現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其在天然氣貯配站自控系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點(diǎn)、多站的通訊系統(tǒng)，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)新時(shí)代的開始，并將對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。

　　保定市燃?xì)饪偣咀?0年代初上馬第一套煤氣生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)以來(lái)就一直致力于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)尤其是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的研究。經(jīng)過(guò)多年的努力解決了其在防爆場(chǎng)所（Ⅱ區(qū)）應(yīng)用的技術(shù)難題，并成功的將其應(yīng)用在本公司天然氣貯配站自控系統(tǒng)中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

一．工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

（一）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的由來(lái)

1．CIMS體系結(jié)構(gòu)及工業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層次劃分

　　根據(jù)工廠管理、生產(chǎn)過(guò)程及功能要求，CIMS體系結(jié)構(gòu)可分為5層，即工廠級(jí)、車間級(jí)、單元級(jí)、工作站級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。簡(jiǎn)化的CIMS則分為3層，即工廠級(jí)、車間級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設(shè)備單機(jī)控制、連機(jī)控制、通信連網(wǎng)、在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)等功能，保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備生產(chǎn)及運(yùn)行數(shù)據(jù)信息傳送到工廠管理層，向工廠級(jí)MIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)。同時(shí)也可接受工廠管理層下達(dá)的生產(chǎn)管理及調(diào)度命令并執(zhí)行。因此，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化及CIMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2．傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)（包括：基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統(tǒng)），其主要特點(diǎn)之一是，現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備與控制器之間的連接是一對(duì)一的（一個(gè)I/O點(diǎn)對(duì)設(shè)備的一個(gè)測(cè)控點(diǎn)）所謂I/O接線方式，傳送模擬量或開關(guān)量信息。這種結(jié)構(gòu)主要存在以下幾個(gè)缺陷：

1）信息集成能力不強(qiáng)：控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間靠I/O連線連接，傳送4-20mA模擬量信號(hào)或24VDC開關(guān)量信號(hào)，并以此監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數(shù)據(jù)如設(shè)備參數(shù)、故障及故障紀(jì)錄等數(shù)據(jù)很難得到。底層數(shù)據(jù)不全、信息集成能力不強(qiáng)，不能完全滿足CIMS系統(tǒng)對(duì)底層數(shù)據(jù)的要求。

2）系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強(qiáng)：除現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均靠標(biāo)準(zhǔn)4-20mA/24VDC連接，系統(tǒng)其它軟、硬件通常只能使用一家產(chǎn)品。不同廠家產(chǎn)品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差。這種系統(tǒng)很少留出接口，允許其它廠商將自己專長(zhǎng)的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，面向行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)很少。

3）可靠性不易保證：對(duì)于大范圍的分布式系統(tǒng)，大量的I/O電纜及敷設(shè)施工，不僅增加成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性。

4）可維護(hù)性不高：由于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備信息不全，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能不強(qiáng)。另一方面也很難完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

3．現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)生

　　由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，許多傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備趨于智能化，即內(nèi)置CPU控制器，完成諸如線性化、量程轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波甚至回路調(diào)節(jié)等功能。因此，對(duì)于這些智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備增加一個(gè)串行數(shù)據(jù)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(guī)定協(xié)議，通過(guò)串行通信方式（而不是I/O方式）完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。如果設(shè)想全部或大部分現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都具有串行通信接口并具有統(tǒng)一的通信協(xié)議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，完成對(duì)所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控，設(shè)備層傳遞的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信號(hào)，而是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)字信號(hào)，由數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)，這就形成了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。

（二）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的概念

1.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可概括如下：

●現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產(chǎn)過(guò)程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過(guò)程和連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程兩類。

●或者，現(xiàn)場(chǎng)總線是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。

2.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)產(chǎn)生的意義

　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。這是一次工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備通信的數(shù)字化革命。與傳統(tǒng)的基于一對(duì)一連線采用模擬信號(hào)傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)相比基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù)，使自控系統(tǒng)加入到工廠信息網(wǎng)絡(luò)中，成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。在CIMS系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)總線是工廠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的延伸，是支撐現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)信息集成的技術(shù)基礎(chǔ)。

3．基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)

