淺談化工行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、通訊協(xié)議及其應(yīng)用

耿杰

摘 要：隨著化工行業(yè)的發(fā)展，化工生產(chǎn)的自動(dòng)化水平越來(lái)越高，傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式電壓、電流信號(hào)傳輸已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)要求，各類現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。那么，各類現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有怎樣的區(qū)別和聯(lián)系，各自應(yīng)用范圍是什么？接下來(lái)，本文將對(duì)各類現(xiàn)場(chǎng)總線、技術(shù)協(xié)議及其應(yīng)用做簡(jiǎn)要闡述。

關(guān)鍵詞：化工行業(yè);現(xiàn)場(chǎng)總線;通訊協(xié)議;應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在制造和過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線成為現(xiàn)場(chǎng)總線?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表、執(zhí)行元件與控制系統(tǒng)之間、控制系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間都可采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)數(shù)字化、開(kāi)放性、互操作性和互換性使數(shù)據(jù)傳輸更方便、快捷、成本更低。目前，在化工行業(yè)，應(yīng)用比較廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線有基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）的H1、PROFIBUS、PROFINET、CAN總線等。

通訊協(xié)議又稱通信規(guī)程，是指通信雙方對(duì)數(shù)據(jù)傳送控制的一種約定。約定中包括對(duì)數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問(wèn)題做出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守，它也叫做鏈路控制規(guī)程。通訊協(xié)議主要有RS485/MODBUS、HART、FieldBus、等。每種總線都有其應(yīng)用的領(lǐng)域，支持一種或多種通訊協(xié)議。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及通訊協(xié)議

1.1 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線是世界上兩大現(xiàn)場(chǎng)總線集團(tuán)ISP和WorldFIP選派代表組成。基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線采用的是令牌總線通信方式，可分為周期通信和非周期通信。FF有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，低速現(xiàn)場(chǎng)總線FF H1及高速現(xiàn)場(chǎng)總線FF HSE。FF H1傳輸距離可達(dá)1900m，應(yīng)用非常廣泛?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊模型包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與應(yīng)用層。應(yīng)用層（FAL），包括現(xiàn)場(chǎng)總線訪問(wèn)子層（FAS）和現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范子層（FMS），前者管理數(shù)據(jù)的傳輸，后者負(fù)責(zé)對(duì)用戶層命令進(jìn)行編碼和解碼。

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境，支持雙絞線、同軸電纜、光纜和無(wú)線發(fā)射等傳輸介質(zhì)，可采用總線型、樹(shù)型、菊花鏈等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擁有非常出色的互操作性，使得現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)之間能準(zhǔn)確、可靠地實(shí)現(xiàn)信息互通。

1.2 PROFIBUS

PROFIBUS是德國(guó)西門子公司支持的總線技術(shù)，西門子公司的產(chǎn)品大多采用PROFIBUS技術(shù)，是符合德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（DIN 19245）和歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN50170）的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。PR0FIBUS是一種數(shù)字式、串行、多點(diǎn)的數(shù)據(jù)總線，分為PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三種行規(guī)。其中，PROFIBUS-FMS在化工行業(yè)應(yīng)用較少，PROFIBUS-DP用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)控制設(shè)備與分布式I/O的通信。主站之間的通信為令牌方式，主站與從站之間為主從方式，以及這兩種方式的混合。PROFIBUS-PA用于過(guò)程自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)傳感器和執(zhí)行器的低速數(shù)據(jù)傳輸，使用擴(kuò)展的PROFIBUS-DP協(xié)議，可以用于防爆區(qū)域的傳感器和執(zhí)行器與中央控制系統(tǒng)的通信。

PROFIBUS支持多個(gè)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換、傳輸速度快、傳輸距離長(zhǎng)、認(rèn)證規(guī)范嚴(yán)格，標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)，得到了眾多廠商的支持，目前已發(fā)展為最重要的和應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 PROFINET

PROFINET是由PROFIBUS國(guó)際組織（PROFIBUS International，PI）推出的新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)。其功能包括8個(gè)主要的模塊，依次為實(shí)時(shí)通信、分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)安裝、IT標(biāo)準(zhǔn)和信息安全、故障安全和過(guò)程自動(dòng)化。

