本文介紹了現(xiàn)場總線的概念，說明了現(xiàn)場控制系統(tǒng)FCS作為新一代網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及其較集散控制系統(tǒng)DCS的優(yōu)勢，并介紹了如何實(shí)現(xiàn)DCS與 FCS的網(wǎng)絡(luò)集成問題。
關(guān)鍵字：現(xiàn)場總線 現(xiàn)場控制系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)集成 前言 隨著控制、計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設(shè)備到控制、管理的各個層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)，乃至世界各地的市場。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成了以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個新時代的開始。 1 現(xiàn)場總線簡介 根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場總線基金會的定義：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、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)使用一對簡單的雙絞線傳輸現(xiàn)場總線儀表與控制室之間的通信信號，而且還可以對現(xiàn)場總線儀表[如：現(xiàn)場總線使用的智能傳感器變迭器、智能執(zhí)行器(如智能調(diào)節(jié)閥、電子馬達(dá))、可編程控制器、可編程調(diào)節(jié)器等裝置均稱為現(xiàn)場總線儀表]供電。
由于現(xiàn)場總線用全數(shù)字的雙向通信代替了傳統(tǒng)的4-20mA模擬信號，原來的點(diǎn)對點(diǎn)接線方式改用一根通信電纜同時連接多臺設(shè)備，并且還能通過總線對設(shè)備供電。因此現(xiàn)場總線能夠極大地簡化布線和降低初裝成本?，F(xiàn)場總線使現(xiàn)場級的控制得到加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)控制功能的分散。它通過一套標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，將現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)完善地結(jié)合在一起，就像是為現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)定義了一種公共的數(shù)字化的語言，只要使現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)都能理解和運(yùn)用這種語言。它們之間就能夠進(jìn)行良好的信息溝通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的相互操作。 2 現(xiàn)場總線構(gòu)造了網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線導(dǎo)致了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，形成了新型網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS。所謂的現(xiàn)場控制系統(tǒng)是指分散在各個工業(yè)現(xiàn)場的智能儀表通過數(shù)字現(xiàn)場的總線連為一體，并與控制室的控制器和監(jiān)視器共同構(gòu)成的控制系統(tǒng)。
這是繼基地式控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散式控制系統(tǒng)DCS后的新一代控制系統(tǒng)，它順應(yīng)了控制系統(tǒng)的分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展方向。 FCS的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
它由3層網(wǎng)絡(luò)組成，層為低速現(xiàn)場總線Fiel—dbusH1連成的控制網(wǎng)絡(luò)CNET中間的一層為高速現(xiàn)場總線FieldbusH2連成的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)SNET最上一層為普通商用管理網(wǎng)絡(luò)MNET。層的H1現(xiàn)場總線連接著各類現(xiàn)場智能儀表，包括壓力變法器、溫度變法器、流量測量儀表及調(diào)節(jié)閥等。低速現(xiàn)場總線 Fieldbus H1通過耦臺器連到高速現(xiàn)場總線FieldbusH2作為H2總線的一個節(jié)點(diǎn)。對FCS進(jìn)行管理和運(yùn)行控制的工程師站和操作站作為H2總線的節(jié)點(diǎn)，連接到FCS的H2總線上。如圖1所示的FCS中， PLC和DCS通過接口單元作為高速現(xiàn)場總線的節(jié)點(diǎn)掛接到H2總線上。此外，F(xiàn)CS還通過網(wǎng)關(guān)接到上層管理網(wǎng)上，把工業(yè)現(xiàn)場的各種參數(shù)，數(shù)據(jù)傳送到上級管理網(wǎng)絡(luò)，為管理層決策提供手資料，從而實(shí)現(xiàn)管控的一體化。
如果希望連接更多的智能儀表或連接距離更遠(yuǎn)的現(xiàn)場儀表，可在總線上加中繼器。一條H1現(xiàn)場總線最多可加4個中繼器。加上4個中繼器后，H1總線全長可達(dá)7．2km。一條 H1總線上連接的現(xiàn)場智能儀表最多可達(dá)126臺。圖1中的耦臺器就是用來連接低速側(cè)總線 H1和高速側(cè)總線H2的。由于現(xiàn)場儀表有需要總線供電的，也有不需要總線供電的，有工作于本安區(qū)域的，也有工作于非本安區(qū)域的，所以鍋臺器的 H1連接側(cè)具有3種接口電路，第1種是連接由總線供電工作于本安區(qū)域的現(xiàn)場儀表(可接2-6臺)，第2種是總線供電工作于非本安區(qū)域的現(xiàn)場儀表(可接2-12臺)，第3種是連接不需要總線供電工作于非本安區(qū)域的現(xiàn)場儀表(可接2-32臺)。但當(dāng)僅有少數(shù)幾臺現(xiàn)場儀表需要總線供電或具有本安要求時，可在進(jìn)入現(xiàn)場一側(cè)的安全區(qū)域加設(shè)供電電源或隔離式安全柵，這樣還可以增加總線上掛接智能儀表的數(shù)量。
