淺談化工行業現場總線技術、通訊協議及其應用

耿杰

摘 要：隨著化工行業的發展，化工生產的自動化水平越來越高，傳統的點對點式電壓、電流信號傳輸已經不能滿足現代化工業生產要求，各類現場總線技術的應用越來越廣泛。那么，各類現場總線技術有怎樣的區別和聯系，各自應用范圍是什么？接下來，本文將對各類現場總線、技術協議及其應用做簡要闡述。

關鍵詞：化工行業;現場總線;通訊協議;應用

現場總線是安裝在制造和過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線成為現場總線。現場檢測儀表、執行元件與控制系統之間、控制系統與控制系統之間都可采用現場總線方式進行數據傳輸。現場總線技術數字化、開放性、互操作性和互換性使數據傳輸更方便、快捷、成本更低。目前，在化工行業，應用比較廣泛的現場總線有基金會現場總線（FF）的H1、PROFIBUS、PROFINET、CAN總線等。

通訊協議又稱通信規程，是指通信雙方對數據傳送控制的一種約定。約定中包括對數據格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯方式以及控制字符定義等問題做出統一規定，通信雙方必須共同遵守，它也叫做鏈路控制規程。通訊協議主要有RS485/MODBUS、HART、FieldBus、等。每種總線都有其應用的領域，支持一種或多種通訊協議。

1 現場總線技術及通訊協議

1.1 基金會現場總線（FF）

基金會現場總線是世界上兩大現場總線集團ISP和WorldFIP選派代表組成。基金會現場總線采用的是令牌總線通信方式，可分為周期通信和非周期通信。FF有兩個標準，低速現場總線FF H1及高速現場總線FF HSE。FF H1傳輸距離可達1900m，應用非常廣泛。基金會現場總線的通訊模型包括物理層、數據鏈路層與應用層。應用層（FAL），包括現場總線訪問子層（FAS）和現場總線報文規范子層（FMS），前者管理數據的傳輸，后者負責對用戶層命令進行編碼和解碼。

基金會現場總線（FF）支持本質安全防爆環境，支持雙絞線、同軸電纜、光纜和無線發射等傳輸介質，可采用總線型、樹型、菊花鏈等網絡拓撲結構擁有非常出色的互操作性，使得現場節點之間能準確、可靠地實現信息互通。

1.2 PROFIBUS

PROFIBUS是德國西門子公司支持的總線技術，西門子公司的產品大多采用PROFIBUS技術，是符合德國標準（DIN 19245）和歐洲標準（EN50170）的現場總線標準。PR0FIBUS是一種數字式、串行、多點的數據總線，分為PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三種行規。其中，PROFIBUS-FMS在化工行業應用較少，PROFIBUS-DP用于自動化系統中單元級控制設備與分布式I/O的通信。主站之間的通信為令牌方式，主站與從站之間為主從方式，以及這兩種方式的混合。PROFIBUS-PA用于過程自動化的現場傳感器和執行器的低速數據傳輸，使用擴展的PROFIBUS-DP協議，可以用于防爆區域的傳感器和執行器與中央控制系統的通信。

PROFIBUS支持多個設備間的數據交換、傳輸速度快、傳輸距離長、認證規范嚴格，標準開發，得到了眾多廠商的支持，目前已發展為最重要的和應用最廣泛的現場總線標準。

1.3 PROFINET

PROFINET是由PROFIBUS國際組織（PROFIBUS International，PI）推出的新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準。其功能包括8個主要的模塊，依次為實時通信、分布式現場設備、運動控制、分布式自動化、網絡安裝、IT標準和信息安全、故障安全和過程自動化。

PROFINET具有開放性，針對任何控制器類型，都可實現理想配置。拓撲結構靈活，根據具體要求，可實現總線型、環形、樹形網絡拓撲結構。采用單根電纜即可進行設備和工廠通信，減少布線成本。每個網絡可連接1024臺設備。PROFINET以其開放性、靈活性、高效率和高性能為自動化通信領域提供了一個完整的網絡解決方案，并且兼容工業以太網和現有的現場總線（如PROFIBUS）技術，使維護成本大大降低，成為數字化企業的推動力。

1.4 CAN

CAN是控制器局域網絡（Controller Area Network， CAN）的簡稱，是由研發和生產汽車電子產品的德國BOSCH公司開發，并最終成為國際上應用最廣泛的總線之一。CAN是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行接口通信網絡。CAN控制器工作屬于多主方式，網絡中的各節點都可根據總線訪問優先權采用無損結構向總線發送數據，且CAN協議廢除了站地址編碼，對通信數據進行編碼，這樣，不同的節點可同時接收到數據，提高了通訊的實時性。利用這個特點，可以方便的搭建冗余結構，提高系統的可靠性和靈活性。

1.5 Modbus協議

Modbus協議是一種適用于工業控制領域的主從式串口通訊協議，是由Modicon公司（現為施耐德電氣的一個品牌）在1978年發明的。它采用查詢通訊方式進行主從設備的信息傳輸，可尋址1-247個設備地址。Modbus協議有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。同波特率下，RTU模式能傳輸更多的數據，因此工業網絡大都采用RTU模式。Modbus協議的幀格式簡單、緊湊，采用設備均為標準部件，支持多種電氣接口，還可在多種傳輸介質上傳送，如雙絞線、光纜、無線射頻，因此得到了廣泛應用。

2 應用

目前，智能變送器大多可支持現場總線通訊協議，如FF現場總線、PROFIBUS PA現場總線、HARD通訊協議等，但是化工生產裝置有一定危險性，而現場總線傳輸依靠一根傳輸線纜，一旦線纜損壞，整個自動控制系統就會癱瘓，嚴重的會使反應失控，造成安全事故。因此，化工裝置現場儀表采用總線傳輸的并不多，本文主要針對控制系統之間總線傳輸介紹。

在化工生產中，各類現場總線技術及通訊協議都有自己的應用領域，而且各種千秋。要構建適合自己的數據通訊系統，需要考慮以下幾方面內容：

①裝置特點：根據裝置要采用的拓撲結構，設備之間的距離、裝置規模、需要接入系統的設備數量，選擇適合的通訊系統;②現場環境：化工裝置大多易燃易爆，通訊系統必須滿足現場防爆要求。常用的現場總線技術除CAN總線外，大多都能滿足安全防爆要求。PROFIBUS、PROFINET、基金會現場總線FF的H1在化工裝置中都有廣泛應用;③廠內其他裝置：參考裝置內其他控制系統的通訊采用何種總線技術和通訊協議，全廠盡量統一，減少中間設備，利于數據的傳輸和設備管理，提高系統的可靠性;④產品售后服務：選擇售后服務良好的產品，如安裝、調試、維修、培訓等方面。

數據通訊系統是非常靈活的，即使采用不同的總線技術，通過協議轉換模塊也可使不同系統之間進行通訊。因此，要充分結合裝置和廠區特點，選擇適合的總線技術。

參考文獻：

[1]皮金.梅特.西門子PROFINET工業通信指南[M].北京：人民郵電出版社出版，2007.

[2]陽憲惠，徐用懋.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

[3]周悅，等.幾種現場總線的通信介質訪問控制方式[J].工業儀表與自動化裝置，2001（3）：16-18.

[4] GB/T20540.5-2006.測量和控制數字數據通信工業控制系統用現場總線類型[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，2006.