PROFINET具有開(kāi)放性，針對(duì)任何控制器類型，都可實(shí)現(xiàn)理想配置。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，根據(jù)具體要求，可實(shí)現(xiàn)總線型、環(huán)形、樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用單根電纜即可進(jìn)行設(shè)備和工廠通信，減少布線成本。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可連接1024臺(tái)設(shè)備。PROFINET以其開(kāi)放性、靈活性、高效率和高性能為自動(dòng)化通信領(lǐng)域提供了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，并且兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線（如PROFIBUS）技術(shù)，使維護(hù)成本大大降低，成為數(shù)字化企業(yè)的推動(dòng)力。

1.4 CAN

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network， CAN）的簡(jiǎn)稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品的德國(guó)BOSCH公司開(kāi)發(fā)，并最終成為國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的總線之一。CAN是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行接口通信網(wǎng)絡(luò)。CAN控制器工作屬于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問(wèn)優(yōu)先權(quán)采用無(wú)損結(jié)構(gòu)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這樣，不同的節(jié)點(diǎn)可同時(shí)接收到數(shù)據(jù)，提高了通訊的實(shí)時(shí)性。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以方便的搭建冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

1.5 Modbus協(xié)議

Modbus協(xié)議是一種適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的主從式串口通訊協(xié)議，是由Modicon公司（現(xiàn)為施耐德電氣的一個(gè)品牌）在1978年發(fā)明的。它采用查詢通訊方式進(jìn)行主從設(shè)備的信息傳輸，可尋址1-247個(gè)設(shè)備地址。Modbus協(xié)議有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。同波特率下，RTU模式能傳輸更多的數(shù)據(jù)，因此工業(yè)網(wǎng)絡(luò)大都采用RTU模式。Modbus協(xié)議的幀格式簡(jiǎn)單、緊湊，采用設(shè)備均為標(biāo)準(zhǔn)部件，支持多種電氣接口，還可在多種傳輸介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纜、無(wú)線射頻，因此得到了廣泛應(yīng)用。

2 應(yīng)用

目前，智能變送器大多可支持現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議，如FF現(xiàn)場(chǎng)總線、PROFIBUS PA現(xiàn)場(chǎng)總線、HARD通訊協(xié)議等，但是化工生產(chǎn)裝置有一定危險(xiǎn)性，而現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸依靠一根傳輸線纜，一旦線纜損壞，整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)就會(huì)癱瘓，嚴(yán)重的會(huì)使反應(yīng)失控，造成安全事故。因此，化工裝置現(xiàn)場(chǎng)儀表采用總線傳輸?shù)牟⒉欢?，本文主要針?duì)控制系統(tǒng)之間總線傳輸介紹。

在化工生產(chǎn)中，各類現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及通訊協(xié)議都有自己的應(yīng)用領(lǐng)域，而且各種千秋。要構(gòu)建適合自己的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，需要考慮以下幾方面內(nèi)容：

①裝置特點(diǎn)：根據(jù)裝置要采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)備之間的距離、裝置規(guī)模、需要接入系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量，選擇適合的通訊系統(tǒng);②現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境：化工裝置大多易燃易爆，通訊系統(tǒng)必須滿足現(xiàn)場(chǎng)防爆要求。常用的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)除CAN總線外，大多都能滿足安全防爆要求。PROFIBUS、PROFINET、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF的H1在化工裝置中都有廣泛應(yīng)用;③廠內(nèi)其他裝置：參考裝置內(nèi)其他控制系統(tǒng)的通訊采用何種總線技術(shù)和通訊協(xié)議，全廠盡量統(tǒng)一，減少中間設(shè)備，利于數(shù)據(jù)的傳輸和設(shè)備管理，提高系統(tǒng)的可靠性;④產(chǎn)品售后服務(wù)：選擇售后服務(wù)良好的產(chǎn)品，如安裝、調(diào)試、維修、培訓(xùn)等方面。

數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)是非常靈活的，即使采用不同的總線技術(shù)，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊也可使不同系統(tǒng)之間進(jìn)行通訊。因此，要充分結(jié)合裝置和廠區(qū)特點(diǎn)，選擇適合的總線技術(shù)。

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