引 言 　　現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點，是用于現場儀表與控制系統和控制室之間的一種全分散、全數字化、智能、雙向、互聯、多變量、多點、多站的通訊系統，被譽為自動化領域的計算機局域網。現場總線的出現，標志著工業控制技術領域又一個新時代的開始，并將對該領域的發展產生重大的影響。 　　保定市燃氣總公司自90年代初上馬第一套煤氣生產自動化控制系統以來就一直致力于工業自動化技術尤其是工業現場總線技術的研究。經過多年的努力解決了其在防爆場所（Ⅱ區）應用的技術難題，并成功的將其應用在本公司天然氣貯配站自控系統中，取得了良好的經濟效益和社會效益。 一．工業現場總線技術 （一） 現場總線技術的由來 1．CIMS體系結構及工業數據結構的層次劃分 　　根據工廠管理、生產過程及功能要求，CIMS體系結構可分為5層，即工廠級、車間級、單元級、工作站級和現場級。簡化的CIMS則分為3層，即工廠級、車間級和現場級。現場級與車間級自動化監控及信息集成系統主要完成底層設備單機控制、連機控制、通信連網、在線設備狀態監測及現場設備運行、生產數據的采集、存儲、統計等功能，保證現場設備高質量完成生產任務，并將現場設備生產及運行數據信息傳送到工廠管理層，向工廠級MIS系統數據庫提供數據。同時也可接受工廠管理層下達的生產管理及調度命令并執行。因此，現場級與車間級監控及信息集成系統是實現工廠自動化及CIMS系統的基礎。 2．傳統的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統的特點 　　傳統的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統（包括：基于PC、PLC、DCS產品的分布式控制系統），其主要特點之一是，現場層設備與控制器之間的連接是一對一的（一個I/O點對設備的一個測控點）所謂I/O接線方式，傳送模擬量或開關量信息。這種結構主要存在以下幾個缺陷： 1）信息集成能力不強： 控制器與現場設備之間靠I/O連線連接，傳送4-20mA模擬量信號或24VDC開關量信號，并以此監控現場設備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數據如設備參數、故障及故障紀錄等數據很難得到。底層數據不全、信息集成能力不強，不能完全滿足CIMS系統對底層數據的要求。 2）系統不開放、可集成性差、專業性不強：除現場設備均靠標準4-20mA/24VDC連接，系統其它軟、硬件通常只能使用一家產品。不同廠家產品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差。這種系統很少留出接口，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統中去，因此，面向行業的監控系統很少。 3）可靠性不易保證：對于大范圍的分布式系統，大量的I/O電纜及敷設施工，不僅增加成本，也增加了系統的不可靠性。 4）可維護性不高：由于現場級設備信息不全，現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能不強。另一方面也很難完成現場設備的遠程參數設定、修改等參數化功能，影響了系統的可維護性。 3．現場總線技術的產生 　　由于大規模集成電路的發展，許多傳感器、執行機構、驅動裝置等現場設備趨于智能化，即內置CPU控制器，完成諸如線性化、量程轉換、數字濾波甚至回路調節等功能。因此，對于這些智能現場設備增加一個串行數據接口（如RS-232/485）是非常方便的。有了這樣的接口，控制器就可以按其規定協議，通過串行通信方式（而不是I/O方式）完成對現場設備的監控。如果設想全部或大部分現場設備都具有串行通信接口并具有統一的通信協議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現場設備連接，完成對所有現場設備的監控，設備層傳遞的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信號，而是基于現場總線的數字信號，由數字化通信網絡構成現場級與車間級自動化監控及信息集成系統，這就形成了現場總線技術。 （二）現場總線技術的概念 1. 現場總線技術 現場總線技術可概括如下： ● 現場總線是安裝在生產過程區域的現場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線。其中，“生產過程”包括斷續生產過程和連續生產過程兩類。 ● 或者，現場總線是以單個分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節點，用總線相連接，實現相互交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統與控制系統。 2. 現場總線技術產生的意義 　　現場總線技術是實現現場級設備數字化通信的一種工業現場層網絡通信技術。這是一次工業現場級設備通信的數字化革命。與傳統的基于一對一連線采用模擬信號傳輸的現場級自動化監控系統相比基于現場總線的自動化監控系統采用計算機數字化通信技術，使自控系統加入到工廠信息網絡中，成為企業信息網絡底層，使企業信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產現場。在CIMS系統中，現場總線是工廠計算機網絡到現場級設備的延伸，是支撐現場級與車間級信息集成的技術基礎。 3．基于現場總線的自動化監控及信息集成系統主要優點 1）增強了現場級信息集成能力 　　現場總線可從現場設備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統的信息集成要求。現場總線是數字化通信網絡，它不單純取代4-20mA信號，還可實現設備狀態、故障、參數信息傳送。系統除完成遠程控制，還可完成遠程參數化工作。 2）開放式、互操作性、互換性、可集成性 　　不同廠家產品只要使用同一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設備具有很好的可集成性。系統為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統中去，因此，市場上將有許多面向行業特點的監控系統。 3）系統可靠性高、可維護性好 　　基于現場總線的自動化監控系統采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，對于大規模I/O系統來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統具有現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現場設備的遠程參數設定、修改等參數化工作，也增強了系統的可維護性。 4）降低了系統及工程成本 　　對大范圍、大規模I/O的分布式系統來說，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設工程費用，降低了系統及工程成本。 （三）現場總線技術標準 　　現場總線技術得以實現的一個關鍵問題，是要在自動化行業中形成一個制造商們共同遵守的現場總線通信協議技術標準，制造商們能按照標準生產產品，系統集成商門能按照標準將不同產品組成系統。這就提出了現場總線標準的問題。目前國際上現有各種總線及總線標準不下二百多種。具有一定影響和已占有一定市場份額的總線有如下幾種： 1．PROFIBUS現場總線 　　1996年3月15日批準為歐洲標準，即DIN 50170 V.2。PROFIBUS產品在世界市場上已被普遍接受，市場份額占歐洲首位，年增長率25%。目前支持PROFIBUS標準的產品超過1500多種，分別來自國際上250多個生產廠家。在世界范圍內已安裝運行的PROFIBUS設備已超過200萬臺，到1998年5月，適用于過程自動化的PROFIBUS-PA儀表設備在19個國家的40個用戶廠家投入現場運行。其主要有以下幾個應用領域有： 制造業自動化：汽車制造（機器人、裝配線、沖壓線等）、造紙、紡織。 過程控制自動化：石化、制藥、水泥、食品、啤酒。 電力：發電、輸配電。 樓宇：空調、風機、照明。 鐵路交通：信號系統 2．FF現場總線 　　1994年由ISP 基金會和World FIP（北美）兩大集團合并成立FF基金會，其宗旨在于開發出符合IEC和ISO標準的、唯一的國際現場總線（Fundation Fieldbus）。目前，FF現場總線的應用領域以過程自動化為主。如：化工、電力廠實驗系統、廢水處理、油田等行業。 3．LONWORKS總線 　　LONWORKS現場總線全稱為LONWORKS NetWorks,即分布式智能控制網絡技術，希望推出能夠適合各種現場總線應用場合的測控網絡。目前LONGWORKS應用范圍廣泛，主要包括工業控制、樓宇自動化、數據采集、SCADA系統等。國內主要應用于樓宇自動化方面。 4．CANBUS現場總線 　　CANBUS現場總線已由ISO/TC22技術委員會批準為國際標準ISO 11898（通訊速率小于1Mbps）和ISO 11519（通訊速率小于125Kbps）。