图1 解怀仁，中国仪表学会自控委员会常务理事，中石化规划院高级工程师负责中石化仪表自控规划，设计审查，项目评估等工作；对炼厂加热炉节能和先进控制以及MAV项目管理等有较深的研究；开发国产DCS获总公司科技进步一等奖，国家科技进步三等奖；发表20多篇论文及主编《石化仪表控制系统应用选型手册》和《石化仪表自动化》丛书等。

随着国际现场总线标准的实施，现场总线技术的成熟以及现场总线控制系统的应用，将对我国仪表和自控领域产生巨大的影响，也必将对我国企业仪表和控制系统的应用产生很大的影响。现场总线控制系统为企业数字化工厂的实施提供了良好的基础。

2000年1月4日国际电工委员会IEC宣布工业现场总线标准IEC 61158获得通过，这个标准包括FF-H1/FF-HSE，Profibus，Interbus，P-NET，Control-net，Worldfip，Swift-net等共八种子集。因为全球行业很多，每个行业对FCS的要求不一样，八种标准用于不同行业，这些标准可以从技术和经济角度满足不同类型，不同层次应用的需要。

现场总线是近十年自动化领域中发展很快的互连通信网络，具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。较著名的有基金会现场总线（FF）、HART现场总线、CAN现场总线、LONWORKS现场总线、PROFIBUS现场总线、MODBUS现场总线、INTERBUS现场总线和AS-INTERFACE现场总线等。

通过分析，其中FF（基金会现场总线）、PROFIBUS-PA最适合连续过程控制如石油和石化行业的需要。它具有全数字化，安全可靠性高和实时性的特点，并能满足本安防爆要求，继承两线制仪表传统，多数DCS和变送器、阀门厂商都支持。

FCS的特点

现场总线控制系统（FCS）具有开放性、全数字化和互操作性的特点，已成为新型工业控制系统发展方向之一。随着FCS技术完善，其应用将日益增加，现场总线控制系统的应用有很大进展，石化系统已有近百家企业用FCS来控制生产装置或罐区系统等。FCS主要特点如下：

开放式系统

现场总线工作站同时挂在现场总线和局域网两层网络上，通过后者可与其他计算机系统或网络进行高速信息交换，以实现资源共享。另外，现场总线的技术标准是对所有制造商和用户公开的，可实现技术共享。通信总线标准统一全开放，打破个别厂商的垄断，给技术以强大的支持群体。DCS只做到操作站以上开放，控制层不可能开放。而FCS则做到系统从上到下全开放。

全数字化通信

FCS智能型现场仪表传感器及其A/D转换器数字信号在传送出仪表之前可得到补偿，因此，提高了系统的测量和控制精确度。由于采用双向数字信号传输数字化使系统精度提高；现场设备的信息增多几十倍，可用于自诊断，系统调试，管理从而提高系统的有效性；同一电缆挂多台现场设备从而节省电缆的施工量。

图2  智能安全逻辑处理器与HART通信。

可互操作性

现场总线智能仪表按统一的技术标准，不同厂家的产品，只要遵守相同的现场总线标准就可互连互换，统一组态，即插即用，以方便设备更新或系统扩展。

控制分散度高

现场总线智能仪表除具有基本功能外，还有控制和运算等功能，可实现彻底分散控制。每条总线可连接多台现场仪表，由智能的现场设备带PID，可分散地完成DCS控制器的功能，使控制风险彻底分散，提高系统控制的自治性和可靠性。

应用现状与特点

从目前国内外自动化控制系统所应用的现场总线来看，主要有PROFIBUS、FF、LONWORKS、HART、CAN等现场总线。这些系统基本上都是采用单一的现场总线技术，即整个自动化控制系统中只采用一种现场总线，现也有与DCS集成混用的控制系统，以下将分别对这几种现场总线进行介绍。

CAN现场总线

工业控制领域，CAN总线可作为现场设备级的现场总线，与其他总线相比，具有很高的可靠性和性价比。CAN网络上任何一个节点均可作为主节点主动地与其它节点交换数据；CAN网络节点的信息帧可以分出优先级，这对于有实时性要求的控制提供了方便；CAN的物理层及数据链路层有独特的设计技术，使其在抗干扰以及错误检测等方面的性能均大大提高。

据报道，CAN技术已应用于家用电器和智能楼宇以及小区建设中。如安防系统、抄表系统、家电控制等。它投资少，每个节点可以随机访问，通信速度完全满足要求，且在这类应用中数据交换量都很少。适当的网关如CAN与TCP/IP协议的转换，可以使一个居室或一栋大楼的现场CAN信息转变为Internet的形式外传，或反过来通过这类网关把外部网传来的信息转换为CAN的形式，此即实现了所谓的远程控制。

