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【摘 要】本文在对PROFIBUS技术进行阐述的基础上，浅析了PROFIBUS现场总线在火电厂控制领域中的应用优势，并针对目前应用中存在的问题提出了相应的对策，为促进PROFIBUS现场总线在我国火电厂控制领域中的应用提供一些有益的参考。
【【关键词】PROFIBUS；火电厂；控制领域；应用
1. 引言
从20世纪50年代至今的信号标准：4-20mA（0-5V）的模拟信号。20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，进行集中式控制处理。20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，嵌入到各种仪器设备，形成分布式（DCS）控制系统。随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以微处理器为核心，实施信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能的智能设备。一些数字式智能化仪表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、自动调零、自校正、自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、状态报告、趋势图等功能。
随着通信技术的发展，促使传送数字化信息的网络技术开始得到广泛应用。与此同时，基于质量分析的维护管理、与安全相关的测试记录、环境监视需求的增加，都要求仪表能在当地处理信息，并在必要时允许被管理和访问，这些也使现场仪表与上级控制系统的通信量大增。
从实际应用性能的角度出发，控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新需求。由此，逐步产生了现场总线（FCS）。
现场总线控制是用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放的、全数字化的、双向、多站的通信系统；广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置进行双向数字通信的串行总线系统。IEC定义：一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、数字式的数据交换的通信技术。
现场总线控制系统其突破了以往控制系统需要采用通信专用网络的局限，具有数字通讯、分散性和开放性的显著特征。现场总线技术经历了长期的发展，但目前由于各家公司各自专利，仍未形成统一的国际标准，国际标准化组织在上世纪末确定了8种总线标准，它们分别是：基金会现场总线FF、Control-Net、PROFI-BUS、P-Net、Swift-Net、World FIP、Inter-bus、PROFINET。
在以上8种总线标准中，比较适合于火电厂控制领域的有FF总线、PROFIBUS总线等。多年来，国内电厂实践应用表明，将PROFIBUS现场总线应用于火电厂控制领域，具有十分明显的优势。
2. PROFIBUS技术的概述
2.1 PROFIBUS技术的发展历程及组成
PROFIBUS技术具有严格的认证规范、独特的技术特点、开放的标准、不断发展的应用行规和众多厂家的支持，目前已经发展成为国际上最为通用的现场总线标准之一。从1989年PROFIBUS技术被批准为德国工业标准DIN 19245开始，其经历了如下发展历程：1989年PROFIBUS技术被批准为德国工业标准DIN 19245；1996年PROFIBUS技术被批准为欧洲标准EN 50170 V.2（PROFIBUS-FMS/-DP）；1998年PROFIBUS-PA被批准纳入EN 50170 V.2；1999年PROFIBUS技术成为国际标准IEC 61158的组成部分；2001年PROFIBUS技术被批准成为我国的行业标准JB/T 10308.3-2001；2006年PROFIBUS技术被批准成为我国国家标准GB/T 20540-2006。
2.2 PROFIBUS协议模型和ISO/OSI协议模型的关系
PROFIBUS协议结构是根据ISO7498國际标准以OSI作为参考模型。但省略了3～6层，同时又增加了服务层。
