现场总线技术在人防工程自动化的应用研究

【摘要】人防工程是指为保障战时指挥通畅以及人民群众生命财产安全的防卫工事。目前我国人防工程自动化程度以及信息化程度不高，有待进一步提高。本文主要对人防工程自动化控制系统中底层现场设备应用现场总线技术的必要性以及底层设备和接口设计方案进行探讨。

【关键词】人防工程；现场总线；系统设计

1、引言

人防工程是为保障战争时期或其他非常规时期物资掩蔽以及人员安全而单独修建或者依托于地面建筑的地下防护建筑。我国人防工程的发展始于上世纪六十年代末七十年代初，当时兴起的“深挖洞”的群众运动，各家各户甚至各单位都在自家房屋地下挖地洞，相互连通，形成四通八达的地道网。但是这种工程辐射面积较小、质量差。现在，各地政府在建设人防工程时都会进行可行性论证，既要保证战时防空需要又要考虑到经济建设、城市发展以及人民生活的需要。[1]

在我国整个国防工程体系中人防工程占据重要地位，同时也是现代城市建设的重要内容。人防工程根据其战时用途可以分为指挥通讯、人员掩蔽、医院、救护站、仓库、车库等，按平时用途则可以分为商场、游乐场等。伴随信息技术、电力电子技术以及计算机技术的快速发展，各国人防工程纷纷采用先进控制技术手段，人防工程自动化控制程度不断提高。[2]目前我国人防工程自动化程度相比其他先进国家还有差距，在提高人防工程保障能力和保障水平，节约能源，降低工程运行管理费用方面尚有所欠缺。

本文分析了现场总线技术在人防工程底层设备铺设以及集成方面的应用，同时对于其他自动控制技术以及设备应用进行初步的讨论。

2、现场总线技术概述

现场总线（Fieldbus）问世至今不过二三十年，但是从其出现到现在却经历了迅速的发展。现场总线技术致力于解决现场智能化仪表仪器、控制器以及执行机构等现场设备之间数字通信以及这些设备和更高级的控制系统之间的信息传递的问题。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，承担总控系统基础通讯网络，要求其具有协议简单、容错能力强、安全性好和成本低等特点。现图1为人防工程现场总线技术实现图示。

上图所示即为人防工程自动化控制系统现场总线技术实现模式，此系统最底层设备之间连接技术即为现场总线技术，此分布式控制系统由现场从站多个节点子系统构成，各子系统组成的网络结构类型可以分为树型、线型、环型等，采用光纤绞线作为传输介质。顶层主站可以与Internet实现互联，形成或开放或封闭的多选择网络结构。[3]

3、现场总线技术在人防工程中的应用

人防工程中现场总线技术的应用具有其巨大优势，具体表现在以下几点：

（1）现场总线技术由于其布线方式简单，网络拓扑结构简洁，从而使得系统成本较低，系统调试以及维护投资大大降低。

（2）现场总线技术数据响应速度快、传输可靠、抗干扰能力强，系统运行稳定、可靠。

（3）现场总线技术应用在底层设备上，从站节点的设计专门为了应对复杂的环境，适用场合较广。

（4）现场总线技术不同于其他高层控制技术，其接口具有高度适用性，可与多种高层控制系统对接，实现数据的上传下达，系统具有明显的开放性。

人防工程系统是一个综合型系统，其主要组成为供配电系统、照明系统、消防系统、进排风系统、给排水系统以及空调系统等子系统。供配电子系统的作用包括供电以及配电两个方面，主要负责供应电力电源以及备用电源，同时负责向其他各个子系统配送电力。供配电系统的底层电子设备主要包括各变压器、柴油发电机组、各高低压配电柜、计量柜、电容补偿柜等，其可靠性要求极高，对于保障人防工程战时安全运转至关重要。照明系统、给排水、给排风系统以及空调系统的主要作用是维持人防工程内部适宜的环境，确保内部人员的生存需要。其底层电子设备主要包括值班、应急、火灾疏散、安全用等照明设备，循环水泵、电动闸阀、给水泵、排水泵等设备，温控、湿控以及送风量控制设备，循环风机、送风机以及排风机，各伺服电动机等设备，这些系统是确保基本生存需要的根本，各系统之间需要密切配合，因而对于通讯速度以及响应速度的要求很高。消防系统主要是指火灾自动报警系统，主要包括消防联动装置、警报装置、喇叭、电动防火门以及防火卷帘门等设备，消防子系统要求反应快速准确，动作精确，为防止误报、迟报等情况的发生，控制系统必须具备响应快速的要求。上述各子系统配套设备输入/输出信号多样，既有数字量的输入/输出，也有模拟量的输入/输出，同时包括继电器信号的输出等，因而要求控制系统接口必须符合使用要求，具有多样性或者较强的通用性。

现场总线技术包括CAN总线Lon Works总线以及RS-485、Modbus协议等几种。[4]CAN总线技术相比于其他几种现场总线技术在可靠性方面最高，其通讯方式灵活、具有较高的抗干扰能力，成本较低、传输速度快，符合人防系统中三防系统（三种不同的通风防护方式转换控制系统）应用要求。Lon Works总线技术采用多种通信介质，网络拓扑结构多样，有多种组网方式，编程难度低，由于其成本较高，目前尚无成熟开发工具，但是由于其高度智能化，因此在人防工程系统的多个子系统诸如进排风系统、照明系统以及消防监控系统中均可以采用此种技术。

另外，在人防系统底层电气设备中有相当数量设备采用RS-485接口，利用RS-485接口强大的抗干扰能力实现较长距离设备之间快速连接，其结构也相对简单，成本低廉。RS-485物理接口需要建立适用的高层通讯协议，Modbus协议可应用于RS-485规范，作为其接口的高层通讯协议，完成人防系统子系统中空调系统和给排水系统中，实现集中监控。

人防工程的电气系统中，PC机与现场设备组成分布式监控系统，系统中的自动化设备如智能仪表以及PLC等通常情况下只有RS-232接口，区别于现场设备的RS-485接口，因此在网络构建时应当充分考虑到两种接口（RS-232和RS-485）的转换以及对接问题。有学者提出基于NPort串口服务器进行设备的智能集成，避免了高层协议复杂的影响同时也解决了复杂接口的连接与转换问题，简单灵活而且实用经济。

另外，也有学者在基于PROFIBUS核心技术基础上重新设计了PROFIBUS-DP从站节点，现场总线技术的采用与本文上述选择基本吻合，同时采用C8051F023微控制器以及通信控制器SPC3作为核心对从站节点进行了一系列设计，实现了对人防工程现场常见离散量和模拟信号的处理，建立了人防系统底层设备从站系统模型，并进行了验证。系统设备安装完成后，系统的实时性以及整个从站系统一次完整响应时间等多项指标都进行了测试与验证，结果表明现场总线技术在各性能指标方面均满足人防工程底层设备管理的要求，加之其较低的成本投入，使得现场总线技术成为人防工程底层设备管理的甚佳选择。

4、结语

本文主要对人防工程底层设备子系统应用现场总线技术的网络构建进行了讨论，本文认为在人防工程不同子系统中应当根据其使用要求、使用环境以及对于通信质量和通讯速度等方面的需求进行设计，并提出适应各子系统的几种总线技术。在人防工程建设过程中，尤其是底层电子设备集成过程的技术选择方面，本文在技术选择上的指导意义，对于进一步提高人防工程自动化程度、保障能力及水平、实现节约能源等目的具有重要意义。