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    【集萃網觀察】20世紀50年代前．過程控制儀表使用氣動標準信號，20世紀60～70年代發展了4～20 mA(DC)標準信號，直到現在仍在使用。20世紀90年代初．用微處理器技術實現過程控制以及智能傳感器的發展．導致需要用數字信號取代4～20 mA(DC)模擬信號．這就形成了一種先進工業測控技術—— 現場總線(Fieldbus)。現場總線是連接工業過程現場儀表和控制系統之間的全數字化、雙向和多站點的串行通信網絡，從各類變送器、傳感器、人一機接口或有關裝置獲取信息．通過控制器向執行器傳送信息．構成現場總線控制系統FCS fFieldbus Control Svs．ten)。現場總線不單是一種通信技術，也不僅是用數字儀表代替模擬儀表．而是用新一代的現場總線控制系統(FCS)代替傳統的分散型控制系統DCS(Distributed Control System)。它與傳統的DCS相比有很多優點，是一種全數字化、全分散式、全開放和多點通信的底層控制網絡，是計算機技術、通信技術和測控技術的綜合及集成。

    1 現場總線系統的技術特點

    根據國際電工委員會IEC fInternational Electrotechnical Commission)標準和現場總線基金會FF(Fieldbus Foundation)的定義．現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸和多分支結構的通信網絡.

    1．1 全數字化通信

    現場總線系統是一個“純數字”系統．而數字信號具有很強的抗干擾能力．所以．現場的噪聲及其他干擾信號很難扭曲現場總線控制系統里的數字信號．數字信號的完整性使得過程控制的準確性和可靠性更高。

    1．2 一對N結構

    一對傳輸線．N臺儀表．雙向傳輸多個信號。這種一對N結構使得接線簡單，工程周期短．安裝費用低，維護容易。如果增加現場設備或現場儀表．只需并行掛接到電纜上，無須架設新的電纜。

    1．3 可靠性高

    數字信號傳輸抗干擾強，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

    操作員在控制室既可了解現場設備或現場儀表的工作情況，也能對其進行參數調整，還可預測或尋找故障。整個系統始終處于操作員的遠程監視和可控狀態，提高了系統的可靠性、可控性和可維護性。

    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的現場設備或現場儀表，并將不同品牌的儀表互聯 即使某臺儀表發生故障，換上其他品牌的同類儀表也能照常工作，實現了“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，進行統一組態，構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品在硬件或軟件上花費力氣或增加額外投資

    1．7 綜合功能

    現場儀表既有檢測、變換和補償功能，又有控制和運算功能，實現了一表多用，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場儀表中，通過現場儀表即可構成控制回路．實現了徹底的分散控制，提高了系統的可靠性、自治性和靈活性。

    在FCS中的現場設備與所謂的儀表已經組成為對單一量的自行測量．自行數據處理，自行分析判斷、決策的控制系統。也就是說，FCS廢棄了DCS的控制站．把DCS控制站的功能塊分散地分配給現場儀表，從而構成虛擬控制站。這樣，許多控制功能從控制室移至現場儀表．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，在新的技術基礎上實施就地控制 現場智能傳感器／變送器將調控了的對象狀態參量(如濕度)通報給控制室的上位計算機 上位計算機主要對其進行總體監督、協調、優化控制與管理，實現了徹底的分散控制。

    1．9 統一組態

    由于現場設備或現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，并統一組態方法．使組態變得非常簡單，用戶不需要因為現場設備或現場儀表種類不同而帶來的組態方法的不同．再去學習和培訓。

    1．10 開放式系統

    現場總線為開放互聯網絡．所有技術和標準全是公開的，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絡，既可與同層網絡互聯．也可與不同層網絡互聯．還可極其方便地共享網絡數據庫。

    2 現場總線的體系結構

    圖1是現場總線控制系統的體系結構圖。

圖1 現場總線控制系統體系結構

    現場總線可以采用點到點、節節點的總線、菊花鏈和樹型等拓樸結構。在使用現場總線時，每段現場總線的兩端必須連接由電阻電容串聯組成的終端器.以下介紹其體系結構的主要特征。

    2．1 現場通信網絡

    現場總線把通信一直延伸到生產現場或生產設備．用于過程自動化和制造自動化的現場設備或現場儀表互聯的現場通信網絡，如圖2所示。該圖代表了FF現場總線控制系統的網絡結構。

    一般將現場總線的節點設備稱為現場設備或現場儀表。

    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、變換和補償功能，又有PID控制和運算功能。

    2．1．2 執行器

    常用的執行器有電動和氣動兩大類，每類又有多個品種：執行器的基本功能是信號驅動和執行．還內含調節閥輸出特性補償、PID控制和運算等功能：另外．還有閥門特性自校驗和自診斷功能。