PROFIBUS-DP使用了第一层（物理层），第二层（数据链路层）和用户接口，第三层到第七层未加以描述。这种结构确保了数据传输的快速和有效进行。用户接口规定了用户系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为，还提供了传输用的RS485传输技术或光纤传输技术。
PROFIBUS协议模型和ISO/OSI协议模型的关系见下图：
2.3 PROFIBUS技术的体系结构
PROFIBUS技术由三个兼容的部分构成，它们分别是：（1）PROFIBUS-DP，是主站和从站间采用轮循的通讯方式，主要适用于自动化系统中现场级和单元级通信，其通讯速率可以达到12M，并且能够连接智能马达控制器、执行结构、远程I/O、阀门定位器、人机界面HMI和变频器等智能设备；（2）ROFIBUS-PA，是电源和通信数据通过总线并进行传输，主要适用于面向过程自动化系统中现场级和单元级通信，其通讯速率为31.25kb/s，并且能够连接现场智能仪表；（3）ROFIBUS-FMS，其定义了主站和主站间的通讯模型，主要适用于自动化系统中车间级和系统级的过程数据交换。
3. PROFIBUS现场总线广泛应用于火电厂控制领域
3.1能够极大地提高火电厂运行的可靠性，并且降低大量的劳动力成本。
3.2将PROFIBUS现场总线应用于火电厂控制领域，只需要极少数的运行人员进行相应的巡检和值守工作，可比常规情况节约50%左右的劳动力，大大降低人力成本，提高企业运营效率。同时，电厂的运行维护人员能够及时发现系统运行中终端设备的故障和问题，极大地提高了火电厂运行的可靠性。
3.3提升火电厂的运行管理水平。将PROFIBUS现场总线应用于火电厂控制领域，使得相关部门和值长能够及时了解各车间的运行状况，并作出相应的调整决策，优化火电厂各车间的运行效率；集控中心能够对煤、水和灰等各个子系统进行实时监控，帮助运行人员了解各子系统的运行状况；能够向MIS、DCS和SIS等系统发送各种信息和数据，确保整个火电厂内的数据和信息能够实现共享（如下图）。 3.4能够极大地降低工程造价和维护费用。以660MW超临界机组为例，两台660MW超临界机组的控制电缆长度约为400Km，计算机专用电缆约为800Km，补偿导线约为160Km。而将PROFIBUS现场总线应用于火电厂控制领域，能够将多个现场设备连接到一根通讯电缆上，可以极大地节约电缆用量，从而降低工程造价。与此同时，将PROFIBUS现场总线应用于火电厂控制领域，可以通过现场总线在远程对现场仪表进行调试，可以预测现场设备发生故障的时间，从而可以极大地降低维护所需费用。
4. 火电厂控制领域中应用PROFIBUS现场总线存在的问题
虽然将PROFIBUS现场总线应用于火电厂控制领域具有十分显著的经济和社会效益，但是目前仍然存在如下问题：
4.1国际上还没有就现场总线标准达成共识，现场總线标准较多，导致用户在使用时比较困惑；现在支持现场总线标准的智能终端设备还较少，国产设备更是屈指可数，不能满足火电厂实现现场总线控制的实际需求。
4.2支持现场总线标准的智能现场设备造价昂贵，很多火电厂前期投入时根本负担不起；投资方、建设单位和施工单位等缺乏对现场总线技术深入了解的技术人员，导致现场总线技术难以发挥其应有的作用，很多都是纸上谈兵。
4.3PROFIBUS现场总线的参数不易设置，在总线上新增或剔除某个节点时要逻辑环重新加载，加大了控制系统的通讯量。
4.4 PROFIBUS现场总线系统一旦出现终端故障且不能立即消除时，则会产生大量数据影响总线带宽，进而影响网络通讯，导致操作有时不得响应。另外，当所有终端在一条总线上进行传输时，同时刻将发送多条信息，一点出息终端地址冲突或数据冲突，将导致网络阻塞进而影响控制系统通讯故障。
4.5尽可能减小、缩短总线信号在传输中的衰减率，进而影响数据传输质量。
4.6由于总线结构决定，使得传输介质在实际工作中出现断线，造成设备与DCS之间失去通讯。
4.7虽然现场总线技术已经发展了十多年，并且开发出一些较成熟的智能现场设备，但是目前很多火电厂在工程设计时根本没有将其考虑在内，一方面是由于火电厂工程设计周期较短，设计院通常选择按常规方案来进行设计，另一方面是由于设计人员缺乏这方面的创新意识和动力，不愿意花费很多的时间和精力去投入到新技术的研究和应用中。
5. 针对问题的改进
