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天然气贮配站自控系统中，取得了良好的经济效益和社会效益。

一．工业现场总线技术

（一）现场总线技术的由来

1．CIMS体系结构及工业数据结构的层次划分

　　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．传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统的特点

　　传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统（包括：基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统），其主要特点之一是，现场层设备与控制器之间的连接是一对一的（一个I/O点对设备的一个测控点）所谓I/O接线方式，传送模拟量或开关量信息。这种结构主要存在以下几个缺陷：

1）信息集成能力不强：控制器与现场设备之间靠I/O连线连接，传送4-20mA模拟量信号或24VDC开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障纪录等数据很难得到。底层数据不全、信息集成能力不强，不能完全满足CIMS系统对底层数据的要求。

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，系统其它软、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，允许其它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。

3）可靠性不易保证：对于大范围的分布式系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。

4）可维护性不高：由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。

3．现场总线技术的产生

　　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控制器，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，控制器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，控制器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，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。

（二）现场总线技术的概念

1.现场总线技术

现场总线技术可概括如下：

●现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中，“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。

●或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。

2.现场总线技术产生的意义

现场总线技术是实现现场级设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术。这是一次工业现场级设备通信的数字化革命。与传统的基于一对一连线采用模拟信号传输的现场级自动化监控系统相比基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统加入到工厂