浅谈化工行业现场总线技术、通讯协议及其应用

耿杰

摘 要：随着化工行业的发展，化工生产的自动化水平越来越高，传统的点对点式电压、电流信号传输已经不能满足现代化工业生产要求，各类现场总线技术的应用越来越广泛。那么，各类现场总线技术有怎样的区别和联系，各自应用范围是什么？接下来，本文将对各类现场总线、技术协议及其应用做简要阐述。

关键词：化工行业;现场总线;通讯协议;应用

现场总线是安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线成为现场总线。现场检测仪表、执行元件与控制系统之间、控制系统与控制系统之间都可采用现场总线方式进行数据传输。现场总线技术数字化、开放性、互操作性和互换性使数据传输更方便、快捷、成本更低。目前，在化工行业，应用比较广泛的现场总线有基金会现场总线（FF）的H1、PROFIBUS、PROFINET、CAN总线等。

通讯协议又称通信规程，是指通信双方对数据传送控制的一种约定。约定中包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守，它也叫做链路控制规程。通讯协议主要有RS485/MODBUS、HART、FieldBus、等。每种总线都有其应用的领域，支持一种或多种通讯协议。

1 现场总线技术及通讯协议

1.1 基金会现场总线（FF）

基金会现场总线是世界上两大现场总线集团ISP和WorldFIP选派代表组成。基金会现场总线采用的是令牌总线通信方式，可分为周期通信和非周期通信。FF有两个标准，低速现场总线FF H1及高速现场总线FF HSE。FF H1传输距离可达1900m，应用非常广泛。基金会现场总线的通讯模型包括物理层、数据链路层与应用层。应用层（FAL），包括现场总线访问子层（FAS）和现场总线报文规范子层（FMS），前者管理数据的传输，后者负责对用户层命令进行编码和解码。

基金会现场总线（FF）支持本质安全防爆环境，支持双绞线、同轴电缆、光缆和无线发射等传输介质，可采用总线型、树型、菊花链等网络拓扑结构拥有非常出色的互操作性，使得现场节点之间能准确、可靠地实现信息互通。

1.2 PROFIBUS

PROFIBUS是德国西门子公司支持的总线技术，西门子公司的产品大多采用PROFIBUS技术，是符合德国标准（DIN 19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。PR0FIBUS是一种数字式、串行、多点的数据总线，分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三种行规。其中，PROFIBUS-FMS在化工行业应用较少，PROFIBUS-DP用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O的通信。主站之间的通信为令牌方式，主站与从站之间为主从方式，以及这两种方式的混合。PROFIBUS-PA用于过程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输，使用扩展的PROFIBUS-DP协议，可以用于防爆区域的传感器和执行器与中央控制系统的通信。

PROFIBUS支持多个设备间的数据交换、传输速度快、传输距离长、认证规范严格，标准开发，得到了众多厂商的支持，目前已发展为最重要的和应用最广泛的现场总线标准。

1.3 PROFINET

PROFINET是由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出的新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。其功能包括8个主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。

PROFINET具有开放性，针对任何控制器类型，都可实现理想配置。拓扑结构灵活，根据具体要求，可实现总线型、环形、树形网络拓扑结构。采用单根电缆即可进行设备和工厂通信，减少布线成本。每个网络可连接1024台设备。PROFINET以其开放性、灵活性、高效率和高性能为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，并且兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，使维护成本大大降低，成为数字化企业的推动力。

1.4 CAN

CAN是控制器局域网络（Controller Area Network， CAN）的简称，是由研发和生产汽车电子产品的德国BOSCH公司开发，并最终成为国际上应用最广泛的总线之一。CAN是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行接口通信网络。CAN控制器工作属于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权采用无损结构向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，对通信数据进行编码，这样，不同的节点可同时接收到数据，提高了通讯的实时性。利用这个特点，可以方便的搭建冗余结构，提高系统的可靠性和灵活性。

1.5 Modbus协议

Modbus协议是一种适用于工业控制领域的主从式串口通讯协议，是由Modicon公司（现为施耐德电气的一个品牌）在1978年发明的。它采用查询通讯方式进行主从设备的信息传输，可寻址1-247个设备地址。Modbus协议有两种传输模式：ASCII模式和RTU模式。同波特率下，RTU模式能传输更多的数据，因此工业网络大都采用RTU模式。Modbus协议的帧格式简单、紧凑，采用设备均为标准部件，支持多种电气接口，还可在多种传输介质上传送，如双绞线、光缆、无线射频，因此得到了广泛应用。

2 应用

目前，智能变送器大多可支持现场总线通讯协议，如FF现场总线、PROFIBUS PA现场总线、HARD通讯协议等，但是化工生产装置有一定危险性，而现场总线传输依靠一根传输线缆，一旦线缆损坏，整个自动控制系统就会瘫痪，严重的会使反应失控，造成安全事故。因此，化工装置现场仪表采用总线传输的并不多，本文主要针对控制系统之间总线传输介绍。

在化工生产中，各类现场总线技术及通讯协议都有自己的应用领域，而且各种千秋。要构建适合自己的数据通讯系统，需要考虑以下几方面内容：

①装置特点：根据装置要采用的拓扑结构，设备之间的距离、装置规模、需要接入系统的设备数量，选择适合的通讯系统;②现场环境：化工装置大多易燃易爆，通讯系统必须满足现场防爆要求。常用的现场总线技术除CAN总线外，大多都能满足安全防爆要求。PROFIBUS、PROFINET、基金會现场总线FF的H1在化工装置中都有广泛应用;③厂内其他装置：参考装置内其他控制系统的通讯采用何种总线技术和通讯协议，全厂尽量统一，减少中间设备，利于数据的传输和设备管理，提高系统的可靠性;④产品售后服务：选择售后服务良好的产品，如安装、调试、维修、培训等方面。

数据通讯系统是非常灵活的，即使采用不同的总线技术，通过协议转换模块也可使不同系统之间进行通讯。因此，要充分结合装置和厂区特点，选择适合的总线技术。

参考文献：

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