总线技术在石油石化的部分应用及展望
摘要：现场总线（FCS）技术在石油化工领域起着重要的作用，从DCS到FCS的过渡，会使石油化工的自动控制、产业管理更加完善。FCS中的PROFIBUS总线，有很多优势，基于PROFIBUS的设计会使工业生产更易于控制和管理。本文主要以PROFIBUS介绍了现场总线的应用，以及FCS的发展前景。
关键词:现场总线 DCS PROFIBUS 冗余 油田应用 总线发展前景
世界工业经过了机械化、电气化、自动化等主要阶段以后，基本完成了工业化的主要任务。在进入信息时代以后，石油化工业，开始向数字化、网络化、模型化，或者称智能化方向发展。现场总线技术将给石油化工界，带来巨大的影响。进入21世纪以来，世界上的石油化工企业都面临着共同的挑战，诸如最大限度地降低成本、提高利润、保障安全、生产清洁产品、面对全球性竞争和获得最佳运营业绩等等。因此发展现场总线和智能仪表技术势在必行。
在石油和化工企业DCS有着很广泛的应用。DCS自20世纪70年代问世以来，经过几代技术变迁和更新发展，现已广泛应用于各个行业，其中石油和化工企业的应用更为普及，技术改造项目用DCS，新建项目用DCS。但DCS本身在具有很多优点的同时，也存在着发展的制约，因此，FCS应运而生。
一、总体概括
FCS是一种新型的分布式网络控制系统，它既是现场通信网络系统，也是现场自动化系统。它作为一种现场通信网络系统，具有开放式数字通信功能，可与各种通信网络互连。它作为一种现场自动化系统，把安装于生产现场的具有输入、输出、运算、控制和通信功能的各种现场仪表作为现场总线的节点，并直接在现场总线上构成分散的控制回路。
现场总线技术（FCS）将使现在的模拟与数字混合的、分散控制系统（DCS）更新换代为全数字式的彻底分散的现场总线控制系统（FCS），真正做到危险分散、控制分散、信息集中和监控集中。
二、几种主流的现场总线做一简单介绍
1、基金会现场总线（Foundation Fieldbus 简称FF）FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。
2、CAN（Controller Area Network 控制器局域网）
最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域。 3、Lonworks
采用Lonworks技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业，被誉为通
用控制网络。 4、PROFIBUS
PROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS-NET、PROFIBUS－PA系列组成。 5、HART（Highway Addressable Remote Transducer）
HART最早由Rosemount公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。
虽然现场总线国际标准IEC61158包含了FF、Profibus、ControlNet、
WorldFIP、P-NET等在内的八种类型（现已增加到十种类型）的现场总线，没有实现它最初的“制定单一现场总线”的目标，同时也宣告了多种现场总线并存的局面已经形成。但与现有的DCS、PLC等相比，现场总线控制系统FCS由于具有的全数字多点通信、现场设备状态可控、开放性、互可操作并能实现分散控制等特点，仍然是石油化工行业基础自动化系统的发展趋势。
三、PROFIBUS介绍
在现场总线中，最值得注意的是Profibus总线。
PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化．它由3个兼容部分组成，即PROFIBUS—DP(Decentralized Periphery)、
PROFIBUSPA(Process Automation)和PROFlBUS—FMS(Fieldbus Message Specification)．现在的PROFlBUS—FMS基本上PROFlNET所取代。 其中：
PROFIBUS—DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信，使用它可取代4—20 mA直流信号传输； PROFIBUS-DP的基本功能和特征有： 1．传输技术：RS-485双绞线、双芯电缆或光缆。波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。 2．总线存取：各主站间采用令牌传递方式占用总线，主站与从站之间为主-从轮询方式，支持单主站或多主站系统，总线上最多站点（主从设备）数为126。 3．通信：点对点（用户数据传送）或广播（控制指令发送），周期性主-从用户数据传送和非周期性主-主数据传送。 4．运行模式：运行、清除、停止。
5．同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。
6．功能：DP主站和DP从站之间的周期性用户数据传送，各DP从站的动态激活和禁止，DP从站组态检查，诊断功能，三级诊断信息，输入/输出同步。通过总线设置DP站点地址、参数。每个DP从站的输入和输出数据可以多达246字节。 7．可靠性和保护机制：DP从站带看门狗定时器（Watchdog Timer），对DP从站的输入/输出进行存取保护。DP主站带可变定时器对用户数据传送进行监视。 8．设备类型：第一类DP主站（DPM1）是可编程控制器，如PLC、PC等；第二类DP主站（DPM2）是可以进行编程、组态、诊断的设备，如编程器和PC等。DP从站是带二进制或模拟量输入输出的驱动器、阀门、智能仪表和分布式I/O等。 9．诊断功能：PROFIBUS-DP诊断能对故障进行快速定位。
PROFIBUS—PA专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上； PROFIBUS—FMS用于车间级监控网络，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供可行的解决方案。
