浅谈现场总线技术及其在油库自动化中的应用

孙钦柯(中国石油化工股份有限公司新疆石油分公司)

一、引 言

现场总线控制系统FCS 采用了现代计算机技术中的网路技术、微机处理技术及软件技术，实现了现场仪表之间的数字连接及仪表的数字化，给工业生产带来了巨大效益，降低了现场仪表的初时安装费用，节省了电缆，施工费，增强了现场控制的灵活性，提高了信号传递速度，减少了系统运行维护的工作量。

从自动控制系统发展史来看，曾经历过两次大的变革：一次是20 世纪50 年代末， 由基地式仪表向电动或气动单元组合仪表的转变；另一次是20 世纪80 年代，从电子模拟仪表到集散控制系统（DCS）的转变。这两次转变都不及现场总线对控制系统发展的影响深刻，尽管现在是FCS 与DCS 和PLC 并存，最终FCS将逐步代替DCS 和PLC。

二、现场总线控制技术的基本原理

（一）、总线传输的基本概念

总线就是传输信号或信息的公共路径， 是遵循同一技术规范的连接与操作方式。 一组设备通过总线连在一起称为 “总线段”。 可以通过总线段之间的相互连接把多个总线段连接成一个网络系统。

可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”。 不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收和查询的设备称为“总线从设备”。

管理主、从设备使用总线的一套规则称为“总线协议”。 这是一套事先规定的、必须共同遵守的规约。

（二）、通信系统的协议模型

为了便于实现网络的标准化， 国际标准化组织ISO 提出了开放系统互连参考模型，简称ISO/OSI 模型。

ISO/OSI 模型将各种协议分为七层，自上而下依次为：物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

物理层：物理层协议规定了通信介质、驱动电路和接收电路之间接口的电气特性和机械特性。

链路层：通信链路是由许多节点共享的。 这层协议的作用是确定在某一时刻由哪一个节点控制链路，即链路使用权的分配。

网络层：在一个通信网络中，两个节点之间可能存在多条通信路径。 网路层协议的主要功能就是处理信息的传输路径问题。

传输层： 传输层协议的功能是确认两个节点之间的信息的传输任务是否已经正确完成。

会话层： 这层协议是用来对两个节点之间的通信任务进行启动和停止调速。

表示层：这层协议是进行信息格式的转换，它把通信系统所用的信息格式转换成它上一层， 也就是应用层所需要的信息格式。

应用层：它的作用是召唤低层协议为其服务。

在工业控制系统中，为了简单起见，常常把传输层和会话层协议结合，将表示层和应用层结合。

（三）、工业控制领域中常用的几种总线

工业中常用的总线：PROFIBUS、MODBUS、CAN 总线等。

1、 PROFIBUS

这是德国标准DIN 19245 和欧洲标准EN5017, 也是IEC 标准IEC61158。

PROFIBUS 含有三个兼容协议：PROFIBUS－DP（分散外围设备）、PROFIBUS－PA（过程自动化）、PROFIBUS－FMS（现场总线报文规范）。

PROFIBUS－DP 主要用于现场级和装置级的自动化。

PROFIBUS－PA 主要用于现场级过程自动化，具有本质安全和总线供电特性。

PROFIBUS－FMS 主要用于车间级或厂级监控， 构成控制和管理一体化系统，进行系统信息集成。

2、MODBUS

MODBUS 是MODICON 公司为该公司生产的PLC 设计的一种通信协议，从其功能上看，可以认为是一种现场总线。 它通过24 种总线命令实现PLC 与外界的信息交换。具有MODBUS 接口的PLC 可以很方便的进行组态。

MODBUS 有两种传送方式，RTU（Remote Terminal Unit）方式和ASCⅡ方式。MODBUS 把通信参与者规定为“主站”（MASTER）和“从站”（SLAVE）。 主站可向多个从站发送通信请求，最多可达247 个从站。 每个从站都有自己的地址编号。

3、CAN 总线

CAN 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，CAN 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的传送数据，从而节省了总线仲裁时间。

三、现场总线控制技术在油库管理中的应用

进入新世纪以来，随着中石化、中石油上市后的业务拓展与管理水平的提高，油库的精细化管理必要而且可能，业内人士的不懈努力，加之油库管理与单片机技术、信息技术结合与创新，使油库管理自动化管理系统日趋成熟， 从而实现了油库管控一体化作业，使油库能够保持安全、稳定的运行，高效地进行油品收、发、存作业，达到较好的经济效益和社会效益。 而现场总线技术的发展， 使油库管理自动化系统方案提供了一个更好的解决平台。

基于现场总线技术的油库自动化系统的结构见图1-1

（一）、建立基于总线技术的油库自动化管理系统的目标

1、利用现代控制技术，构建多点自动化测控系统。

通过先进、可靠、简单、实用的工控技术，对油库的罐区液位计量、库区电动阀门控制，公路发油汽车定量装车、库区安全等作业点实施自动化监控系统，提高油库收、发、存作业的自动化水平和库区安全管理水平。

