現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及其在天然氣貯配站自控系統中的應用

　　現場(chǎng)總線(xiàn)是當今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，是用于現場(chǎng)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(lián)、多變量、多點(diǎn)、多站的通訊系統，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)?，F場(chǎng)總線(xiàn)的出現，標志著(zhù)工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)始，并將對該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)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(chǎn)自動(dòng)化控制系統以來(lái)就一直致力于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)尤其是工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)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）應用的技術(shù)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(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

一．工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

（一）現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的由來(lái)

1．CIMS體系結構及工業(yè)數據結構的層次劃分

　　根據工廠(chǎng)管理、生產(chǎn)過(guò)程及功能要求，CIMS體系結構可分為5層，即工廠(chǎng)級、車(chē)間級、單元級、工作站級和現場(chǎng)級。簡(jiǎn)化的CIMS則分為3層，即工廠(chǎng)級、車(chē)間級和現場(chǎng)級?，F場(chǎng)級與車(chē)間級自動(dòng)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(wǎng)、在線(xiàn)設備狀態(tài)監測及現場(chǎng)設備運行、生產(chǎn)數據的采集、存儲、統計等功能，保證現場(chǎng)設備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現場(chǎng)設備生產(chǎn)及運行數據信息傳送到工廠(chǎng)管理層，向工廠(chǎng)級MIS系統數據庫提供數據。同時(shí)也可接受工廠(chǎng)管理層下達的生產(chǎn)管理及調度命令并執行。因此，現場(chǎng)級與車(chē)間級監控及信息集成系統是實(shí)現工廠(chǎng)自動(dòng)化及CIMS系統的基礎。

2．傳統的現場(chǎng)級與車(chē)間級自動(dòng)化監控及信息集成系統的特點(diǎn)

　　傳統的現場(chǎng)級與車(chē)間級自動(dòng)化監控及信息集成系統（包括：基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統），其主要特點(diǎn)之一是，現場(chǎng)層設備與控制器之間的連接是一對一的（一個(gè)I/O點(diǎn)對設備的一個(gè)測控點(diǎn)）所謂I/O接線(xiàn)方式，傳送模擬量或開(kāi)關(guān)量信息。這種結構主要存在以下幾個(gè)缺陷：

1）信息集成能力不強：控制器與現場(chǎng)設備之間靠I/O連線(xiàn)連接，傳送4-20mA模擬量信號或24VDC開(kāi)關(guān)量信號，并以此監控現場(chǎng)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(mǎn)足CIMS系統對底層數據的要求。

2）系統不開(kāi)放、可集成性差、專(zhuān)業(yè)性不強：除現場(chǎng)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(chǎn)品。不同廠(chǎng)家產(chǎn)品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差。這種系統很少留出接口，允許其它廠(chǎng)商將自己專(zhuān)長(cháng)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中去，因此，面向行業(yè)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(chǎng)級設備信息不全，現場(chǎng)級設備的在線(xiàn)故障診斷、報警、記錄功能不強。另一方面也很難完成現場(chǎng)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(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)生

　　由于大規模集成電路的發(fā)展，許多傳感器、執行機構、驅動(dòng)裝置等現場(chǎng)設備趨于智能化，即內置CPU控制器，完成諸如線(xiàn)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(chǎng)設備增加一個(gè)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(xié)議，通過(guò)串行通信方式（而不是I/O方式）完成對現場(chǎng)設備的監控。如果設想全部或大部分現場(chǎng)設備都具有串行通信接口并具有統一的通信協(xié)議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現場(chǎng)設備連接，完成對所有現場(chǎng)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(chǎng)總線(xiàn)的數字信號，由數字化通信網(wǎng)絡(luò )構成現場(chǎng)級與車(chē)間級自動(dòng)化監控及信息集成系統，這就形成了現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。

