摘 要：
現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)是信息數(shù)字化、控制分散化、開(kāi)放互可操作的新一代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。它是信息技術(shù)、智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)展。它和DCS相比結(jié)構(gòu)有明顯的改變，技術(shù)性能有明顯的提高。筆者就如何評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)提出一些原則供讀者討論參考。
關(guān)鍵字：控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、評(píng)價(jià)原則 前言 2000年1月4日瓜C宣布現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ICC 61158表決以86％贊同，12%反對(duì)的結(jié)果獲得通過(guò)，使十幾年無(wú)休止的爭(zhēng)論終于有了結(jié)果。 IEC61158是一個(gè)妥協(xié)的結(jié)果，它包括8個(gè)子集：FF-HSE，F(xiàn)F-H1，Profibus，Interbus，P-net，Control-net,Worldfip，Swift-net。但從技術(shù)角度來(lái)看卻有其合理性?，F(xiàn)實(shí)的控制世界是豐富多彩的，沒(méi)有一種品種的總線(xiàn)對(duì)任何類(lèi)型工業(yè)控制的各個(gè)層次都是。IEC標(biāo)準(zhǔn)中不同子集雖然存在市場(chǎng)交叉和競(jìng)爭(zhēng)，但更多的是性能互補(bǔ)。因此雖然IEC把最終選擇留給了用戶(hù)，但選擇并非是無(wú)所適從的。 1 總線(xiàn)種類(lèi)的選擇 基本工業(yè)控制可分為連續(xù)回路控制、開(kāi)關(guān)量邏輯控制、采集監(jiān)測(cè)3類(lèi)。大部分實(shí)際的工控系統(tǒng)一般都同時(shí)包含這3種類(lèi)型，只不過(guò)各類(lèi)比例不同而已，總線(xiàn)種類(lèi)選擇見(jiàn)表1所列。
各種總線(xiàn)中只有FF-H1將通訊和控制功能下放到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(變送器、閥門(mén)等)因此難度，Profibus也能將通訊延伸到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，但控制還是在集中的控制器中完成，其他如 Interbus，Worldfip等則僅僅將通訊延伸到“現(xiàn)場(chǎng)”控制器和“現(xiàn)場(chǎng)”I/O。這有些像開(kāi)放的DCS控制總線(xiàn)、變送器、閥門(mén)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備還是延用今天的產(chǎn)品。不同種類(lèi)的總線(xiàn)各有所長(zhǎng)，也可以被集成在同一系統(tǒng)中以發(fā)揮各自長(zhǎng)處。 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能分配分析 2．1典型FF大系統(tǒng)“苗條”結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)
操作站功能和 DCS沒(méi)有什么區(qū)別，對(duì)此評(píng)價(jià)不再贅述。雖然網(wǎng)關(guān)橋路控制器乍看起來(lái)像DCS，但它僅主要作網(wǎng)關(guān)和橋路控制器用(和其他總線(xiàn)及H1與HI間)，此外也可兼作順控、批控制以及邏輯控制用，而大量基本連續(xù)控制盡可能在現(xiàn)場(chǎng)智能儀表中完成。這不僅能充分發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的潛能，也簡(jiǎn)化了對(duì)網(wǎng)關(guān)橋路控制器負(fù)荷的要求，降低了成本。但最主要的優(yōu)點(diǎn)還是因?yàn)樗鼪](méi)有介入基本回路控制，即使它發(fā)生故障也不會(huì)影響基本控制，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)然，這要求現(xiàn)場(chǎng)智能儀表有很強(qiáng)的計(jì)算功能。
中小系統(tǒng)可以省去高速總線(xiàn)和網(wǎng)關(guān)橋路控制器，使用H1／ISA接口卡，系統(tǒng)變得只有操作站和現(xiàn)場(chǎng)儀表兩層。PLC常被用于邏輯控制和常規(guī)I/O接口。對(duì)于大多數(shù)中小系統(tǒng)這種結(jié)構(gòu)可能更可靠、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)。