CANBUS主要產品應用于汽車制造、公共交通車輛、機器人、液壓系統、分散型I/O。另外在電梯、醫療器械、工具機床、樓宇自動化等場合均有所應用。 5．WorldFIP現場總線 　　90—91年FIP現場總線成為法國國家安全標準。96年成為歐洲標準（EN 50170 V.3）。下一步目標是靠近IEC標準，現在技術上已做好充分準備。 　　WorldFIP現場總線采用單一總線結構來適應不同應用領域的需求，不同應用領域采用不同的總線速率。過程控制采用31.25Kbit/s,制造業為1M bit/s,驅動控制為1-2.5Mbit/s。采用總線仲裁器和優先級來管理總線上（包括各支線）的各控制站的通信。可進行1對1、1對多點（組）、1對全體等多重通信方式。在應用系統中，可采用雙總線結構，其中一條總線為備用線，增加了系統運行的安全性。 　　WorldFIP現場總線適用范圍廣泛，在過程自動化、制造業自動化、電力及樓宇自動化方面都有很好的應用。 6． P-NET現場總線 　　P-NET現場總線籌建于1983年。1984年推出采用多重主站現場總線的第一批產品。1986年通信協議中加入了多重網絡結構和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重接口產品。1987年P-NET標準成為開放式的完整標準，成為丹麥的國家標準。1996年成為歐洲總線標準的一部分（EN 50170 V.1）。1997年組建國際P-NET用戶組織，現有企業會員近百家，總部設在丹麥的Siekeborg，并在德國、英國、葡萄牙和加拿大等地設有地區性組織分部。 　　P-NET現場總線在歐洲及北美地區得到廣泛應用，其中包括石油化工、能源、交通、輕工、建材、環保工程和制造業等應用領域 。 （四）如何選擇現場總線技術 1．現狀 　　現場總線技術問世初期，人們有一個良好的愿望，即制定一部國際自動化行業統一使用的現場總線技術標準，這樣，所有現場設備都可以方便實現互連。經過十多年的努力，卻出現了一個令人們失望的結果，即1999年12月IEC 61158（TS），通過決議，將8種國際上現存的現場總線標準，合并到IEC 61158（TS）文本中，做為國際現場總線標準。人們沒有得到期望的統一的現場總線標準。 　　面對現實，多數現場總線技術專家認為：由于自動化技術涉及的應用領域廣泛、對控制性能要求各不相同，差異很大，另一方面，現場設備種類繁多，涉及的技術規范和標準繁雜；因此，希望使用一種現場總線標準覆蓋所有自動化行業的應用是不現實的；多種總線技術并存的狀況將維持相當一段時間。 2．如何選擇 面對多種總線技術并存，用戶如何選擇呢？ 1）技術指標：一些敏感的技術指標，如傳輸介質（電纜、光纖、無線）、數據傳輸速率、實時性、總線控制方式及功能（主從、多主、令牌、廣播、同步）。 2）行業：現場總線技術在其特定行業中具有明顯優勢；如LONWORKS在樓宇自動化、CAN在車輛及船舶系統、PROFIBUS在制造業、FF在化工流程行業等。 3）業績：現場總線在行業中的應用業績。 二．PROFIBUS現場總線標準 （一）概貌 1. PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準。廣泛適用于制造業自動化，流程工業自動化和樓宇、交通電力等其他領域自動化。 2. PROFIBUS由三個兼容部分組成，即 PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery） PROFIBUS-PA（Process Automation） PROFIBUS-FMS （Fieldbus Message Specification） 3. PROFIBUS – DP: 是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I／O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代24VDC或4－20mA信號傳輸。 4. PORFIBUS－PA：專為過程自動化設計，可使傳感器和執行機構聯在一根總線上，并有本征安全規范。 5. PROFIBUS－FMS：用于車間級監控網絡，是一個令牌結構的實時多主網絡。 6. PROFIBUS是一種用于工廠自動化中車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術。