現(xiàn)場總線與DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的集成應(yīng)用

1、現(xiàn)場總線與DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的集成應(yīng)用【摘要】現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字化，雙向的，多節(jié)點的通信連接，現(xiàn)在工業(yè)控制中大量智能型儀表、設(shè)備的投入使用，為現(xiàn)場總線的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。在DCS廣泛應(yīng)用的今天，現(xiàn)場總線與傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)的協(xié)同工作，將能夠提供更加靈活的組態(tài)，減少施工維護費用，取得更加廣泛的，高于實用價值的應(yīng)用?！娟P(guān)鍵詞】DCS系統(tǒng) 現(xiàn)場總線 FCS系統(tǒng) 智能儀表 協(xié)調(diào)應(yīng)用 前景1分散控制系統(tǒng)的發(fā)展從50年代末期，計算機開始應(yīng)用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域，數(shù)字式控制技術(shù)取得了長足的發(fā)展，此后，微處理機技術(shù)和數(shù)字通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，促使了1975年分散控制系統(tǒng)的誕生。三十年來，分散控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中迅速普

2、及，目前廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金等行業(yè)，分散控制系統(tǒng)的應(yīng)用大幅度地提高了生產(chǎn)過程的安全性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和可靠性。2分散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分散控制系統(tǒng)是縱向分層、橫向分散的大型綜合控制系統(tǒng)，典型的分散控制系統(tǒng)縱向一般分為四層，自下而上分別是現(xiàn)場級、控制級、監(jiān)控級和管理級，對應(yīng)這四層結(jié)構(gòu)分別對應(yīng)著四種計算機網(wǎng)絡(luò)，即現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)Fnet(Field Network)、控制網(wǎng)絡(luò)Cnet(Control Network)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)Snet(Supervision Network)和管理網(wǎng)絡(luò)Mnet(Mangerment Network)把相應(yīng)層的設(shè)備連接在一起。圖1典型分散控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場級設(shè)備位于生

3、產(chǎn)過程附近，典型的現(xiàn)場設(shè)備有溫度傳感器、壓力變送器、電動執(zhí)行器、流量計等，它們把生產(chǎn)過程的信號轉(zhuǎn)換成420mA信號，送往過程控制站，目前分散控制系統(tǒng)中現(xiàn)場級設(shè)備一般傳送的都是模擬量信號(420mA 或010V等)?？刂萍壷饕蓴?shù)據(jù)采集器和過程控制站構(gòu)成，過程控制站接受現(xiàn)場設(shè)備送過來的信號，按照預(yù)先設(shè)定的控制策略計算出控制量送回到現(xiàn)場執(zhí)行器來完成對工業(yè)過程的控制。一般在電廠中，都把過程控制站和數(shù)據(jù)采集器集中安裝在主控室內(nèi)的電子設(shè)備間中，所以在施工過程中需要耗費大量的控制電纜和人工。監(jiān)控級主要是提供人機接口的設(shè)備，使監(jiān)控人員可以觀察到生產(chǎn)過程運行情況，并且可以根據(jù)實時工況隨時通過操作鍵盤來發(fā)出控制

4、指令，對生產(chǎn)過程進行干預(yù)。管理級主要完成實時監(jiān)控和性能監(jiān)控、統(tǒng)計、計劃等管理職能。正是由于分散控制系統(tǒng)的分級分散網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以具有適應(yīng)性和擴展性好，控制能力強，可靠性高和維護方便等特點。 3現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)場總線是90年代中期發(fā)展起來的一種新技術(shù)，近幾年，隨著信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展，并逐漸成為自動化控制領(lǐng)域中的熱點技術(shù)之一。我國目前已有近百套系統(tǒng)在使用，大部分應(yīng)用于石化企業(yè)，應(yīng)用的回路達到70多個，近千個控制點。那么什么是現(xiàn)場總線，不同文章對現(xiàn)場總線的定義有不同的說法。一般來說現(xiàn)場總線是將現(xiàn)場的控制器和智能儀表設(shè)備互連的實時控制通訊網(wǎng)絡(luò)，遵循IS

5、O的OSI開放系統(tǒng)互連協(xié)議，雙向傳輸，支持雙向多節(jié)點，總線式的全數(shù)字通訊。現(xiàn)場總線發(fā)展迅速，目前已開發(fā)出有近40多種現(xiàn)場總線，經(jīng)常見到的現(xiàn)場總線有CAN總線、Profibus總線、MODBUS總線、HART總線，以現(xiàn)場總線將自動化最底層的控制器和現(xiàn)場智能儀表相聯(lián)而構(gòu)成的實時控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)。圖2典型現(xiàn)場總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(1)CAN(Control Area Network)是由德國Bosch 公司1993年推出，早期是應(yīng)用于汽車監(jiān)控系統(tǒng),介質(zhì)訪問方式為非破壞性位仲裁方式,適用于實時性要求很高的小型網(wǎng)絡(luò)。魯能控制工程公司開發(fā)的LN2000 DCS控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)就是使用

6、的CAN總線。2)Profibus(Process Field Bus)德國西門子公司1987年推出,主要應(yīng)用于PLC產(chǎn)品,Profibus-FMS主要用于主站之間的通訊, Profibus-DP主要用于制造行業(yè)中從站之間的通訊, Profibus-AP主要用于過程行業(yè)中從站之間的通訊，Profibus目前正在西門子的DCS系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。(3)HART(Hightway Addressable Remote Tranducer)美國Rosemount公司1989年推出，它通過在420mA電源信號線上疊加不同頻率的正弦波而傳送數(shù)字信號，目前市場上的智能變送器大部分都支持HART通訊協(xié)議。(4