H1總線(xiàn)時(shí)序分微周期和監(jiān)控周期，每個(gè)微周期又由受調(diào)度通訊和非受調(diào)度通訊時(shí)間構(gòu)成。受調(diào)度通訊時(shí)間內(nèi)完成本總線(xiàn)上所有設(shè)備內(nèi)功能塊執(zhí)行和設(shè)備間功能塊鏈接通訊；非受調(diào)度通訊時(shí)間內(nèi)完成部分設(shè)備和上位機(jī)間信息交換(如操作、組態(tài)等)，微周期因設(shè)備、功能塊、鏈接數(shù)量不同在幾百毫秒量級(jí)上不等。若干個(gè)微周期內(nèi)總線(xiàn)上所有設(shè)備和上位機(jī)間信息交換都將掃描一次稱(chēng)監(jiān)控周期，時(shí)間為1-2s。從時(shí)間看H1總線(xiàn)相當(dāng)于DCS掃描周期，主要適合于熱工過(guò)程控制而不適合于高速機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制。 2．2典型Profibus系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2（略）)
在這個(gè)系統(tǒng)中，控制基本上仍然由集中的PLC完成。當(dāng)然這未必算缺點(diǎn)，因?yàn)檫壿嬁刂撇⒉灰蠓稚?，所以Profibus主要用于信號(hào)傳輸。它速度極快，每個(gè)節(jié)點(diǎn)掃描時(shí)間10ms。
Profibus-PA是為滿(mǎn)足過(guò)程控制常遇到的本安防爆要求而設(shè)計(jì)的，物理層和FF-H1一樣符合IEC61158-2，但其他層和Profibus-DP一樣。因此現(xiàn)場(chǎng)儀表功能少，控制仍由集中的PLC控制器完成，但掃描速度快。 2．3功能分配分析(圖略)
從上面兩種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能分布、掃描速度的區(qū)別，我們仿佛還是感到，DCS和PLC的爭(zhēng)論在繼續(xù)。雖然我們不能說(shuō)哪個(gè)，但我們也不難分析哪種系統(tǒng)更適合于自己的被控對(duì)象?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的“數(shù)字傳輸和開(kāi)放互操作”兩大特性都被實(shí)現(xiàn)了，但在“控制分散”這點(diǎn)上不同類(lèi)型的控制有所不同。在連續(xù)控制應(yīng)用中如能發(fā)揮這一特點(diǎn)，將獲得節(jié)省控制設(shè)備、減少層次、分散控制風(fēng)險(xiǎn)的利益。
從這點(diǎn)看，原有DCS加現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口的方案是不理想的，因?yàn)檫@將失去現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的一些靈魂性的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。 3 冗余 從被控對(duì)象看，十分重要的(價(jià)值、安全)對(duì)象或很長(zhǎng)的連續(xù)流程，考慮控制設(shè)備一定程度的冗余；從控制設(shè)備看，風(fēng)險(xiǎn)高度集中的環(huán)節(jié)應(yīng)考慮冗余。因此大型發(fā)電、石化控制系統(tǒng)都選擇冗余的DCS，如電源、通訊、CPU和 I／O卡冗余。隨著控制設(shè)備自身可靠性的提高，一些孤立的小裝置也常采用不冗余或僅電源、CPU冗余的PLC以節(jié)省投資。
現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)在冗余思想上，是采用風(fēng)險(xiǎn)分散隔離的方法來(lái)替代 DCS熱備的方法。FF-H1現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)將控制分散到現(xiàn)場(chǎng)儀表，從而也將集中的風(fēng)險(xiǎn)分散，也就省去了冗余的CPU，降低了成本。H1總線(xiàn)上設(shè)備數(shù)量不多，電纜不考慮冗余。但供電和接口也是風(fēng)險(xiǎn)集中點(diǎn)，一定要冗余。HSE高速總線(xiàn)通常要冗余配置。 4 現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)智能儀表有很強(qiáng)的控制功能，它們已不僅是傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表，而是系統(tǒng)不可分割的一部分。因此現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的評(píng)價(jià)一定不能離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表，除測(cè)量傳感器和執(zhí)行元件與原來(lái)一樣外，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表評(píng)價(jià)新開(kāi)列的項(xiàng)目如表2所列。 5 開(kāi)放性 由于DCS改用PC機(jī)和Win NT。使操作站層基本實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放，但DCS專(zhuān)有的控制網(wǎng)絡(luò)和控制器是不會(huì)開(kāi)放的。