1）增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)信息集成能力
　　現(xiàn)場(chǎng)總線可從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動(dòng)化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求。現(xiàn)場(chǎng)總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20mA信號(hào)，還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠(yuǎn)程控制，還可完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。

2）開放式、互操作性、互換性、可集成性
　　不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，就具有互操作性、互換性，因此設(shè)備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式，允許其它廠商將自己專長(zhǎng)的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，市場(chǎng)上將有許多面向行業(yè)特點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)。

3）系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好
　　基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對(duì)一的I/O連線，對(duì)于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，減少了由接線點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，可完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

4）降低了系統(tǒng)及工程成本
　　對(duì)大范圍、大規(guī)模I/O的分布式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設(shè)工程費(fèi)用，降低了系統(tǒng)及工程成本。[next]

（三）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，是要在自動(dòng)化行業(yè)中形成一個(gè)制造商們共同遵守的現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制造商們能按照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)產(chǎn)品，系統(tǒng)集成商門能按照標(biāo)準(zhǔn)將不同產(chǎn)品組成系統(tǒng)。這就提出了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。目前國(guó)際上現(xiàn)有各種總線及總線標(biāo)準(zhǔn)不下二百多種。具有一定影響和已占有一定市場(chǎng)份額的總線有如下幾種：

1．PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線

　　1996年3月15日批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，即DIN50170V.2。PROFIBUS產(chǎn)品在世界市場(chǎng)上已被普遍接受，市場(chǎng)份額占?xì)W洲首位，年增長(zhǎng)率25%。目前支持PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品超過(guò)1500多種，分別來(lái)自國(guó)際上250多個(gè)生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)已安裝運(yùn)行的PROFIBUS設(shè)備已超過(guò)200萬(wàn)臺(tái)，到1998年5月，適用于過(guò)程自動(dòng)化的PROFIBUS-PA儀表設(shè)備在19個(gè)國(guó)家的40個(gè)用戶廠家投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。其主要有以下幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域有：

制造業(yè)自動(dòng)化：汽車制造（機(jī)器人、裝配線、沖壓線等）、造紙、紡織。
過(guò)程控制自動(dòng)化：石化、制藥、水泥、食品、啤酒。
電力：發(fā)電、輸配電。
樓宇：空調(diào)、風(fēng)機(jī)、照明。
鐵路交通：信號(hào)系統(tǒng)

2．FF現(xiàn)場(chǎng)總線

　　1994年由ISP基金會(huì)和WorldFIP（北美）兩大集團(tuán)合并成立FF基金會(huì)，其宗旨在于開發(fā)出符合IEC和ISO標(biāo)準(zhǔn)的、唯一的國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線（FundationFieldbus）。目前，F(xiàn)F現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用領(lǐng)域以過(guò)程自動(dòng)化為主。如：化工、電力廠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、廢水處理、油田等行業(yè)。

3．LONWORKS總線

　　LONWORKS現(xiàn)場(chǎng)總線全稱為L(zhǎng)ONWORKSNetWorks,即分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，希望推出能夠適合各種現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用場(chǎng)合的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。目前LONGWORKS應(yīng)用范圍廣泛，主要包括工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)化、數(shù)據(jù)采集、SCADA系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化方面。

4．CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線

　　CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線已由ISO/TC22技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898（通訊速率小于1Mbps）和ISO11519（通訊速率小于125Kbps）。CANBUS主要產(chǎn)品應(yīng)用于汽車制造、公共交通車輛、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)、分散型I/O。另外在電梯、醫(yī)療器械、工具機(jī)床、樓宇自動(dòng)化等場(chǎng)合均有所應(yīng)用。

5．WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線

　　90—91年FIP現(xiàn)場(chǎng)總線成為法國(guó)國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)。96年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN50170V.3）。下一步目標(biāo)是靠近IEC標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在技術(shù)上已做好充分準(zhǔn)備。

　　WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線采用單一總線結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，不同應(yīng)用領(lǐng)域采用不同的總線速率。過(guò)程控制采用31.25Kbit/s,制造業(yè)為1Mbit/s,驅(qū)動(dòng)控制為1-2.5Mbit/s。采用總線仲裁器和優(yōu)先級(jí)來(lái)管理總線上（包括各支線）的各控制站的通信?？蛇M(jìn)行1對(duì)1、1對(duì)多點(diǎn)（組）、1對(duì)全體等多重通信方式。在應(yīng)用系統(tǒng)中，可采用雙總線結(jié)構(gòu)，其中一條總線為備用線，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

