淺談現(xiàn)場總線技術(shù)及其在油庫自動化中的應(yīng)用

孫欽柯(中國石油化工股份有限公司新疆石油分公司)

一、引 言

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS 采用了現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)中的網(wǎng)路技術(shù)、微機(jī)處理技術(shù)及軟件技術(shù)，實現(xiàn)了現(xiàn)場儀表之間的數(shù)字連接及儀表的數(shù)字化，給工業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大效益，降低了現(xiàn)場儀表的初時安裝費用，節(jié)省了電纜，施工費，增強(qiáng)了現(xiàn)場控制的靈活性，提高了信號傳遞速度，減少了系統(tǒng)運行維護(hù)的工作量。

從自動控制系統(tǒng)發(fā)展史來看，曾經(jīng)歷過兩次大的變革：一次是20 世紀(jì)50 年代末， 由基地式儀表向電動或氣動單元組合儀表的轉(zhuǎn)變；另一次是20 世紀(jì)80 年代，從電子模擬儀表到集散控制系統(tǒng)（DCS）的轉(zhuǎn)變。這兩次轉(zhuǎn)變都不及現(xiàn)場總線對控制系統(tǒng)發(fā)展的影響深刻，盡管現(xiàn)在是FCS 與DCS 和PLC 并存，最終FCS將逐步代替DCS 和PLC。

二、現(xiàn)場總線控制技術(shù)的基本原理

（一）、總線傳輸?shù)幕靖拍?/h3>

總線就是傳輸信號或信息的公共路徑， 是遵循同一技術(shù)規(guī)范的連接與操作方式。 一組設(shè)備通過總線連在一起稱為 “總線段”。 可以通過總線段之間的相互連接把多個總線段連接成一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

可在總線上發(fā)起信息傳輸?shù)脑O(shè)備叫做“總線主設(shè)備”。 不能在總線上主動發(fā)起通信、只能掛接在總線上、對總線信息進(jìn)行接收和查詢的設(shè)備稱為“總線從設(shè)備”。

管理主、從設(shè)備使用總線的一套規(guī)則稱為“總線協(xié)議”。 這是一套事先規(guī)定的、必須共同遵守的規(guī)約。

（二）、通信系統(tǒng)的協(xié)議模型

為了便于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化， 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 提出了開放系統(tǒng)互連參考模型，簡稱ISO/OSI 模型。

ISO/OSI 模型將各種協(xié)議分為七層，自上而下依次為：物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層。

物理層：物理層協(xié)議規(guī)定了通信介質(zhì)、驅(qū)動電路和接收電路之間接口的電氣特性和機(jī)械特性。

鏈路層：通信鏈路是由許多節(jié)點共享的。 這層協(xié)議的作用是確定在某一時刻由哪一個節(jié)點控制鏈路，即鏈路使用權(quán)的分配。

網(wǎng)絡(luò)層：在一個通信網(wǎng)絡(luò)中，兩個節(jié)點之間可能存在多條通信路徑。 網(wǎng)路層協(xié)議的主要功能就是處理信息的傳輸路徑問題。

傳輸層： 傳輸層協(xié)議的功能是確認(rèn)兩個節(jié)點之間的信息的傳輸任務(wù)是否已經(jīng)正確完成。

會話層： 這層協(xié)議是用來對兩個節(jié)點之間的通信任務(wù)進(jìn)行啟動和停止調(diào)速。

表示層：這層協(xié)議是進(jìn)行信息格式的轉(zhuǎn)換，它把通信系統(tǒng)所用的信息格式轉(zhuǎn)換成它上一層， 也就是應(yīng)用層所需要的信息格式。

應(yīng)用層：它的作用是召喚低層協(xié)議為其服務(wù)。

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，為了簡單起見，常常把傳輸層和會話層協(xié)議結(jié)合，將表示層和應(yīng)用層結(jié)合。

（三）、工業(yè)控制領(lǐng)域中常用的幾種總線

工業(yè)中常用的總線：PROFIBUS、MODBUS、CAN 總線等。

1、 PROFIBUS

這是德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245 和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN5017, 也是IEC 標(biāo)準(zhǔn)IEC61158。

PROFIBUS 含有三個兼容協(xié)議：PROFIBUS－DP（分散外圍設(shè)備）、PROFIBUS－PA（過程自動化）、PROFIBUS－FMS（現(xiàn)場總線報文規(guī)范）。

PROFIBUS－DP 主要用于現(xiàn)場級和裝置級的自動化。

PROFIBUS－PA 主要用于現(xiàn)場級過程自動化，具有本質(zhì)安全和總線供電特性。

PROFIBUS－FMS 主要用于車間級或廠級監(jiān)控， 構(gòu)成控制和管理一體化系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)信息集成。