（二）現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的概念

1.現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)可概括如下：

●現場(chǎng)總線(xiàn)是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區域的現場(chǎng)設備/儀表與控制室內的自動(dòng)控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、多點(diǎn)通信的數據總線(xiàn)。其中，“生產(chǎn)過(guò)程”包括斷續生產(chǎn)過(guò)程和連續生產(chǎn)過(guò)程兩類(lèi)。

●或者，現場(chǎng)總線(xiàn)是以單個(gè)分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，用總線(xiàn)相連接，實(shí)現相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò )系統與控制系統。

2.現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)產(chǎn)生的意義

　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是實(shí)現現場(chǎng)級設備數字化通信的一種工業(yè)現場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)。這是一次工業(yè)現場(chǎng)級設備通信的數字化革命。與傳統的基于一對一連線(xiàn)采用模擬信號傳輸的現場(chǎng)級自動(dòng)化監控系統相比基于現場(chǎng)總線(xiàn)的自動(dòng)化監控系統采用計算機數字化通信技術(shù)，使自控系統加入到工廠(chǎng)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)現場(chǎng)。在CIMS系統中，現場(chǎng)總線(xiàn)是工廠(chǎng)計算機網(wǎng)絡(luò )到現場(chǎng)級設備的延伸，是支撐現場(chǎng)級與車(chē)間級信息集成的技術(shù)基礎。

3．基于現場(chǎng)總線(xiàn)的自動(dòng)化監控及信息集成系統主要優(yōu)點(diǎn)

1）增強了現場(chǎng)級信息集成能力
　　現場(chǎng)總線(xiàn)可從現場(chǎng)設備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿(mǎn)足工廠(chǎng)自動(dòng)化及CIMS系統的信息集成要求?，F場(chǎng)總線(xiàn)是數字化通信網(wǎng)絡(luò )，它不單純取代4-20mA信號，還可實(shí)現設備狀態(tài)、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(kāi)放式、互操作性、互換性、可集成性
　　不同廠(chǎng)家產(chǎn)品只要使用同一總線(xiàn)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(kāi)放式，允許其它廠(chǎng)商將自己專(zhuān)長(cháng)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中去，因此，市場(chǎng)上將有許多面向行業(yè)特點(diǎn)的監控系統。

3）系統可靠性高、可維護性好
　　基于現場(chǎng)總線(xiàn)的自動(dòng)化監控系統采用總線(xiàn)連接方式替代一對一的I/O連線(xiàn)，對于大規模I/O系統來(lái)說(shuō)，減少了由接線(xiàn)點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，系統具有現場(chǎng)級設備的在線(xiàn)故障診斷、報警、記錄功能，可完成現場(chǎng)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(lái)說(shuō)，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。[next]

（三）現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)標準

　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)得以實(shí)現的一個(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場(chǎng)總線(xiàn)通信協(xié)議技術(shù)標準，制造商們能按照標準生產(chǎn)產(chǎn)品，系統集成商門(mén)能按照標準將不同產(chǎn)品組成系統。這就提出了現場(chǎng)總線(xiàn)標準的問(wèn)題。目前國際上現有各種總線(xiàn)及總線(xiàn)標準不下二百多種。具有一定影響和已占有一定市場(chǎng)份額的總線(xiàn)有如下幾種：

1．PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)

　　1996年3月15日批準為歐洲標準，即DIN50170V.2。PROFIBUS產(chǎn)品在世界市場(chǎng)上已被普遍接受，市場(chǎng)份額占歐洲首位，年增長(cháng)率25%。目前支持PROFIBUS標準的產(chǎn)品超過(guò)1500多種，分別來(lái)自國際上250多個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家。在世界范圍內已安裝運行的PROFIBUS設備已超過(guò)200萬(wàn)臺，到1998年5月，適用于過(guò)程自動(dòng)化的PROFIBUS-PA儀表設備在19個(gè)國家的40個(gè)用戶(hù)廠(chǎng)家投入現場(chǎng)運行。其主要有以下幾個(gè)應用領(lǐng)域有：