　　WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線適用范圍廣泛，在過(guò)程自動(dòng)化、制造業(yè)自動(dòng)化、電力及樓宇自動(dòng)化方面都有很好的應(yīng)用。

6．P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線

　　P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線籌建于1983年。1984年推出采用多重主站現(xiàn)場(chǎng)總線的第一批產(chǎn)品。1986年通信協(xié)議中加入了多重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重接口產(chǎn)品。1987年P(guān)-NET標(biāo)準(zhǔn)成為開放式的完整標(biāo)準(zhǔn)，成為丹麥的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。1996年成為歐洲總線標(biāo)準(zhǔn)的一部分（EN50170V.1）。1997年組建國(guó)際P-NET用戶組織，現(xiàn)有企業(yè)會(huì)員近百家，總部設(shè)在丹麥的Siekeborg，并在德國(guó)、英國(guó)、葡萄牙和加拿大等地設(shè)有地區(qū)性組織分部。

　　P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線在歐洲及北美地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，其中包括石油化工、能源、交通、輕工、建材、環(huán)保工程和制造業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域
。
（四）如何選擇現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

1．現(xiàn)狀

　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)問(wèn)世初期，人們有一個(gè)良好的愿望，即制定一部國(guó)際自動(dòng)化行業(yè)統(tǒng)一使用的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這樣，所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都可以方便實(shí)現(xiàn)互連。經(jīng)過(guò)十多年的努力，卻出現(xiàn)了一個(gè)令人們失望的結(jié)果，即1999年12月IEC61158（TS），通過(guò)決議，將8種國(guó)際上現(xiàn)存的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，合并到IEC61158（TS）文本中，做為國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。人們沒(méi)有得到期望的統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。

　　面對(duì)現(xiàn)實(shí)，多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)專家認(rèn)為：由于自動(dòng)化技術(shù)涉及的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、對(duì)控制性能要求各不相同，差異很大，另一方面，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備種類繁多，涉及的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)繁雜；因此，希望使用一種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)覆蓋所有自動(dòng)化行業(yè)的應(yīng)用是不現(xiàn)實(shí)的；多種總線技術(shù)并存的狀況將維持相當(dāng)一段時(shí)間。

2．如何選擇

面對(duì)多種總線技術(shù)并存，用戶如何選擇呢？

1）技術(shù)指標(biāo)：一些敏感的技術(shù)指標(biāo)，如傳輸介質(zhì)（電纜、光纖、無(wú)線）、數(shù)據(jù)傳輸速率、實(shí)時(shí)性、總線控制方式及功能（主從、多主、令牌、廣播、同步）。

2）行業(yè)：現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在其特定行業(yè)中具有明顯優(yōu)勢(shì)；如LONWORKS在樓宇自動(dòng)化、CAN在車輛及船舶系統(tǒng)、PROFIBUS在制造業(yè)、FF在化工流程行業(yè)等。

3）業(yè)績(jī)：現(xiàn)場(chǎng)總線在行業(yè)中的應(yīng)用業(yè)績(jī)。

二．PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)

（一）概貌

1.PROFIBUS是一種國(guó)際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化，流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。

2.PROFIBUS由三個(gè)兼容部分組成，即
PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）
PROFIBUS-PA（ProcessAutomation）
PROFIBUS-FMS
（FieldbusMessageSpecification）

3.PROFIBUS–DP:是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I／O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代24VDC或4－20mA信號(hào)傳輸。

4.PORFIBUS－PA：專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。

5.PROFIBUS－FMS：用于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。

6.PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化中車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和通信，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。

7.與其它現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有穩(wěn)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有普遍性。目前已應(yīng)用的領(lǐng)域包括加工制造．過(guò)程控制和自動(dòng)化等。PROFIBUS開放性和不依賴于廠商的設(shè)想，已在10多萬(wàn)成功應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn)。市場(chǎng)調(diào)查確認(rèn)，在德國(guó)和歐洲市場(chǎng)中PROFIBUS占開放性工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的市場(chǎng)超過(guò)40％。PROFIBUS有國(guó)際著名自動(dòng)化技術(shù)裝備的生產(chǎn)廠商支持，它們都具有各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并能提供廣泛的、優(yōu)質(zhì)的新產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)。

