1 现场总线简介
计算机及其网络技术的不断发展给自动控制领域带来了巨大的进步。1982年，欧洲首先提出了现场总线的概念，1999年国际电工委员会制定了它IEC61158现场总线国际标准。现场总线控制技术是目前控制领域发展迅速、逐渐成熟的技术。它用全数字传输技术取代了传统现场仪器的一对一4~20mA电流信号连接技术给自动控制技术带来了新的概念，其发展的结果将被取代DCS在系统孤立、开放程度低的现状下，建立不依赖任何制造商的开放控制系统，建立统一的工厂底部信息网络。不同厂家生产的任何设备均可立即插入和连接，实现完全分散的控制系统。IEC61158标准，有8种现场总线成为国际标准现场总线。Profibus、DeviceNet、FoundationFieldbus都是符合国际标准的主流现场总线。
2 电动执行机构应用现场总线的优势
石化行业的过程控制是连续的。电动执行机构的作用是模拟各种标准控制信号(0/4)~20mA，0~10V，0~5V等）和数字信号，转换为相应的输出动作位移。现场总线控制系统接收传感器流量或压力或温度信号后，根据工艺要求，电动执行机构接收联锁指令和位置信号，通过电源控制模块或伺服放大模块驱动电动执行机构运行到相应位置，电动执行机构在整个控制系统中发挥重要作用，其质量将直接影响工业生产质量、安全、环保、能耗等过程控制。
由于电动执行机构有多个控制输入/输出信号，大约需要7个~14根控制线可以将执行机构的参数传输到控制系统的控制模板上。使用现场总线，环路中的所有执行器都连接到屏蔽双绞线，所有的控制和反馈信息都通过双绞线传输，完全取代了传统的多芯电缆。当需要添加执行器时，只需要一个双绞线和上级控制装置的串口，不需要单独添加多芯电缆，更不用说增加大量系统了I/O接口可以大大节省投资。
现场总线执行机构具有双向通信功能，控制室操作人员不仅可以校准现场执行机构、参数设置、功能组，还可以在线监控装置工作、运行故障诊断和事故预测、实施状态维护，可以最大限度地缩短维护时间，提高维护质量，降低维护成本。当现场出现一些无法解决的问题时，也可以通过总线接口进行远程通信，以实现远程技术支持，不再需要像过去那样去现场。由于执行机构一直处于监控状态，因此使用和维护非常方便。
此外，现场总线输出为数字信号。与传统的模拟传输相比，它不仅减少了传输过程中信号的失真，而且提高了抗干扰能力，传输信号稳定可靠。
3 工程实例概况
中油惠印石化仓储基地是中国石油天然气有限公司广东销售分公司在广东省惠州市大亚湾经济技术开发区的一级成品油商业储备仓库。其主要功能是为中国石油成品油的销售提供仓储。共有6个新项目，3万个m2011年春节前，3/罐成品油储罐已通过整体验收。
项目采用双重热准备PLC系统，CPU、1.电源、通信模块等∶1冗余。项目现场一期共使用46个电动闸阀，未来将扩展到72个。考虑到安装维护和未来扩展的便利性，选择带有现场总线的智能电动执行机构。
选择 4 总线方案
实例项目选择国外知名品牌的智能电动执行机构。该产品的默认拓扑结构通过执行机构控制器（MasterStation）运行内部总线协议，形成双线环网结构RS485（Modbus协议）接口与PLC通信(见图1)。在这种结构下，所有执行机构通过两个两芯屏蔽双绞线串联成一个环，双线环网具有双向传输通信的特点，即总线信号可以通过控制器A根据执行机构的物理连接顺序1发出端口#，2#，...N-1#，N#巡检，再由B端口接收；也可以反向B端口发出，按顺序N#，N-1#，...2#，1#巡检，由A端口接收。当控制环路中执行机构出现故障时，故障点自动从控制环路中分离，控制器信号可同时从控制环路中分离A端口及B端口发出，确保控制链路在不受故障影响的情况下继续运行；当故障阀维护完成后，可重新挂网，系统恢复正常运行。
然而，这种拓扑结构需要增加执行机构控制器（MasterStation），控制器没有备用接口连接PLC冗余通信模块没有充分利用双热系统的冗余。为了实现完全冗余，需要增加两套MasterStation，将大大增加项目成本。
与整个电动执行机构相比，现场总线是一个组件，即通信接口卡。如果是，不同的现场总线应使用不同的通信控制卡Modbus或Profibus现场总线必须分别使用Modbus或Profibus总线进行通讯的通讯卡，不同的现场总线由于标准不同，不能相互兼容。在使用过程中，只有具有遵循同一总线要求的设备才能相互通讯。