制造業(yè)自動(dòng)化：汽車(chē)制造（機器人、裝配線(xiàn)、沖壓線(xiàn)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、風(fēng)機、照明。
鐵路交通：信號系統

2．FF現場(chǎng)總線(xiàn)

　　1994年由ISP基金會(huì )和WorldFIP（北美）兩大集團合并成立FF基金會(huì )，其宗旨在于開(kāi)發(fā)出符合IEC和ISO標準的、唯一的國際現場(chǎng)總線(xiàn)（FundationFieldbus）。目前，FF現場(chǎng)總線(xiàn)的應用領(lǐng)域以過(guò)程自動(dòng)化為主。如：化工、電力廠(chǎng)實(shí)驗系統、廢水處理、油田等行業(yè)。

3．LONWORKS總線(xiàn)

　　LONWORKS現場(chǎng)總線(xiàn)全稱(chēng)為L(cháng)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場(chǎng)總線(xiàn)應用場(chǎng)合的測控網(wǎng)絡(luò )。目前LONGWORKS應用范圍廣泛，主要包括工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)化、數據采集、SCADA系統等。國內主要應用于樓宇自動(dòng)化方面。

4．CANBUS現場(chǎng)總線(xiàn)

　　CANBUS現場(chǎng)總線(xiàn)已由ISO/TC22技術(shù)委員會(huì )批準為國際標準ISO11898（通訊速率小于1Mbps）和ISO11519（通訊速率小于125Kbps）。CANBUS主要產(chǎn)品應用于汽車(chē)制造、公共交通車(chē)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(dòng)化等場(chǎng)合均有所應用。

5．WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn)

　　90—91年FIP現場(chǎng)總線(xiàn)成為法國國家安全標準。96年成為歐洲標準（EN50170V.3）。下一步目標是靠近IEC標準，現在技術(shù)上已做好充分準備。

　　WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn)采用單一總線(xiàn)結構來(lái)適應不同應用領(lǐng)域的需求，不同應用領(lǐng)域采用不同的總線(xiàn)速率。過(guò)程控制采用31.25Kbit/s,制造業(yè)為1Mbit/s,驅動(dòng)控制為1-2.5Mbit/s。采用總線(xiàn)仲裁器和優(yōu)先級來(lái)管理總線(xiàn)上（包括各支線(xiàn)）的各控制站的通信?？蛇M(jìn)行1對1、1對多點(diǎn)（組）、1對全體等多重通信方式。在應用系統中，可采用雙總線(xiàn)結構，其中一條總線(xiàn)為備用線(xiàn)，增加了系統運行的安全性。

　　WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn)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用。

6．P-NET現場(chǎng)總線(xiàn)

　　P-NET現場(chǎng)總線(xiàn)籌建于1983年。1984年推出采用多重主站現場(chǎng)總線(xiàn)的第一批產(chǎn)品。1986年通信協(xié)議中加入了多重網(wǎng)絡(luò )結構和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重接口產(chǎn)品。1987年P(guān)-NET標準成為開(kāi)放式的完整標準，成為丹麥的國家標準。1996年成為歐洲總線(xiàn)標準的一部分（EN50170V.1）。1997年組建國際P-NET用戶(hù)組織，現有企業(yè)會(huì )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(chǎng)總線(xiàn)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(huán)保工程和制造業(yè)等應用領(lǐng)域
。
（四）如何選擇現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

1．現狀

　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)問(wèn)世初期，人們有一個(gè)良好的愿望，即制定一部國際自動(dòng)化行業(yè)統一使用的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)標準，這樣，所有現場(chǎng)設備都可以方便實(shí)現互連。經(jīng)過(guò)十多年的努力，卻出現了一個(gè)令人們失望的結果，即1999年12月IEC61158（TS），通過(guò)決議，將8種國際上現存的現場(chǎng)總線(xiàn)標準，合并到IEC61158（TS）文本中，做為國際現場(chǎng)總線(xiàn)標準。人們沒(méi)有得到期望的統一的現場(chǎng)總線(xiàn)標準。

