1 現(xiàn)場總線簡介
   計算機及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展給自動控制領(lǐng)域帶來了巨大的進步。1982年，歐洲首先提出了現(xiàn)場總線的概念，1999年國際電工委員會制定了它IEC61158現(xiàn)場總線國際標準?，F(xiàn)場總線控制技術(shù)是目前控制領(lǐng)域發(fā)展迅速、逐漸成熟的技術(shù)。它用全數(shù)字傳輸技術(shù)取代了傳統(tǒng)現(xiàn)場儀器的一對一4~20mA電流信號連接技術(shù)給自動控制技術(shù)帶來了新的概念，其發(fā)展的結(jié)果將被取代DCS在系統(tǒng)孤立、開放程度低的現(xiàn)狀下，建立不依賴任何制造商的開放控制系統(tǒng)，建立統(tǒng)一的工廠底部信息網(wǎng)絡(luò)。不同廠家生產(chǎn)的任何設(shè)備均可立即插入和連接，實現(xiàn)完全分散的控制系統(tǒng)。IEC61158標準，有8種現(xiàn)場總線成為國際標準現(xiàn)場總線。Profibus、DeviceNet、FoundationFieldbus都是符合國際標準的主流現(xiàn)場總線。
   2 電動執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)場總線的優(yōu)勢
   石化行業(yè)的過程控制是連續(xù)的。電動執(zhí)行機構(gòu)的作用是模擬各種標準控制信號(0/4)~20mA，0~10V，0~5V等）和數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸出動作位移。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)接收傳感器流量或壓力或溫度信號后，根據(jù)工藝要求，電動執(zhí)行機構(gòu)接收聯(lián)鎖指令和位置信號，通過電源控制模塊或伺服放大模塊驅(qū)動電動執(zhí)行機構(gòu)運行到相應(yīng)位置，電動執(zhí)行機構(gòu)在整個控制系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，其質(zhì)量將直接影響工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量、安全、環(huán)保、能耗等過程控制。
   由于電動執(zhí)行機構(gòu)有多個控制輸入/輸出信號，大約需要7個~14根控制線可以將執(zhí)行機構(gòu)的參數(shù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)的控制模板上。使用現(xiàn)場總線，環(huán)路中的所有執(zhí)行器都連接到屏蔽雙絞線，所有的控制和反饋信息都通過雙絞線傳輸，完全取代了傳統(tǒng)的多芯電纜。當需要添加執(zhí)行器時，只需要一個雙絞線和上級控制裝置的串口，不需要單獨添加多芯電纜，更不用說增加大量系統(tǒng)了I/O接口可以大大節(jié)省投資。
   現(xiàn)場總線執(zhí)行機構(gòu)具有雙向通信功能，控制室操作人員不僅可以校準現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)、參數(shù)設(shè)置、功能組，還可以在線監(jiān)控裝置工作、運行故障診斷和事故預(yù)測、實施狀態(tài)維護，可以最大限度地縮短維護時間，提高維護質(zhì)量，降低維護成本。當現(xiàn)場出現(xiàn)一些無法解決的問題時，也可以通過總線接口進行遠程通信，以實現(xiàn)遠程技術(shù)支持，不再需要像過去那樣去現(xiàn)場。由于執(zhí)行機構(gòu)一直處于監(jiān)控狀態(tài)，因此使用和維護非常方便。
   此外，現(xiàn)場總線輸出為數(shù)字信號。與傳統(tǒng)的模擬傳輸相比，它不僅減少了傳輸過程中信號的失真，而且提高了抗干擾能力，傳輸信號穩(wěn)定可靠。
   3 工程實例概況
   中油惠印石化倉儲基地是中國石油天然氣有限公司廣東銷售分公司在廣東省惠州市大亞灣經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的一級成品油商業(yè)儲備倉庫。其主要功能是為中國石油成品油的銷售提供倉儲。共有6個新項目，3萬個m2011年春節(jié)前，3/罐成品油儲罐已通過整體驗收。
