B体育现场总线技术及其在天然气贮配站自控系统中的应用

　　B体育现场总线技术及其在天然气贮配站自控系统中的应用现场总线是当今自动化领域技术发展的热点，是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通讯系统，被誉为自动化领域的计算机局域网。现场总线的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重大的影响。

　　保定市燃气总公司自90年代初上马第一套煤气生产自动化控制系统以来就一直致力于工业自动化技术尤其是工业现场总线技术的研究。经过多年的努力解决了其在防爆场所（Ⅱ区）应用的技术难题，并成功的将其应用在本公司中，取得了良好的经济效益和社会效益。

　　根据工厂管理、生产过程及功能要求，CIMS体系结构可分为5层，即工厂级、车间级、单元级、工作站级和现场级。简化的CIMS则分为3层，即工厂级、车间级和现场级。现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要完成底层设备单机控制、连机控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级MIS系统数据库提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行。因此，现场级与车间级监控及信息集成系统是实现工厂自动化及CIMS系统的基础。

　　2）系统不开放、可集成性差、专业性不强：除现场设备均靠标准4-20mA/24VDC连接，系统软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，因此可集成性差。这种系统很少留出接口，允许厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，面向行业的监控系统很少。

　　由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备趋于智能化，即内置CPU，完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能。因此，对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口（如RS-232/485）是非常方便的。有了这样的接口，就可以按其规定协议，通过串行通信方式（而不是I/O方式）完成对现场设备的监控。如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具有统一的通信协议，只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接，完成对所有现场设备的监控，设备层传递的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信号，而是基于现场总线的数字信号b体育app下载官网，由数字化通信网络构成现场级与车间级自动化监控及信息集成系统，这就形成了现场总线技术。

　　1）增强了现场级信息集成能力现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4-20mA信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。

　　现场总线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制造商们共同遵守的现场总线通信协议技术标准，制造商们能按照标准生产产品，系统集成商门能按照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问题。目前国际上现有各种总线及总线标准不下二百多种。具有一定影响和已占有一定市场份额的总线．PROFIBUS现场总线准为欧洲标准，即DIN50170V.2。PROFIBUS产品在世界市场上已被普遍接受，市场份额占欧洲首位，年增长率25%。目前支持PROFIBUS标准的产品超过1500多种，分别来自国际上250多个生产厂家。在世界范围内已安装运行的PROFIBUS设备已超过200万台，到1998年5月，适用于过程自动化的PROFIBUS-PA仪表设备在19个国家的40个用户厂家投入现场运行。其主要有以下几个应用领域有：

　　LONWORKS现场总线全称为LONWORKSNetWorks,即分布式智能控制网络技术，希望推出能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。目前LONGWORKS应用范围广泛，主要包括工业控制、楼宇自动化、数据采集、SCADA系统等b体育app下载官网。国内主要应用于楼宇自动化方面。

　　WorldFIP现场总线采用单一总线结构来适应不同应用领域的需求，不同应用领域采用不同的总线Kbit/s,制造业为1Mbit/s,驱动控制为1-2.5Mbit/s。采用总线仲裁器和优先级来管理总线上（包括各支线）的各控制站的通信。可进行1对1、1对多点（组）、1对全体等多重通信方式。在应用系统中，可采用双总线结构，其中一条总线为备用线，增加了系统运行的安全性。

　　P-NET现场总线年推出采用多重主站现场总线年通信协议中加入了多重网络结构和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重接口产品。1987年P-NET标准成为开放式的完整标准，成为丹麦的国家标准。1996年成为欧洲总线年组建国际P-NET用户组织，现有企业会员近百家，总部设在丹麦的Siekeborg，并在德国、英国、葡萄牙和加拿大等地设有地区性组织分部。

　　现场总线技术问世初期，人们有一个良好的愿望，即制定一部国际自动化行业统一使用的现场总线技术标准，这样，所有现场设备都可以方便实现互连。经过十多年的努力，却出现了一个令人们失望的结果，即1999年12月IEC61158（TS），通过决议，将8种国际上现存的现场总线（TS）文本中，做为国际现场总线标准。人们没有得到期望的统一的现场总线标准。

　　2）行业：现场总线技术在其特定行业中具有明显优势；如LONWORKS在楼宇自动化、CAN在车辆及船舶系统、PROFIBUS在制造业、FF在化工流程行业等。

　　7.与现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造．过程控制和自动化等。PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的设想，已在10多万成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线％。PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的、优质的新产品和技术服务。