　　面對現實(shí)，多數現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)專(zhuān)家認為：由于自動(dòng)化技術(shù)涉及的應用領(lǐng)域廣泛、對控制性能要求各不相同，差異很大，另一方面，現場(chǎng)設備種類(lèi)繁多，涉及的技術(shù)規范和標準繁雜；因此，希望使用一種現場(chǎng)總線(xiàn)標準覆蓋所有自動(dòng)化行業(yè)的應用是不現實(shí)的；多種總線(xiàn)技術(shù)并存的狀況將維持相當一段時(shí)間。

2．如何選擇

面對多種總線(xiàn)技術(shù)并存，用戶(hù)如何選擇呢？

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

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

3）業(yè)績(jì)：現場(chǎng)總線(xiàn)在行業(yè)中的應用業(yè)績(jì)。

二．PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)標準

（一）概貌

1.PROFIBUS是一種國際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于設備生產(chǎn)商的現場(chǎng)總線(xiàn)標準。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(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設計，可使傳感器和執行機構聯(lián)在一根總線(xiàn)上，并有本征安全規范。

5.PROFIBUS－FMS：用于車(chē)間級監控網(wǎng)絡(luò )，是一個(gè)令牌結構的實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò )。

6.PROFIBUS是一種用于工廠(chǎng)自動(dòng)化中車(chē)間級監控和現場(chǎng)設備層數據通信與控制的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)?？蓪?shí)現現場(chǎng)設備層到車(chē)間級監控的分散式數字控制和通信，從而為實(shí)現工廠(chǎng)綜合自動(dòng)化和現場(chǎng)設備智能化提供了可行的解決方案。

7.與其它現場(chǎng)總線(xiàn)系統相比，PROFIBUS的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有穩定的國際標準EN50170作保證，并經(jīng)實(shí)際應用驗證具有普遍性。目前已應用的領(lǐng)域包括加工制造．過(guò)程控制和自動(dòng)化等。PROFIBUS開(kāi)放性和不依賴(lài)于廠(chǎng)商的設想，已在10多萬(wàn)成功應用中得以實(shí)現。市場(chǎng)調查確認，在德國和歐洲市場(chǎng)中PROFIBUS占開(kāi)放性工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)系統的市場(chǎng)超過(guò)40％。PROFIBUS有國際著(zhù)名自動(dòng)化技術(shù)裝備的生產(chǎn)廠(chǎng)商支持，它們都具有各自的技術(shù)優(yōu)勢并能提供廣泛的、優(yōu)質(zhì)的新產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)。

（二）基本特性

1．協(xié)議結構

　　PROFIBUS協(xié)議結構是根據ISO7498國際標準，以開(kāi)放式系統互聯(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(hù)接口。第三到七層未加描述。用戶(hù)接口規定了用戶(hù)及系統以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說(shuō)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(chǎng)總線(xiàn)信息規范（FieldbusMessageSpecification-FMS）和低層接口（LowerLayerInterface－LLI）。FMS包括了應用協(xié)議并向用戶(hù)提供了可廣泛選用的強有力的通信服務(wù)。LLI協(xié)調不同的通信關(guān)系并提供不依賴(lài)設備的第二層訪(fǎng)問(wèn)接口。

3）PROFIBUS－PA：PA的數據傳輸采用擴展的PROFIBUS－DP協(xié)議。另外，PA還描述了現場(chǎng)設備行為的PA行規。根據IEC1158－2標準，PA的傳輸技術(shù)可確保其本征安全性，而且可通過(guò)總線(xiàn)給現場(chǎng)設備供電。使用連接器可在DP上擴展PA網(wǎng)絡(luò )。

2．傳輸技術(shù)

PROFIBUS提供了三種數據傳輸類(lèi)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控制系統的幾種配置形式

