摘 要：
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是信息數(shù)字化、控制分散化、開放互可操作的新一代工業(yè)自動化控制系統(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。筆者就如何評價現(xiàn)場總線控制系統(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)場總線、評價原則 前言 2000年1月4日瓜C宣布現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)ICC 61158表決以86％贊同，12%反對的結(jié)果獲得通過，使十幾年無休止的爭論終于有了結(jié)果。 IEC61158是一個妥協(xié)的結(jié)果，它包括8個子集：FF-HSE，F(xiàn)F-H1，Profibus，Interbus，P-net，Control-net,Worldfip，Swift-net。但從技術(shù)角度來看卻有其合理性?，F(xiàn)實的控制世界是豐富多彩的，沒有一種品種的總線對任何類型工業(yè)控制的各個層次都是。IEC標(biāo)準(zhǔn)中不同子集雖然存在市場交叉和競爭，但更多的是性能互補。因此雖然IEC把最終選擇留給了用戶，但選擇并非是無所適從的。 1 總線種類的選擇 基本工業(yè)控制可分為連續(xù)回路控制、開關(guān)量邏輯控制、采集監(jiān)測3類。大部分實際的工控系統(tǒng)一般都同時包含這3種類型，只不過各類比例不同而已，總線種類選擇見表1所列。
各種總線中只有FF-H1將通訊和控制功能下放到現(xiàn)場設(shè)備(變送器、閥門等)因此難度，Profibus也能將通訊延伸到現(xiàn)場設(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”控制器和“現(xiàn)場”I/O。這有些像開放的DCS控制總線、變送器、閥門等現(xiàn)場設(shè)備還是延用今天的產(chǎn)品。不同種類的總線各有所長，也可以被集成在同一系統(tǒng)中以發(fā)揮各自長處。 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)(見圖1)
操作站功能和 DCS沒有什么區(qū)別，對此評價不再贅述。雖然網(wǎng)關(guān)橋路控制器乍看起來像DCS，但它僅主要作網(wǎng)關(guān)和橋路控制器用(和其他總線及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)場智能儀表中完成。這不僅能充分發(fā)揮現(xiàn)場智能儀表的潛能，也簡化了對網(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)點還是因為它沒有介入基本回路控制，即使它發(fā)生故障也不會影響基本控制，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)然，這要求現(xiàn)場智能儀表有很強的計算功能。
中小系統(tǒng)可以省去高速總線和網(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)場儀表兩層。PLC常被用于邏輯控制和常規(guī)I/O接口。對于大多數(shù)中小系統(tǒng)這種結(jié)構(gòu)可能更可靠、實用、經(jīng)濟。
H1總線時序分微周期和監(jiān)控周期，每個微周期又由受調(diào)度通訊和非受調(diào)度通訊時間構(gòu)成。受調(diào)度通訊時間內(nèi)完成本總線上所有設(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)度通訊時間內(nèi)完成部分設(shè)備和上位機間信息交換(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上不等。若干個微周期內(nèi)總線上所有設(shè)備和上位機間信息交換都將掃描一次稱監(jiān)控周期，時間為1-2s。從時間看H1總線相當(dāng)于DCS掃描周期，主要適合于熱工過程控制而不適合于高速機械運動控制。 2．2典型Profibus系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(見圖2（略）)
在這個系統(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，因為邏輯控制并不要求分散，所以Profibus主要用于信號傳輸。它速度極快，每個節(jié)點掃描時間10ms。
Profibus-PA是為滿足過程控制常遇到的本安防爆要求而設(shè)計的，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)場總線控制系統(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的爭論在繼續(xù)。雖然我們不能說哪個，但我們也不難分析哪種系統(tǒng)更適合于自己的被控對象?，F(xiàn)場總線的“數(shù)字傳輸和開放互操作”兩大特性都被實現(xiàn)了，但在“控制分散”這點上不同類型的控制有所不同。在連續(xù)控制應(yīng)用中如能發(fā)揮這一特點，將獲得節(jié)省控制設(shè)備、減少層次、分散控制風(fēng)險的利益。