H2總線遵循profitbus-DP協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸出采用RS-485方式。每個H2總線上可以連接多個的H2/H1耦臺器，H1總線通過耦合器把現(xiàn)場智能儀表的數(shù)據(jù)上傳到H2總線上，由H2總線上的操作站對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和保存。
通過工程師站可以在線對 FCS的各項配置進(jìn)行組態(tài)和修改，通過在線下裝可以把修改后的數(shù)據(jù)庫傳到各現(xiàn)場智能儀表。另外，通過上裝功能可以把現(xiàn)場智能儀表的有關(guān)參數(shù)設(shè)置回讀到工程師站上。操作員站主要完成對FCS各個部分的監(jiān)視控制和管理，各操作員站的功能相同。 3 PCS的特點(diǎn)
3．1全數(shù)字化通信
在傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)中，壓力和溫度變法器須將它們測量到的原始數(shù)字信號在送入DCS前要轉(zhuǎn)換成4-20mA的模擬信號。而在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，從變法器的傳感器到調(diào)節(jié)閥其信號一直保持?jǐn)?shù)字性。在模擬系統(tǒng)中，工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境十分惡劣，噪聲及其它干擾信號的存在不易把信號檢測出來，而這些噪音很難扭曲現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)里的數(shù)字信號，也就是說數(shù)字信號有很強(qiáng)的抗干擾能力，數(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。
3．2通信線供電
通信線供電方式九許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量，這種方式用于本質(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。
3．3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)，它既可以與同層網(wǎng)絡(luò)相連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)相連。當(dāng)然，掛接在現(xiàn)場總線上的現(xiàn)場總線儀表、設(shè)備都必須是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化總線接口，遵循統(tǒng)一的通信協(xié)議。這樣，不同制造廠家的產(chǎn)品可以十分方便地掛接在現(xiàn)場總線上而具有可互操作，避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品而被框死了使用設(shè)備的選擇范圍。這樣用戶可以根據(jù)性能價格比選用的，不必在硬件和軟件上保持任何修改，就可以構(gòu)成所需的控制回路，自由地集成開放式控制系統(tǒng)。
3．4對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性
工作在生產(chǎn)現(xiàn)場前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專門為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻線、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電和通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆的要求等。 4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的性
一般人們在論述FCS的優(yōu)點(diǎn)時總是對DCS來說的。與DCS相比， FCS具有以下幾個方面的優(yōu)點(diǎn)：
4．1 FCS的可靠性比DCS高
這包括兩方面的內(nèi)容：
(1) FCS的系統(tǒng)的可靠性比DCS高。
(2)FCS傳輸出數(shù)字信號，抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。
由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量和控制的精確度，減少了傳送誤差。同時由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)工作的可靠性，
4．2結(jié)構(gòu)性好： FCS可以把智能技術(shù)分散現(xiàn)場各點(diǎn)。
把控制功能下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)基本控制功能。
4．3可控性強(qiáng)： FCS有較強(qiáng)的自診斷功能
數(shù)字通信使用戶從控制室中查索所有設(shè)備的數(shù)據(jù)、組態(tài)、運(yùn)行和診斷信息已成為現(xiàn)實(shí)。自診斷功能可以及時幫助用戶分析問題是否發(fā)生在變法器。無需親臨現(xiàn)場觀察后才得出結(jié)論。這樣，即使設(shè)備發(fā)生故障，也可以很快地恢復(fù)生產(chǎn)。
4．4互操作性和互換性：標(biāo)準(zhǔn)化的智能儀表可方便互連、互組態(tài)和互換。
互操作性是實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)問的信息傳送與溝通?；Q性是指不同生產(chǎn)廠家功能類似的設(shè)備之間可以進(jìn)行相互替換?；ゲ僮骱突Q性是將系統(tǒng)升級為現(xiàn)場總線的關(guān)鍵動力之一。
4．5統(tǒng)一組態(tài)：現(xiàn)場總線采用功能塊方式組態(tài)
現(xiàn)場總線已有大量可滿足各種過程控制的功能模塊。如輸入、輸出、PID調(diào)節(jié)等，一些模塊還具有報警功能。
4．6開放性好：標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)互連