可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和通信，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。 7. 與其它現場總線系統相比，PROFIBUS的最大優點在于具有穩定的國際標準EN50170作保證，并經實際應用驗證具有普遍性。目前已應用的領域包括加工制造．過程控制和自動化等。PROFIBUS開放性和不依賴于廠商的設想，已在10多萬成功應用中得以實現。市場調查確認，在德國和歐洲市場中PROFIBUS占開放性工業現場總線系統的市場超過40％。PROFIBUS有國際著名自動化技術裝備的生產廠商支持，它們都具有各自的技術優勢并能提供廣泛的、優質的新產品和技術服務。 （二） 基本特性 1．協議結構 　　PROFIBUS協議結構是根據ISO7498國際標準，以開放式系統互聯網絡（Open System Interconnection-SIO）作為參考模型的，該模型共有七層。（注：第一層為物理層，第二層為數據鏈路層，第三－六層未使用，第七層為應用層。） 1） PROFIBUS－DP：定義了第一．二層和用戶接口。第三到七層未加描述。用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說明了各種不同PROFIBUS－DP設備的設備行為。 2） PROFIBUS－FMS：定義了第一．二．七層，應用層包括現場總線信息規范（Fieldbus Message Specification - FMS）和低層接口（Lower Layer Interface － LLI）。FMS包括了應用協議并向用戶提供了可廣泛選用的強有力的通信服務。LLI協調不同的通信關系并提供不依賴設備的第二層訪問接口。 3） PROFIBUS－PA：PA的數據傳輸采用擴展的PROFIBUS－DP協議。另外，PA還描述了現場設備行為的PA行規。根據IEC1158－2標準，PA的傳輸技術可確保其本征安全性，而且可通過總線給現場設備供電。使用連接器可在DP上擴展PA網絡。 2．傳輸技術 PROFIBUS提供了三種數據傳輸類型： 1）用于DP和FMS的RS485傳輸。 2）用于PA的IEC1158－2傳輸。 3）光纖 （三） PROFIBUS控制系統的幾種配置形式 1.現場級 1）總線接口型：現場設備不具備PROFIBUS接口，采用分散式I／O作為總線接口與現設備連接。這種形式在應用現場總線技術初期容易推廣。如果現場設備能分組，組內設備相對集中，這種模式會更好地發揮現場總線技術的優點。 2）單一總線型：現場設備都具備PROFIBUS接口。這是一種理想情況。可使用現場總線技術，實現完全的分布式結構，可充分獲得這一先進技術所帶來的的利益。就目前來看，這種方案設備成本會較高。 3）混合型：現場設備部分具備PROFIBUS接口。這將是一種相當普遍的情況。這時應采用PROFIBUS現場設備加分散式I／O混合使用的辦法。無論是舊設備改造還是新建項目,希望全部使用具備PROFIBUS接口現場設備的場合可能不多，分散式I／O可作為通用的現場總線接口，是一種靈活的集成方案。 2．監控級 　　根據實際需要及經費情況，通常有如下幾種結構類型： 1）結構類型1：以PLC或控制器做一類主站，不設監控站，但調試階段配置一臺編程設備。這種結構類型，PLC或控制器完成總線通信管理，從站數據讀寫，從站遠程參數化等工作。 2）結構類型2：以PLC或控制器做一類主站，監控站通過串口與PLC一對一的連接。這種結構類型，監控站不在PROFIBUS網上，不是二類主站，不能直接讀取從站數據和完成遠程參數化工作。監控站所需的從站數據只能從PLC控制器中讀取。 3）結構類型3：以PLC或其它控制器做一類主站，監控站（二類主站）連接在PROFIBUS總線上。這種結構類型，監控站在PROFIBUS網上作為二類主站，可完成遠程編程，參數化及在線監控功能。 4）結構類型4：使用 PC機加PROFIBUS網卡做一類主站，監控站與一類主站一體化。這是一個低成本方案，但PC機應選用具有高可靠性，能長時間連續運行的工業級PC機。對于這種結構類型，PC機故障將導致整個系統將癱瘓。另外，通信廠商通常只提供一個模板的驅動程序，總線控制．從站控制程序．監控程序可能要由用戶開發，因此應用開發工作量可能會較大。 5）結構類型5：堅固式PC機（COMOPACT COMPUTER）＋PROFIBUS網卡＋SOFTPLC的結構形式。如果結構類型4中PC機換成一臺堅固式PC機（COMOPACT COMPUTER），系統可靠性將大大增強，足以使用戶信服。 　　近來出現一種稱為SOFTPLC的軟件產品，是將通用型PC機改造成一臺由軟件（軟邏輯）實現的PLC。