LonWorks现场总线

Lon Works（Local Operation Network）局部操作网络是1991年3月由美国的Echelon公司推出的，是一种“智能网”，其核心技术是节点由神经元芯片（含三个CPU）构成，带有OSI的七层网模型，适应面最广，开发工具约10~30万，价格较贵。据统计产品的40%用于工业控制，30%用于楼宇自动化。

LonWorks技术开始从工业自动化发展应用于智能建筑，它的开放性、互操作性、高可靠性、无中心检测等突出优点，已被世人公认，是当今智能建筑控制系统的主流技术，其正在不断的发展中完善。LonWorks技术具有一个完整的开发系统平台，包含着所有设计、配置和支持控制的元素，LonWorks技术组成包括硬件部分和神经元（NEURON）心片和软件部分的通信协议LonTalk。由于LonWorks系统扩展能力强，如增加控制设备，只需在总线上增加节点，就可以实现系统的扩展，由于系统的开放性，可实现不同厂商器件的互操作、互相替换，为系统的技术升级提供了多种手段。

HART和HCF

1986年由Rosemount提出的通信协议HART（Highway Addressable Remote Transducer，可寻址远程传感器数据通路），主要是在4~20mA的DC信号上叠加FSK（Frequency Shift Keying，频率调制键控）数字信号，是现场总线的过渡性协议，它对于现场总线的形成有重大影响，HART协议现场仪表已用于DCS控制系统中。

带有HART诊断功能专门为模拟布线设计的设备仍旧比现场总线设备销售得好。而且HART的性能发展也没有停滞。控制系统平台的性能也有了提高，可以保证信息使用的前提下使用最小的额外布线。

PROFIBUS

目前，在整个过程工业中已安装超过2330万个PROFIBUS节点，其中超过50万个PROFIBUS-PA设备。全球安装114万个PROFTBUS节点。在今天，PROFINET已经在许多过程自动化的上游、下游中得到使用，与PROFIBUS一样，PROFINET用一根总线覆盖所有主要的应用领域，PROFINET在过程工业中的应用领域将逐步扩展，不断发布新成果。

PROFIBUS和PROFINET都使用了PROFIsafe安全性技术，其应用范围覆盖了工厂自动化和过程自动化中的所有应用，可使用的设备范围包括从远程I/O的安全输入、输出模块到光栅和变送器，到具有集成安全功能的驱动器和工业机器人等。目前，已经超过2万个PROFIsafe系统、约41万个PROFIsafe节点在世界范围内使用，其中约有10%是用于过程自动化的。

PROFIsafe将安全性技术结合进入标准总线系统的应用范围。只需使用一根总线系统，从而降低了布线成本；在控制系统、现场设备和通信方面它结合了标准自动化系统的优点，在投运、扩展和更新方面增加了灵活的适应性；统一的工程工具和高性能的参数化和诊断；可以通过安全的远程I/O将传统的4~20mA或HART流程仪表集成在PROFIsafe应用中，保护了已有投资；PROFIsafe在驱动技术中应用还提供了重大的节能优势。

图3 数字自动化系统结构。

目前，TüV和BGIA已经制定用于ROFIsafe产品测试和认证的导则，目前已建立了2个PROFIsafe产品测试实验室；PROFIsafe是国际标准IEC61508的组成部分，已经列为我国国家标准指导性文件。

FF现场总线

现场总线在全世界发展迅速，尤其是在工业过程控制领域，产品日趋完善，并得到了广泛的应用。目前，全世界已安装的基金会系统超过12000套，已安装的现场设备超过1000000台以上;其中，在中国已安装系统超过100套，已安装现场设备超过数万台。基金会现场总线已在美洲、欧洲、亚洲以及大洋洲得到应用，最终用户遍及各主要工业发达国家。基金会现场总线和PROFIBUS主要应用领域之一是石油化工行业。

数字化控制系统的应用

上海赛科石化项目的应用

石化系统的大型项目也有采用数字化控制系统FCS进行生产过程控制，如赛科90万吨乙烯裂解装置的FCS是国内外最大的现场总线系统。该系统包括47000个控制回路、40000台仪表和与世界最大基金会现场总线设备联网的13 000台智能设备（10套自动化控制系统）。这10套装置由一个中心控制室进行高度集中控制。现场总线的PID控制功能在阀门控制器实现了集散控制，提高了可靠性，极大降低了自动控制系统和现场控制设备间数据通信负载，增强了系统可靠性。

上海赛科（SECCO）90万吨/年乙烯工程，DCS采用Emerson公司的Delta V系统，控制站除常规I/O模块外，配置了FF-H1现场总线模块，每个模块的2个接口分别构成2段FF-H1总线，每段FF-H1总线设计9台仪表（实用6台，备用3台）。

