可靠性和实时性，一旦网络通信电缆敷设完毕，现场条件的限制使重新修改网络拓扑变得困难，必须在整个设计工作的开始阶段就重视网络拓扑的设计。
推荐使用总线型、树型、星型、菊花链型连接及以上方式的混合结构构建PROFIBUS网络。在高波特率通信下，DP网段严禁出现就地DP设备到总线主干网的连接分支线，应使用菊花链型连接。PA网段容许使用分支线连接就地PA设备和总线主干网，就地PA设备和PA分配器构成星型连接，PA分配器之间形成总线型连接。
设计PROFIBUS网络拓扑须考虑PROFIBUS总线对DP、PA网段长度的限定。1个DP网段的通信长度受限于本DP网段波特率的设置，波特率越高，通信长度越短，当DP网段长度超过规定长度时，应使用光电转换模块进行光纤连接，或使用中继器在PROFIBUS网络上划分多个DP网段。PROFIBUS规定l个PA网段总长不超过1900m,网段总长包括各分支线路长度，分支线路的长度与分支的总数、就地设备是否在本质安全区有关。当PA网段长度超过限长时，应在DP/PA链接器下扩展出新的PA网段。
现场总线网络拓扑设计完后，应给出现场总线网络拓扑图，并标出设备之间总线通信电缆的长度。
2.3现场总线网络波特率确定
PROFIBUSPA物理层采用IEC61158-2、同步Manchester编码传输，波特率固定为31.25kb/S。PROFIBUSDP波特率可选择9.6kb/s至12Mb/s，波特率越高，传输距离越短。火电厂PROFIBUSDP的总线波特率一般为500kh/s或1.5Mh/s。
2.4就地总线设备网络地址分配
1个PROFIBUSDP网络支持的站点地址是0~127，除几个特殊地址保留外，其他地址可供就地DP设备任意使用。地址127保留，用于全局控制或广播信息；地址126保留，用于需要使用总线设置地址的从站；地址。应预留给二类主站；一类主站地址一般应从地址1开始编号。
l个PROFIBUSPA网段支持的站点地址是1~126。1个DP/PA链接器zui多连接5个PA网段，PA段内的就地设备可以和DP网络上的站点地址重复。
2.5PRORBUS通信电缆和网络设备选择
PROFIBUSDP一般用屏蔽双绞线电缆传输信号，在传输距离较长、电磁环境恶劣的情况下使用光纤传输，屏蔽双绞线和光纤均支持冗余PROFIBUSDP网络。共有4类符合IEC61158-2规定的电缆供PROFIBUSPA选用，因火电厂就地变送器分布广，安装位置分散，火电厂一般使用限长zui大的TypeA电缆做PROFIBUSPA总线电缆。
现场总线网络设备提供总线中继、网段扩展、改变网络拓扑、DP/PA协议转换和连接就地设备等功能，它们和就地设备一起构成现场总线网络。SIMATIC硬件平台提供各种网络设备[7]，供设计和规划PROFIBUS网络时使用。
2.6预估总线网络循环时间
现场总线网络的循环时间是FCS实时性的重要指标，每条总线网络设计完后，必须预估和计算总线循环时间是否满足系统要求。PROFIBUS总线循环时间主要与网络通信波特率、从站数量、从站IO数据的总字节量和从站通信延迟时间有关，具体计算公式参见文献[8]。
3、现场总线网络设计实例
华能九台电厂2×660MW机组采用西门子基于PROFIBUS总线技术的SPPA－T3000控制系统为平台，是国内第1个在主机范围内大规模使用现场总线控制系统的火电厂。单元机组中使用了19对冗余控制器（ASl0l-ASll9），其中包含9对FCS控制器（锅炉侧5对，汽轮机侧4对），用作现场总线网络的PROFIBUS主站。单元机组共使用354个现场总线就地设备，其中199个DP设备，包括电动执行机构、电机控制与监视单元、分析仪表、变频器及电磁阀等；155个PA设备，包括压力变送器、温度变送器、流量计、智能阀门定位器及液位计等。每对AS连接l-3对冗余PROFIBUS网络，共53条PROFIBUS网络，覆盖整个单元机组的锅炉房、汽轮机房及电气MMC间，9对FCS主站按工艺系统划分配置：AS104、AS105锅炉制粉系统；AS108锅炉汽水系统；AS109、AS110二次风调节挡板控制系统；ASll2锅炉房闭式循环冷却水系统；ASll3汽轮机抽汽系统；AS114辅汽及真空泵系统；AS117发电机氢气、定子冷却水及本体疏水系统。图2是华能九台电厂2×660MW机组辅汽及真空泵系统的现场总线网络示意，由FCS控制器ASll4引出，划分2条PROFIBUS网络。PROFIBUS1由光电转换模块（OLM）经光纤延伸到现场，连接2个PA网段和1个DP网段。PA网段由DP/PA链接器从冗余DP总线上接出，连接测量变送器及智能阀门定位器；DP网段分3组，均用DP/DP链接器把单接口就地DP设备接入冗余DP总线，第1组连接系统内的电磁阀岛和电机控制与监视单元，采用小分叉链接方式构成总线型连接；第2组用来连接系统内的电动执行机构，采用菊花链型连接方式；第3组用来连接系统内的分析仪表。在每段DP总线的末端单独增加1个有源终端电阻，使传输线路阻抗匹配，保证通信的可靠性。PROFIBUS2连接ET200M站，波特率为1.5Mb/S，用来处理系统内的硬接线IO信号。
4、FCS设计若干问题探讨
4.1设计院和FCS厂家工作的划分和配合
设计院对生产流程和就地设备的安装位置比较熟悉，FCS设备厂家对其产品比较了解，在现场总线网络设计中，设计院和FCS厂家应密切配合，由设计院推荐FCS控制器的配置、全厂总线网络的规划，并提供每条总线的逻辑拓扑和总线上各就地设备之间的电缆距离（不是直线距离）,FCS厂家根据其产品功能，确定物理拓扑，应相互交流，随时修改网络设计。
4.2关于FCS一体化和对外通信
FCS和DCS在现场控制层以上结构基本一致，就SPPA－T3000系统，DEH、MEH和ECS的控制都可通过工业以太网接入火电厂应用总线。MFT控制柜可接入火电厂自动化总线，和FCS控制器构成火电厂自动控制环，若业主要求FSSS采用硬接线，硬接线IO的FSSS控制柜也同样可接入自动控制环。SPPA－T3000还提供了当今主流DCS的大部分第三方接口，方便不同系统之间通信。
4.3关于FCS的可靠性
为保证FCS通信电缆的可靠，推荐使用冗余总线，但在FCS设计阶段就要严格保证总线和就地设备的连接高度可靠。工程上的网络通信故障绝大部分旱因库接故障造成的。如何在设计阶段保证就地设备接人总线网络的连接可靠性，是值得研究的问题。
5、结语
随着FCS在大型火电厂的普及应用，FCS的设计工作凸显重要。本文引入现场总线网络概念，指出了FCS的设计工作重点，给出PROFIBUS现场总线网络的设计流程和方法，用一个工程实例具体化本文工作，并就大型火电厂FCS设计的一些实际问题给出建议，为设计FCS和制定FCS设计规程提供参考。
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