现场总线技术介绍和现场总线系统应用研究

　　1 现场总线系统概述

　　随着控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，数字化技术正在从工业生产过程的决策层、管理层、监控层和控制层渗透到现场设备，这样就产生了现场总线技术以及由此组成的控制系统—现场总线控制系统（FCS，FieldbusControlSystem）。自现场总线技术在90年代后期问世以来，它就已经开创了自动化控制技术的新纪元—数字时代。目前现场总线技术已经在国内化工、石化、冶金、建材、医药等工业过程中开始了成功的应用并取得了显著的效益。

　　在国内，现场总线在火电厂机组控制方面已有局部使用，但还没有在全厂使用现场总线控制系统的范例。签与此，我们在某电厂机组重要程度相对较低的锅炉补给水处理、工业废水处理、循环水处理系统（以下简称主厂房外水系统）采用现场总线技术进行控制，作为FCS应用的尝试与研究。

　　2 现场总线技术

　　根据国际电工委员会IEC61158标准的定义：安装在制造或生产过程区域的现场装置与控制自动控制装置之间的数字式、串行、双向、多点通信的数据总线称为现场总线。由现场总线与现场智能设备组成的控制系统称为现场总线控制系统FCS。

　　衡量一个控制系统是否为真正的现场总线控制系统FCS有三个关键要点，即：核心、基础和本质。FCS的核心是总线协议，只有遵循现场总线协议的控制系统，才能称为现场总线控制系统；FCS的基础是数字智能现场仪表，它是FCS的硬件支撑；FCS的本质是信息处理现场化，这是FCS的系统效能体现。现场总线控制系统是一种全计算机、全数字、双向通信的新型控制系统。现场设备级的数字化、网络化是电厂信息化管理的基础。

　　现场总线技术开发的出发点就是要为用户提供开放的、具有可互操作性、可互换性和统一标准的测量和控制产品，以现场总线技术为基础的FCS的优越性概括起来有以下几方面：互操作性、分散性、可靠性、精确性、开放性、经济性、可维护性。

　　1999年底IECTC65（负责工业测量和控制的第65标准化委员会）通过了8种类型的现场总线作为IEC61158国际标准。2001年8月经过修订制定出10种类型的现场总线标准（第三版），分别为：

　　（1）Type1 TS61158（FF H1）现场总线

　　（2）Type2 ControlNet和EtherNet/IP现场总线

　　（3）Type3 Profibus现场总线

　　（4）Type4 P-Net现场总线

　　（5）Type5 FFHSE现场总线

　　（6）Type6 SwiftNet现场总线

　　（7）Type7 WorldFIP现场总线

　　（8）Type8 Interbus现场总线

　　（9）Type9 FF HSE现场总线

　　（10）Type10 Profinet现场总线

　　各种现场总线是针对不同的应用领域开发的，不可能采用同一种总线解决所有的工业控制和过程控制。

　　在连续生产的过程自动化领域如石化、化工、电力、冶金等Profibus和FF总线比较适合。下面对Profibus和FF总线分别进行介绍：

　　Profibus现场总线

　　PROFIBUS是过程现场总线(ProcessFieldBus)的缩写。它是IEC61158和IEC61784所规定的现场总线标准，PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS。

　　PROFIBUS-DP是一种高速低成本通讯系统，主要应用于自动化系统中单元级和现场级通讯。它按照ISO/OSI参考模型定义了物理层、数据链路层和用户接口，传输技术采用RS-485双绞线电缆和光缆，波特率从9.6kbps到12Mbps；支持单主或多主系统令牌传输方式，总线上最大站点数为126个。采用双绞线则最大通讯距离为1200m(通信速率为93.75kpbs)，若采用中继器可延长至10km。采用光纤则距离可延长至几十公里且可达到12Mbps的通讯速率。

　　PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使变送器与执行器连接在一根总线上，并提供本质安全和总线供电特性。PROFIBUS-PA采用扩展的PROFIBUS-DP协议，另外还有现场设备描述的PA行规。通讯介质采用双绞线，传输率为31.25kbps，距离可达1900m。每段最多32个站点。

　　PROFIBUS-FMS定义了主站与主站之间的通讯，根据ISO/OSI参考模型定义了物理层、链路层和应用层，其中应用层包含了现场总线报文规范FMS(FieldMessageSpecification)和低层接口LLI(LowerLayerInterface),最高通信速率为12Mbps(通信距离不超过100m)。

　　FF现场总线

　　FF现场总线系统由低速H1总线和高速以太网H2组成。其传输介质为双绞线。H1总线主要用于生产现场，速率为31.25kbps，两线制信号传输并同时向现场设备供电，具备本质安全特征。H2总线主要面向过程控制级、远程I/O和高速工厂自动化的应用，采用100Mbps高速以太网协议。

通过上面的介绍可以对Profibus和FF总线相比较，FF较适合连续量控制（取代4~20mA模拟量），而Profibus较适合离散量控制。Profibus和FF总线在国内外电厂均有成功的应