（二）基本特性

1．協(xié)議結(jié)構(gòu)

　　PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（OpenSystemInterconnection-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(shù)據(jù)鏈路層，第三－六層未使用，第七層為應(yīng)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(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說(shuō)明了各種不同PROFIBUS－DP設(shè)備的設(shè)備行為。

2）PROFIBUS－FMS：定義了第一．二．七層，應(yīng)用層包括現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范（FieldbusMessageSpecification-FMS）和低層接口（LowerLayerInterface－LLI）。FMS包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強(qiáng)有力的通信服務(wù)。LLI協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并提供不依賴設(shè)備的第二層訪問(wèn)接口。

3）PROFIBUS－PA：PA的數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的PROFIBUS－DP協(xié)議。另外，PA還描述了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備行為的PA行規(guī)。根據(jù)IEC1158－2標(biāo)準(zhǔn)，PA的傳輸技術(shù)可確保其本征安全性，而且可通過(guò)總線給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。使用連接器可在DP上擴(kuò)展PA網(wǎng)絡(luò)。

2．傳輸技術(shù)

PROFIBUS提供了三種數(shù)據(jù)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[next]

（三）PROFIBUS控制系統(tǒng)的幾種配置形式

1.現(xiàn)場(chǎng)級(jí)

1）總線接口型：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不具備PROFIBUS接口，采用分散式I／O作為總線接口與現(xiàn)設(shè)備連接。這種形式在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)初期容易推廣。如果現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能分組，組內(nèi)設(shè)備相對(duì)集中，這種模式會(huì)更好地發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

2）單一總線型：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都具備PROFIBUS接口。這是一種理想情況?？墒褂矛F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)完全的分布式結(jié)構(gòu)，可充分獲得這一先進(jìn)技術(shù)所帶來(lái)的的利益。就目前來(lái)看，這種方案設(shè)備成本會(huì)較高。

3）混合型：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備部分具備PROFIBUS接口。這將是一種相當(dāng)普遍的情況。這時(shí)應(yīng)采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備加分散式I／O混合使用的辦法。無(wú)論是舊設(shè)備改造還是新建項(xiàng)目,希望全部使用具備PROFIBUS接口現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的場(chǎng)合可能不多，分散式I／O可作為通用的現(xiàn)場(chǎng)總線接口，是一種靈活的集成方案。

2．監(jiān)控級(jí)

　　根據(jù)實(shí)際需要及經(jīng)費(fèi)情況，通常有如下幾種結(jié)構(gòu)類型：

1）結(jié)構(gòu)類型1：以PLC或控制器做一類主站，不設(shè)監(jiān)控站，但調(diào)試階段配置一臺(tái)編程設(shè)備。這種結(jié)構(gòu)類型，PLC或控制器完成總線通信管理，從站數(shù)據(jù)讀寫，從站遠(yuǎn)程參數(shù)化等工作。

2）結(jié)構(gòu)類型2：以PLC或控制器做一類主站，監(jiān)控站通過(guò)串口與PLC一對(duì)一的連接。這種結(jié)構(gòu)類型，監(jiān)控站不在PROFIBUS網(wǎng)上，不是二類主站，不能直接讀取從站數(shù)據(jù)和完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。監(jiān)控站所需的從站數(shù)據(jù)只能從PLC控制器中讀取。

3）結(jié)構(gòu)類型3：以PLC或其它控制器做一類主站，監(jiān)控站（二類主站）連接在PROFIBUS總線上。這種結(jié)構(gòu)類型，監(jiān)控站在PROFIBUS網(wǎng)上作為二類主站，可完成遠(yuǎn)程編程，參數(shù)化及在線監(jiān)控功能。