总之，DP用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型，服从IEC1158－２标准。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m，在12Mbit/s小为200m，可采用中继器延长至10km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点。
下面我们以基于PROFIBUS的工业以太网在油田中的应用为例：
该设计的思路是：为了将油井的生产管理由人工管理变成自动化管理，实现油井的远程实时监控，提出了采用SIEMENS OSM形成一个双环冗余的工业以太网的方法，以应用油井远程监控系统(RTU／SCADA)解决油井生产管理的自动化问题．该系统基于PROFIBUS现场总线，采用SIEMENS OSM形成一个双环冗余的工业以太网，在网络或器件出现问题时均能保证网络的通畅，可实现油井的远程实时监控、计量站无人值守、联合站生产参数和设备运行状态自动检测等，对实现油井管理的自动化、提高工作效率、保证数据采集的准确性及加强现场事故的应急处理等都起到了重要的作用．
以其中的几个设计图为例： 1、采油平台设计
陆采平台使用SIEMENS PCS7冗余控制器AS414-4H和分布式I／O ET200M组成RTU，实现数据采集及控制要求．AS414-4H与ET-200M使用PROFIBUS现场总线连接，连接时使用一个带光纤接口的IMl53高性能接口模板．工艺参数远传以光纤为介质，使用西门子的OSM．各平台示意图如图2所示，1号陆采平台的光纤网络连接中控室和2号陆采平台．
图2 2、光纤网络设计
光纤网络采用SIEMENS OSM形成一个双环冗余的工业以太网，在网络或器件出现问题时均能保证数据传送的通畅，实现双网冗余热备份运行． 双环冗余网络连接的示意图如图3所示．
图3双环冗余网络连接示意图
3、控制中心设计
控制中心包括冗余服务器2台，操作员站2台，工程师站l台，数据库／历史站l台，冗余集线器2套，AS414-4H控制器1台．每台计算机安装2块CPl613网卡，其中操作员站和工程师站接到一台集线器上，其余接到环行网络的另一集线器上．控制中心示意图如图4所示．
图四 控制中心示意图
①数据库历史②冗余服务器③工程师站④工业以太网(双管冗余)⑤操作员站⑥SIEMENS PCS7冗余控制器⑦双绞线转光纤模块⑧具有光纤接口的M153
四、发展前景：
虽然，FCS在石油化工的应用还没有DCS那么成熟，很多控制设备还是依然采用DCS控制系统，FCS尚未进入大批量应用阶段，现场总线仪表及辅助设备价格偏高。但随着FCS的推广应用，技术进步，市场竞争，优胜劣汰，FCS的经济性将会显现，我们应该相信，FCS的发展前景是非常美好的。
1、现在的FCS与DCS已有很强的兼容性，将FCS和DCS集成到一起应该是FCS发展的必经之路，只有这样，FCS在包容与改革中才会发展的更加完善。
下面我们来看一个FCS与DCS共同使用的实例：
FCS的集成：小型工程项目中FCS自成系统，中、大型工程项目中FCS和DCS控制站集成，一般有两种集成方式。一种是FF-H1现场总线模块作为控制站的下属I/O模块，例如Emerson公司的DeltaV系统，如图3所示；另一种是FF-H1现场总线模块，例如Honeywell公司的ExperionPKSR300系统，如图4所示。 前者FF-H1依附于控制器，信息传输慢；后者FF-H1，信息传输快。图3和图4中工程师站（ES）、操作员站（OS）、计算机站（CS）为DCS操作监控层设备，控制站中有冗余电源（P）、控制器（C）、现场总线接口（H1）以及各类I/O模块。
图5 FCS和DCS集成之一
图6 FCS和DCS集成之二
2、 不同类型的现场总线组合使用
经过对不同类型现场总线的简单比较，可以看出，有的总线速度快，有的总线成本低„„将他们组合起来，既提高了工作效率，又降低了成本。因此，针对不同的情况选用不同的总线可以最大限度地降低系统成本。大家可能会担心，用了多种现场总线，会使整个系统的操作、管理变得复杂。实际现在一些通用的人—机界面软件，都支持多种现场总线，因此到人—机界面这一层，不同总线的区别对使用者来说是不大的。
3、信息处理现场化技术更加成熟
采用现场总线，现场总线系统的信息量大大增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力、减少多余信息的传递。另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。信息处理的现场化是智能化仪表和现场总线所追求的目标，也是现场总线不同与其它计算机通信技术的标志。
4、工业以太网发展更加成熟，应用更加广泛
所谓工业以太网，是指技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性等方面能满足工业现场需要的以太网络。简言之，工业以太网是将以太网应用于工业控制和管理的局域网技术。目前以太网已经渗透到了控制层和设备层，开始成为现场控制网络的一员。
5、 系统组态通用化
现在一些带现场总线的现场仪表本身装了许多功能块，虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别，但一个网络支路上有许多功能类同功能块的情况是客观存在的。选用哪一个现场仪表上的功能块，是系统组态要解决的问题。目前现场总线系统的组态是比较复杂的，需要组态的参数多，各参数之间的关系比较复杂，如果不是对现场总线非常熟悉，很难将系统设置到最佳状态。我们可以提高组态的功能，使其更加通用化。
结束语：
动态的信息网络在石油化工厂运行。成千上万的传感器通过网络直接、实时传送全厂的数据和图像信息，并为严格的实时优化模型提供数据。依靠过程信息进行统计诊断、过程统计控制，将是高度自动化的关键。现场总线控制系统（F C S）现场总线作为一种技术发展，由DCS 向FCS 过渡已不容怀疑。现场总线为石油石化行业的发展提供了有利条件，相信它在石油化工领域会得到更加广泛的应用，技术也会更加成熟！
参考文献：
现场总线发展趋势 范铠 石油化工信息化现状和发展趋势 司马冰
基于PROFIBUS的工业以太网在油田中的应用 白山 马艳洁 宋子佳岫 高洪丰 石油化工自动化技术的应用与发展趋势 冯冬芹
中国测控网
