浅议现场总线在石化行业自动控制中的应用

姜芹

(江苏华瑞技工学校，江苏仪征 211900）

专题论述

浅议现场总线在石化行业自动控制中的应用

姜芹

(江苏华瑞技工学校，江苏仪征 211900）

现场总线是一种现场通信网络，是自动控制领域深刻变革的核心技术。该文介绍了现场总线的发展历史和应用现状，指出了目前在石化行业应用中存在的主要问题，并对其发展提出自己的观点。

现场总线石化行业发展应用

信息技术的飞速发展导致了自动控制领域的深刻变革，作为国家经济发展重要支柱产业的石化工业，也对自动控制系统提出了更高的要求，电动仪表逐步向数字化、智能化方向发展，计算机系统向网络化、开放化发展，并逐步形成了网络化的、全开放式的自动化控制体系结构，现场总线正是这场深刻变革中最核心的技术。“现场总线”一词得到广泛应用不过是近20年的事，其通用的含义是指用来连接诸如变送器、执行器和PLC等现场设备的网络。而按照国际电工委员会IEC61158标准的定义，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”。但这些都只是定义而已。事实上现场总线技术包含了一系列看似密切相关，实际上却各不相同的解决方案和技术。20年来，这方面的文章连篇累牍，研讨会多不胜数，产品层出不穷，当然还有那许许多多的标准。那么，现场总线技术到底是怎么产生的，目前应用情况如何，又将向何处发展呢?

1 现场总线的发展历史［1］

现场总线概念有数个起源，但可以将它们归结为两个方面:一方面是最终用户的需求，另一方面是技术的进步。

1.1 用户需求

首先是终端用户对标准化的需求开启了现场总线发展的大幕。此时，作为现场总线前身的Modbus (源自Modicon Bus）和WDPF(源自Westinghouse Distributed Processing Family）在工业自动控制中脱颖而出。同时，另一种网络Military Standard在航空航天界也得到了广泛应用。而在核检测仪表领域，把创建于20世纪60年代的CAMAC网络看着是第1个仪表网络。到了20世纪70年代，出现了一些用于连接PLC的网络，如Allen Bradley Data High-Way和Tiway，而用于过程工业自动控制的网络也在此时出现了。

但由于缺乏标准，很难将不同的系统进行整合。用于网关、适配器等的费用使得系统成本极高。此时，两家美国公司开始了旨在“定义一个标准通讯协议”的计划。它们分别是波音公司的TOP(Technical and Office Protocol）项目和通用汽车公司的MAP(Manufacturing Automation Protocol）项目。希望能使所有的设备之间都能通讯，而又不必增加专用的硬件设备和软件。在体系结构上则属意于CIM (计算机集成制造）的分层结构的思想，同时还要求简化配线。因为在此前，位于最低层的现场存在着许多标准，如模拟变送器的4～20 mA标准、数字输入的0～24 V标准等等。这些标准的特点是每个模拟和数字点都需要2根导线连接，因此必须使用大量导线，提高了设计和施工成本，也增加了维护的难度。因此在1971年确定了现场总线简化配线的思路。

1.2 技术进步

技术的进步给现场总线的发展提供了可能性。首先是1978年出现的OSI-ISO模型。这种如今众所周知的模型起初用于计算机互连网，但它给现场总线带来了对数据通信更好的理解，对新型通信协议的设计和标准化的正确思路。而局域网技术和MAC协议的出现给分布式系统的各种应用带来了机会。最后是在20世纪70、80年代发展起来的微电子和DSP技术，使得制造具有通信功能的新型仪表有了可能性。而1982年由飞利浦公司首创的I2C网络(Inter Integrated Circuits），本来用于电视机内不同集成电路之间的互连，但却实现了将“智能”装进最小的设备中，当然也能装进任何变送器或执行器中。这些具备了数字处理能力的现场仪表必然要采用新的通信方式，这成了现场总线发展的另一个理由。

可见，各种因素造就了现场总线奇迹。1985年召开的IEC大会上首次确定了“现场总线”这一名词，宣告现场总线技术的正式诞生。

2 现场总线的主要技术特点

现场总线打破了传统控制系统的结构形式，将所有的设备作为网络节点连接到总线上，不仅节省了电缆，而且还方便了布线。除此之外，现场总线的结构还有以下特点:

a）具有较高的性价比;

b）采用数字信号通信;

c）双向传输;

d）互操作与互用性;

e）系统的开放性;

f）系统结构的高度分散;

g）现场设备具有智能和自治的特点;

h）提高了系统的精度和自诊断功能;

i）降低了设计、安装的软硬件费用和系统的维护费用，组态和修改容易。

3 现场总线的应用现状

3.1 现场总线标准现状

现场总线产生的轨迹注定了其标准的多样性，而巨大的市场又吸引了众多的厂商和组织。目前世界上存在着大约40余种现场总线，如法国的FIP，英国的ERA，德国西门子公司的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，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI(ActraturSensorInterface），Modbus，SDS，Arcnet，国际标准组织－基金会现场总线FF(Foundation FieldBus），WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等等［2］。