4）結(jié)構(gòu)類型4：使用PC機(jī)加PROFIBUS網(wǎng)卡做一類主站，監(jiān)控站與一類主站一體化。這是一個(gè)低成本方案，但PC機(jī)應(yīng)選用具有高可靠性，能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的工業(yè)級(jí)PC機(jī)。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)類型，PC機(jī)故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)將癱瘓。另外，通信廠商通常只提供一個(gè)模板的驅(qū)動(dòng)程序，總線控制．從站控制程序．監(jiān)控程序可能要由用戶開發(fā)，因此應(yīng)用開發(fā)工作量可能會(huì)較大。

5）結(jié)構(gòu)類型5：堅(jiān)固式PC機(jī)（COMOPACTCOMPUTER）＋PROFIBUS網(wǎng)卡＋SOFTPLC的結(jié)構(gòu)形式。如果結(jié)構(gòu)類型4中PC機(jī)換成一臺(tái)堅(jiān)固式PC機(jī)（COMOPACTCOMPUTER），系統(tǒng)可靠性將大大增強(qiáng)，足以使用戶信服。

　　近來(lái)出現(xiàn)一種稱為SOFTPLC的軟件產(chǎn)品，是將通用型PC機(jī)改造成一臺(tái)由軟件（軟邏輯）實(shí)現(xiàn)的PLC。這種軟件將PLC的編程、應(yīng)用程序運(yùn)行、在線監(jiān)控和操作員監(jiān)控站圖形界面開發(fā)等功能集成到一臺(tái)堅(jiān)固式PC機(jī)上，形成一個(gè)PLC與監(jiān)控站一體的控制器工作站。

6）結(jié)構(gòu)類型6：使用兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種方案充分考慮了未來(lái)擴(kuò)展需要，比如要增加幾條生產(chǎn)線即擴(kuò)展出幾條DP網(wǎng)絡(luò)，車間監(jiān)控要增加幾個(gè)監(jiān)控站等，都可以方便進(jìn)行擴(kuò)展。采用了兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，充分考慮了陰影部分的擴(kuò)展余地。

三．在保定市天然氣貯配站的應(yīng)用

　　保定市燃?xì)饪偣咎烊粴鈨?chǔ)配站于2002年3月建成并投入使用，它擔(dān)負(fù)著保定市居民、公共福利及工業(yè)用戶的天然氣供氣任務(wù)。設(shè)計(jì)能力1億米3/年，全站包括高-中壓A及高-中壓B兩套調(diào)壓設(shè)備及4個(gè)2000米3的高壓貯罐。本站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備、計(jì)算機(jī)下位系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)上位系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成，預(yù)留與公司調(diào)度中心的接口，完成壓力的調(diào)節(jié)控制、貯氣送氣控制、儲(chǔ)氣量實(shí)時(shí)檢測(cè)、溫度檢測(cè)、流量檢測(cè)、加臭控制及報(bào)警連鎖控制等內(nèi)容。是我公司SCADA系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程操作站。

（一）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1．網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　結(jié)合我公司天然氣貯配站監(jiān)控系統(tǒng)具體情況，我們采用了星型拓?fù)渑c總線型拓?fù)湎嘟Y(jié)合的混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見附圖。

2．技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

　　通過(guò)對(duì)多種現(xiàn)場(chǎng)總現(xiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的綜合比較并結(jié)合天然氣行業(yè)的特點(diǎn)我們采用了PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)分為兩級(jí)。一級(jí)網(wǎng)絡(luò)以PLC做為一類主站，監(jiān)控站（二類主站）連接在PROFIBUS總線上可完成遠(yuǎn)程編程，參數(shù)化及在線監(jiān)控功能。二級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不具備PROFIBUS接口，采用分散式I／O作為總線接口與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接。

（二）設(shè)備選型

1．現(xiàn)場(chǎng)I/O站的選擇

　　現(xiàn)場(chǎng)I/O站將現(xiàn)設(shè)備信號(hào)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接口與上位系統(tǒng)進(jìn)行通訊。我們經(jīng)過(guò)各方面的比較，選用TURCK公司的EXCOM系列產(chǎn)品。

　　EXCOM產(chǎn)品是是遠(yuǎn)程I/O技術(shù)、安全柵技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的組合，是可以直接安裝在危險(xiǎn)1區(qū)的本安型現(xiàn)場(chǎng)總線部件。該系統(tǒng)由母板、及插在它上面的電源模塊、網(wǎng)關(guān)模塊、I/O模塊組成。