5.1建设方和投资方在使用现场总线技术方面要起到关键作用，设计院在使用现场总线技术方面要起到推动作用。没有建设方和投资方的支持，现场总线技术的使用就无法实现，因此建设方和投资方在使用现场总线技术方面要起到关键作用。与此同时，设计院要对现场总线技术作出深刻的分析报告，向投资方和建设方阐明在火电厂控制领域中应用PROFIBUS现场总线的优势和投资估算，并且提出切实可行的项目实施计划和风险应对方案，在使用现场总线技术方面要起到推动作用。
5.2建设方和投资方要给予设计院足够的设计周期，并且适当调整设计费用。如前文所述，由于设计周期较短，会导致设计院采取常规方案进行设计，因此建设方和投资方要给予设计院足够的设计周期，并在技术方案论证和产品设计选型方案给予必要的支持，确保设计院在PROFIBUS现场总线的应用上有更大的自主权。由于现场总线与常规设计有较大的区别，设计院所需花费的时间和精力都有所增加，因此要适当地调整设计费用，确保设计院有足够的动力去进行相应的研究和设计。
5.3自动化设计人员要打破常规PLC系统和DCS系统的设计习惯，熟练掌握PROFIBUS现场总线和相关产品。设计院应该有针对性地进行相应技术培训，从仪表位置布置图、P&ID图、设备规范和数据表、调节框图和逻辑图、电源配置图、接线图等方面加深设计深度，确保自动化设计人员都具备相应的综合素质。
5.4现场总线系统在系统设计时，应充分考虑数据通讯量大的裕量，配备处理能力强大的总线控制器，或尽可能在重要系统、环节上采用双CP双总线、单CP双总线冗余系统以确保通讯通畅，并解决好双总线交叉干扰。在总线系统施工、现场环境、系统设计上尽可能确保各节点之间的距离与参数设置正确，确保设计、施工质量并达标，以防止终端设备与总线通讯时出现通讯干扰、通讯掉数据等错误。
6.小结
目前，PROFIBUS现场总线在火电厂应用中虽然存在个别问题，如总线拓扑网络自身、系统建造资金、系统设计等方面。但随着工业以太网的发展，其实时性和可靠性将不断提高，相信以PROFIBUS为基础的各类现场总线，在其不断的改进、发展后，会更加兼容、软硬件资源更加丰富，引领工业自动化的潮流。
参考文献
[1]冯冬芹.现场总线技术[M].浙大自动化中心，2009年.
[2]鲁刚.电气控制领域中现场总线控制的现状与展望[J].安防科技，2006（10）.
[3]李子连.现场总线技术在火电厂自动化系统的应用意见[J].中国电力，2003
【【关键词】PROFIBUS；火电厂；控制领域；应用
1. 引言
从20世纪50年代至今的信号标准：4-20mA（0-5V）的模拟信号。20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，进行集中式控制处理。20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，嵌入到各种仪器设备，形成分布式（DCS）控制系统。随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以微处理器为核心，实施信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能的智能设备。一些数字式智能化仪表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、自动调零、自校正、自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、状态报告、趋势图等功能。
随着通信技术的发展，促使传送数字化信息的网络技术开始得到广泛应用。与此同时，基于质量分析的维护管理、与安全相关的测试记录、环境监视需求的增加，都要求仪表能在当地处理信息，并在必要时允许被管理和访问，这些也使现场仪表与上级控制系统的通信量大增。
从实际应用性能的角度出发，控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新需求。由此，逐步产生了现场总线（FCS）。
现场总线控制是用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放的、全数字化的、双向、多站的通信系统；广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置进行双向数字通信的串行总线系统。IEC定义：一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、数字式的数据交换的通信技术。