该工程实用FF-H1现场总线段2473条，FF-H1现场总线仪表14375台，平均每个FF-H1现场总线段上挂5.8台仪表。FF-H1现场总线段上集成了不同厂家的现场总线仪表，除了Emerson的温度、压力、流量等仪表，还有E+H的雷达液位计和流量计，ABB的阀门定位器，ROTORK的电动马达控制器，TYCO的电动马达控制器等，保证了多种产品的一致性和互操作性。

福建炼油乙烯的应用

该项目位于福建泉州，是由中石化，ExxonMobil和Aramco公司共同投资兴建的福建炼油乙烯一体化项目。全厂采用数字化自动化结构，全面采用基金会现场总线（Foundation Fieldbus）技术。共采用10套DCS系统，2个中央控制室，22个外站，总I/O点数超过40000，FF现场设备12000台项目将于。2009年投入商业运行。

旅大油田开发项目的应用

旅大油田考虑到大型综合性平台应用现场总线技术效益更明显因此决定在旅大5-2和旅大10-1平台采用现场总线系统，旅大4-2平台仍采用传统系统。

LD5-2/LD10-1平台的控制系统包括：过程控制系统（PCS）、紧急关断系统（ESD）和火/气探测系统（F&G）。其PCS采用现场总线控制系统（Fisher-Rosemount DELTA V），H1采用FF现场总线，H2采用HSE 100M以太网。ESD采用安全仪表（SIS）控制系统，F&G采用专用的火/气控制系统。

旅大10-1油田CEP/WHPA平台的现场具有208个FF装置，23个模拟量输入，总线上布有28个FF网段和6个FISCO本安网段。旅大5-2油田DPP平台的现场具有178个FF装置，28个模拟量输入，总线上布有16个FF网段和7个FISCO本安网段。

考虑到现场总线技术是首次在海上油（气）田开发项目中获得应用，因此设计中留有较多的余量，在正常情况下一个FF网段接16个FF装置，1个FISCO本安网段可接12个FF装置。但在本项目中一个FF网段只连接了9个FF装置，1个FISCO本安网段只连接了10个FF装置。

现场总线应用效益明显

现场总线数字化控制系统的应用带来直接的经济效益，具体表现如下：

■简化工程设计，具有专门的设计工程软件（FF Design Tool）自动生成各类图纸，使得设计、绘图工作简化，设计时间缩短，节省人力、物力，并为项目设计进度赢得宝贵的时间。

■彻底分散的分布式结构将1对1模拟信号传输方式变为1对N的数字信号传输方式，节省了模拟信号传输过程中大量的A/D、D/A转换装置。

■控制功能下装使危险更分散，大大缩短控制周期。

■各类I/O卡件，端子等减少75%。

■现场布线工作量减少，降低了安装成本，采用现场总线系统，仅有几根电缆穿越，大大节省电缆费用。

■回路测试简易、方便，减少调试时间，缩短项目工期。通常，系统调试需要时间为30天左右，现调试工作仅用一周时间就全部完成。调试时间的大大缩短，为最终投产日期的提前，起到了不可忽视的积极作用。

■采用内置AMS管理软件，技术人员在控制室就能了解现场设备状态及故障情况，大大减少现场巡检。

■现场总线网络提供纠错和诊断功能，这确保了更精密的维护和更便捷的安装。维护技师和仪表工程师发现现场总线的诊断能力使他们的工作更加容易和有效。由于采用了现场总线技术，使得设计、绘图的工作量简化，布线及调试时间大大缩短，安装成本得以降低。不仅如此，在其运行应用过程中，现场总线技术所带来的长远利益还将会进一步显现，如出色的诊断能力；检修、维护的方便性；提高资产效率、降低运转成本等。

技术进展和展望

电子设备描述语言（EDDL）

电子设备描述语言（EDDL）被获准作为国际标准规格（IEC 61804-2），目前，EDDL的发展已进入到第二阶段，由FF基金会、HART基金会、OPC基金会和Profibus PNO组织正在完成后续开发，以达到增强用户层设备整合。OPC用户端可获得复杂设备的数据，可自动集成，独立于系统的联合诊断，单个应用程序可应用于多个系统，无需开发特定应用软件，成本优化、降低开发成本和创造开放的且互可操作环境。

FF中EDDL的相关规范有三种：FF-900设备描述语言规范（相当于IEC61804-3，包括所有的EDDL Phase I的增补）；FF-901设备互操作性规范（包括基金会现场总线细节指南，包括在IEC61804-4中）；FF-103普通文件格式规范（离线工程）。

现场总线安全仪表（SIS）

当前，FF基金会已开发新的FF安全仪表系统（SIS），由壳牌全球技术中心负责，在阿姆斯特丹进行试运行。研发SIS一些关键产品，制定了节约成本的各项策略包括CAPEX-减少硬件、节约能耗、减少占用空间、调试更快，OPEX-先进的诊断功能、缩短测试间隔、实现资产优化。