　　電源及網(wǎng)關(guān)模塊均采用雙電源雙網(wǎng)關(guān)配置，大大增加了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)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(tǒng)可以自動(dòng)檢查新模塊是否與原模塊相同，系統(tǒng)支持替代值編程，方便了缺損模塊的更換。

　　網(wǎng)關(guān)提供了一個(gè)擴(kuò)展了的PROFIBUS-DP的診斷功能，可向用戶提供包括每一個(gè)通道的錯(cuò)誤指示的全方位的診斷功能，另外，每一個(gè)模塊均帶有LED可指示整個(gè)模塊各接入回路的狀態(tài)，根據(jù)指示燈的顏色指示正常、錯(cuò)誤及開關(guān)量輸入/輸出的開關(guān)狀態(tài)，極大地方便了模塊設(shè)備的維護(hù)與維修。

　　靈活的擴(kuò)充性能，方便于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的擴(kuò)充。當(dāng)增加現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備時(shí)可直接在母板插槽上安裝相應(yīng)的模塊，連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，更改相應(yīng)的控制程序即可，而不需要再挖溝敷設(shè)現(xiàn)場(chǎng)I/O站到監(jiān)控室的電纜。由于模塊的品種少功能強(qiáng)，因此不必再采購(gòu)大量的備品備件，只需少量的備件即可滿足維修維護(hù)的需要。

　　目前已經(jīng)形成生產(chǎn)規(guī)模并投放市場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備的生產(chǎn)廠家較多，如SEMENS、TURCK、WAGO，國(guó)內(nèi)沈陽(yáng)自動(dòng)化所的FF產(chǎn)品可供選擇。

2．PLC的選型

考慮到以下幾個(gè)因素：

1）PLC為系統(tǒng)核心設(shè)備必須具有高可靠性及易維護(hù)性。
2）安裝在非防爆區(qū)。
3）具有最佳性能價(jià)格比。

　　我們決定采用西門子公司的S7-400系統(tǒng)中的412-2作為系統(tǒng)的主控PLC。它是西門子公司為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的高端PLC，它通過(guò)PROFIBUS-DP總線完成與現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的通訊、監(jiān)控任務(wù)，還完成對(duì)本地現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的監(jiān)控，同時(shí)通過(guò)MPI多點(diǎn)通訊協(xié)議高可靠、高質(zhì)量地完成與上位機(jī)的通訊任務(wù)，從而在不降低系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低設(shè)備投資。S7-400組成雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)并結(jié)合冗余軟件包和系統(tǒng)熱備控制軟件完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠運(yùn)行。

（三）不足之處

1.有些儀表，執(zhí)行器的選用與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)不夠配套，如閥門的電動(dòng)執(zhí)行器，天然氣泄漏探頭、和流量檢測(cè)儀表，未能選用帶有總線接口的產(chǎn)品，使現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)節(jié)省電纜的優(yōu)越性未能最大限度的體現(xiàn)出來(lái)。建議國(guó)內(nèi)相關(guān)儀表和執(zhí)行器廠家盡快提高產(chǎn)品的適應(yīng)性。

2.應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中的本安型現(xiàn)場(chǎng)I/O產(chǎn)品品種目前為數(shù)還不多，尚未形成規(guī)模?？晒┻x擇的余地還不大，價(jià)格還偏高。

四．結(jié)論

　　通過(guò)我公司儲(chǔ)配站對(duì)總線控制技術(shù)的應(yīng)用可以看出，總線控制技術(shù)在天然氣儲(chǔ)配站系統(tǒng)中有著無(wú)以倫比的優(yōu)勢(shì)，其采用的冗余技術(shù)不但擴(kuò)充性強(qiáng)，易于維護(hù)管理，穩(wěn)定性好，而且節(jié)省電纜，減少了施工費(fèi)用、安全柵及接線端子機(jī)柜的購(gòu)置費(fèi)用，同時(shí)今后的維護(hù)費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用也將有很大程度的降低。因此，總線控制技術(shù)在天然氣儲(chǔ)配站系統(tǒng)中具有極其廣泛的應(yīng)用前景。