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　　摘要：在20世紀(jì)90年代中期，一種新興的“智能”現(xiàn)場儀表正在改變著傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)(DCS)用戶的愿景?；饡?huì)現(xiàn)場總線的興起深刻影響了工廠的自動(dòng)化策略，使zui終用戶將控制功能轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場設(shè)備，同時(shí)釋放出更高層級的資源實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)生產(chǎn)控制。
　　
　　基金會(huì)現(xiàn)場總線*遵循IEC61158/61784/61804標(biāo)準(zhǔn)，因此這是*一款使用標(biāo)準(zhǔn)和功能模塊(比如模擬輸入、模擬輸出、PID控制以及算數(shù)器、積分器、分路器和定時(shí)器)支持將控制策略轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場設(shè)備的解決方案。
　　
　　現(xiàn)場控制的原理十分簡單。通過在設(shè)備層進(jìn)行控制，流程控制任務(wù)可以確確實(shí)實(shí)被分解，系統(tǒng)在H1層級上沒有任何單點(diǎn)失效。如果在人機(jī)界面(HMI)中存在功能錯(cuò)誤，流程的可視性減弱，控制器或者系統(tǒng)中的其他任意元件和控制回路，包括智能現(xiàn)場設(shè)備、執(zhí)行器和定位器以及網(wǎng)絡(luò)，都不會(huì)受到影響。在DCS中進(jìn)行控制的情況當(dāng)中，現(xiàn)場級控制實(shí)際上增加了冗余性。
　　
　　安裝基金會(huì)現(xiàn)場總線的工業(yè)設(shè)施不需要在現(xiàn)場層面上進(jìn)行批控制和邏輯控制。該項(xiàng)技術(shù)具備主要PID和次要PID(順序)功能，并將進(jìn)給/前向和超前/滯后控制納入到智能控制閥門定位器/控制器當(dāng)中。
　　
　　CIF如何工作？
　　
　　如前所述，基金會(huì)現(xiàn)場總線是一項(xiàng)*的數(shù)字總線技術(shù)，讓控制回歸現(xiàn)場成為了可能。這意味著，無論控制室正在發(fā)生什么，只要您擁有現(xiàn)場儀表，可以運(yùn)行輸出設(shè)備/執(zhí)行器，您就可以繼續(xù)控制您的流程。
　　
　　基金會(huì)技術(shù)的一項(xiàng)重要屬性就是它的功能模塊，它可以承擔(dān)一部分“規(guī)劃”的功能(比如通訊和控制是同步進(jìn)行還是順序進(jìn)行)。這意味著：1)可以在模擬輸入模塊(AI)執(zhí)行結(jié)束之后，規(guī)劃測量通訊；2)規(guī)劃PID模塊，在測量值到達(dá)的時(shí)候啟動(dòng)；3)在PID模塊執(zhí)行結(jié)束之后，規(guī)劃管理變量的通訊；4)在管理變量到達(dá)之后，規(guī)模模擬輸出(AO)模塊的執(zhí)行。因此，可以盡量減小停機(jī)時(shí)間，樣本可以的定期采集，誤差zui小。
　　
　　基金會(huì)技術(shù)幫助zui終用戶將控制功能轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場設(shè)備，同時(shí)釋放出更高層級的資源實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)生產(chǎn)控制。
　　
　　PID功能模塊使現(xiàn)場控制以及(作為結(jié)果)單環(huán)完整性成為可能。除了將PID功能模塊置于網(wǎng)絡(luò)的一臺(tái)設(shè)備之中(通常是AO設(shè)備)，為了優(yōu)化帶寬使用，每一個(gè)使用現(xiàn)場控制的現(xiàn)場總線網(wǎng)段都要求網(wǎng)絡(luò)上的至少一臺(tái)設(shè)備擔(dān)任“連接主機(jī)”設(shè)備。這臺(tái)設(shè)備假設(shè)此次事件中所有網(wǎng)絡(luò)通訊與控制系統(tǒng)的連接都丟失了。
　　
