淺談現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

　　前言
　　
　　隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，由全數(shù)字現(xiàn)場控制系統(tǒng)代替數(shù)字與模擬分散型控制系統(tǒng)已經(jīng)成為工業(yè)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然趨勢。以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制系統(tǒng)是當(dāng)今世界各國關(guān)注的熱點(diǎn)問題。
　　
　　由于現(xiàn)場總線的前景廣闊，九十年代初，為了迅速占領(lǐng)世界市場，在共同的經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使下，世界幾大工業(yè)自動化儀表企業(yè)開始走強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的道路，先后成立了幾大組織，各自制定了互不兼容的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，使得現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制定出現(xiàn)了更為復(fù)雜的局面。一方面為了獲得用戶的承認(rèn)，一方面為了共同的利益，組成幾大協(xié)會和基金會，參與標(biāo)準(zhǔn)的制定。有代表性為ODVA供應(yīng)商協(xié)會、FIELDBUSFOUNDATION（PP）基金會和P-NET等組織。
　　
　　基金會現(xiàn)場總線在2002年9月舉辦了一次針對現(xiàn)場總線的技術(shù)交流會，下面就以在中國推廣的（FF）現(xiàn)場總線為例介紹一下。
　　
　　1、簡介
　　
　　現(xiàn)場總線不僅僅是個(gè)通訊協(xié)議，而且是一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，通常被稱為現(xiàn)場控制系統(tǒng)（FCS）。
　　
　　1.1 什么叫現(xiàn)場控制總線?
　　
　　現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字、串行、雙向的通信系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)將傳感器、執(zhí)行器與控制器等“現(xiàn)場”設(shè)備相互連接起來，形成具有控制功能的系統(tǒng)。
　　
　　1.2 現(xiàn)場總線的構(gòu)成
　　
　　由自動化通信網(wǎng)絡(luò)、開放的現(xiàn)場總線、標(biāo)準(zhǔn)的用戶層構(gòu)成。
　　
　　1.3 現(xiàn)場總線的特點(diǎn)
　　
　　分散控制、互操作性、更經(jīng)濟(jì)性。
　　
　　DCS系統(tǒng)之所以成功取代DDC系統(tǒng)，是因?yàn)樗珼DC相比更分散更數(shù)字化，F(xiàn)CS則進(jìn)一步延伸了此概念，比DCS更分散更數(shù)字化。
　　
　　1.4 現(xiàn)場總線的優(yōu)勢
　　
　　現(xiàn)場總線技術(shù)，特別是FCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，給工廠帶來了巨大的好處，采用現(xiàn)場總線可以減少硬件投入。相應(yīng)的由設(shè)計(jì)繪圖的布線安裝等工程的簡化的系統(tǒng)費(fèi)用也大大降低，總的來說，整體系統(tǒng)成本可節(jié)省30％。
　　
　　2、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與其它控制系統(tǒng)的比較
　　
　　由圖1便知DDC、DCS、FCS在結(jié)構(gòu)上的不同，直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）是把現(xiàn)場模擬信號直接輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)直接對其進(jìn)行運(yùn)算處理，并由計(jì)算機(jī)輸出控制信號去控制現(xiàn)場設(shè)備，由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力有限，這類控制一般不會很大，是控制集中，危險(xiǎn)性大：
　　