美国ARC公司的市场调查显示，世界市场对各种现场总线的需求为:过程自动化15%(FF、Profibus-PA、WorldFIP），医药领域18%(FF、Profibus-PA、WorldFIP），加工制造15%(Profibus-DP、DeviceNet），交通运输15%(Profibus-DP、DeviceNet），航空、国防34%(Profibus-FMS、LonWorks、ControlNet、DeviceNet）［3］。可见，各种现场总线都有其应用领域。

适用于石化自动控制领域的主要有FF、PROFIBUS-PA、CAN、HART等。当然，每种现场总线都力图将其应用领域扩大，彼此渗透。由于竞争激烈，而且还没有哪一种或几种总线能一统市场，很多重要企业都力图开发接口技术，使自己的总线能和其他总线相连，在国际标准中也出现了协调共存的局面。

3.2 全球应用现状［4］

据市场调查公司IMS Research的报告显示，2009年全球新增现场总线节点数约为2千3百万，其中profibus约为4百多万，市场占有率最高。但由于FF基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商，其全球影响力正日益增加。

另一个特点是几种主要的现场总线占据了主导地位，Profibus、CANopen、DeviceNet、AS-Interface、ControlNet、Modbus、INTERBUS、Foundation FieldBus、FireWire、SERCOSⅠ＆Ⅱ、CC-Link和HART共占有了全球大约70%的市场。而包含串口协议及公司内协议等的其他类总线协议新增节点数只占有约30%的市场。

从产品应用上看，PLC、I/O模组和变频器是采用现场总线最多的自动化产品，且相较PLC而言，变频器链接现场总线的比率相对较低，但现在已有越来越多的用户开始将变频器链接到现场总线上，因此，预计其未来的增长率最高，到2014年，变频器链接现场总线的数量将超过PLC。

3.3 中国应用现状

据IMS Research的报告显示，2009年中国新增现场总线节点数约为2百万。而工控网提供的数据也显示，到2009年底，全国已有超过1.544 8×107个各类现场总线节点，增长率超过10%，多数应用在石化行业［5］。

目前，较为流行的现场总线有FF、LonWorks、Profibus、WorldFIP、CAN、HART(过渡协议）等，这些现场总线和过渡协议在我国(主要是北京）都有了代表处或挂靠单位，并且大多数都有不同程度的开发和应用。石化行业广泛应用的FF和HART列入了“九五”攻关项目，参加现场总线智能仪表的研究开发单位主要有:西安仪表集团、上海工业自动化仪表研究所、重庆工业自动化仪表研究所、上海自动化仪表股份公司、重庆川仪集团、北京华控技术公司等，专门攻克HART协议和FF协议通信软硬件技术难关［6］。

3.4 存在问题

对实时数据需求的激增使得现场总线技术在石化工业自动控制中有了长足的发展。并且，现场总线设备也以其性能卓越、电缆量少、网络简单和维护简便，赢得了用户的青睐。但在应用中也存在着一些问题。主要有:

a）由于标准众多带来的一次性投资较大，制约了现场总线的发展。一般而言，作为流程工业的石化行业对综合自动化技术的需求主要关注安全可靠、实时、成本、效率等方面的问题。因此，出于对安全的考虑，石化行业的现场自动控制系统一般都会采用冗余结构，这恰恰抵消了现场总线成本低的优势;而标准不统一带来的现场总线仪表价格昂贵，对于现场仪表品种多、数量大的石化行业而言，成本也是不得不考虑的因素。

b）对现场总线的发展方向思路不清。一方面，众多标准并存的状态，使得用户在应用时不得不有所选择，但在不能清晰把握其发展趋势时，很难做出合适的决定。就石化行业而言，列入国家“九五”攻关项目的是FF和HART。而从目前的使用情况看，国内迄今最大的3个FF应用工程是:2005年投产的上海赛科、2006年初投产的广州惠州中海油壳牌石化工程和2009年投产的福建炼化一体化工程(泉州），此外再无此种节点达数万个的典型应用。不过只要看到2008年国内实际安装FF的节点数仅为3.46×104个，就可以推算出其总体的发展速度并不理想［7］。目前在石化行业，对FF的看法趋于负面，认为其价格贵、难用、效果不理想;而作为过渡协议的HART，虽然仍在应用，技术也有所改进，但终将被取代。