　　基金會(huì)現(xiàn)場總線和單環(huán)完整性提高了控制回路的可靠度，它同冗余提供的可靠性不盡相同。根據(jù)定義，冗余指的是安裝一臺(tái)相似(通常是相同)的設(shè)備具備同樣的功能。就H1接口卡通訊損失這個(gè)案例來說，現(xiàn)場總線只要有通訊和電力就會(huì)持續(xù)提供控制功能。同時(shí)，只要輸入/輸出設(shè)備功能良好，就可以進(jìn)行可靠的控制而不需要冗余。
　　
　　使用基金會(huì)現(xiàn)場總線解決方案，zui終用戶在設(shè)計(jì)工廠自動(dòng)化架構(gòu)的時(shí)候具有很大的靈活性。使用這項(xiàng)技術(shù)的控制系統(tǒng)可以采用非常復(fù)雜的控制方案，在控制器或者線纜上執(zhí)行控制功能，也有可能兩者同時(shí)發(fā)揮作用。
　　
　　舉例來說，像艾默生DeltaV解決方案這類控制系統(tǒng)支持現(xiàn)場控制和主機(jī)控制，或者兩者的結(jié)合。該系統(tǒng)可以在控制和CIF中配置控制算法，并在同一個(gè)環(huán)路中將二者結(jié)合。其控制策略模板還可以與中心控制和CIF協(xié)作，自動(dòng)整定軟件也能夠在現(xiàn)場總線設(shè)備中對PID控制進(jìn)行整定。除此之外，用戶可以連接功能模塊類型大型數(shù)據(jù)庫，根據(jù)CIF的表現(xiàn)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場總線設(shè)備同步。
　　
　　HSE的關(guān)鍵作用
　　
　　工業(yè)企業(yè)采用現(xiàn)場控制的一個(gè)主要因素是現(xiàn)場總線基金會(huì)完成了高速以太網(wǎng)(HSE)規(guī)范?；饡?huì)現(xiàn)場總線的數(shù)字設(shè)備和雙向通訊技術(shù)已經(jīng)存在了30年，那時(shí)候*臺(tái)DCS和可編程邏輯控制(PLC)系統(tǒng)可能還沒有開發(fā)完成。
　　
　　基金會(huì)現(xiàn)場總線簡化了HSE連接設(shè)備現(xiàn)場的控制分配工作，在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)當(dāng)中，HSE連接設(shè)備是將H1現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)集成到高速以太網(wǎng)主干網(wǎng)的關(guān)鍵。
　　
　　它的功能相當(dāng)于HSE和H1通道之間的“橋梁”，將現(xiàn)場設(shè)備和其他主站彼此連接起來，因此它是集成系統(tǒng)通訊，直接I/O連接和控制應(yīng)用的必要元素。
　　
　　單一HSE連接設(shè)備可以連接四個(gè)H1現(xiàn)場總線網(wǎng)段，每個(gè)網(wǎng)段上搭配zui多16臺(tái)設(shè)備(也就是每臺(tái)連接設(shè)備zui多連接64臺(tái)設(shè)備)。另外，每臺(tái)連接設(shè)備都可以裝備超過300個(gè)功能模塊，執(zhí)行或者更加復(fù)雜的控制功能。
　　
　　在HSE連接設(shè)備中定位控制功能，可以統(tǒng)一控制室與現(xiàn)場的控制結(jié)構(gòu)。連接設(shè)備的位置可以與通訊店聚合的流程非常接近。這種方法也將任何監(jiān)控?fù)p失的影響降到了zui低。單個(gè)設(shè)備的失效只會(huì)影響整體控制功能的一部分。
　　
　　自動(dòng)化zui終用戶可以通過連接設(shè)備利用HSE來實(shí)施控制系統(tǒng)。這些設(shè)備設(shè)計(jì)連接H1網(wǎng)段，采用單一或者冗余配置。將HSE作為主干網(wǎng)，可以在整個(gè)工廠內(nèi)部部署連接設(shè)備。它還可以節(jié)約連接H1網(wǎng)段到控制室的線纜的成本。
　　
　　在現(xiàn)場設(shè)備中使用基金會(huì)現(xiàn)場總線備份連接主動(dòng)規(guī)劃期(LAS)，同時(shí)在HSE總線和監(jiān)控設(shè)備中加入冗余，可以保證高度的系統(tǒng)完整性?，F(xiàn)場儀表可以通過注冊現(xiàn)場總線設(shè)備提供的輸入標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備描述(DD)和功能文件(CF)進(jìn)行集成。
　　
