現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)企業(yè)中的應(yīng)用

文 翁振斌

FCS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)介紹

工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展從DDC計(jì)算機(jī)集中控制到DCS分散控制系統(tǒng)再到FCS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。FCS控制系統(tǒng)用數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)傳輸，其控制系統(tǒng)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備和控制電纜都發(fā)生了改變。FCS系統(tǒng)的核心是FF總線(xiàn)協(xié)議。采用雙絞線(xiàn)、光纜或無(wú)線(xiàn)電方式傳輸數(shù)字信號(hào)，減少大量導(dǎo)線(xiàn)。FCS可以將PID控制徹底分散到現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備中。FCS從傳感器、變送器到執(zhí)行器一直是數(shù)字信號(hào)，這就使我們很容易地處理更復(fù)雜、更精確的信號(hào)，同時(shí)數(shù)字通信的差錯(cuò)功能可檢出傳輸中的誤碼。基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的FCS是全分散、全數(shù)字化、全開(kāi)放和可互操作的新一代生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)，它將取代現(xiàn)場(chǎng)一對(duì)一的4～20mA模擬信號(hào)線(xiàn)，給傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)帶來(lái)革命性的變化，如圖1-1所示。

Deltav現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

福建永智設(shè)備有限公司是一家以生產(chǎn)絲網(wǎng)印刷設(shè)備為主要業(yè)務(wù)的制造類(lèi)企業(yè)，產(chǎn)線(xiàn)上采用的是Deltav現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)。Deltav系統(tǒng)是艾默生過(guò)程控制有限公司于1996年推出的FCS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)。它在兼容傳統(tǒng)I/O及HART信號(hào)的同時(shí)，支持面向離散量信息的ASI總線(xiàn)、面向智能電氣類(lèi)的DEVICE和Profibus-DP總線(xiàn)、面向過(guò)程控制的FF總線(xiàn)；其中FF總線(xiàn)分為HSE和H1兩層。H1層的FF卡件安裝于Deltav系統(tǒng)的I/O機(jī)架上，可以與其它任意I/O模塊或總線(xiàn)模塊混合安裝，自動(dòng)識(shí)別并可以設(shè)置成冗余。

Deltav現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的主要控制回路都采用4～20mA上疊加HART信號(hào)的變送器進(jìn)系統(tǒng)I/O卡件轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)送控制器處理，同傳統(tǒng)分散控制系統(tǒng)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(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)。該FF系統(tǒng)采用H1 Fieldbus總線(xiàn)下掛橫河現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表、西門(mén)子現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)定位器進(jìn)入系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)數(shù)據(jù)接口卡（Fieldbus H1），如圖1-2所示。

圖1-1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較圖

圖1-2 DeltaV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

安裝的AMS智能設(shè)備管理系統(tǒng)通過(guò)DeltaV系統(tǒng)現(xiàn)有的軟硬件和接線(xiàn)，直接與現(xiàn)場(chǎng)的HART設(shè)備和基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（Ff）設(shè)備以在線(xiàn)的方式進(jìn)行通信和診斷，并將設(shè)備的信息導(dǎo)入操作平臺(tái)，如：Professional Plus Station（工程師站）或Apllicaton Station（應(yīng)用站）。

Deltav系統(tǒng)中的FF應(yīng)用

FF是Fieldbus foundation現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種全數(shù)字式的串行雙向通訊系統(tǒng)，可以將各種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備，如傳感器、執(zhí)行器與控制器等連接起來(lái)。它分為H1和H2兩級(jí)總線(xiàn)。H1采用符合IEC 61158-2標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)物理層；H2則采用高速以太網(wǎng)為其物理層。H1網(wǎng)段是指從H1接口以下安裝在一對(duì)終端器之間的電纜、智能設(shè)備、與電源調(diào)節(jié)器的模塊的系統(tǒng)組合。

福建永智設(shè)備有限公司產(chǎn)線(xiàn)上的FF系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇闃?shù)形，各個(gè)設(shè)備配防短路保護(hù)，可以做到互不影響，如下圖1-3所示。

H1現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)以段為單位，一根屏蔽雙絞線(xiàn)電纜上完成對(duì)多臺(tái)FF現(xiàn)場(chǎng)儀表的供電和數(shù)字通信，如下圖1-4所示。H1網(wǎng)段儀表的分配要考慮儀表的功耗、同一控制回路的設(shè)備要在一個(gè)網(wǎng)段等。現(xiàn)場(chǎng)安裝的FF總線(xiàn)設(shè)備采用H1總線(xiàn)網(wǎng)段的通信協(xié)議。

現(xiàn)場(chǎng)采用8分支和12分支兩種現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)箱給現(xiàn)場(chǎng)FF儀表供電，如下圖1-5所示。每四個(gè)FF設(shè)備共用一個(gè)RDO-FB-EX4型四路各自隔離的FF安全柵。要注意現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)箱的密封防水，避免進(jìn)水帶來(lái)的故障。