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的目標(biāo)是使控制層也開(kāi)放，其間僅作為信號(hào)傳輸用的一類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的任務(wù)較簡(jiǎn)單，因此標(biāo)準(zhǔn)也易統(tǒng)一，從而達(dá)到這一水平的開(kāi)放互操作性也較容易。由于FF現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)將控制和通訊都分散到各儀表，因此標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一也困難，這也是FF進(jìn)展較慢的技術(shù)原因之一。FF對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行通訊一致性和互可操作性測(cè)試，這為系統(tǒng)控制層達(dá)到開(kāi)放性提供了必要條件。但FF不對(duì)主系統(tǒng)進(jìn)行互可操作性測(cè)試，因此用戶(hù)還要注意主系統(tǒng)是否有能讀懂其他供貨商提交的DO(設(shè)備描述)文件的能力。
OPC(OLE forProcess Control)是時(shí)下非常流行的技術(shù)，它將進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)上層開(kāi)放的能力，使不同的“第三方”軟件和控制設(shè)備更容易“無(wú)縫”地集成。 6 兼容性 目前4-20mA設(shè)備和DCS／PLC仍是市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，在過(guò)渡時(shí)期，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)應(yīng)對(duì)原有技術(shù)有較好的兼容性在系統(tǒng)級(jí)應(yīng)具有常用網(wǎng)絡(luò)間的網(wǎng)關(guān)能力，如ETH總線(xiàn)、RS-232／總線(xiàn)、LSA／總線(xiàn)等。在設(shè)備級(jí)應(yīng)具有DI/DO/總線(xiàn)、4-20mA／總線(xiàn)、3-15psi／總線(xiàn)轉(zhuǎn)換接口。轉(zhuǎn)換器可安裝在控制室(IP20防護(hù)等級(jí))或在現(xiàn)場(chǎng)(IP65，本安隔爆)。這些轉(zhuǎn)換接口的作用就是將變量納人現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)功能塊應(yīng)用中，以使系統(tǒng)的構(gòu)筑變得更加靈活、方便。 7 價(jià)格 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的主要優(yōu)點(diǎn)之一就是給用戶(hù)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)上的利益。但要注意兩點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)上的節(jié)省是體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、建設(shè)、維護(hù)的全過(guò)程，即使是建設(shè)費(fèi)用也包括設(shè)備、材料、施工三項(xiàng)費(fèi)用，而絕不僅僅只是設(shè)備費(fèi)：現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的節(jié)省不能誤解為“便宜貨”，它首先是高性能的系統(tǒng)，因此理解為“用同樣的或較少的錢(qián)買(mǎi)到更好的東西”更恰當(dāng)。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的軟件含量比DCS更大，因此它今后降價(jià)的余地更大。但在它發(fā)展的初期就要求它過(guò)低的價(jià)格是正的，也是不利于技術(shù)進(jìn)步的。 8 結(jié)論 綜上所述，筆者提出對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的主要評(píng)價(jià)原則如下，供大家商榷。
1)根據(jù)應(yīng)用對(duì)象選擇適用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)種類(lèi)；
2)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能分配是否能盡可能發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)；
3)分析系統(tǒng)的開(kāi)放性、安全冗余性能；
4)分析現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的性能；
5)分析系統(tǒng)的兼容性；
6)總體測(cè)算價(jià)格；
7)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用業(yè)績(jī)。 電磁流量計(jì) 壓力變送器 測(cè)溫槍
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