淺議現場總線在石化行業自動控制中的應用

姜芹

(江蘇華瑞技工學校，江蘇儀征 211900）

專題論述

淺議現場總線在石化行業自動控制中的應用

姜芹

(江蘇華瑞技工學校，江蘇儀征 211900）

現場總線是一種現場通信網絡，是自動控制領域深刻變革的核心技術。該文介紹了現場總線的發展歷史和應用現狀，指出了目前在石化行業應用中存在的主要問題，并對其發展提出自己的觀點。

現場總線石化行業發展應用

信息技術的飛速發展導致了自動控制領域的深刻變革，作為國家經濟發展重要支柱產業的石化工業，也對自動控制系統提出了更高的要求，電動儀表逐步向數字化、智能化方向發展，計算機系統向網絡化、開放化發展，并逐步形成了網絡化的、全開放式的自動化控制體系結構，現場總線正是這場深刻變革中最核心的技術。“現場總線”一詞得到廣泛應用不過是近20年的事，其通用的含義是指用來連接諸如變送器、執行器和PLC等現場設備的網絡。而按照國際電工委員會IEC61158標準的定義，現場總線是“安裝在生產過程區域的現場設備、儀表與控制室內的自動控制裝置、系統之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線”。但這些都只是定義而已。事實上現場總線技術包含了一系列看似密切相關，實際上卻各不相同的解決方案和技術。20年來，這方面的文章連篇累牘，研討會多不勝數，產品層出不窮，當然還有那許許多多的標準。那么，現場總線技術到底是怎么產生的，目前應用情況如何，又將向何處發展呢?

1 現場總線的發展歷史［1］

現場總線概念有數個起源，但可以將它們歸結為兩個方面:一方面是最終用戶的需求，另一方面是技術的進步。

1.1 用戶需求

首先是終端用戶對標準化的需求開啟了現場總線發展的大幕。此時，作為現場總線前身的Modbus (源自Modicon Bus）和WDPF(源自Westinghouse Distributed Processing Family）在工業自動控制中脫穎而出。同時，另一種網絡Military Standard在航空航天界也得到了廣泛應用。而在核檢測儀表領域，把創建于20世紀60年代的CAMAC網絡看著是第1個儀表網絡。到了20世紀70年代，出現了一些用于連接PLC的網絡，如Allen Bradley Data High-Way和Tiway，而用于過程工業自動控制的網絡也在此時出現了。

但由于缺乏標準，很難將不同的系統進行整合。用于網關、適配器等的費用使得系統成本極高。此時，兩家美國公司開始了旨在“定義一個標準通訊協議”的計劃。它們分別是波音公司的TOP(Technical and Office Protocol）項目和通用汽車公司的MAP(Manufacturing Automation Protocol）項目。希望能使所有的設備之間都能通訊，而又不必增加專用的硬件設備和軟件。在體系結構上則屬意于CIM (計算機集成制造）的分層結構的思想，同時還要求簡化配線。因為在此前，位于最低層的現場存在著許多標準，如模擬變送器的4～20 mA標準、數字輸入的0～24 V標準等等。這些標準的特點是每個模擬和數字點都需要2根導線連接，因此必須使用大量導線，提高了設計和施工成本，也增加了維護的難度。因此在1971年確定了現場總線簡化配線的思路。

1.2 技術進步

技術的進步給現場總線的發展提供了可能性。首先是1978年出現的OSI-ISO模型。這種如今眾所周知的模型起初用于計算機互連網，但它給現場總線帶來了對數據通信更好的理解，對新型通信協議的設計和標準化的正確思路。而局域網技術和MAC協議的出現給分布式系統的各種應用帶來了機會。最后是在20世紀70、80年代發展起來的微電子和DSP技術，使得制造具有通信功能的新型儀表有了可能性。而1982年由飛利浦公司首創的I2C網絡(Inter Integrated Circuits），本來用于電視機內不同集成電路之間的互連，但卻實現了將“智能”裝進最小的設備中，當然也能裝進任何變送器或執行器中。這些具備了數字處理能力的現場儀表必然要采用新的通信方式，這成了現場總線發展的另一個理由。

