【集萃網(wǎng)觀察】20世紀(jì)50年代前．過程控制儀表使用氣動標(biāo)準(zhǔn)信號，20世紀(jì)60～70年代發(fā)展了4～20 mA(DC)標(biāo)準(zhǔn)信號，直到現(xiàn)在仍在使用。20世紀(jì)90年代初．用微處理器技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程控制以及智能傳感器的發(fā)展．導(dǎo)致需要用數(shù)字信號取代4～20 mA(DC)模擬信號．這就形成了一種先進(jìn)工業(yè)測控技術(shù)—— 現(xiàn)場總線(Fieldbus)�，F(xiàn)場總線是連接工業(yè)過程現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)之間的全數(shù)字化、雙向和多站點(diǎn)的串行通信網(wǎng)絡(luò)，從各類變送器、傳感器、人一機(jī)接口或有關(guān)裝置獲取信息．通過控制器向執(zhí)行器傳送信息．構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS fFieldbus Control Svs．ten)�，F(xiàn)場總線不單是一種通信技術(shù)，也不僅是用數(shù)字儀表代替模擬儀表．而是用新一代的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散型控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)。它與傳統(tǒng)的DCS相比有很多優(yōu)點(diǎn)，是一種全數(shù)字化、全分散式、全開放和多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)，是計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和測控技術(shù)的綜合及集成。
1 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)
根據(jù)國際電工委員會IEC fInternational Electrotechnical Commission)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場總線基金會FF(Fieldbus Foundation)的定義．現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸和多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò).
1．1 全數(shù)字化通信
現(xiàn)場總線系統(tǒng)是一個“純數(shù)字”系統(tǒng)．而數(shù)字信號具有很強(qiáng)的抗干擾能力．所以．現(xiàn)場的噪聲及其他干擾信號很難扭曲現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)里的數(shù)字信號．?dāng)?shù)字信號的完整性使得過程控制的準(zhǔn)確性和可靠性更高。
1．2 一對N結(jié)構(gòu)
一對傳輸線．N臺儀表．雙向傳輸多個信號。這種一對N結(jié)構(gòu)使得接線簡單，工程周期短．安裝費(fèi)用低，維護(hù)容易。如果增加現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表．只需并行掛接到電纜上，無須架設(shè)新的電纜。
1．3 可靠性高
數(shù)字信號傳輸抗干擾強(qiáng)，精度高，無須采用抗干擾和提高精度的措施．從而降低了成本
1．4 可控狀態(tài)
操作員在控制室既可了解現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表的工作情況，也能對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，還可預(yù)測或?qū)ふ夜收稀Ｕ麄�系統(tǒng)始終處于操作員的遠(yuǎn)程監(jiān)視和可控狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的可靠性、可控性和可維護(hù)性。
1．5 互換性
用戶可以自由選擇不同制造商所提供的性能價格比最優(yōu)的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表，并將不同品牌的儀表互聯(lián) 即使某臺儀表發(fā)生故障，換上其他品牌的同類儀表也能照常工作，實(shí)現(xiàn)了“即接即用”。
1．6 互操作性
用戶把不同制造商的各種品牌的儀表集成在一起，進(jìn)行統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成其所需的控制回路，而不必絞盡腦汁．為集成不同品牌的產(chǎn)品在硬件或軟件上花費(fèi)力氣或增加額外投資
1．7 綜合功能
現(xiàn)場儀表既有檢測、變換和補(bǔ)償功能，又有控制和運(yùn)算功能，實(shí)現(xiàn)了一表多用，不僅方便了用戶，而且降低了成本。
1．8 分散控制
控制站功能分散在現(xiàn)場儀表中，通過現(xiàn)場儀表即可構(gòu)成控制回路．實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。
在FCS中的現(xiàn)場設(shè)備與所謂的儀表已經(jīng)組成為對單一量的自行測量．自行數(shù)據(jù)處理，自行分析判斷、決策的控制系統(tǒng)。也就是說，F(xiàn)CS廢棄了DCS的控制站．把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。這樣，許多控制功能從控制室移至現(xiàn)場儀表．大量的過程檢測與控制的信息就地采集、就地處理、就地使用，在新的技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)施就地控制 現(xiàn)場智能傳感器／變送器將調(diào)控了的對象狀態(tài)參量(如濕度)通報給控制室的上位計算機(jī) 上位計算機(jī)主要對其進(jìn)行總體監(jiān)督、協(xié)調(diào)、優(yōu)化控制與管理，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。