　　基金會(huì)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)充分利用HSE，提供了一個(gè)真正聯(lián)網(wǎng)的解決方案，允許流程擁有者可以設(shè)計(jì)同時(shí)反映流程功能和地理要求的總體控制架構(gòu)。這與那種直接連接單獨(dú)H1網(wǎng)段和控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同。除此之外，基于HSE的解決方案可以面向關(guān)鍵應(yīng)用為現(xiàn)場環(huán)境增加冗余功能，在控制器硬件失效的少數(shù)時(shí)刻也可以保證現(xiàn)場控制可見。
　　
　　實(shí)施帶有HSE的現(xiàn)場控制其中一個(gè)zui主要的原因，就是消除了同步方面的問題，同時(shí)它也緩解了中央控制器的負(fù)擔(dān)。使用其他的解決方案，你必須使用一臺(tái)控制器控制一個(gè)設(shè)備網(wǎng)段，然后再轉(zhuǎn)向另外一個(gè)網(wǎng)段，因此會(huì)造成讓人無法接受的延遲。
　　
　　工業(yè)專家的考量
　　
　　為了撰寫這篇文章，本文的作者向的自動(dòng)化行業(yè)工業(yè)商和zui終用戶咨詢他們對于基金會(huì)技術(shù)現(xiàn)場控制的看法，以及這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)如何影響工廠運(yùn)營表現(xiàn)和項(xiàng)目生命周期成本。　　
　　MarcosPeluso是艾默生過程管理公司的一位技術(shù)專家，他相信現(xiàn)場控制解決方案。“CIF可以作為控制個(gè)體回路，也可以作為DCS控制方案的一部分，”Peluso說：“DCS可以發(fā)送設(shè)置點(diǎn)或者計(jì)算變量給監(jiān)管回路。點(diǎn)或者計(jì)算變量給監(jiān)管回路。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備中的功能模塊，CIF提供了級聯(lián)、優(yōu)先、分割、交叉等不同的控制策略。
　　
　　他接著說道：“CIF控制表現(xiàn)要優(yōu)于DCS中的控制。因?yàn)楝F(xiàn)場總線中的控制嚴(yán)格按照計(jì)劃執(zhí)行，變量升級和zui終的控制元素激活都是按照非常的時(shí)間間隔進(jìn)行的。使用I/O卡的DCS控制缺乏同步性，不能保證相同間隔周期。比如說，PID控制計(jì)算積分和差分，假設(shè)升級通常是指在相同的周期內(nèi)進(jìn)行的，如果存在差異，變異就會(huì)增加。”
　　
　　“在使用CIF的時(shí)候，zui終用戶需要選擇高質(zhì)量的設(shè)備和輔助設(shè)備，特征和性能可以滿足它們的目標(biāo)。計(jì)劃周密執(zhí)行良好的安裝工作，可以降低維護(hù)成本、增加流程工作時(shí)間，從而帶來良好的，”Peluso總結(jié)道。
　　
　　橫河電機(jī)公司無線及現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)技術(shù)咨詢顧問AmitAjmeri也發(fā)表了自己對于CIF的看法。他說道：“使用CIF難以實(shí)施復(fù)雜的回路，因此開始要首先使用簡單和級聯(lián)回路，確定您希望在何處應(yīng)用PID控制功能模塊。如果您的DCS在每個(gè)周期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)控制器到現(xiàn)場總線I/O卡的同步數(shù)據(jù)傳輸，您就會(huì)看到同樣的績效改善，這與您是否使用CIF或是在DCS中進(jìn)行控制沒有關(guān)系。如果有DCS外部的人員使用現(xiàn)場設(shè)備，CIF可以把PID控制參數(shù)傳輸給他們，因此需要特別安全保護(hù)才能確保未經(jīng)*的人員不會(huì)接觸到相關(guān)的信息。一旦確定了運(yùn)營步驟，數(shù)據(jù)安全并不會(huì)成為問題。
　　
　　比如在發(fā)電廠中的一些更快的流程，可以從現(xiàn)場控制中獲得更多的收益。
　　