2、利用现场总线技术，建立集中监控系统的自动化平台。

利用现场总线技术， 建立集油库库区自动化测控系统于一体的自动化监控平台，集中监控库区作业流程，提高系统过程控制的协调性，满足管理精细化要求，确保油库的作业安全。

3、建立完整的油库业务管理系统。

通过油库自动化网络把现场作业信息和管理信息结合起来，建立全集成的、开放的、全范围的业务管理信息系统，形成业务、经营、管理互为依托、相互支持的管理控制系统。

4、实现与公司信息系统的连接。

系统具有良好的兼容性，实现与EPR 系统、物流系统等管理系统的数据共享，数据利用达到最大化。

（二）、油库自动化管理系统中的三个主要子系统

油库自动化管理系统主要有作业流程控制、 状态监控与业务管理三个主要功能，基于现场总线技术主要有油罐计量、阀门控制、公路发油三个子系统（视频监控与业务管理系统未涉及工业总线，在此不做阐述）。 其基本结构如下：

1、油罐计量系统

这是典型的FCS 系统，每个油罐上装有智能液位计，测量油罐中的液位信息后，各液位信号通过总线传输到上位机（计量管理机），通常总线协议采用MODBUS RTU,物理层采用串口RS-

485，当然协议种类的使用，可以根据测量仪表的不同而异。

FCS 系统在油库计量方面已经得到了广泛的应用， 增强了现场控制的灵活性。

其拓扑结构见图1－2：

2、电动阀门控制系统

油库的电动阀门控制系统一般采用SIXNET RTU，以RS485为通讯总线协议， 电动阀门采用自带485 总线协议的电动驱动器， 两台热备冗余罐区监控终端系统负责整个系统的控制调度工作，对电动阀门的控制，实时检测管线压力及油罐液位高限信号，保障系统输油安全。 在某些情况下，油库的电动阀门控制系统，要融入站场的SCADA 系统中，而站场广泛使用DCS 系统，限制了FCS 在罐区阀门控制系统中的应用。因此，在这方面FCS 系统并未得到广泛应用。 其结构图与拓扑图见图1-3-1、1-3-2：

3、公路自动发油系统

公路自动发油系统则是DCS 与FCS 系统的汇合体，兼有这两种系统的特点。

公路自动发油系统由若干个发油控制器组成， 发油控制器采集就地的油品温度，油品流量，并控制电动执行机构（电液阀）进行定量发油。 而各个发油控制器通过总线接入上位管理机器，进行集中管理。 其拓扑图见1－4

从单台发油控制器来看，具有DCS 的特点，采集现场信号送入控制器，对发油进行控制，如果就此将其划入DCS 系统显然牵强，从整个系统的角度来看它又具有了FCS 系统的特点，各发油控制器通过总线接入上位机集中管理。

出现这种情况主要由两方面因素引起的， 从系统的角度来说，FCS 要求其系统中的仪表必须是数字式的，这样才能够通过总线传输信号和控制命令。 从工业领域使用的仪表来说，由于成本及工艺的要求，现阶段很难实现所有仪表的数字化。 这两点决定了兼有DCS 和FCS 特点的系统的出现。

（三）、FCS、DCS比较

对于现场总线控制系统DCS 和集散控制系统FCS 系统来说，各有各的优缺点，适用于不同场合。

DCS 采用层次化的体系结构， 通信网络分布于各层并采用数字通信方式，唯有生产现场层使用一对一的传输方式，因此，DCS 是一个“半数字信号”系统。

FCS 采用全数字化、双向传输的通信方式。从底层的传感器、变送器和执行器就采用现场总线网络， 多支分支通信线延伸到生产现场，用来连接现场数字仪表，采用一对多连接，构成现场通信网络。

DCS 与FCS 拓扑图见图1－5“纯数字”的FCS 可以直接与外界通信，数字信号的电平较高，一般的噪声很难干扰FCS 内的数字信号。 此外，数字信号检错功能强，可以检测出数字信号传输中的误码，所以全数字化的FCS 大大提高过程控制的准确性和可靠性。

在DCS 中， 生产现场的多台模拟仪表集中接于输入 输出单元， 每台仪表只有单一的信号变换功能， 而与控制有关的输入、输出、控制、运算等功能块都集中于DCS 的控制站内，从这个意义上讲，DCS 只是一个“半分散”系统。

FCS 废弃了DCS 的输入/输出单元， 由现场仪表取而代之，即把DCS 控制站的功能化整为零， 功能块分散地分配给现场总线上的数字仪表。 从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制。

随着数字智能仪表的广泛使用，FCS 系统在工业控制领域必将得到进一步的使用， 也将促进油库自动化管理系统的不断优化与提升，从而加快数字化油库建设目标的实现。

[1]刘泽祥.《现场总线技术》.机械工业出版社

[2]张鹤峰.《计算机网络技术》.大连理工大学出版社

[3]李真花 崔 健.《CAN 总线轻松入门与实践》 .北京航空航天大学出版社

[4]许行.《油库设计与管理》.中国石化出版社

[5]樊宝德.《油库计量与监控设备》 .中国石化出版社