Profibus总线拓扑结构有三种：RS485（Profibus-DP）连接、符合IEC1158-2（Profibus-PA）光纤连接。RS485连接是两端有源终端的线性拓扑结构，称为RS设备级控制系统和分散式485总线段I/O通信，分主，从站结构。主站通过令牌传输到从站，通信距离为100~1200m，传输速率介于9.6kbit/s~12Mbit/s。两个总线站之间的最大传输距离与设定速率有关。Profibus-PA为自动化过程设置底层通信协议，可连接现场传感器、变送器等。Profibus-PA传输速率为31.25kbit/s。在特殊情况下，Profibus也可选用光纤连接的拓扑结构。
图1 双线环网拓扑结构
结合实例项目现场情况，电动阀之间的距离不得超过200m，最近点与控制室的距离不超过150m。每个电动执行机构都可以通过安装总线通信板等同于站结构，系统可以通过PLC作为主站，向各从站发出巡检信号，该方案比增加执行机构控制器（MasterStation）更经济，不会增加施工难度。因此，设计最终放弃了增加执行机构控制器和建立双线环网的选择Profibus-DP结构。
Profibus-DP网络冗余性能（见表1）将直接影响网络的安全性、可靠性和未来维护的便利性。考虑到项目的双热备型PLC系统，结合储备油库的战略定位，终设计了方案4的双总线冗余结构，即执行机构使用冗余通信卡和PLC端作冗余连接。并将传输速率设置为1.5Mbit/s。
5 双总线方案描述
双总线电路与执行机构的连接方式见图2。电动执行机构的冗余通信接口卡安装后悬挂Profibus-DP在网络上，每个执行机构在总线上分配唯一的地址PLC响应发出的控制信号。通信电缆可采用专用总线电缆或全屏蔽双绞线，具有安装方便、维护方便、成本低、效率高的优点。A与总线B从相互冗余的主PLCA和从PLCB从通信模块中引出，两条总线电缆按物理连接顺序与各执行机构串联，最终止于总线终端电阻。形成一对平行的双总线电路。由于每个现场设备同时连接两个通信电路，因此构成了冗余通信电路。
图2 双总线冗余网络拓扑结构
正常工作时，设置其中一个PLC主处理器和主热备用通信模块PLC为了从处理器和热备用通信模块中保持与主处理器的实时同步。总线信号沿工作链路的通信模块端口传输。当一条线路或执行机构出现故障时，系统检查异常，并通知主处理器故障位置，使故障线路与系统分离。同时，系统将自动切换到热备用处理器，使总线信号沿另一条链路传输。此时，主处理器从处理器交换，故障链路从处理链路切换，实现可靠的冗余功能。故障修复后，设备重新挂上系统，重新打开热备用功能。
当主处理器出现故障时，监控处理器工作状态的主热备用通信模块迅速断开内部接点，并迅速从热备用通信模块关闭内部接点，完成网络的转移I/O框架控制过程将原来的从处理器和热备通信模块转变为主处理器和主热备通信模块。当处理器故障修复时，重新挂上系统，继续从处理器工作。
6 结束语
随着各种过程控制要求的不断提高，电动执行机构作为过程控制机构也应能够不断适应这种情况。只有不断适应现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）电动执行机构可以更好地发挥其应有的优势。
参考文献
[1]西门子中国有限公司.Profibus工业现场总线产品手册[G].2007年西门子中国有限公司.
[2]孙鹤旭、梁涛、云利军.Profibus设计开发现场总线控制系统[M].北京:2007年国防工业出版社.
[3]阳宪惠.现场总线技术及应用[M].北京：清华大学出版社.1999.
[4]李卫成.电动阀执行器现场总线控制系统的应用[J].2007年25(6)天然气和石油.
[5]唐济扬.现场总线（Profibus）技术应用指南[G].中国现场总线（Profibus）1998.
[6]皮尔.惠敦炎，科贝斯.现场自动化现场总线PROFIBUS概述[J].测控技术，1996，5(15).
[7]薛建中，郑崇勋，闰相国.Profibus现场总线及其应用[A].第三届青年学术会议论文集（下）[C].2001.
咨询需求