　　Ajmeri對于那些考慮使用CIF的zui終用戶也有著一些建議：“要檢查一下您的DCS供應(yīng)商，看看他們是否已經(jīng)實(shí)現(xiàn)基金會(huì)現(xiàn)場總線I/O掃描的同步。另外，還需要注意所有的PID模塊參數(shù)以及PID模塊的默認(rèn)配置，因?yàn)槊總€(gè)供應(yīng)商給的配置可能都不一樣，”他說道：“除此之外，要保證PID模塊數(shù)據(jù)安全的實(shí)施步驟和*數(shù)據(jù)接入的管理，創(chuàng)新CIF設(shè)備的設(shè)備替換流程。當(dāng)然，培訓(xùn)也非常重要。”
　　
　　ABB公司營銷支持DaveHuffman評論道：“有一些分析指出，使用H1LAS的純粹循環(huán)控制比那些針對特定困難回路設(shè)計(jì)的集中式控制設(shè)計(jì)效果更好。但是基本上，我有點(diǎn)懷疑如果所有者實(shí)現(xiàn)對回路進(jìn)行適當(dāng)整定的話，無論P(yáng)ID功能置于何處，今天運(yùn)行的絕大多數(shù)控制回路的控制質(zhì)量基本都是相同的。”
　　
　　“考慮HSE，可以通過將控制轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場設(shè)備獲取控制器資源。如果控制功能可以在現(xiàn)場設(shè)備中完成，zui終用戶就不再需要為任何通訊或者系統(tǒng)負(fù)載添加控制器。”
　　
　　Huffman補(bǔ)充道：“工業(yè)企業(yè)的工程師需要按照設(shè)計(jì)的方式使用技術(shù)，這樣才能充分發(fā)揮基金會(huì)現(xiàn)場總線的優(yōu)勢。只是把它看成一個(gè)I/O系統(tǒng)沒什實(shí)施帶有現(xiàn)場控制功能的基金會(huì)現(xiàn)場總線還可以減少與布線、電源、面板空間和冗余硬件相關(guān)的成本。，通過減少硬件，實(shí)際的可能失效點(diǎn)也更少，因此提高了系統(tǒng)的可靠性。類似的，設(shè)備之間連接數(shù)量的減少也讓系統(tǒng)更加可靠。
　　
　　基于CIF的流程可靠性與有效性的提升，可以大幅減少意料之外事故的發(fā)生。工廠的工作時(shí)間延長對于企業(yè)的利潤有著正面的影響，同時(shí)還可以加強(qiáng)控制的度，促使操作員減少原料和能源的使用，增加產(chǎn)出并改善zui終產(chǎn)品的質(zhì)量。
　　
　　選擇正確的應(yīng)用
　　
　　在某些應(yīng)用中實(shí)施現(xiàn)場控制可以比傳統(tǒng)的儀表或者主站控制效率更高。這是因?yàn)樵诂F(xiàn)場的控制可以獨(dú)立于主站控制系統(tǒng)運(yùn)行，循環(huán)周期只有四分之一秒。典型的DSC對I/O掃描的周期死五分之一秒。周期越短、測量越，意味著運(yùn)行更接近系統(tǒng)的物理局限，因此在不需要購買大型設(shè)備的前提下就會(huì)增加產(chǎn)出。
　　
　　在典型的工業(yè)運(yùn)營中，更快的流程可以從現(xiàn)場控制中獲得的收益越多。如果流程有意整定對控制器慢速響應(yīng)，或者由于亞擺率和飽和限制了快速響應(yīng)，一些情況下現(xiàn)場級控制的優(yōu)勢也會(huì)打很多折扣。還有很多特別的回路需要非常快的采樣速度，但是需要的傳感器和執(zhí)行器不符合現(xiàn)場總線的要求。
　　
　　CIF策略尤其有效的應(yīng)用包括壓縮機(jī)反浪涌控制、多流和壓力回路以及一些快速的溫度、pH值、位置和速度回路。發(fā)電行業(yè)，包括核電，一直以來都是基金會(huì)現(xiàn)場總線的一類主要應(yīng)用，在典型的發(fā)電廠當(dāng)中有很多重要的壓力和流回路，對于總體性能有著重要影響，可以決定發(fā)電廠能以多快的速度處理負(fù)載變化或者提升流程效率。
　　
　　結(jié)論
　　
　　對于今天的自動(dòng)化zui終用戶，可以從實(shí)施帶有現(xiàn)場控制的基金會(huì)技術(shù)解決方案中獲取巨大的收益。首先，CIF可以提供單環(huán)的完整性，因此減少了控制策略失效導(dǎo)致流程工廠部分或者整體停機(jī)發(fā)生的概率。其次，CIF不僅降低了現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的通訊量，還減少了流程自動(dòng)化系統(tǒng)控制的負(fù)載。zui后，CIF通過減少設(shè)備安裝量和試車成本，提供預(yù)防性維護(hù)工作需要的信息，減少了整體自動(dòng)化系統(tǒng)的生命周期成本。