可見，各種因素造就了現場總線奇跡。1985年召開的IEC大會上首次確定了“現場總線”這一名詞，宣告現場總線技術的正式誕生。

2 現場總線的主要技術特點

現場總線打破了傳統控制系統的結構形式，將所有的設備作為網絡節點連接到總線上，不僅節省了電纜，而且還方便了布線。除此之外，現場總線的結構還有以下特點:

a）具有較高的性價比;

b）采用數字信號通信;

c）雙向傳輸;

d）互操作與互用性;

e）系統的開放性;

f）系統結構的高度分散;

g）現場設備具有智能和自治的特點;

h）提高了系統的精度和自診斷功能;

i）降低了設計、安裝的軟硬件費用和系統的維護費用，組態和修改容易。

3 現場總線的應用現狀

3.1 現場總線標準現狀

現場總線產生的軌跡注定了其標準的多樣性，而巨大的市場又吸引了眾多的廠商和組織。目前世界上存在著大約40余種現場總線，如法國的FIP，英國的ERA，德國西門子公司的Profibus，挪威的FINT，Echelon公司的Lonworks，PhenixContact公司的Interbus，RoberBosch公司的CAN，Rosemount公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI(ActraturSensorInterface），Modbus，SDS，Arcnet，國際標準組織－基金會現場總線FF(Foundation FieldBus），WorldFIP，BitBus，美國的DeviceNet與ControlNet等等［2］。

美國ARC公司的市場調查顯示，世界市場對各種現場總線的需求為:過程自動化15%(FF、Profibus-PA、WorldFIP），醫藥領域18%(FF、Profibus-PA、WorldFIP），加工制造15%(Profibus-DP、DeviceNet），交通運輸15%(Profibus-DP、DeviceNet），航空、國防34%(Profibus-FMS、LonWorks、ControlNet、DeviceNet）［3］。可見，各種現場總線都有其應用領域。

適用于石化自動控制領域的主要有FF、PROFIBUS-PA、CAN、HART等。當然，每種現場總線都力圖將其應用領域擴大，彼此滲透。由于競爭激烈，而且還沒有哪一種或幾種總線能一統市場，很多重要企業都力圖開發接口技術，使自己的總線能和其他總線相連，在國際標準中也出現了協調共存的局面。

3.2 全球應用現狀［4］

據市場調查公司IMS Research的報告顯示，2009年全球新增現場總線節點數約為2千3百萬，其中profibus約為4百多萬，市場占有率最高。但由于FF基金會幾乎集中了世界上主要自動化儀表制造商，其全球影響力正日益增加。

另一個特點是幾種主要的現場總線占據了主導地位，Profibus、CANopen、DeviceNet、AS-Interface、ControlNet、Modbus、INTERBUS、Foundation FieldBus、FireWire、SERCOSⅠ＆Ⅱ、CC-Link和HART共占有了全球大約70%的市場。而包含串口協議及公司內協議等的其他類總線協議新增節點數只占有約30%的市場。

從產品應用上看，PLC、I/O模組和變頻器是采用現場總線最多的自動化產品，且相較PLC而言，變頻器鏈接現場總線的比率相對較低，但現在已有越來越多的用戶開始將變頻器鏈接到現場總線上，因此，預計其未來的增長率最高，到2014年，變頻器鏈接現場總線的數量將超過PLC。

3.3 中國應用現狀

據IMS Research的報告顯示，2009年中國新增現場總線節點數約為2百萬。而工控網提供的數據也顯示，到2009年底，全國已有超過1.544 8×107個各類現場總線節點，增長率超過10%，多數應用在石化行業［5］。

目前，較為流行的現場總線有FF、LonWorks、Profibus、WorldFIP、CAN、HART(過渡協議）等，這些現場總線和過渡協議在我國(主要是北京）都有了代表處或掛靠單位，并且大多數都有不同程度的開發和應用。石化行業廣泛應用的FF和HART列入了“九五”攻關項目，參加現場總線智能儀表的研究開發單位主要有:西安儀表集團、上海工業自動化儀表研究所、重慶工業自動化儀表研究所、上海自動化儀表股份公司、重慶川儀集團、北京華控技術公司等，專門攻克HART協議和FF協議通信軟硬件技術難關［6］。