   項目采用雙重熱準備PLC系統(tǒng)，CPU、1.電源、通信模塊等∶1冗余。項目現(xiàn)場一期共使用46個電動閘閥，未來將擴展到72個?？紤]到安裝維護和未來擴展的便利性，選擇帶有現(xiàn)場總線的智能電動執(zhí)行機構(gòu)。
   選擇 4 總線方案
   實例項目選擇國外知名品牌的智能電動執(zhí)行機構(gòu)。該產(chǎn)品的默認拓撲結(jié)構(gòu)通過執(zhí)行機構(gòu)控制器（MasterStation）運行內(nèi)部總線協(xié)議，形成雙線環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)RS485（Modbus協(xié)議）接口與PLC通信(見圖1)。在這種結(jié)構(gòu)下，所有執(zhí)行機構(gòu)通過兩個兩芯屏蔽雙絞線串聯(lián)成一個環(huán)，雙線環(huán)網(wǎng)具有雙向傳輸通信的特點，即總線信號可以通過控制器A根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的物理連接順序1發(fā)出端口#，2#，...N-1#，N#巡檢，再由B端口接收；也可以反向B端口發(fā)出，按順序N#，N-1#，...2#，1#巡檢，由A端口接收。當控制環(huán)路中執(zhí)行機構(gòu)出現(xiàn)故障時，故障點自動從控制環(huán)路中分離，控制器信號可同時從控制環(huán)路中分離A端口及B端口發(fā)出，確?？刂奇溌吩诓皇芄收嫌绊懙那闆r下繼續(xù)運行；當故障閥維護完成后，可重新掛網(wǎng)，系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。
   然而，這種拓撲結(jié)構(gòu)需要增加執(zhí)行機構(gòu)控制器（MasterStation），控制器沒有備用接口連接PLC冗余通信模塊沒有充分利用雙熱系統(tǒng)的冗余。為了實現(xiàn)完全冗余，需要增加兩套MasterStation，將大大增加項目成本。
   與整個電動執(zhí)行機構(gòu)相比，現(xiàn)場總線是一個組件，即通信接口卡。如果是，不同的現(xiàn)場總線應(yīng)使用不同的通信控制卡Modbus或Profibus現(xiàn)場總線必須分別使用Modbus或Profibus總線進行通訊的通訊卡，不同的現(xiàn)場總線由于標準不同，不能相互兼容。在使用過程中，只有具有遵循同一總線要求的設(shè)備才能相互通訊。
   Profibus總線拓撲結(jié)構(gòu)有三種：RS485（Profibus-DP）連接、符合IEC1158-2（Profibus-PA）光纖連接。RS485連接是兩端有源終端的線性拓撲結(jié)構(gòu)，稱為RS設(shè)備級控制系統(tǒng)和分散式485總線段I/O通信，分主，從站結(jié)構(gòu)。主站通過令牌傳輸?shù)綇恼?，通信距離為100~1200m，傳輸速率介于9.6kbit/s~12Mbit/s。兩個總線站之間的最大傳輸距離與設(shè)定速率有關(guān)。Profibus-PA為自動化過程設(shè)置底層通信協(xié)議，可連接現(xiàn)場傳感器、變送器等。Profibus-PA傳輸速率為31.25kbit/s。在特殊情況下，Profibus也可選用光纖連接的拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1 雙線環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

   結(jié)合實例項目現(xiàn)場情況，電動閥之間的距離不得超過200m，最近點與控制室的距離不超過150m。每個電動執(zhí)行機構(gòu)都可以通過安裝總線通信板等同于站結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可以通過PLC作為主站，向各從站發(fā)出巡檢信號，該方案比增加執(zhí)行機構(gòu)控制器（MasterStation）更經(jīng)濟，不會增加施工難度。因此，設(shè)計最終放棄了增加執(zhí)行機構(gòu)控制器和建立雙線環(huán)網(wǎng)的選擇Profibus-DP結(jié)構(gòu)。
   Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)冗余性能（見表1）將直接影響網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性和未來維護的便利性?？紤]到項目的雙熱備型PLC系統(tǒng)，結(jié)合儲備油庫的戰(zhàn)略定位，終設(shè)計了方案4的雙總線冗余結(jié)構(gòu)，即執(zhí)行機構(gòu)使用冗余通信卡和PLC端作冗余連接。并將傳輸速率設(shè)置為1.5Mbit/s。

   5 雙總線方案描述
   雙總線電路與執(zhí)行機構(gòu)的連接方式見圖2。電動執(zhí)行機構(gòu)的冗余通信接口卡安裝后懸掛Profibus-DP在網(wǎng)絡(luò)上，每個執(zhí)行機構(gòu)在總線上分配唯一的地址PLC響應(yīng)發(fā)出的控制信號。通信電纜可采用專用總線電纜或全屏蔽雙絞線，具有安裝方便、維護方便、成本低、效率高的優(yōu)點。A與總線B從相互冗余的主PLCA和從PLCB從通信模塊中引出，兩條總線電纜按物理連接順序與各執(zhí)行機構(gòu)串聯(lián)，最終止于總線終端電阻。形成一對平行的雙總線電路。由于每個現(xiàn)場設(shè)備同時連接兩個通信電路，因此構(gòu)成了冗余通信電路。

圖2 雙總線冗余網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

   正常工作時，設(shè)置其中一個PLC主處理器和主熱備用通信模塊PLC為了從處理器和熱備用通信模塊中保持與主處理器的實時同步?？偩€信號沿工作鏈路的通信模塊端口傳輸。當一條線路或執(zhí)行機構(gòu)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)檢查異常，并通知主處理器故障位置，使故障線路與系統(tǒng)分離。同時，系統(tǒng)將自動切換到熱備用處理器，使總線信號沿另一條鏈路傳輸。此時，主處理器從處理器交換，故障鏈路從處理鏈路切換，實現(xiàn)可靠的冗余功能。故障修復(fù)后，設(shè)備重新掛上系統(tǒng)，重新打開熱備用功能。
   當主處理器出現(xiàn)故障時，監(jiān)控處理器工作狀態(tài)的主熱備用通信模塊迅速斷開內(nèi)部接點，并迅速從熱備用通信模塊關(guān)閉內(nèi)部接點，完成網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移I/O框架控制過程將原來的從處理器和熱備通信模塊轉(zhuǎn)變?yōu)橹魈幚砥骱椭鳠醾渫ㄐ拍K。當處理器故障修復(fù)時，重新掛上系統(tǒng)，繼續(xù)從處理器工作。
   6 結(jié)束語
   隨著各種過程控制要求的不斷提高，電動執(zhí)行機構(gòu)作為過程控制機構(gòu)也應(yīng)能夠不斷適應(yīng)這種情況。只有不斷適應(yīng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）電動執(zhí)行機構(gòu)可以更好地發(fā)揮其應(yīng)有的優(yōu)勢。
   參考文獻
   [1]西門子中國有限公司.Profibus工業(yè)現(xiàn)場總線產(chǎn)品手冊[G].2007年西門子中國有限公司.
   [2]孫鶴旭、梁濤、云利軍.Profibus設(shè)計開發(fā)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)[M].北京:2007年國防工業(yè)出版社.
   [3]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社.1999.
   [4]李衛(wèi)成.電動閥執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].2007年25(6)天然氣和石油.
   [5]唐濟揚.現(xiàn)場總線（Profibus）技術(shù)應(yīng)用指南[G].中國現(xiàn)場總線（Profibus）1998.
   [6]皮爾.惠敦炎，科貝斯.現(xiàn)場自動化現(xiàn)場總線PROFIBUS概述[J].測控技術(shù)，1996，5(15).
   [7]薛建中，鄭崇勛，閏相國.Profibus現(xiàn)場總線及其應(yīng)用[A].第三屆青年學(xué)術(shù)會議論文集（下）[C].2001.