基金会现场总线SIF技术分别在美国，德国等地设五个试验地点。试验结果：Emerson、Siemens、Yokogawa、Smar and Endress+Hauser等7个公司13项SIF仪表设备进行温度探头故障（诊断）、低液位停车、低温停车、高压停车诊断报警等试验都成功。基金会SIF方案可集成完整的闭环紧急停车回路;安全系统集成将减少安装费和改进现场设备诊断信息直接到罗辑控制器的通讯。加强的安全诊断将增家工厂的完整性，确保何时何地需要的维护完成。

据了解，PROFINET现已经完成了PROFIsafe功能、信息安全功能以及PA设备行规、设备描述和设备集成规范，已完成集成PROFIBUS-PA、HART和FF网段的功能、介质冗余。到2008年底，全部系统功能将可供使用。为了推动我国过程自动化（PA）设备的开发，以使我国的设备制造企业能尽快适应过程自动化技术创新的要求，CPO已经完成了“PA设备行规”和“设备描述和设备集成规范（EDDL）”的中文本，它们都是IEC-61804（PROFIBUS、HART和FF共同支持）的组成部分。

高速工业以态网（HSE）

近期，现场总线基金会已将采用主频带宽为1OOm的高速工业以太网，用于高层网络通信和增加网络冗余功能等。 另外还推出可扩展功能的柔性功能块，用于非连续量控制（批量控制和开关量控制9）等，现场总线在工业控制领域得到了推广的应用。

HSE的结构是一个增强型的标准以太网模式。底层采用标准以太网IEEE802.3μ的最新技术和CS-MA/CD链路控制协议来进行介质的访问控制。TCP/IP协议是标准以太网的重要协议，它位于网络层和传输层，实现面向连接和无连接的数据传送，并为分布式主机控制协议（DHCP）、简单网络时间协议（SNTP）、简单网络管理协议（SNMP）和现场设备访问代理（FDAAgent）提供传输服务。HSE系统和网络管理代理、功能块、HSE管理代理和现场设备访问代理都位于用户层和应用层中，提供设备的描述和访问、功能块应需添加任何专用设备即可直接连入高速网络，同时也从另一方面增强了HSE设备的互操作性。

无线网络系统

无线技术具有节省成本、可靠性和功能多样性的特点。根据使用ISA sp100和未来的IEC标准，进一步发展无线网络技术，将推出无线通信技术解决方案，该解决方案必须包括所需设备的互操作性和网络配置；验证和发展主要规范；发展设备互操作性测试和注册程序。

现场总线与工业以太网

FIELDNET体系结构是现场总线＋以太网的方案。PROFINET是一种基于以太网的开放的工业以太网标准，它已经是国际标准IEC-61158/IEC-61784的重要组成部分，并已列为我国国家标准指导性文件。我们预测，现场总线和工业以太网将会并存多年。

当需要同时采用现场总线和工业以太网技术的时候，主要解决企业IT管理层与现场设备层不同的通讯方式带来的问题，要使现有的PA设备协议要适应PROFINET。PROFINET技术进展之一是PROFIBUS PA设备要连接PROFINET可用PA代理服务器的解决方案，这是一种无缝集成方案。

EPA实时以太网是我国制定的第一个拥有自主知识产权的工业自动化标准，日前，EPA被正式列入现场总线国际标准IEC61158（第四版）中的第十四类型，并列为与IEC61158相配套的实时以太网应用行规国际标准IEC61784-2中的第十四应用行规簇（CommonProfileFamily14，CPF14）。这标志着由浙大中控等单位共同起草制定EPA标准得到了国际电工委员会的正式承认，实现了我国在自动控制领域国际标准零的突破。

FCS与DCS共存或相融

FCS与DCS将共存，因为FCS尚无统一国际标准，而DCS以其成熟的发展，完备的功能和广泛的应用而占据不可替代的地位，故两者将相互兼容与共存。现场总线控制系统与DCS将相互兼容与互容。预计今后很长一段时间，DCS与FCS将共存及互补。

随着FCS技术性能和可靠性提高，市场占有率将大幅度提高。根据目前FCS应用的经验，在应用FCS要注意以下几个问题：

■选型时要选FCS系统可靠性高和维护性好的系统；

■要关注全厂网络系统的安全性；冗余卡件自动切换及在线插跋；

■对预可维护功能，AMS要支持设备描述文件（DD file）不断升级的现场设备；

■DCS-FCS通讯协版本统一，FCS组态应进一步简化；

■SIF—ESD的工程应用，更多的现场总线仪表注册以便使现场仪表扩大应用范围；

■DCS-FCS集成控制系统是利用已有DCS的技术和资源，最实际的数字化控制方案，便于现场总线的推广和应用。