7、)MODBUS是MODICON公司為該公司生產(chǎn)的PLC設(shè)計的一種通信協(xié)議，MODBUS有兩種傳送方式，RTU方式和ASC方式。(5)FF(Fieldbus Foundation)現(xiàn)場總線基金會是國際公認的唯一不附屬于某企業(yè)的、非商業(yè)化的國際標準化組織，F(xiàn)F協(xié)議的前身是以美國Fisher-Rosemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、ABB、Yokogawa、Siemens等80家公司制定的ISP協(xié)議。1、以現(xiàn)場總線構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有以下特點：(1)控制分散，且能在線運行條件下對系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備進行診斷，能進一步提高運行可靠性。(2)雙向數(shù)字式傳輸，避免了模擬量信號在傳輸過程中的受干擾和衰減，傳

8、送精度高。(3)施工、安裝方便，能節(jié)省5075%的電纜，儀表柜及相應(yīng)的工程量，而且特別適用于防爆等級要求較高的現(xiàn)場。(4)通信協(xié)議標準國際化，只要合乎總線協(xié)議標準的現(xiàn)場儀表都可以與此方便地聯(lián)用和通訊。4FCS系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的兼容通過FCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以看出，雖然現(xiàn)場總線可以由現(xiàn)場智能設(shè)備和人機接口構(gòu)成兩層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，把常規(guī)的PID控制算法在智能變送器或執(zhí)行器中實現(xiàn)，但是這種總線控制系統(tǒng)僅適合于控制規(guī)模較小、控制回路相對獨立、不需要復雜協(xié)調(diào)控制功能的生產(chǎn)過程，為了實現(xiàn)復雜的協(xié)調(diào)控制功能，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中就須要利用控制站來實現(xiàn)，也就是需要三層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。雖然三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

9、與DCS相似，但其中控制站所承擔的功能與DCS有很大的差別，在傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)中無論是控制回路的PID運算，還是各控制回路之間的協(xié)調(diào)控制功能都是由控制站來實現(xiàn)，但在FCS系統(tǒng)中，底層的PID等基本控制功能完全由現(xiàn)場設(shè)備來完成，控制站的任務(wù)僅是完成各控制回路之間的信息交流和協(xié)調(diào)控制功能。這種控制功能的下放，大大減輕了控制器的負荷率，使系統(tǒng)的風險性更加分散，數(shù)據(jù)處理速度大大加快。 雖然FCS系統(tǒng)具有許多先進性，但是它還是一個新鮮的控制思想，目前在國內(nèi)還沒有在大型電力、石化等企業(yè)應(yīng)用的業(yè)跡。據(jù)互聯(lián)網(wǎng)的報導，菲律賓的一個工廠里選用了FF(基金會)總線來管理17個裝備站的發(fā)電機，一共有641個總

10、線裝置和215個總線支，比使用傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)減少了大量的安裝電纜，I/O模板由1060塊減少到100塊，系統(tǒng)啟動也十分快捷和容易，每個裝置僅僅用了415分鐘就完成了通信和調(diào)試。其實，總線系統(tǒng)不是一個獨立的系統(tǒng)，在傳統(tǒng)DCS中，各廠家都廣泛地使用了總線控制技術(shù)，但是因為DCS廠家的壟斷性，各種品牌DCS的總線協(xié)議都是非公開，不開放的，所以各家DCS廠商都不得不有自己獨立的I/O卡件及控制器等。系統(tǒng)的兼容性比較差。現(xiàn)場的DCS系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果得到了廣大用戶的肯定，盡管用戶對控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改進表示歡迎，但是他們并不希望對現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)做大的改動，目前在現(xiàn)場總線的發(fā)展初期，大家都更傾向于考慮如何使現(xiàn)場

11、總線與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)盡可能地協(xié)同工作，使系統(tǒng)方案能夠得到靈活的系統(tǒng)組態(tài)，以實現(xiàn)更廣泛、更富于實用價值的應(yīng)用。5現(xiàn)場總線與DCS系統(tǒng)的集成根據(jù)DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點，現(xiàn)場總線與DCS系統(tǒng)的集成方式主要有以下3種。1）現(xiàn)場總線于DCS系統(tǒng)中I/O總線的集成DCS系統(tǒng)中的I/O總線其實也是一種現(xiàn)場總線，現(xiàn)場總線與I/O總線的集成其實是不同總線協(xié)議之間的互聯(lián)互通(前面介紹過DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場總線是不開放的)在DCS系統(tǒng)I/O總線上集成現(xiàn)場總線的關(guān)鍵是通過一個現(xiàn)場總線接口卡掛接到DCS的I/O總線上，把現(xiàn)場總線當中的數(shù)據(jù)信息映射成原有DCS的I/O總線上相對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，這種方案主要可用于DCS系統(tǒng)已經(jīng)安裝并且穩(wěn)定運行，而現(xiàn)場總線首次引入系統(tǒng)的，規(guī)模較小的場合。這種方案優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是集成規(guī)模受現(xiàn)場總線接口卡的限制。2）現(xiàn)場總線于DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的集成這種方案是把現(xiàn)場總線通過接口卡掛到DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層，現(xiàn)場總線中的控制信息和測量信息都可以通過DCS的操作員站進行瀏覽并進行修改。優(yōu)點是原來在DCS控制器里的一些控制算法和計算功能可以下放到現(xiàn)場儀表中來實現(xiàn)，并可以在DCS操作員界面上得相關(guān)參數(shù)和信息，而且不須要對DCS系統(tǒng)的控制站進行改動，對原系統(tǒng)影響小。3）現(xiàn)場總線與DCS系統(tǒng)并行集成這種方案是一套FCS系統(tǒng)，通過網(wǎng)關(guān)與DCS系統(tǒng)實現(xiàn)信息互聯(lián)。這種集成中FCS系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)是