這種軟件將PLC的編程、應用程序運行、在線監控和操作員監控站圖形界面開發等功能集成到一臺堅固式PC機上，形成一個PLC與監控站一體的控制器工作站。 6）結構類型6：使用兩級網絡結構，這種方案充分考慮了未來擴展需要，比如要增加幾條生產線即擴展出幾條DP網絡，車間監控要增加幾個監控站等，都可以方便進行擴展。采用了兩級網絡結構形式，充分考慮了陰影部分的擴展余地。 三．在保定市天然氣貯配站的應用 　　保定市燃氣總公司天然氣儲配站于2002年3月建成并投入使用，它擔負著保定市居民、公共福利及工業用戶的天然氣供氣任務。設計能力1億米3/年，全站包括高-中壓A及高-中壓B兩套調壓設備及4個2000米3的高壓貯罐。本站計算機監控系統由現場數據采集與控制設備、計算機下位系統、計算機上位系統和計算機網絡組成，預留與公司調度中心的接口，完成壓力的調節控制、貯氣送氣控制、儲氣量實時檢測、溫度檢測、流量檢測、加臭控制及報警連鎖控制等內容。是我公司SCADA系統中的遠程操作站。 （一） 網絡結構及技術標準 1． 網絡結構 　　結合我公司天然氣貯配站監控系統具體情況，我們采用了星型拓撲與總線型拓撲相結合的混合型網絡結構，網絡結構見附圖。 2． 技術標準 　　通過對多種現場總現技術標準的綜合比較并結合天然氣行業的特點我們采用了PROFIBUS-DP現場總線技術。整個監控網絡分為兩級。一級網絡以PLC做為一類主站，監控站（二類主站）連接在PROFIBUS總線上可完成遠程編程，參數化及在線監控功能。二級為現場級網絡，由于現場設備不具備PROFIBUS接口，采用分散式I／O作為總線接口與現場設備連接。 （二）設備選型 1．現場I/O站的選擇 　　現場I/O站將現設備信號進行處理轉化為數字信號，通過現場總線接口與上位系統進行通訊。我們經過各方面的比較，選用TURCK公司的EXCOM系列產品。 　　EXCOM產品是是遠程I/O技術、安全柵技術與現場總線技術的組合，是可以直接安裝在危險1區的本安型現場總線部件。該系統由母板、及插在它上面的電源模塊、網關模塊、I/O模塊組成。 　　電源及網關模塊均采用雙電源雙網關配置，大大增加了系統的安全性和穩定性。所有模塊均支持在線熱插撥，而且不用借助任何工具。系統可以自動檢查新模塊是否與原模塊相同，系統支持替代值編程，方便了缺損模塊的更換。 　　網關提供了一個擴展了的PROFIBUS-DP的診斷功能，可向用戶提供包括每一個通道的錯誤指示的全方位的診斷功能，另外，每一個模塊均帶有LED可指示整個模塊各接入回路的狀態，根據指示燈的顏色指示正常、錯誤及開關量輸入/輸出的開關狀態，極大地方便了模塊設備的維護與維修。 　　靈活的擴充性能，方便于現場設備的擴充。當增加現場設備時可直接在母板插槽上安裝相應的模塊，連接到現場設備，更改相應的控制程序即可，而不需要再挖溝敷設現場I/O站到監控室的電纜。由于模塊的品種少功能強，因此不必再采購大量的備品備件，只需少量的備件即可滿足維修維護的需要。 　　目前已經形成生產規模并投放市場的現場I/O設備的生產廠家較多，如SEMENS、TURCK、WAGO，國內沈陽自動化所的FF產品可供選擇。 2．PLC的選型 考慮到以下幾個因素： 1） PLC為系統核心設備必須具有高可靠性及易維護性。 2） 安裝在非防爆區。 3） 具有最佳性能價格比。 　　我們決定采用西門子公司的S7-400系統中的412-2作為系統的主控PLC。它是西門子公司為工業控制設計的高端PLC，它通過PROFIBUS-DP總線完成與現場總線設備的通訊、監控任務，還完成對本地現場總線設備的監控，同時通過MPI多點通訊協議高可靠、高質量地完成與上位機的通訊任務，從而在不降低系統可靠性的基礎上進一步降低設備投資。S7-400組成雙網結構并結合冗余軟件包和系統熱備控制軟件完成對現場設備進行控制，實現系統的高可靠運行。 （三）不足之處 1. 有些儀表，執行器的選用與現場總線技術不夠配套，如閥門的電動執行器，天然氣泄漏探頭、和流量檢測儀表，未能選用帶有總線接口的產品，使現場總線技術節省電纜的優越性未能最大限度的體現出來。建議國內相關儀表和執行器廠家盡快提高產品的適應性。 2. 應用于現場總線系統中的本安型現場I/O產品品種目前為數還不多，尚未形成規模。可供選擇的余地還不大，價格還偏高。 四．結論 　　通過我公司儲配站對總線控制技術的應用可以看出，總線控制技術在天然氣儲配站系統中有著無以倫比的優勢，其采用的冗余技術不但擴充性強，易于維護管理，穩定性好，而且節省電纜，減少了施工費用、安全柵及接線端子機柜的購置費用，同時今后的維護費用及運行費用也將有很大程度的降低。因此，總線控制技術在天然氣儲配站系統中具有極其廣泛的應用前景。