現場總線控制系統在生產企業中的應用

文 翁振斌

FCS現場總線控制系統介紹

工業控制系統的發展從DDC計算機集中控制到DCS分散控制系統再到FCS現場總線。FCS控制系統用數字信號取代模擬信號進行信號傳輸，其控制系統設備、現場儀表設備和控制電纜都發生了改變。FCS系統的核心是FF總線協議。采用雙絞線、光纜或無線電方式傳輸數字信號，減少大量導線。FCS可以將PID控制徹底分散到現場總線設備中。FCS從傳感器、變送器到執行器一直是數字信號，這就使我們很容易地處理更復雜、更精確的信號，同時數字通信的差錯功能可檢出傳輸中的誤碼。基于現場總線的FCS是全分散、全數字化、全開放和可互操作的新一代生產過程自動化系統，它將取代現場一對一的4～20mA模擬信號線，給傳統的工業自動化控制系統體系結構帶來革命性的變化，如圖1-1所示。

Deltav現場總線控制系統簡介

福建永智設備有限公司是一家以生產絲網印刷設備為主要業務的制造類企業，產線上采用的是Deltav現場總線控制系統。Deltav系統是艾默生過程控制有限公司于1996年推出的FCS現場總線控制系統。它在兼容傳統I/O及HART信號的同時，支持面向離散量信息的ASI總線、面向智能電氣類的DEVICE和Profibus-DP總線、面向過程控制的FF總線；其中FF總線分為HSE和H1兩層。H1層的FF卡件安裝于Deltav系統的I/O機架上，可以與其它任意I/O模塊或總線模塊混合安裝，自動識別并可以設置成冗余。

Deltav現場總線控制系統的主要控制回路都采用4～20mA上疊加HART信號的變送器進系統I/O卡件轉換數字信號送控制器處理，同傳統分散控制系統DCS的控制一樣；一些只需顯示的、不重要的控制儀表回路才采用FF現場總線系統。該FF系統采用H1 Fieldbus總線下掛橫河現場總線儀表、西門子現場總線定位器進入系統現場總線數據接口卡（Fieldbus H1），如圖1-2所示。

圖1-1 控制系統結構比較圖

圖1-2 DeltaV系統結構圖

安裝的AMS智能設備管理系統通過DeltaV系統現有的軟硬件和接線，直接與現場的HART設備和基金會現場總線（Ff）設備以在線的方式進行通信和診斷，并將設備的信息導入操作平臺，如：Professional Plus Station（工程師站）或Apllicaton Station（應用站）。

Deltav系統中的FF應用

FF是Fieldbus foundation現場總線的簡稱，是一種全數字式的串行雙向通訊系統，可以將各種現場總線設備，如傳感器、執行器與控制器等連接起來。它分為H1和H2兩級總線。H1采用符合IEC 61158-2標準的現場總線物理層；H2則采用高速以太網為其物理層。H1網段是指從H1接口以下安裝在一對終端器之間的電纜、智能設備、與電源調節器的模塊的系統組合。

福建永智設備有限公司產線上的FF系統的網絡拓撲為樹形，各個設備配防短路保護，可以做到互不影響，如下圖1-3所示。

H1現場總線以段為單位，一根屏蔽雙絞線電纜上完成對多臺FF現場儀表的供電和數字通信，如下圖1-4所示。H1網段儀表的分配要考慮儀表的功耗、同一控制回路的設備要在一個網段等。現場安裝的FF總線設備采用H1總線網段的通信協議。

現場采用8分支和12分支兩種現場接線箱給現場FF儀表供電，如下圖1-5所示。每四個FF設備共用一個RDO-FB-EX4型四路各自隔離的FF安全柵。要注意現場接線箱的密封防水，避免進水帶來的故障。

圖1-3 FF樹形網絡拓撲圖

FCS現場總線控制系統存在的問題

FCS控制系統本身是沒有什么問題，FSC系統的核心是總線協議，基礎是數字智能現場裝備，本質是信息處理現場化。目前問題在于：

圖1-4 H1網段圖

圖1-5 12分支現場總線接線箱

1.FF現場總線穩定性不夠，其通信抗干擾性會比傳統4～20mA的信號要差很多，而且現在最主要的問題是現場FF儀表本身的可靠性也沒有傳統4～20mA的好，經常會出現FF儀表通訊模塊故障的現象（尤其溫變比較嚴重），現場FF儀表的故障率會比傳統的儀表高；

2.艾默生主推FF的兩個理由：節約成本、現場總線控制，這些都是有前提條件的。節約成本主要是節省電纜，這就要看應用場合，有些場合也不一定能節省出多少電纜，相反，FF儀表的價格會比HART儀表高，故障率也高一些，這一塊的成本會高一些；

3.現場總線控制的前提條件是還有供電，從控制系統到現場FJB只有一條總線電纜，一旦故障影響涉及的回路多，對生產影響大，所以出現現場總線控制的情況很少，PTA和PX裝置現在FF也只是應用在單純顯示和不重要的控制回路，重要的控制回路還是4～20mA加HART信號；

4.維護FF儀表比HART儀表要求的技能要高。比如更換一臺FF儀表，不像HART儀表用475模塊設置好參數連上去就可以用。而現場更換FF儀表后，要在FCS軟件上對該表做COMMISSION，將該表定義為實際的儀表位號，下載功能塊的參數到現場儀表。最好不用475模塊在現場儀表更改參數，而是在控制系統進行組態修改，因為FF現場儀表的組態是在控制系統完成再下裝到儀表，用475模塊改變的參數由于無法上載到系統，無法更新保存到組態數據庫，為了保證下次更換表后由系統下裝到現場總線儀表的組態是最新的。這也是與常規儀表不同之處。儀表維護工還不太會使用AMS智能設備管理系統對儀表進行日常及預防性維護維修，AMS是針對智能儀表、智能閥門定位器等進行在線組態、調整、校驗管理、診斷及數據庫事件紀錄的系統。如果充分利用AMS智能設備管理系統所有應用軟件的優勢，那么就能在線獲得儀表和閥門的過程信息和診斷信息，同時自動對所有設備的維護信息進行歸檔。這些需要習慣了傳統儀表維護的人員重新學習和適應；

5.影響現場總線故障的主要原因之一來自網段上的干擾，而產生干擾信號的諸多原因中現場總線網段和總線設備的不良安裝、屏蔽接地不好是主要原因，因此要求工程安裝的質量要高。FSC的基礎——數字智能現場設備的技術質量不過關、FF網絡通訊的不穩定是限制了FSC發展的瓶頸。

今后FCS的發展改進思路

目前福建永智設備有限公司在采用FCS系統方面，還不是完全的FF總線控制，但隨著產線上總線技術的日趨成熟，主要是解決FF儀表通訊不穩定、FF網絡通訊可靠性的問題之后，FF設備比HART儀表的優勢才會展現，FCS才會得到更好的應用。

要維護好現場總線控制系統FCS對我們技術攻關人員來說需要重新學習，隨著對維護的FCS系統的深入了解，今后將借助AMS系統來不斷提高我們維護FCS系統的水平，以期適應FCS現場總線控制系統全面應用時代的到來。