　　分散控制系統(tǒng)（DCS），現(xiàn)場信號又通過輸入輸出設(shè)備點(diǎn)對點(diǎn)地輸入DCS系統(tǒng)的處理卡件上進(jìn)行運(yùn)算處理，控制信號通過專門的輸出卡輸出，到現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。而計(jì)算機(jī)（操作站）作為人機(jī)接口，而不直接參與控制，系統(tǒng)的大小取決于處理卡件的多少，其控制是分散的，而信息通過網(wǎng)絡(luò)集中到操作站，其系統(tǒng)可大可小，危險(xiǎn)分散，安全增力口。
　　
　　FCS系統(tǒng)是通過內(nèi)置于現(xiàn)場儀表內(nèi)的控制器及微處理器，對過程參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，然后通過總線去控制現(xiàn)場的另一臺儀表執(zhí)行器，來達(dá)到控制設(shè)備的目的，從圖1可以看出其控制全部是數(shù)字信號，且更加分散，而系統(tǒng)的大小可隨分支總線的大小而定。
　　
　　現(xiàn)場總線的發(fā)展始于80年代中期，當(dāng)時(shí)作為4—20mA的替代物，它脫胎于DCS，保留了DCS設(shè)計(jì)思想中的精華部分，因此現(xiàn)場總線與DCS并沒有本質(zhì)的區(qū)別。DCS在控制領(lǐng)域口碑不錯(cuò)，得到很多用戶的肯定，正因?yàn)槿绱耍現(xiàn)CS沒有*另起爐灶，而是繼承了DCS很多成功之處，諸如數(shù)字技術(shù)和分散控制，并將它們進(jìn)一步發(fā)展以實(shí)現(xiàn)更多功能。無論是FCS還是DCS，甚至DDC，它們的基本點(diǎn)是相同的，通過中央控制室內(nèi)的操作站和現(xiàn)場設(shè)備來完成工廠的運(yùn)行控制。
　　
　　3、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與其它控制系統(tǒng)相比的優(yōu)勢
　　
　　FCS控制系統(tǒng)除了如上所述可以節(jié)省投資外還具有如下優(yōu)勢：
　　
　　3.1 可操作性
　　
　　主流現(xiàn)場總線現(xiàn)已成為標(biāo)準(zhǔn)，來自世界各地不同廠家的產(chǎn)品可以連接在一起協(xié)同工作。不久的將來，陸續(xù)面市的各式各樣的現(xiàn)場總線設(shè)備將涵蓋所有可能的測量控制需求，滿足所有可能的應(yīng)用，無縫的現(xiàn)場總線系統(tǒng)可以輕松的集成，而不必使用特殊的驅(qū)動程序或象在專有系統(tǒng)中那樣采用模擬信號來彌合，用戶可以選用來自不同的廠商的的設(shè)備，而不必?fù)?dān)心兼容性。這樣，由于選擇范圍很大，用戶可以得到性能價(jià)格比的產(chǎn)品，而不必束縛于某一個(gè)廠商。
　　
　　3.2 更好的數(shù)據(jù)有效性和完整性
　　
　　現(xiàn)場總線采用數(shù)字信號，或“0”或“1”，相對于容易發(fā)生衰減和失真的模擬信號，具有更好的魯棒性。數(shù)字信號傳輸使用誤碼糾正機(jī)制，以確保準(zhǔn)確無誤。參考與測量、操縱參數(shù)相對應(yīng)的狀態(tài)信息，操作員可以更好、更自信的做出決定。數(shù)字通訊使多參數(shù)傳輸?shù)靡詫?shí)現(xiàn)，從操作站可以得到更多現(xiàn)場設(shè)備的信息，包括設(shè)備工位號、設(shè)備識別、量程、結(jié)構(gòu)材質(zhì)、校準(zhǔn)信息等。見圖2。
　　
　　3.3 提高產(chǎn)品質(zhì)量
　　
　　由于FCS沒有了A/D、D/A轉(zhuǎn)換，信號的完整性、精度得以提高，相應(yīng)提高了整個(gè)系統(tǒng)的精度，也使產(chǎn)品質(zhì)量更少發(fā)生變化，設(shè)備的校準(zhǔn)信息，包括誰、何時(shí)、何地，如何對設(shè)備校準(zhǔn)等，都按照ISO9000標(biāo)準(zhǔn)存儲在設(shè)備中。通過追蹤這些信息有助于保持設(shè)備運(yùn)行的*狀態(tài)。遠(yuǎn)程診斷和運(yùn)行評估可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備是否運(yùn)行在要求條件下。
　　
　　通過這些方法，可以明確質(zhì)量變化的原因，使設(shè)備運(yùn)行良好。
　　
　　3.4 降低擴(kuò)展和變動費(fèi)用
　　
　　現(xiàn)場總線規(guī)模靈活，可以包括一個(gè)回路，也可以包括上千，甚至更多的回路，在原有現(xiàn)場總線系統(tǒng)基礎(chǔ)上，不需要或僅需要很少硬件就可以增加新的回路或?qū)υ谢芈愤M(jìn)行修改。