另一方面，业界从10年前充满信心地宣布三四年后现场总线将全面取代DCS，到目前面对工业以太网的强劲发展势头，又发出现场总线即将成为历史的悲叹，再看看现场总线标准不但没有如预言的在三四年间即可统一，反而越来越乱的现状，也可看出发展思路之混乱。

c）对现场总线的价值认识不到位，未能完全发挥出其优势。由于现场总线应用的历史不长，加之对其优势的表述并不清晰，用户并不能真正明白现场总线的长期优势，仅仅将其当作工业通信的一类工具，而不是将它纳入整个企业信息整合的基础环节，更深层次地加以运用。这方面，上述3大FF典型工程的成功也可说明这一点:上海赛科乙烯工程利用现场总线网络构建了仪表状态监测及资产管理系统，用于仪表设备技术管理，包括各类统计查询报表及各类KPI的自动跟踪［8］。随后建成的广州惠州中海油壳牌石化工程和福建炼化一体化工程(泉州），也都安装了先进的资源管理系统——AMS，用来构建全厂的智能仪表数据库，都取得了很好的成效［9］。可见，现场总线的应用尚有很大的潜力可挖。因此，在评价现场总线时，不能仅仅着眼于成本因素，而应该充分考虑其提高资产收益率、减少非计划停车、避免故障发生以及帮助构建知识型企业的能力。

d）没有认识到培训的重要性。尽管现场总线设备使用简单，但其中采用的技术却相对复杂。有些现场总线系统采用OSI模型，有些却是主－从结构等。因此，用户要想用好由不同协议构成的系统，就必须了解所有的拓扑结构和网络模型，且往往一个系统的性能越好就越复杂。因此，现场总线应用的成功与否，取决于其开始的计划阶段。仍以国内3大FF应用工程为例。福建炼油乙烯投产时间不长，暂不讨论。另两家相比较而言，南海中海油壳牌联合石化公司的应用更为成功，其经验之一就是加强了对仪表维护人员的培训，使其充分认识到FF设备与控制系统之间的通讯协议与传统仪表不同，其维护方式和方法也不尽相同。

4 发展前景展望

4.1 现场总线技术方兴未艾

现场总线的互操作性、开放性、高度分散性，以及现场设备具有智能和自治的能力和自诊断功能等特点，加上安装、维护方便，是石化行业理想的自动控制手段。虽然现场总线在目前的应用中还存在着许多问题，但随着技术进步和人们认识的提高，必将获得更为广泛的应用。

另外，认为现场总线将会退出历史舞台的主要原因在于，近年来工业以太网在石化工业自动控制中有长足的发展，并正在向现场控制渗透。因此有不少人认为它将完全取代现场总线，但笔者对此不敢苟同。

一方面，从现场总线发展现状可以看出，工业以太网虽然发展很快，但在绝对数量上，仍然无法与现场总线相比。据IMS Research的报告显示，2009年全球工业以太网新增节点数约为4.5×106，为现场总线的20%。而在中国，此数量约为0.4×106，也为现场总线的20%。况且，如果要取代现场总线，就必须更换现场仪表设备，这样做显然成本极高。而且现场总线毕竟已有20年的历史，而工业以太网应用于工业控制中，不过是最近的事。并且以太网和TCP/IP原本不是面向控制领域的，在体系结构、协议规则、物理介质、数据、软件、实验环境等诸多方面并不成熟，因此，在使用上也不具备优势。

另一方面，从现场总线取代DCS，到工业以太网取代现场总线，似乎自动控制只能是一统江山的局面，为什么不能是结合甚至是融合呢?事实上，目前的应用多数就是DCS、PLC、工业以太网和现场总线相结合的结构。如前述的上海赛科和南海中海油壳牌，均是DCS与现场总线的结合。而采用工业以太网+现场总线网络结构的实例也很多。目前在石化行业，集散控制系统DCS与现场总线的集成已形成了几种主要方式:

a）现场总线与集散控制系统I/O总线上的集成。如Fisher-Rosemount公司的集散控制系统DeltaV采用的即是此方案;

b）现场总线与DCS网络层的集成。如Smar公司的302系列现场总线产品，可以实现在DCS网络层集成其现场总线功能;

c）现场总线通过网关与DCS并行集成。这种方式通过网关连接在一个工厂中并行运行的DCS和现场总线系统。如SUPCON的现场总线系统，利用HART协议网桥连接系统操作站与现场仪表，实现现场总线设备管理系统操作站与HART协议现场仪表之间的通信功能［10］。而工业以太网与现场总线的集成方式基本都是在企业信息层采用以太网，而在底层设备级采用现场总线。可见，作为底层网络，现场总线能完全满足现代石化企业对底层控制网络的基本要求，实现真正的全分布式系统，如果能够充分认识其价值，改进设计、加强培训工作，现场总线会有更为强劲的发展。