3.4 存在問題

對實時數據需求的激增使得現場總線技術在石化工業自動控制中有了長足的發展。并且，現場總線設備也以其性能卓越、電纜量少、網絡簡單和維護簡便，贏得了用戶的青睞。但在應用中也存在著一些問題。主要有:

a）由于標準眾多帶來的一次性投資較大，制約了現場總線的發展。一般而言，作為流程工業的石化行業對綜合自動化技術的需求主要關注安全可靠、實時、成本、效率等方面的問題。因此，出于對安全的考慮，石化行業的現場自動控制系統一般都會采用冗余結構，這恰恰抵消了現場總線成本低的優勢;而標準不統一帶來的現場總線儀表價格昂貴，對于現場儀表品種多、數量大的石化行業而言，成本也是不得不考慮的因素。

b）對現場總線的發展方向思路不清。一方面，眾多標準并存的狀態，使得用戶在應用時不得不有所選擇，但在不能清晰把握其發展趨勢時，很難做出合適的決定。就石化行業而言，列入國家“九五”攻關項目的是FF和HART。而從目前的使用情況看，國內迄今最大的3個FF應用工程是:2005年投產的上海賽科、2006年初投產的廣州惠州中海油殼牌石化工程和2009年投產的福建煉化一體化工程(泉州），此外再無此種節點達數萬個的典型應用。不過只要看到2008年國內實際安裝FF的節點數僅為3.46×104個，就可以推算出其總體的發展速度并不理想［7］。目前在石化行業，對FF的看法趨于負面，認為其價格貴、難用、效果不理想;而作為過渡協議的HART，雖然仍在應用，技術也有所改進，但終將被取代。

另一方面，業界從10年前充滿信心地宣布三四年后現場總線將全面取代DCS，到目前面對工業以太網的強勁發展勢頭，又發出現場總線即將成為歷史的悲嘆，再看看現場總線標準不但沒有如預言的在三四年間即可統一，反而越來越亂的現狀，也可看出發展思路之混亂。

c）對現場總線的價值認識不到位，未能完全發揮出其優勢。由于現場總線應用的歷史不長，加之對其優勢的表述并不清晰，用戶并不能真正明白現場總線的長期優勢，僅僅將其當作工業通信的一類工具，而不是將它納入整個企業信息整合的基礎環節，更深層次地加以運用。這方面，上述3大FF典型工程的成功也可說明這一點:上海賽科乙烯工程利用現場總線網絡構建了儀表狀態監測及資產管理系統，用于儀表設備技術管理，包括各類統計查詢報表及各類KPI的自動跟蹤［8］。隨后建成的廣州惠州中海油殼牌石化工程和福建煉化一體化工程(泉州），也都安裝了先進的資源管理系統——AMS，用來構建全廠的智能儀表數據庫，都取得了很好的成效［9］。可見，現場總線的應用尚有很大的潛力可挖。因此，在評價現場總線時，不能僅僅著眼于成本因素，而應該充分考慮其提高資產收益率、減少非計劃停車、避免故障發生以及幫助構建知識型企業的能力。

d）沒有認識到培訓的重要性。盡管現場總線設備使用簡單，但其中采用的技術卻相對復雜。有些現場總線系統采用OSI模型，有些卻是主－從結構等。因此，用戶要想用好由不同協議構成的系統，就必須了解所有的拓撲結構和網絡模型，且往往一個系統的性能越好就越復雜。因此，現場總線應用的成功與否，取決于其開始的計劃階段。仍以國內3大FF應用工程為例。福建煉油乙烯投產時間不長，暫不討論。另兩家相比較而言，南海中海油殼牌聯合石化公司的應用更為成功，其經驗之一就是加強了對儀表維護人員的培訓，使其充分認識到FF設備與控制系統之間的通訊協議與傳統儀表不同，其維護方式和方法也不盡相同。