1.現場(chǎng)級

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

2）單一總線(xiàn)型：現場(chǎng)設備都具備PROFIBUS接口。這是一種理想情況?？墒褂矛F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，實(shí)現完全的分布式結構，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，這種方案設備成本會(huì )較高。

3）混合型：現場(chǎng)設備部分具備PROFIBUS接口。這將是一種相當普遍的情況。這時(shí)應采用PROFIBUS現場(chǎng)設備加分散式I／O混合使用的辦法。無(wú)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(chǎng)設備的場(chǎng)合可能不多，分散式I／O可作為通用的現場(chǎng)總線(xiàn)接口，是一種靈活的集成方案。

2．監控級

　　根據實(shí)際需要及經(jīng)費情況，通常有如下幾種結構類(lèi)型：

1）結構類(lèi)型1：以PLC或控制器做一類(lèi)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(lèi)型，PLC或控制器完成總線(xiàn)通信管理，從站數據讀寫(xiě)，從站遠程參數化等工作。

2）結構類(lèi)型2：以PLC或控制器做一類(lèi)主站，監控站通過(guò)串口與PLC一對一的連接。這種結構類(lèi)型，監控站不在PROFIBUS網(wǎng)上，不是二類(lèi)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(lèi)型3：以PLC或其它控制器做一類(lèi)主站，監控站（二類(lèi)主站）連接在PROFIBUS總線(xiàn)上。這種結構類(lèi)型，監控站在PROFIBUS網(wǎng)上作為二類(lèi)主站，可完成遠程編程，參數化及在線(xiàn)監控功能。

4）結構類(lèi)型4：使用PC機加PROFIBUS網(wǎng)卡做一類(lèi)主站，監控站與一類(lèi)主站一體化。這是一個(gè)低成本方案，但PC機應選用具有高可靠性，能長(cháng)時(shí)間連續運行的工業(yè)級PC機。對于這種結構類(lèi)型，PC機故障將導致整個(gè)系統將癱瘓。另外，通信廠(chǎng)商通常只提供一個(gè)模板的驅動(dòng)程序，總線(xiàn)控制．從站控制程序．監控程序可能要由用戶(hù)開(kāi)發(fā)，因此應用開(kāi)發(fā)工作量可能會(huì )較大。

5）結構類(lèi)型5：堅固式PC機（COMOPACTCOMPUTER）＋PROFIBUS網(wǎng)卡＋SOFTPLC的結構形式。如果結構類(lèi)型4中PC機換成一臺堅固式PC機（COMOPACTCOMPUTER），系統可靠性將大大增強，足以使用戶(hù)信服。

　　近來(lái)出現一種稱(chēng)為SOFTPLC的軟件產(chǎn)品，是將通用型PC機改造成一臺由軟件（軟邏輯）實(shí)現的PLC。這種軟件將PLC的編程、應用程序運行、在線(xiàn)監控和操作員監控站圖形界面開(kāi)發(fā)等功能集成到一臺堅固式PC機上，形成一個(gè)PLC與監控站一體的控制器工作站。

6）結構類(lèi)型6：使用兩級網(wǎng)絡(luò )結構，這種方案充分考慮了未來(lái)擴展需要，比如要增加幾條生產(chǎn)線(xiàn)即擴展出幾條DP網(wǎng)絡(luò )，車(chē)間監控要增加幾個(gè)監控站等，都可以方便進(jìn)行擴展。采用了兩級網(wǎng)絡(luò )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(zhù)保定市居民、公共福利及工業(yè)用戶(hù)的天然氣供氣任務(wù)。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(gè)2000米3的高壓貯罐。本站計算機監控系統由現場(chǎng)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(wǎng)絡(luò )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(shí)時(shí)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(wǎng)絡(luò )結構及技術(shù)標準

1．網(wǎng)絡(luò )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(xiàn)型拓撲相結合的混合型網(wǎng)絡(luò )結構，網(wǎng)絡(luò )結構見(jiàn)附圖。