圖1-3 FF樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

FCS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

FCS控制系統(tǒng)本身是沒(méi)有什么問(wèn)題，F(xiàn)SC系統(tǒng)的核心是總線(xiàn)協(xié)議，基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝備，本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場(chǎng)化。目前問(wèn)題在于：

圖1-4 H1網(wǎng)段圖

圖1-5 12分支現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接線(xiàn)箱

1.FF現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)穩(wěn)定性不夠，其通信抗干擾性會(huì)比傳統(tǒng)4～20mA的信號(hào)要差很多，而且現(xiàn)在最主要的問(wèn)題是現(xiàn)場(chǎng)FF儀表本身的可靠性也沒(méi)有傳統(tǒng)4～20mA的好，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)FF儀表通訊模塊故障的現(xiàn)象（尤其溫變比較嚴(yán)重），現(xiàn)場(chǎng)FF儀表的故障率會(huì)比傳統(tǒng)的儀表高；

2.艾默生主推FF的兩個(gè)理由：節(jié)約成本、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制，這些都是有前提條件的。節(jié)約成本主要是節(jié)省電纜，這就要看應(yīng)用場(chǎng)合，有些場(chǎng)合也不一定能節(jié)省出多少電纜，相反，F(xiàn)F儀表的價(jià)格會(huì)比HART儀表高，故障率也高一些，這一塊的成本會(huì)高一些；

3.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制的前提條件是還有供電，從控制系統(tǒng)到現(xiàn)場(chǎng)FJB只有一條總線(xiàn)電纜，一旦故障影響涉及的回路多，對(duì)生產(chǎn)影響大，所以出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制的情況很少，PTA和PX裝置現(xiàn)在FF也只是應(yīng)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(hào)；

4.維護(hù)FF儀表比HART儀表要求的技能要高。比如更換一臺(tái)FF儀表，不像HART儀表用475模塊設(shè)置好參數(shù)連上去就可以用。而現(xiàn)場(chǎng)更換FF儀表后，要在FCS軟件上對(duì)該表做COMMISSION，將該表定義為實(shí)際的儀表位號(hào)，下載功能塊的參數(shù)到現(xiàn)場(chǎng)儀表。最好不用475模塊在現(xiàn)場(chǎng)儀表更改參數(shù)，而是在控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)修改，因?yàn)镕F現(xiàn)場(chǎng)儀表的組態(tài)是在控制系統(tǒng)完成再下裝到儀表，用475模塊改變的參數(shù)由于無(wú)法上載到系統(tǒng)，無(wú)法更新保存到組態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，為了保證下次更換表后由系統(tǒng)下裝到現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表的組態(tài)是最新的。這也是與常規(guī)儀表不同之處。儀表維護(hù)工還不太會(huì)使用AMS智能設(shè)備管理系統(tǒng)對(duì)儀表進(jìn)行日常及預(yù)防性維護(hù)維修，AMS是針對(duì)智能儀表、智能閥門(mén)定位器等進(jìn)行在線(xiàn)組態(tài)、調(diào)整、校驗(yàn)管理、診斷及數(shù)據(jù)庫(kù)事件紀(jì)錄的系統(tǒng)。如果充分利用AMS智能設(shè)備管理系統(tǒng)所有應(yīng)用軟件的優(yōu)勢(shì)，那么就能在線(xiàn)獲得儀表和閥門(mén)的過(guò)程信息和診斷信息，同時(shí)自動(dòng)對(duì)所有設(shè)備的維護(hù)信息進(jìn)行歸檔。這些需要習(xí)慣了傳統(tǒng)儀表維護(hù)的人員重新學(xué)習(xí)和適應(yīng)；

5.影響現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)故障的主要原因之一來(lái)自網(wǎng)段上的干擾，而產(chǎn)生干擾信號(hào)的諸多原因中現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段和總線(xiàn)設(shè)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(zhì)量要高。FSC的基礎(chǔ)——數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的技術(shù)質(zhì)量不過(guò)關(guān)、FF網(wǎng)絡(luò)通訊的不穩(wěn)定是限制了FSC發(fā)展的瓶頸。

今后FCS的發(fā)展改進(jìn)思路

目前福建永智設(shè)備有限公司在采用FCS系統(tǒng)方面，還不是完全的FF總線(xiàn)控制，但隨著產(chǎn)線(xiàn)上總線(xiàn)技術(shù)的日趨成熟，主要是解決FF儀表通訊不穩(wěn)定、FF網(wǎng)絡(luò)通訊可靠性的問(wèn)題之后，F(xiàn)F設(shè)備比HART儀表的優(yōu)勢(shì)才會(huì)展現(xiàn)，F(xiàn)CS才會(huì)得到更好的應(yīng)用。

要維護(hù)好現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)FCS對(duì)我們技術(shù)攻關(guān)人員來(lái)說(shuō)需要重新學(xué)習(xí)，隨著對(duì)維護(hù)的FCS系統(tǒng)的深入了解，今后將借助AMS系統(tǒng)來(lái)不斷提高我們維護(hù)FCS系統(tǒng)的水平，以期適應(yīng)FCS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)全面應(yīng)用時(shí)代的到來(lái)。