　　
　　3.5 增加安全性
　　
　　現(xiàn)場總線診斷信息不僅僅報(bào)告給操作員，而且設(shè)備本身利用這些信息在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，采取安全措施，確保系統(tǒng)安全。因故障提示更為及時(shí)和，操作員可以更加迅捷的定位故障，并制定對應(yīng)措施。
　　
　　4、現(xiàn)場總線的容錯(cuò)能力
　　
　　現(xiàn)場總線至少同DCS具有相同的容錯(cuò)能力，不過兩者采用不同的容錯(cuò)能力，DCS使用總線冗余，而現(xiàn)場總線使用故障隔離。同DCS一樣，F(xiàn)CS采用冗余的操作站（包括相應(yīng)的接口），DCS的控制器網(wǎng)絡(luò)冗余（數(shù)據(jù)高速路），同樣，擁有控制器層網(wǎng)絡(luò)的FCS也冗余（有些FCS系統(tǒng)不存在控制層網(wǎng)絡(luò)）。同DCS一樣，F(xiàn)CS電源系統(tǒng)也冗余，DCS需要控制器冗余，而在FCS中，控制由現(xiàn)場設(shè)備完成，不存在控制器，因而不存在冗余問題。
　　
　　4.1 點(diǎn)型安裝
　　
　　DCS中現(xiàn)場設(shè)備與I/O卡件采用點(diǎn)對點(diǎn)的電纜連接方式。如果電纜發(fā)生故障，只會影響與掛接設(shè)備相關(guān)的回路。然而如果I/O卡件故障，會影響到所有與之相關(guān)的回路，通常是8個(gè)或更多回路。因此在DCS中，一個(gè)故障zui壞的情況下會導(dǎo)致8個(gè)回路的喪失。
　　
　　FCS中，一個(gè)回路zui少需要兩個(gè)設(shè)備，一臺變送器和一臺執(zhí)行器。按現(xiàn)場總線安裝規(guī)范中保守的說法，一條總線可掛接12臺總線供電設(shè)備（非總線供電設(shè)備掛接數(shù)目可達(dá)32臺）。在大多數(shù)情況下，一條總線可掛接16臺設(shè)備，16臺設(shè)備zui多可提供8個(gè)回路。FCS中如果電纜發(fā)生故障，則失效設(shè)備數(shù)目，回路數(shù)目取決于電纜故障部位。如果生在電纜末端，可能只有一條回路受到影響，而zui壞的情況是如果電纜故障發(fā)生在控制室端，則可能影響到所有8個(gè)回路。
　　
　　在以上情況下，DCS、FCS的容錯(cuò)能力是相同的，即一個(gè)故障損失8個(gè)回路。
　　
　　4.2 關(guān)鍵回路
　　
　　DCS中，關(guān)鍵回路有時(shí)使用冗余的I/O卡件。一個(gè)小的故障在zui壞的情況下，也只會導(dǎo)致一個(gè)回路的喪失，也就是說，此時(shí)回路擁有較高的完整性。FCS可實(shí)現(xiàn)同樣的完整性，只將關(guān)鍵回路單獨(dú)放在一條總線，這樣，電纜故障僅會導(dǎo)致一個(gè)回路的喪失。
　　
　　4.3 *冗余
　　
　　在石化行業(yè)，設(shè)備投入不算什么問題，整個(gè)系統(tǒng)I/O卡件都采用冗余，以達(dá)到更高的回路完整性。在這一方面，F(xiàn)CS同樣可以做到。
　　
　　5、FCS會威脅到DCS嗎?
　　
　　由于用戶需要一個(gè)較為簡單而且*可以操作的方案，以減少系統(tǒng)維護(hù)、擴(kuò)展和升級的費(fèi)用，F(xiàn)CS正是因此而發(fā)生的，它采用了數(shù)字通訊使得I/O卡件及電纜大大減少，現(xiàn)場設(shè)備自帶微處理器，采用標(biāo)準(zhǔn)模塊，將控制的實(shí)施*分散至現(xiàn)場，從而消除了控制器，為實(shí)現(xiàn)預(yù)見性維護(hù)，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)狀態(tài)指示，故障診斷以及故障提示功能，所有這些使現(xiàn)場總線不僅是一種通訊協(xié)議，而是成為DCS的*取代物，或者說迫使DCS轉(zhuǎn)向FCS。
　　
　　6、結(jié)論
　　
　　DCS不再是過程控制系統(tǒng)的當(dāng)然選擇，F(xiàn)CS不僅能實(shí)現(xiàn)基本控制和互鎖，也能完成*控制、ESDC（緊急停車）和ERP（企業(yè)資源管理）。*的基于現(xiàn)場總線技術(shù)的FCS系統(tǒng)*可以替代傳統(tǒng)的DCS，并通過增強(qiáng)設(shè)備管理，在提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量的同時(shí)，降低了系統(tǒng)的總體擁有成本（TCO），極大地提高了生產(chǎn)效益。這是目前其它系統(tǒng)所無法做到的。