    2．1．3 服務器和網橋

    服務器上接局域網LAN(Local Area Network)，下接H1和H2(網段)；網橋上接H2，下接H1。

    2．2 現場設備互聯

    現場設備或現場儀表是指變送器、執行器、服務器和網橋、輔助設備以及監控設備等。這些設備通過一對傳輸線互聯(見圖2)。可使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等進行傳輸，并可根據需要因地制宜地選擇不同類型的傳輸介質。

圖2 新一代FCS控制層

    2．3 互操作性

    現場設備或現場儀表種類繁多．沒有任何一家制造商可以提供一個工廠所需的全部現場設備．所以．不同廠商產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的產品集成在一起，實現“即接即用”；用戶希望對不同品牌的現場設備統一組態．構成所需要的控制回路這就是現場總線設備互操作的含義 現場設備互聯是基本要求．只有實現互操作性．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場儀表．從而構成虛擬控制站 由于功能分散在多臺現場儀表中．并可統一組態．所以可供用戶靈活選用各種功能塊，對所需控制系統實現徹底的分散控制．如圖3所示 其中差壓變送器含有模擬量輸入功能塊(AI110)，調節閥含有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場儀表直接從通信線上攝取能量．這種方式提供用于本質安全環境的低功耗現場儀表，與其配套的還有安全柵。眾所周知，許多生產現場有可燃性物質．所有現場設備必須嚴格遵守安全防爆標準，現場總線設備也不例外。

    2．6 開放式互聯網絡

    現場總線為開放式互聯網絡．既可與同層網絡互聯．也可與不同層網絡互聯。開放式互聯網絡還體現在網絡數據庫共享．通過網絡對現場設備和功能塊統一組態．使不同廠商的網絡及設備融為一體．構成統一的FCS．如圖3所示。

    3 現場總線的通信網絡

    3．1 常規的模擬過程通信網絡

    現場總線是一種在控制系統和現場控制裝置之間進行信息溝通的新方法 在常規系統中．控制系統的操作器接口通過過程計算機．再和調節器網絡一起工作．調節器接收現場的信號并送回信號。從圖4可以看出，在這個模擬系統中，從調節器(通過接口)向閥門送出4～20 mA的信號．控制調節閥的位置 而過程變量信號又從變送器送回調節器。每一組導線只攜帶一個信號．信號也僅僅是單方向 它的優點突出，工作令人滿意，已被當成一個可接受的標準處理方法 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；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 常規的模擬過程通信網絡

    3.2 模擬-數字混合式過程通信網絡

    常規的模擬過程通信網絡受到具有集成運載能力的微處理現場設備的沖擊。

    這種智能式設備可以在攜帶模擬信號的同一線路上進行數字通信．過程控制信號仍然是4~20mA的變量．但在模擬基礎上加上數字通信．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字通信之后．就顯示了許多可以利用的優點:

1-操作器接口；2-過程計算機；3-多回路控制器：4-模擬一數字混合I／O接口；5-4～20 mA模擬數字通信；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 模擬一數字混合式過程通信網絡

    3．2．1 遠距離診斷

    設備可以進行自診斷．并把信息送回控制室：或者診斷工作可以從控制室啟動．進行在線顯示，操作人員不必奔赴現場。維修容易，少花錢。

    3．2．2 遠距離校準

    在控制室中．可以用PC機或手操裝置通過控制系統的現有線路送出數字修正信號．對智能儀表進行校準和量程標定．這樣．使投運和常規維修更為簡單和便宜。

    3．2．3 單端檢查輸出結果

    它適應于投運過程．智能裝置有內裝式電子裝置．可以讓控制系統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

    由于數字裝置比模擬裝置更可靠．可以減少配件的數量

    3.3 智能式現場信息轉移通信

    圖6是基于現場總線控制的智能調節閥全數字化通信系統

1-操作器接口：2-過程計算機：3-多回路控制器;4-數字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；雙向數字通信器；11-現場指示器

圖6 完全數字化的智能式現場信息轉移通信

    這種完全數字化的智能式現場總線可以明顯地減少裝置所用的導線數量 所以．這種改變的優點很突出．如果其潛在作用能完全發揮出來．優越性就更大 例如．信號聯系可以在現場的智能裝置之間進行．而不必連接主控制系統 一個連接到智能式變送器的智能閥可以進行現場控制．讓主處理機用于高水平的控制工作 一個智能裝置可以根據對管道的一次采集．把讀數引入到網絡所需要的裝置 這就減少了對管道的檢查次數．一個裝置可以完成4個或5個裝置的工作遠距離診斷也是其一大優點 如果回路的某部分發現了故障．網絡中的各個裝置將相互質詢．直至找到故障為止 由于現場數字裝置能直接與數字控制系統對話，因此，不必使用數字—— 模擬接口．這亦是很大的優點。

    來源:印染在線   作者：陳立秋

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