现场总线控制系统其突破了以往控制系统需要采用通信专用网络的局限，具有数字通讯、分散性和开放性的显著特征。现场总线技术经历了长期的发展，但目前由于各家公司各自专利，仍未形成统一的国际标准，国际标准化组织在上世纪末确定了8种总线标准，它们分别是：基金会现场总线FF、Control-Net、PROFI-BUS、P-Net、Swift-Net、World FIP、Inter-bus、PROFINET。
在以上8种总线标准中，比较适合于火电厂控制领域的有FF总线、PROFIBUS总线等。多年来，国内电厂实践应用表明，将PROFIBUS现场总线应用于火电厂控制领域，具有十分明显的优势。
2. PROFIBUS技术的概述
2.1 PROFIBUS技术的发展历程及组成
PROFIBUS技术具有严格的认证规范、独特的技术特点、开放的标准、不断发展的应用行规和众多厂家的支持，目前已经发展成为国际上最为通用的现场总线标准之一。从1989年PROFIBUS技术被批准为德国工业标准DIN 19245开始，其经历了如下发展历程：1989年PROFIBUS技术被批准为德国工业标准DIN 19245；1996年PROFIBUS技术被批准为欧洲标准EN 50170 V.2（PROFIBUS-FMS/-DP）；1998年PROFIBUS-PA被批准纳入EN 50170 V.2；1999年PROFIBUS技术成为国际标准IEC 61158的组成部分；2001年PROFIBUS技术被批准成为我国的行业标准JB/T 10308.3-2001；2006年PROFIBUS技术被批准成为我国国家标准GB/T 20540-2006。
2.2 PROFIBUS协议模型和ISO/OSI协议模型的关系
PROFIBUS协议结构是根据ISO7498國际标准以OSI作为参考模型。但省略了3～6层，同时又增加了服务层。
PROFIBUS-DP使用了第一层（物理层），第二层（数据链路层）和用户接口，第三层到第七层未加以描述。这种结构确保了数据传输的快速和有效进行。用户接口规定了用户系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为，还提供了传输用的RS485传输技术或光纤传输技术。
PROFIBUS协议模型和ISO/OSI协议模型的关系见下图：
2.3 PROFIBUS技术的体系结构
PROFIBUS技术由三个兼容的部分构成，它们分别是：（1）PROFIBUS-DP，是主站和从站间采用轮循的通讯方式，主要适用于自动化系统中现场级和单元级通信，其通讯速率可以达到12M，并且能够连接智能马达控制器、执行结构、远程I/O、阀门定位器、人机界面HMI和变频器等智能设备；（2）ROFIBUS-PA，是电源和通信数据通过总线并进行传输，主要适用于面向过程自动化系统中现场级和单元级通信，其通讯速率为31.25kb/s，并且能够连接现场智能仪表；（3）ROFIBUS-FMS，其定义了主站和主站间的通讯模型，主要适用于自动化系统中车间级和系统级的过程数据交换。
3. PROFIBUS现场总线广泛应用于火电厂控制领域
3.1能够极大地提高火电厂运行的可靠性，并且降低大量的劳动力成本。
3.2将PROFIBUS现场总线应用于火电厂控制领域，只需要极少数的运行人员进行相应的巡检和值守工作，可比常规情况节约50%左右的劳动力，大大降低人力成本，提高企业运营效率。同时，电厂的运行维护人员能够及时发现系统运行中终端设备的故障和问题，极大地提高了火电厂运行的可靠性。
3.3提升火电厂的运行管理水平。将PROFIBUS现场总线应用于火电厂控制领域，使得相关部门和值长能够及时了解各车间的运行状况，并作出相应的调整决策，优化火电厂各车间的运行效率；集控中心能够对煤、水和灰等各个子系统进行实时监控，帮助运行人员了解各子系统的运行状况；能够向MIS、DCS和SIS等系统发送各种信息和数据，确保整个火电厂内的数据和信息能够实现共享（如下图）。 3.4能够极大地降低工程造价和维护费用。以660MW超临界机组为例，两台660MW超临界机组的控制电缆长度约为400Km，计算机专用电缆约为800Km，补偿导线约为160Km。而将PROFIBUS现场总线应用于火电厂控制领域，能够将多个现场设备连接到一根通讯电缆上，可以极大地节约电缆用量，从而降低工程造价。与此同时，将PROFIBUS现场总线应用于火电厂控制领域，可以通过现场总线在远程对现场仪表进行调试，可以预测现场设备发生故障的时间，从而可以极大地降低维护所需费用。