　　2）PROFIBUS－FMS：定义了第一．二．七层，应用层包括现场总线信息规范（FieldbusMessageSpecification-FMS）和低层接口（LowerLayerInterface－LLI）。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。

　　1）总线接口型：现场设备不具备PROFIBUS接口，采用分散式I／O作为总线接口与现设备连接。这种形式在应用现场总线技术初期容易推广。如果现场设备能分组，组内设备相对集中，这种模式会更好地发挥现场总线）单一总线型：现场设备都具备PROFIBUS接口。这是一种理想情况。可使用现场总线技术，实现完全的分布式结构，可充分获得这一先进技术所带来的的利益。就目前来看，这种方案设备成本会较高。

　　3）混合型：现场设备部分具备PROFIBUS接口。这将是一种相当普遍的情况。这时应采用PROFIBUS现场设备加分散式I／O混合使用的办法。无论是旧设备改造还是新建项目,希望全部使用具备PROFIBUS接口现场设备的场合可能不多，分散式I／O可作为通用的现场总线接口，是一种灵活的集成方案。

　　1）结构类型1：以PLC或做一类主站，不设监控站，但调试阶段配置一台编程设备。这种结构类型，PLC或完成总线通信管理，从站数据读写，从站远程参数化等工作。

　　3）结构类型3：以PLC或做一类主站，监控站（二类主站）连接在PROFIBUS总线上。这种结构类型，监控站在PROFIBUS网上作为二类主站，可完成远程编程，参数化及在线：使用PC机加PROFIBUS网卡做一类主站，监控站与一类主站一体化。这是一个低成本方案，但PC机应选用具有高可靠性，能长时间连续运行的工业级PC机。对于这种结构类型，PC机故障将导致整个系统将瘫痪。另外，通信厂商通常只提供一个模板的驱动程序，总线控制．从站控制程序．监控程序可能要由用户开发，因此应用开发工作量可能会较大。

　　保定市燃气总公司天然气储配站于2002年3月建成并投入使用，它担负着保定市居民、公共福利及工业用户的天然气供气任务。设计能力1亿米3/年，全站包括高-中压A及高-中压B两套调压设备及4个2000米3的高压贮罐。本站计算机监控系统由现场数据采集与控制设备b体育app下载官网、计算机下位系统、计算机上位系统和计算机网络组成，预留与公司调度中心的接口，完成压力的调节控制、贮气送气控制、储气量实时检测、温度检测、流量检测、加臭控制及报警连锁控制等内容。是我公司SCADA系统中的远程操作站。

　　通过对多种现场总现技术标准的综合比较并结合天然气行业的特点我们采用了PROFIBUS-DP现场总线技术。整个监控网络分为两级。一级网络以PLC做为一类主站，监控站（二类主站）连接在PROFIBUS总线上可完成远程编程，参数化及在线监控功能。二级为现场级网络，由于现场设备不具备PROFIBUS接口，采用分散式I／O作为总线接口与现场设备连接。

　　灵活的扩充性能，方便于现场设备的扩充。当增加现场设备时可直接在母板插槽上安装相应的模块，连接到现场设备，更改相应的控制程序即可，而不需要再挖沟敷设现场I/O站到监控室的电缆。由于模块的品种少功能强，因此不必再采购大量的备品备件，只需少量的备件即可满足维修维护的需要。

　　我们决定采用西门子公司的S7-400系统中的412-2作为系统的主控PLC。它是西门子公司为工业控制设计的高端PLC，它通过PROFIBUS-DP总线完成与现场总线设备的通讯、监控任务，还完成对本地现场总线设备的监控，同时通过MPI多点通讯协议高可靠、高质量地完成与上位机的通讯任务，从而在不降低系统可靠性的基础上进一步降低设备投资。S7-400组成双网结构并结合冗余软件包和系统热备控制软件完成对现场设备进行控制，实现系统的高可靠运行。

　　通过我公司储配站对总线控制技术的应用可以看出，总线控制技术在天然气储配站系统中有着无以伦比的优势，其采用的冗余技术不但扩充性强，易于维护管理，稳定性好，而且节省电缆，减少了施工费用、安全栅及接线端子机柜的购置费用，同时今后的维护费用及运行费用也将有很大程度的降低。因此，总线控制技术在天然气储配站系统中具有极其广泛的应用前景。