1．9 統(tǒng)一組態(tài)
由于現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表都引入了功能塊的概念．所有制造商都使用相同的功能塊，并統(tǒng)一組態(tài)方法．使組態(tài)變得非常簡單，用戶不需要因?yàn)楝F(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表種類不同而帶來的組態(tài)方法的不同．再去學(xué)習(xí)和培訓(xùn)。
1．10 開放式系統(tǒng)
現(xiàn)場總線為開放互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)．所有技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)全是公開的，所有制造商必須遵循。這樣，用戶可以自由集成不同制造商的通信網(wǎng)絡(luò)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)．也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)．還可極其方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。
2 現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)
圖1是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖。
圖1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
現(xiàn)場總線可以采用點(diǎn)到點(diǎn)、節(jié)節(jié)點(diǎn)的總線、菊花鏈和樹型等拓樸結(jié)構(gòu)。在使用現(xiàn)場總線時，每段現(xiàn)場總線的兩端必須連接由電阻電容串聯(lián)組成的終端器.以下介紹其體系結(jié)構(gòu)的主要特征。
2．1 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)場總線把通信一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場或生產(chǎn)設(shè)備．用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互聯(lián)的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。該圖代表了FF現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
一般將現(xiàn)場總線的節(jié)點(diǎn)設(shè)備稱為現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表。
2．1．1 變送器
常用的變送器有溫度、壓力、流量、物位和分析五大類，每類又有多個品種。變送器既有檢測、變換和補(bǔ)償功能，又有PID控制和運(yùn)算功能。
2．1．2 執(zhí)行器
常用的執(zhí)行器有電動和氣動兩大類，每類又有多個品種：執(zhí)行器的基本功能是信號驅(qū)動和執(zhí)行．還內(nèi)含調(diào)節(jié)閥輸出特性補(bǔ)償、PID控制和運(yùn)算等功能：另外．還有閥門特性自校驗(yàn)和自診斷功能。
2．1．3 服務(wù)器和網(wǎng)橋
服務(wù)器上接局域網(wǎng)LAN(Local Area Network)，下接H1和H2(網(wǎng)段)；網(wǎng)橋上接H2，下接H1。
2．2 現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)
現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表是指變送器、執(zhí)行器、服務(wù)器和網(wǎng)橋、輔助設(shè)備以及監(jiān)控設(shè)備等。這些設(shè)備通過一對傳輸線互聯(lián)(見圖2)�？墒褂秒p絞線、同軸電纜、光纖和電源線等進(jìn)行傳輸，并可根據(jù)需要因地制宜地選擇不同類型的傳輸介質(zhì)。
圖2 新一代FCS控制層
2．3 互操作性
現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表種類繁多．沒有任何一家制造商可以提供一個工廠所需的全部現(xiàn)場設(shè)備．所以．不同廠商產(chǎn)品的交互操作與互換是不可避免的 用戶不希望為選用不同的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花力氣．而希望把各廠商性能價格比最優(yōu)的產(chǎn)品集成在一起，實(shí)現(xiàn)“即接即用”；用戶希望對不同品牌的現(xiàn)場設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)．構(gòu)成所需要的控制回路這就是現(xiàn)場總線設(shè)備互操作的含義 現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)是基本要求．只有實(shí)現(xiàn)互操作性．用戶才能自由地集成FCS。
2．4 分散功能塊
FCS廢棄了DES的輸入／輸出單元和控制站．把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表．從而構(gòu)成虛擬控制站 由于功能分散在多臺現(xiàn)場儀表中．并可統(tǒng)一組態(tài)．所以可供用戶靈活選用各種功能塊，對所需控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制．如圖3所示 其中差壓變送器含有模擬量輸入功能塊(AI110)，調(diào)節(jié)閥含有PID控制功能塊(PID110)及模擬量輸出功能塊(AO110)。這三個功能塊構(gòu)成流量控制回路。