4 發展前景展望

4.1 現場總線技術方興未艾

現場總線的互操作性、開放性、高度分散性，以及現場設備具有智能和自治的能力和自診斷功能等特點，加上安裝、維護方便，是石化行業理想的自動控制手段。雖然現場總線在目前的應用中還存在著許多問題，但隨著技術進步和人們認識的提高，必將獲得更為廣泛的應用。

另外，認為現場總線將會退出歷史舞臺的主要原因在于，近年來工業以太網在石化工業自動控制中有長足的發展，并正在向現場控制滲透。因此有不少人認為它將完全取代現場總線，但筆者對此不敢茍同。

一方面，從現場總線發展現狀可以看出，工業以太網雖然發展很快，但在絕對數量上，仍然無法與現場總線相比。據IMS Research的報告顯示，2009年全球工業以太網新增節點數約為4.5×106，為現場總線的20%。而在中國，此數量約為0.4×106，也為現場總線的20%。況且，如果要取代現場總線，就必須更換現場儀表設備，這樣做顯然成本極高。而且現場總線畢竟已有20年的歷史，而工業以太網應用于工業控制中，不過是最近的事。并且以太網和TCP/IP原本不是面向控制領域的，在體系結構、協議規則、物理介質、數據、軟件、實驗環境等諸多方面并不成熟，因此，在使用上也不具備優勢。

另一方面，從現場總線取代DCS，到工業以太網取代現場總線，似乎自動控制只能是一統江山的局面，為什么不能是結合甚至是融合呢?事實上，目前的應用多數就是DCS、PLC、工業以太網和現場總線相結合的結構。如前述的上海賽科和南海中海油殼牌，均是DCS與現場總線的結合。而采用工業以太網+現場總線網絡結構的實例也很多。目前在石化行業，集散控制系統DCS與現場總線的集成已形成了幾種主要方式:

a）現場總線與集散控制系統I/O總線上的集成。如Fisher-Rosemount公司的集散控制系統DeltaV采用的即是此方案;

b）現場總線與DCS網絡層的集成。如Smar公司的302系列現場總線產品，可以實現在DCS網絡層集成其現場總線功能;

c）現場總線通過網關與DCS并行集成。這種方式通過網關連接在一個工廠中并行運行的DCS和現場總線系統。如SUPCON的現場總線系統，利用HART協議網橋連接系統操作站與現場儀表，實現現場總線設備管理系統操作站與HART協議現場儀表之間的通信功能［10］。而工業以太網與現場總線的集成方式基本都是在企業信息層采用以太網，而在底層設備級采用現場總線。可見，作為底層網絡，現場總線能完全滿足現代石化企業對底層控制網絡的基本要求，實現真正的全分布式系統，如果能夠充分認識其價值，改進設計、加強培訓工作，現場總線會有更為強勁的發展。

4.2 統一的標準終將出現

制約現場總線發展的一個重要原因，就是多種標準共存，這使得這種以開放性和互操作性著稱的系統，并不能完全顯示其優越性，還造成了現場設備投資太大，成本太高，讓用戶難以認清發展方向的問題。對這個問題的最終解決，業內從開始的極度樂觀，到現在的極度悲觀，甚至有人說，在有生之年已難看到標準統一的局面出現。

也正因如此，業內對多種標準共存的局面仍將繼續已達成的共識，紛紛尋求在此狀態下的解決方法。目前通常采用設備集成的方法。有些提供控制系統的大公司為保證市場上常用的儀表都能和自己的系統即插即能投用(plug-and-work），已專門建立了現場設備集成中心FDIC。譬如，ABB為保證市場的常用FF儀表與其800xA、Freelance 800F等系統集成，在2004年就成立FDIC。FDIC每季度要測試120種儀表設備，每臺設備的平均測試周期為12周。現在在其ABB集成解決庫中累計已有超過50個儀表廠的六七百種儀表產品通過測試，可與其控制系統無縫集成。廣州惠州中海油殼牌石化工程一條成功的經驗就是:保證每臺儀表都要通過HIST (主機互操作測試），即出現了現場總線共用技術——設備集成，追求將系統中所有的智能儀表或設備的數據和功能性，不論采用何種協議，都可無縫地為整個自動化系統所利用。但筆者認為這不是真正的解決方法，只會使狀況愈加混亂。事實上，目前的實際應用情況很不理想，即使同一種現場總線協議仍然存在設備集成的頭疼問題。