2、MODBUS

MODBUS 是MODICON 公司為該公司生產(chǎn)的PLC 設(shè)計的一種通信協(xié)議，從其功能上看，可以認(rèn)為是一種現(xiàn)場總線。 它通過24 種總線命令實現(xiàn)PLC 與外界的信息交換。具有MODBUS 接口的PLC 可以很方便的進(jìn)行組態(tài)。

MODBUS 有兩種傳送方式，RTU（Remote Terminal Unit）方式和ASCⅡ方式。MODBUS 把通信參與者規(guī)定為“主站”（MASTER）和“從站”（SLAVE）。 主站可向多個從站發(fā)送通信請求，最多可達(dá)247 個從站。 每個從站都有自己的地址編號。

3、CAN 總線

CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，CAN 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響的傳送數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了總線仲裁時間。

三、現(xiàn)場總線控制技術(shù)在油庫管理中的應(yīng)用

進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著中石化、中石油上市后的業(yè)務(wù)拓展與管理水平的提高，油庫的精細(xì)化管理必要而且可能，業(yè)內(nèi)人士的不懈努力，加之油庫管理與單片機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)結(jié)合與創(chuàng)新，使油庫管理自動化管理系統(tǒng)日趨成熟， 從而實現(xiàn)了油庫管控一體化作業(yè)，使油庫能夠保持安全、穩(wěn)定的運行，高效地進(jìn)行油品收、發(fā)、存作業(yè)，達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 而現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展， 使油庫管理自動化系統(tǒng)方案提供了一個更好的解決平臺。

基于現(xiàn)場總線技術(shù)的油庫自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1-1

（一）、建立基于總線技術(shù)的油庫自動化管理系統(tǒng)的目標(biāo)

1、利用現(xiàn)代控制技術(shù)，構(gòu)建多點自動化測控系統(tǒng)。

通過先進(jìn)、可靠、簡單、實用的工控技術(shù)，對油庫的罐區(qū)液位計量、庫區(qū)電動閥門控制，公路發(fā)油汽車定量裝車、庫區(qū)安全等作業(yè)點實施自動化監(jiān)控系統(tǒng)，提高油庫收、發(fā)、存作業(yè)的自動化水平和庫區(qū)安全管理水平。

2、利用現(xiàn)場總線技術(shù)，建立集中監(jiān)控系統(tǒng)的自動化平臺。

利用現(xiàn)場總線技術(shù)， 建立集油庫庫區(qū)自動化測控系統(tǒng)于一體的自動化監(jiān)控平臺，集中監(jiān)控庫區(qū)作業(yè)流程，提高系統(tǒng)過程控制的協(xié)調(diào)性，滿足管理精細(xì)化要求，確保油庫的作業(yè)安全。

3、建立完整的油庫業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。

通過油庫自動化網(wǎng)絡(luò)把現(xiàn)場作業(yè)信息和管理信息結(jié)合起來，建立全集成的、開放的、全范圍的業(yè)務(wù)管理信息系統(tǒng)，形成業(yè)務(wù)、經(jīng)營、管理互為依托、相互支持的管理控制系統(tǒng)。

4、實現(xiàn)與公司信息系統(tǒng)的連接。

系統(tǒng)具有良好的兼容性，實現(xiàn)與EPR 系統(tǒng)、物流系統(tǒng)等管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)利用達(dá)到最大化。

（二）、油庫自動化管理系統(tǒng)中的三個主要子系統(tǒng)

油庫自動化管理系統(tǒng)主要有作業(yè)流程控制、 狀態(tài)監(jiān)控與業(yè)務(wù)管理三個主要功能，基于現(xiàn)場總線技術(shù)主要有油罐計量、閥門控制、公路發(fā)油三個子系統(tǒng)（視頻監(jiān)控與業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)未涉及工業(yè)總線，在此不做闡述）。 其基本結(jié)構(gòu)如下：

1、油罐計量系統(tǒng)

這是典型的FCS 系統(tǒng)，每個油罐上裝有智能液位計，測量油罐中的液位信息后，各液位信號通過總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)（計量管理機(jī)），通?？偩€協(xié)議采用MODBUS RTU,物理層采用串口RS-

485，當(dāng)然協(xié)議種類的使用，可以根據(jù)測量儀表的不同而異。

FCS 系統(tǒng)在油庫計量方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用， 增強(qiáng)了現(xiàn)場控制的靈活性。

其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1－2：

2、電動閥門控制系統(tǒng)