從這點看，原有DCS加現(xiàn)場總線接口的方案是不理想的，因為這將失去現(xiàn)場總線的一些靈魂性的特點和優(yōu)點。 3 冗余 從被控對象看，十分重要的(價值、安全)對象或很長的連續(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)場總線控制系統(tǒng)在冗余思想上，是采用風(fēng)險分散隔離的方法來替代 DCS熱備的方法。FF-H1現(xiàn)場總線將控制分散到現(xiàn)場儀表，從而也將集中的風(fēng)險分散，也就省去了冗余的CPU，降低了成本。H1總線上設(shè)備數(shù)量不多，電纜不考慮冗余。但供電和接口也是風(fēng)險集中點，一定要冗余。HSE高速總線通常要冗余配置。 4 現(xiàn)場智能設(shè)備 現(xiàn)場總線智能儀表有很強的控制功能，它們已不僅是傳統(tǒng)的現(xiàn)場儀表，而是系統(tǒng)不可分割的一部分。因此現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的評價一定不能離開現(xiàn)場智能儀表，除測量傳感器和執(zhí)行元件與原來一樣外，對現(xiàn)場儀表評價新開列的項目如表2所列。 5 開放性 由于DCS改用PC機和Win NT。使操作站層基本實現(xiàn)了開放，但DCS專有的控制網(wǎng)絡(luò)和控制器是不會開放的。現(xiàn)場總線的目標(biāo)是使控制層也開放，其間僅作為信號傳輸用的一類現(xiàn)場總線的任務(wù)較簡單，因此標(biāo)準(zhǔn)也易統(tǒng)一，從而達到這一水平的開放互操作性也較容易。由于FF現(xiàn)場總線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進展較慢的技術(shù)原因之一。FF對現(xiàn)場儀表進行通訊一致性和互可操作性測試，這為系統(tǒng)控制層達到開放性提供了必要條件。但FF不對主系統(tǒng)進行互可操作性測試，因此用戶還要注意主系統(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)是時下非常流行的技術(shù)，它將進一步加強系統(tǒng)上層開放的能力，使不同的“第三方”軟件和控制設(shè)備更容易“無縫”地集成。 6 兼容性 目前4-20mA設(shè)備和DCS／PLC仍是市場上的主流產(chǎn)品，在過渡時期，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)應(yīng)對原有技術(shù)有較好的兼容性在系統(tǒng)級應(yīng)具有常用網(wǎng)絡(luò)間的網(wǎng)關(guān)能力，如ETH總線、RS-232／總線、LSA／總線等。在設(shè)備級應(yīng)具有DI/DO/總線、4-20mA／總線、3-15psi／總線轉(zhuǎn)換接口。轉(zhuǎn)換器可安裝在控制室(IP20防護等級)或在現(xiàn)場(IP65，本安隔爆)。這些轉(zhuǎn)換接口的作用就是將變量納人現(xiàn)場總線功能塊應(yīng)用中，以使系統(tǒng)的構(gòu)筑變得更加靈活、方便。 7 價格 現(xiàn)場總線的主要優(yōu)點之一就是給用戶帶來經(jīng)濟上的利益。但要注意兩點：經(jīng)濟上的節(jié)省是體現(xiàn)在設(shè)計、建設(shè)、維護的全過程，即使是建設(shè)費用也包括設(shè)備、材料、施工三項費用，而絕不僅僅只是設(shè)備費：現(xiàn)場總線的節(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買到更好的東西”更恰當(dāng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的軟件含量比DCS更大，因此它今后降價的余地更大。但在它發(fā)展的初期就要求它過低的價格是正的，也是不利于技術(shù)進步的。 8 結(jié)論 綜上所述，筆者提出對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的主要評價原則如下，供大家商榷。
1)根據(jù)應(yīng)用對象選擇適用的現(xiàn)場總線種類；
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)場總線技術(shù)的全部優(yōu)點；
3)分析系統(tǒng)的開放性、安全冗余性能；
4)分析現(xiàn)場總線現(xiàn)場設(shè)備的性能；
5)分析系統(tǒng)的兼容性；
6)總體測算價格；
7)現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用業(yè)績。 電磁流量計 壓力變送器 測溫槍
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