圖3 FCS中的分散功能塊
2．5 通信線供電
通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量．這種方式提供用于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場儀表，與其配套的還有安全柵。眾所周知，許多生產(chǎn)現(xiàn)場有可燃性物質(zhì)．所有現(xiàn)場設(shè)備必須嚴(yán)格遵守安全防爆標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場總線設(shè)備也不例外。
2．6 開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)．既可與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)．也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫共享．通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)．使不同廠商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體．構(gòu)成統(tǒng)一的FCS．如圖3所示。
3 現(xiàn)場總線的通信網(wǎng)絡(luò)
3．1 常規(guī)的模擬過程通信網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)場總線是一種在控制系統(tǒng)和現(xiàn)場控制裝置之間進(jìn)行信息溝通的新方法 在常規(guī)系統(tǒng)中．控制系統(tǒng)的操作器接口通過過程計算機(jī)．再和調(diào)節(jié)器網(wǎng)絡(luò)一起工作．調(diào)節(jié)器接收現(xiàn)場的信號并送回信號。從圖4可以看出，在這個模擬系統(tǒng)中，從調(diào)節(jié)器(通過接口)向閥門送出4～20 mA的信號．控制調(diào)節(jié)閥的位置 而過程變量信號又從變送器送回調(diào)節(jié)器。每一組導(dǎo)線只攜帶一個信號．信號也僅僅是單方向 它的優(yōu)點(diǎn)突出，工作令人滿意，已被當(dāng)成一個可接受的標(biāo)準(zhǔn)處理方法 廠家之間裝置的互相匹配工作不成問題，也就是說，有互換性。
1-操作器接151：2-過程計算機(jī)；3-多回路控制器;4-模擬I／O接1：7：5-全部4～20 mA模擬信號；6，7-模擬變送器；8，9-模擬I／P
圖4 常規(guī)的模擬過程通信網(wǎng)絡(luò)
3.2 模擬-數(shù)字混合式過程通信網(wǎng)絡(luò)
常規(guī)的模擬過程通信網(wǎng)絡(luò)受到具有集成運(yùn)載能力的微處理現(xiàn)場設(shè)備的沖擊。
這種智能式設(shè)備可以在攜帶模擬信號的同一線路上進(jìn)行數(shù)字通信．過程控制信號仍然是4~20mA的變量．但在模擬基礎(chǔ)上加上數(shù)字通信．從圖5表示的典型配置可以看出其智能 在添加這種高水平的數(shù)字通信之后．就顯示了許多可以利用的優(yōu)點(diǎn):
1-操作器接口；2-過程計算機(jī)；3-多回路控制器：4-模擬一數(shù)字混合I／O接口；5-4～20 mA模擬數(shù)字通信；6，8-智能變送器；7-手操通信器；9-智能定位器；10-智能定位器
圖5 模擬一數(shù)字混合式過程通信網(wǎng)絡(luò)
3．2．1 遠(yuǎn)距離診斷
設(shè)備可以進(jìn)行自診斷．并把信息送回控制室：或者診斷工作可以從控制室啟動．進(jìn)行在線顯示，操作人員不必奔赴現(xiàn)場。維修容易，少花錢。
3．2．2 遠(yuǎn)距離校準(zhǔn)
在控制室中．可以用PC機(jī)或手操裝置通過控制系統(tǒng)的現(xiàn)有線路送出數(shù)字修正信號．對智能儀表進(jìn)行校準(zhǔn)和量程標(biāo)定．這樣．使投運(yùn)和常規(guī)維修更為簡單和便宜。
3．2．3 單端檢查輸出結(jié)果
它適應(yīng)于投運(yùn)過程．智能裝置有內(nèi)裝式電子裝置．可以讓控制系統(tǒng)或操作人員了解被連接的裝置是哪一個．沒有必要操作從裝置送回控制室的追蹤線路。
3．2．4 可靠性提高
由于數(shù)字裝置比模擬裝置更可靠．可以減少配件的數(shù)量
3.3 智能式現(xiàn)場信息轉(zhuǎn)移通信
圖6是基于現(xiàn)場總線控制的智能調(diào)節(jié)閥全數(shù)字化通信系統(tǒng)
1-操作器接口：2-過程計算機(jī)：3-多回路控制器;4-數(shù)字I／O接口；5-手操通信器；6，9-智能變送器7，10-智能定位器；8-全多站；雙向數(shù)字通信器；11-現(xiàn)場指示器
圖6 完全數(shù)字化的智能式現(xiàn)場信息轉(zhuǎn)移通信
這種完全數(shù)字化的智能式現(xiàn)場總線可以明顯地減少裝置所用的導(dǎo)線數(shù)量 所以．這種改變的優(yōu)點(diǎn)很突出．如果其潛在作用能完全發(fā)揮出來．優(yōu)越性就更大 例如．信號聯(lián)系可以在現(xiàn)場的智能裝置之間進(jìn)行．而不必連接主控制系統(tǒng) 一個連接到智能式變送器的智能閥可以進(jìn)行現(xiàn)場控制．讓主處理機(jī)用于高水平的控制工作 一個智能裝置可以根據(jù)對管道的一次采集．把讀數(shù)引入到網(wǎng)絡(luò)所需要的裝置 這就減少了對管道的檢查次數(shù)．一個裝置可以完成4個或5個裝置的工作遠(yuǎn)距離診斷也是其一大優(yōu)點(diǎn) 如果回路的某部分發(fā)現(xiàn)了故障．網(wǎng)絡(luò)中的各個裝置將相互質(zhì)詢．直至找到故障為止 由于現(xiàn)場數(shù)字裝置能直接與數(shù)字控制系統(tǒng)對話，因此，不必使用數(shù)字—— 模擬接口．這亦是很大的優(yōu)點(diǎn)。
來源:印染在線 作者：陳立秋
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