4.2 统一的标准终将出现

制约现场总线发展的一个重要原因，就是多种标准共存，这使得这种以开放性和互操作性著称的系统，并不能完全显示其优越性，还造成了现场设备投资太大，成本太高，让用户难以认清发展方向的问题。对这个问题的最终解决，业内从开始的极度乐观，到现在的极度悲观，甚至有人说，在有生之年已难看到标准统一的局面出现。

也正因如此，业内对多种标准共存的局面仍将继续已达成的共识，纷纷寻求在此状态下的解决方法。目前通常采用设备集成的方法。有些提供控制系统的大公司为保证市场上常用的仪表都能和自己的系统即插即能投用(plug-and-work），已专门建立了现场设备集成中心FDIC。譬如，ABB为保证市场的常用FF仪表与其800xA、Freelance 800F等系统集成，在2004年就成立FDIC。FDIC每季度要测试120种仪表设备，每台设备的平均测试周期为12周。现在在其ABB集成解决库中累计已有超过50个仪表厂的六七百种仪表产品通过测试，可与其控制系统无缝集成。广州惠州中海油壳牌石化工程一条成功的经验就是:保证每台仪表都要通过HIST (主机互操作测试），即出现了现场总线共用技术——设备集成，追求将系统中所有的智能仪表或设备的数据和功能性，不论采用何种协议，都可无缝地为整个自动化系统所利用。但笔者认为这不是真正的解决方法，只会使状况愈加混乱。事实上，目前的实际应用情况很不理想，即使同一种现场总线协议仍然存在设备集成的头疼问题。

因此，笔者认为，多种标准共存的情况不会长期持续下去，现在的混乱状况恰恰说明统一的标准已是呼之欲出。而要真正解决这个问题，可能需要从两个方面努力:一是加强计算机控制方面理论的研究，用成熟的理论统一标准;二是各种标准融通，最终在各个领域都形成一种主导标准，使得标准在不同应用领域内统一。

总之，由于在现场总线的设计思想中采用了最新的网络技术，可以实现多种信息的高速传输，因而由其构成的现场总线控制系统，使得管理级可以得到更广泛、更全面的现场数据，实现真正的集中管理;而现场级所采用的智能仪表，也使得将控制节点下放到现场成为可能，从理论上说这就实现了真正的过程级的分散控制，必将在石化行业的自动控制中得到更为广泛的应用。但鉴于目前的实际情况，建议国内在应用中，着意加强对现场总线系统设计者、施工者和运行、维护人员的培训，首先是巩固、改进和提高现有技术，而非过分引入新技术。这样一则可以避免因无法看清发展方向而造成的浪费，毕竟IT技术每3～4年更新换代的速度，是石化行业难以接受的;二则也可以积累应用经验，以期能在未来的发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］深入浅出现场总线技术［EB/OL］.http://www.fieldbuses.com/fieldbusgeneral/102-616.html.

［3］李建新.可编程序控制器应用技术［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/2b8740649b6648d7c1c74652.html.

［4］IMS Research.全球及中国市场现场总线及工业以太网市场现状及展望［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］现场总线技术要求［EB/OL］.http://gkcity.com/n-i-93187-c-Potpourri.htm，2009.11.21.

［7］上海工业自动化研究所彭瑜.现场总线在国内推广应用的再思［EB/OL］.http://www.gkong.com/item/news/2009/12/ 4303102.html，2009.12.8.

［8］叶迎民.上海赛科现场总线技术应用情况简述［EB/OL］.http://www.cffc.cn/files/上海赛科现场总线技术应用情况简.mht，2011.11.16.

［9］王胜利.FF现场总线在中海壳牌石化联合工厂的成功应用［EB/OL］.http://www.cffc.cn/files/FF现场总线在中海壳牌石化联合工厂的成功应用.mht，2012.2.

［10］现场总线集散控制系统的控制方式［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－），江苏仪征人，工程硕士，高级讲师，主要从事电气仪表教学工作。