4. 火电厂控制领域中应用PROFIBUS现场总线存在的问题
虽然将PROFIBUS现场总线应用于火电厂控制领域具有十分显著的经济和社会效益，但是目前仍然存在如下问题：
4.1国际上还没有就现场总线标准达成共识，现场總线标准较多，导致用户在使用时比较困惑；现在支持现场总线标准的智能终端设备还较少，国产设备更是屈指可数，不能满足火电厂实现现场总线控制的实际需求。
4.2支持现场总线标准的智能现场设备造价昂贵，很多火电厂前期投入时根本负担不起；投资方、建设单位和施工单位等缺乏对现场总线技术深入了解的技术人员，导致现场总线技术难以发挥其应有的作用，很多都是纸上谈兵。
4.3PROFIBUS现场总线的参数不易设置，在总线上新增或剔除某个节点时要逻辑环重新加载，加大了控制系统的通讯量。
4.4 PROFIBUS现场总线系统一旦出现终端故障且不能立即消除时，则会产生大量数据影响总线带宽，进而影响网络通讯，导致操作有时不得响应。另外，当所有终端在一条总线上进行传输时，同时刻将发送多条信息，一点出息终端地址冲突或数据冲突，将导致网络阻塞进而影响控制系统通讯故障。
4.5尽可能减小、缩短总线信号在传输中的衰减率，进而影响数据传输质量。
4.6由于总线结构决定，使得传输介质在实际工作中出现断线，造成设备与DCS之间失去通讯。
4.7虽然现场总线技术已经发展了十多年，并且开发出一些较成熟的智能现场设备，但是目前很多火电厂在工程设计时根本没有将其考虑在内，一方面是由于火电厂工程设计周期较短，设计院通常选择按常规方案来进行设计，另一方面是由于设计人员缺乏这方面的创新意识和动力，不愿意花费很多的时间和精力去投入到新技术的研究和应用中。
5. 针对问题的改进
5.1建设方和投资方在使用现场总线技术方面要起到关键作用，设计院在使用现场总线技术方面要起到推动作用。没有建设方和投资方的支持，现场总线技术的使用就无法实现，因此建设方和投资方在使用现场总线技术方面要起到关键作用。与此同时，设计院要对现场总线技术作出深刻的分析报告，向投资方和建设方阐明在火电厂控制领域中应用PROFIBUS现场总线的优势和投资估算，并且提出切实可行的项目实施计划和风险应对方案，在使用现场总线技术方面要起到推动作用。
5.2建设方和投资方要给予设计院足够的设计周期，并且适当调整设计费用。如前文所述，由于设计周期较短，会导致设计院采取常规方案进行设计，因此建设方和投资方要给予设计院足够的设计周期，并在技术方案论证和产品设计选型方案给予必要的支持，确保设计院在PROFIBUS现场总线的应用上有更大的自主权。由于现场总线与常规设计有较大的区别，设计院所需花费的时间和精力都有所增加，因此要适当地调整设计费用，确保设计院有足够的动力去进行相应的研究和设计。
5.3自动化设计人员要打破常规PLC系统和DCS系统的设计习惯，熟练掌握PROFIBUS现场总线和相关产品。设计院应该有针对性地进行相应技术培训，从仪表位置布置图、P&ID图、设备规范和数据表、调节框图和逻辑图、电源配置图、接线图等方面加深设计深度，确保自动化设计人员都具备相应的综合素质。
5.4现场总线系统在系统设计时，应充分考虑数据通讯量大的裕量，配备处理能力强大的总线控制器，或尽可能在重要系统、环节上采用双CP双总线、单CP双总线冗余系统以确保通讯通畅，并解决好双总线交叉干扰。在总线系统施工、现场环境、系统设计上尽可能确保各节点之间的距离与参数设置正确，确保设计、施工质量并达标，以防止终端设备与总线通讯时出现通讯干扰、通讯掉数据等错误。
6.小结
目前，PROFIBUS现场总线在火电厂应用中虽然存在个别问题，如总线拓扑网络自身、系统建造资金、系统设计等方面。但随着工业以太网的发展，其实时性和可靠性将不断提高，相信以PROFIBUS为基础的各类现场总线，在其不断的改进、发展后，会更加兼容、软硬件资源更加丰富，引领工业自动化的潮流。
参考文献
[1]冯冬芹.现场总线技术[M].浙大自动化中心，2009年.
[2]鲁刚.电气控制领域中现场总线控制的现状与展望[J].安防科技，2006（10）.
[3]李子连.现场总线技术在火电厂自动化系统的应用意见[J].中国电力，2003