2．技術(shù)標準

　　通過(guò)對多種現場(chǎng)總現技術(shù)標準的綜合比較并結合天然氣行業(yè)的特點(diǎn)我們采用了PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。整個(gè)監控網(wǎng)絡(luò )分為兩級。一級網(wǎng)絡(luò )以PLC做為一類(lèi)主站，監控站（二類(lèi)主站）連接在PROFIBUS總線(xiàn)上可完成遠程編程，參數化及在線(xiàn)監控功能。二級為現場(chǎng)級網(wǎng)絡(luò )，由于現場(chǎng)設備不具備PROFIBUS接口，采用分散式I／O作為總線(xiàn)接口與現場(chǎng)設備連接。

（二）設備選型

1．現場(chǎng)I/O站的選擇

　　現場(chǎng)I/O站將現設備信號進(jìn)行處理轉化為數字信號，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)接口與上位系統進(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)品是是遠程I/O技術(shù)、安全柵技術(shù)與現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的組合，是可以直接安裝在危險1區的本安型現場(chǎng)總線(xiàn)部件。該系統由母板、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，大大增加了系統的安全性和穩定性。所有模塊均支持在線(xiàn)熱插撥，而且不用借助任何工具。系統可以自動(dòng)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(wǎng)關(guān)提供了一個(gè)擴展了的PROFIBUS-DP的診斷功能，可向用戶(hù)提供包括每一個(gè)通道的錯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)，根據指示燈的顏色指示正常、錯誤及開(kāi)關(guān)量輸入/輸出的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，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(chǎng)設備的擴充。當增加現場(chǎng)設備時(shí)可直接在母板插槽上安裝相應的模塊，連接到現場(chǎng)設備，更改相應的控制程序即可，而不需要再挖溝敷設現場(chǎng)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(mǎn)足維修維護的需要。

　　目前已經(jīng)形成生產(chǎn)規模并投放市場(chǎng)的現場(chǎng)I/O設備的生產(chǎn)廠(chǎng)家較多，如SEMENS、TURCK、WAGO，國內沈陽(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(jià)格比。

　　我們決定采用西門(mén)子公司的S7-400系統中的412-2作為系統的主控PLC。它是西門(mén)子公司為工業(yè)控制設計的高端PLC，它通過(guò)PROFIBUS-DP總線(xiàn)完成與現場(chǎng)總線(xiàn)設備的通訊、監控任務(wù)，還完成對本地現場(chǎng)總線(xiàn)設備的監控，同時(shí)通過(guò)MPI多點(diǎn)通訊協(xié)議高可靠、高質(zhì)量地完成與上位機的通訊任務(wù)，從而在不降低系統可靠性的基礎上進(jìn)一步降低設備投資。S7-400組成雙網(wǎng)結構并結合冗余軟件包和系統熱備控制軟件完成對現場(chǎng)設備進(jìn)行控制，實(shí)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(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)不夠配套，如閥門(mén)的電動(dòng)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(xiàn)接口的產(chǎn)品，使現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)節省電纜的優(yōu)越性未能最大限度的體現出來(lái)。建議國內相關(guān)儀表和執行器廠(chǎng)家盡快提高產(chǎn)品的適應性。

2.應用于現場(chǎng)總線(xiàn)系統中的本安型現場(chǎng)I/O產(chǎn)品品種目前為數還不多，尚未形成規模?？晒┻x擇的余地還不大，價(jià)格還偏高。

四．結論

　　通過(guò)我公司儲配站對總線(xiàn)控制技術(shù)的應用可以看出，總線(xiàn)控制技術(shù)在天然氣儲配站系統中有著(zhù)無(wú)以倫比的優(yōu)勢，其采用的冗余技術(shù)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(xiàn)端子機柜的購置費用，同時(shí)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(xiàn)控制技術(shù)在天然氣儲配站系統中具有極其廣泛的應用前景。