油庫的電動閥門控制系統(tǒng)一般采用SIXNET RTU，以RS485為通訊總線協(xié)議， 電動閥門采用自帶485 總線協(xié)議的電動驅(qū)動器， 兩臺熱備冗余罐區(qū)監(jiān)控終端系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制調(diào)度工作，對電動閥門的控制，實時檢測管線壓力及油罐液位高限信號，保障系統(tǒng)輸油安全。 在某些情況下，油庫的電動閥門控制系統(tǒng)，要融入站場的SCADA 系統(tǒng)中，而站場廣泛使用DCS 系統(tǒng)，限制了FCS 在罐區(qū)閥門控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。因此，在這方面FCS 系統(tǒng)并未得到廣泛應(yīng)用。 其結(jié)構(gòu)圖與拓?fù)鋱D見圖1-3-1、1-3-2：

3、公路自動發(fā)油系統(tǒng)

公路自動發(fā)油系統(tǒng)則是DCS 與FCS 系統(tǒng)的匯合體，兼有這兩種系統(tǒng)的特點。

公路自動發(fā)油系統(tǒng)由若干個發(fā)油控制器組成， 發(fā)油控制器采集就地的油品溫度，油品流量，并控制電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電液閥）進(jìn)行定量發(fā)油。 而各個發(fā)油控制器通過總線接入上位管理機(jī)器，進(jìn)行集中管理。 其拓?fù)鋱D見1－4

從單臺發(fā)油控制器來看，具有DCS 的特點，采集現(xiàn)場信號送入控制器，對發(fā)油進(jìn)行控制，如果就此將其劃入DCS 系統(tǒng)顯然牽強(qiáng)，從整個系統(tǒng)的角度來看它又具有了FCS 系統(tǒng)的特點，各發(fā)油控制器通過總線接入上位機(jī)集中管理。

出現(xiàn)這種情況主要由兩方面因素引起的， 從系統(tǒng)的角度來說，F(xiàn)CS 要求其系統(tǒng)中的儀表必須是數(shù)字式的，這樣才能夠通過總線傳輸信號和控制命令。 從工業(yè)領(lǐng)域使用的儀表來說，由于成本及工藝的要求，現(xiàn)階段很難實現(xiàn)所有儀表的數(shù)字化。 這兩點決定了兼有DCS 和FCS 特點的系統(tǒng)的出現(xiàn)。

（三）、FCS、DCS比較

對于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)DCS 和集散控制系統(tǒng)FCS 系統(tǒng)來說，各有各的優(yōu)缺點，適用于不同場合。

DCS 采用層次化的體系結(jié)構(gòu)， 通信網(wǎng)絡(luò)分布于各層并采用數(shù)字通信方式，唯有生產(chǎn)現(xiàn)場層使用一對一的傳輸方式，因此，DCS 是一個“半數(shù)字信號”系統(tǒng)。

FCS 采用全數(shù)字化、雙向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。從底層的傳感器、變送器和?zhí)行器就采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)， 多支分支通信線延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場，用來連接現(xiàn)場數(shù)字儀表，采用一對多連接，構(gòu)成現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。

DCS 與FCS 拓?fù)鋱D見圖1－5“純數(shù)字”的FCS 可以直接與外界通信，數(shù)字信號的電平較高，一般的噪聲很難干擾FCS 內(nèi)的數(shù)字信號。 此外，數(shù)字信號檢錯功能強(qiáng)，可以檢測出數(shù)字信號傳輸中的誤碼，所以全數(shù)字化的FCS 大大提高過程控制的準(zhǔn)確性和可靠性。

在DCS 中， 生產(chǎn)現(xiàn)場的多臺模擬儀表集中接于輸入 輸出單元， 每臺儀表只有單一的信號變換功能， 而與控制有關(guān)的輸入、輸出、控制、運算等功能塊都集中于DCS 的控制站內(nèi)，從這個意義上講，DCS 只是一個“半分散”系統(tǒng)。

FCS 廢棄了DCS 的輸入/輸出單元， 由現(xiàn)場儀表取而代之，即把DCS 控制站的功能化整為零， 功能塊分散地分配給現(xiàn)場總線上的數(shù)字儀表。 從而構(gòu)成虛擬控制站，實現(xiàn)徹底的分散控制。

隨著數(shù)字智能儀表的廣泛使用，F(xiàn)CS 系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域必將得到進(jìn)一步的使用， 也將促進(jìn)油庫自動化管理系統(tǒng)的不斷優(yōu)化與提升，從而加快數(shù)字化油庫建設(shè)目標(biāo)的實現(xiàn)。

[1]劉澤祥.《現(xiàn)場總線技術(shù)》.機(jī)械工業(yè)出版社

[2]張鶴峰.《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》.大連理工大學(xué)出版社

[3]李真花 崔 健.《CAN 總線輕松入門與實踐》 .北京航空航天大學(xué)出版社

[4]許行.《油庫設(shè)計與管理》.中國石化出版社

[5]樊寶德.《油庫計量與監(jiān)控設(shè)備》 .中國石化出版社