在FCS中，用戶可以把遵循相同協(xié)議不同品牌的產(chǎn)品集成到一個規(guī)模隨意的系統(tǒng)里，使用戶真正具有系統(tǒng)集成的主動權(quán)?？梢哉f現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)就是自動化領(lǐng)域的開設(shè)互聯(lián)系統(tǒng)，它從根本上打破了DCS系統(tǒng)的封閉性，使企業(yè)與外界信息的溝通范圍不斷擴(kuò)大，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化控制與管理創(chuàng)造了條件。
4．7數(shù)據(jù)庫的一致性
現(xiàn)場總線采用分散的數(shù)據(jù)庫概念，任何同現(xiàn)場總線接口的人機(jī)界面都可顯示有關(guān)儀表與控制回路的信息。這樣，便不會產(chǎn)生重復(fù)的、不一致的數(shù)據(jù)。在DCS系統(tǒng)中，操作站與儀表數(shù)據(jù)庫之間的同步化無法保證?，F(xiàn)場總線只使用一個數(shù)據(jù)庫，也就是分散于現(xiàn)場儀表中的數(shù)據(jù)庫，人機(jī)界面就是從該數(shù)據(jù)庫中獲取定標(biāo)數(shù)據(jù)的，手持終端所查索的也是同一個數(shù)據(jù)庫。
4．8節(jié)省開支：節(jié)省電纜和控制室面積，降低安裝及維護(hù)的費(fèi)用
與傳統(tǒng)設(shè)備間點(diǎn)對點(diǎn)的接線方式相比，讓多臺設(shè)備共享一條總線的現(xiàn)場總線系統(tǒng)自然能夠節(jié)省大量的電纜、端子、槽盒、橋架。連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上。這樣既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計、安裝的工作量。 5 實(shí)現(xiàn)DCS與PCS的網(wǎng)絡(luò)集成 現(xiàn)場總線系統(tǒng)要求作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的儀表具備數(shù)字通信能力，因而將導(dǎo)致傳統(tǒng)模擬儀表的全面更新?lián)Q代，給自動化儀表的行業(yè)發(fā)展帶來新的生機(jī)和活力。但現(xiàn)場總線系統(tǒng)像任何新事物的發(fā)展那樣，都要經(jīng)歷一個發(fā)展的過程。雖然FCS與DCS相比具有更多的優(yōu)點(diǎn)，由FCS取代DCS是必然的趨勢，但這需要一段時期的過渡。由于DCS目前在應(yīng)用廣泛，能滿足當(dāng)前控制的基本要求。從經(jīng)濟(jì)上考慮。拋棄掉原來的DCS而換成全新的FCS并不合算，不能充分揮已有投資的效益。從技術(shù)上考慮，雖然 FCS采用的技術(shù)比較新，也比較，但近年來DCS在可靠性、開放性、標(biāo)準(zhǔn)化方面也大大進(jìn)了一步。同時各廠家的DCS價格近年來也大幅度下降，是用戶常用的控制平臺。DCS如能順應(yīng)現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展方向與FCS技術(shù)相融合來改造自身，也會帶來新的生機(jī)。也就是說DCS要受FCS的沖擊是必然的。而新技術(shù)的發(fā)展又會迫使DCS進(jìn)行技術(shù)改造，如能吸收現(xiàn)場總線的技術(shù)精華，使DCS向FCS的方向演化，順應(yīng)技術(shù)發(fā)展潮流，DCS仍然具有一定的生命力。會繼續(xù)在控制領(lǐng)域中發(fā)揮自己的作用。根據(jù)目前的情況。在當(dāng)前和今后一段時間內(nèi)。工廠車間級網(wǎng)絡(luò)將出現(xiàn)現(xiàn)場總線與DCS網(wǎng)絡(luò)共存的局面。當(dāng)DCS與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)共存時，容許采用不同的網(wǎng)絡(luò)集成方案，可采用網(wǎng)關(guān)將DCS專用網(wǎng)絡(luò)掛接在工廠高速網(wǎng)絡(luò)上，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
如果某些工廠只有單獨(dú)的DCS網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場控制層與監(jiān)控層以DCS網(wǎng)絡(luò)為主，而某些新擴(kuò)建部分采用了現(xiàn)場總線時，則可使用特殊網(wǎng)關(guān)或通信控制器，將現(xiàn)場總 線系統(tǒng)掛接在DCS網(wǎng)絡(luò)上，甚至還可以將現(xiàn)場總線網(wǎng)段掛接在DCS網(wǎng)絡(luò)的I/O總線上。
在DCS網(wǎng)絡(luò)中，各控制儀表或其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的信息交換一般需通過DCS主機(jī)進(jìn)行。而在新型的FCS和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，DCS的角色發(fā)生了很大的變化，它從原來的控制系統(tǒng)中心的地位轉(zhuǎn)變成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)。在把一些底層的控制功能交由現(xiàn)場總線完成之后，更多地承擔(dān)起系統(tǒng)維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)管理，并負(fù)責(zé)報告和組織現(xiàn)場設(shè)備的維護(hù)需要和請求，以及完成對現(xiàn)場設(shè)備的集中組態(tài)等。
在DCS向FCS的過渡階段，國內(nèi)外許多公司都在致力于開發(fā)融合現(xiàn)場總線技術(shù)的新型DCS。如Fish-Rose-mount公司DeltaV，以及中國和利時公司根據(jù)中國國情開發(fā)的新一代 DCS-FOCS(Field Open Control System)就是一例。這些產(chǎn)品可以連接普通模擬量及開關(guān)量的輸入輸出信號，并支持Hart協(xié)議。在DCS向FCS的過渡階段顯示出的技術(shù)優(yōu)勢與較強(qiáng)的生命力。 電磁流量計 壓力變送器 測溫槍 (責(zé)任編輯：admin) | 
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