因此，筆者認為，多種標準共存的情況不會長期持續下去，現在的混亂狀況恰恰說明統一的標準已是呼之欲出。而要真正解決這個問題，可能需要從兩個方面努力:一是加強計算機控制方面理論的研究，用成熟的理論統一標準;二是各種標準融通，最終在各個領域都形成一種主導標準，使得標準在不同應用領域內統一。

總之，由于在現場總線的設計思想中采用了最新的網絡技術，可以實現多種信息的高速傳輸，因而由其構成的現場總線控制系統，使得管理級可以得到更廣泛、更全面的現場數據，實現真正的集中管理;而現場級所采用的智能儀表，也使得將控制節點下放到現場成為可能，從理論上說這就實現了真正的過程級的分散控制，必將在石化行業的自動控制中得到更為廣泛的應用。但鑒于目前的實際情況，建議國內在應用中，著意加強對現場總線系統設計者、施工者和運行、維護人員的培訓，首先是鞏固、改進和提高現有技術，而非過分引入新技術。這樣一則可以避免因無法看清發展方向而造成的浪費，畢竟IT技術每3～4年更新換代的速度，是石化行業難以接受的;二則也可以積累應用經驗，以期能在未來的發展中走在世界的前列。

［1］Jean-Pierre Thomesse.Fieldbus Technology in Industrial Automa

tion［EB/OL］.http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/04/45/ 75/PDF/Thomesse-fieldbus-ieee.pdf.

［2］深入淺出現場總線技術［EB/OL］.http://www.fieldbuses.com/fieldbusgeneral/102-616.html.

［3］李建新.可編程序控制器應用技術［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/2b8740649b6648d7c1c74652.html.

［4］IMS Research.全球及中國市場現場總線及工業以太網市場現狀及展望［EB/OL］.http://www.docin.com/p-223547624.html

［5］China＇s Fieldbus and Industrial Ethernet Market Assessment Report 2010［EB/OL］.http://china.gongkong.com/reportDetail.aspfiid =2849，2010.3.5.

［6］現場總線技術要求［EB/OL］.http://gkcity.com/n-i-93187-c-Potpourri.htm，2009.11.21.

［7］上海工業自動化研究所彭瑜.現場總線在國內推廣應用的再思［EB/OL］.http://www.gkong.com/item/news/2009/12/ 4303102.html，2009.12.8.

［8］葉迎民.上海賽科現場總線技術應用情況簡述［EB/OL］.http://www.cffc.cn/files/上海賽科現場總線技術應用情況簡.mht，2011.11.16.

［9］王勝利.FF現場總線在中海殼牌石化聯合工廠的成功應用［EB/OL］.http://www.cffc.cn/files/FF現場總線在中海殼牌石化聯合工廠的成功應用.mht，2012.2.

［10］現場總線集散控制系統的控制方式［EB/OL］.http://www.gongkong.com/webpage/forum/201107/2011071316001000003-1.shtml，2011.7.13.

Elementary research on the application of fieldbus in petrochemical industry

Jiang Qin

(Jiangsu HuaRui technician school，Yizheng Jiangsu 211900，China）

Fieldbus is a network for connecting field devices.It's the kernel technology of automation innovation.This article traces it from its beginnings and application status;study the temporal fieldbus solutions in petrochemical industry.Then expresses author's view about the evolution for fieldbus.

fieldbus;petrochemical industry;evolution; application

TQ273.5

A

1006-334X(2012）01-0025-05

2011－12－19

姜芹(1965－），江蘇儀征人，工程碩士，高級講師，主要從事電氣儀表教學工作。