現場(chǎng)總線(xiàn)-DCS系統

更新時(shí)間：2016-10-20 10:13:02　點(diǎn)擊數：2776

新的基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的控制策略和網(wǎng)絡(luò )結構將對現有的儀表及控制系統產(chǎn)生革命性的影響。從現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的本質(zhì)特征上分析了其對傳統分散控制系統DCS的沖擊，并結合dcs的網(wǎng)絡(luò )結構特點(diǎn)，給出了現場(chǎng)總線(xiàn)集成于dcs的3種實(shí)現方法。工業(yè)控制從早期的就地控制、集中控制，已經(jīng)發(fā)展到現在的集散控制(dcs)，在過(guò)去的20年中，過(guò)程工業(yè)對dcs系統及相關(guān)的儀表裝置進(jìn)行了大量的投入，dcs系統的應用結果得到了用戶(hù)的肯定。4-20mA信號是dcs系統及現場(chǎng)設備相互連接的最本質(zhì)特點(diǎn)，這是控制系統和儀表裝置發(fā)展的一大進(jìn)步。然而現在，數字化和網(wǎng)絡(luò )化成為當今控制網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的主要方向。人們意識到傳統的模擬信號只能提供原始的測量和控制信息，而智能變送器在4-20mA信號之上附加信息的能力又受其低通信速率的制約，所以對整個(gè)過(guò)程控制系統的機制進(jìn)行數字化和網(wǎng)絡(luò )化，應是其發(fā)展的必然趨勢。現場(chǎng)總線(xiàn)在智能現場(chǎng)設備、自動(dòng)化系統之間提供了一個(gè)全數字化的、雙向的、多節點(diǎn)的通信鏈接。現場(chǎng)總線(xiàn)的出現促進(jìn)了現場(chǎng)設備的數字化和網(wǎng)絡(luò )化，并且使現場(chǎng)控制的功能更加強大。這一改進(jìn)帶來(lái)了過(guò)程控制系統的開(kāi)放性，使系統成為具有測量、控制、執行和—過(guò)程診斷的綜合能力的控制網(wǎng)絡(luò )。

1、現場(chǎng)總線(xiàn)對傳統dcs的沖擊現場(chǎng)總線(xiàn)對傳統dcs的沖擊來(lái)源于其本質(zhì)上優(yōu)越于dcs系統的技術(shù)特征。根據國際電工委員會(huì )IEC和現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )FF的定義，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)具有以下5個(gè)主要特點(diǎn)：

①數字信號完全取代4-20mA模擬信號;

②使基本過(guò)程控制、報警和計算功能等完全分布在現場(chǎng)完成;

③使設備增加非控制信息，如自診斷信息、組態(tài)信息以及補償信息等;

④實(shí)現現場(chǎng)管理和控制的統一;

⑤真正實(shí)現系統開(kāi)放性、互操作性。現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)不僅是一種通信技術(shù)，它實(shí)際上融人了智能化儀表、計算機網(wǎng)絡(luò )和開(kāi)放系統互連(OSI)等技術(shù)的精粹。

所有這些特點(diǎn)使得以現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為基礎的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FCS)相對于傳統dcs系統具有巨大的優(yōu)越性：

①系統結構大大簡(jiǎn)化，成本顯著(zhù)降低;

②現場(chǎng)設備自治性加強，系統性能全面提高;

③提高了信號傳輸的可靠性和精度;

④真正實(shí)現全分散、全數字化的控制網(wǎng)絡(luò );

⑤用戶(hù)始終擁有系統集成權。

這些優(yōu)越性可從dcs和現場(chǎng)總線(xiàn)系統的網(wǎng)絡(luò )結構比較后得到驗證。

2、現場(chǎng)總線(xiàn)集成于dcs系統是現階段控制網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展趨勢盡管用戶(hù)對控制系統的結構改進(jìn)表示歡迎，但他們并不希望對他們現有的儀表系統做大的改動(dòng)。目前在現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展初期，大多數用戶(hù)更傾向于對他們現有的儀表系統進(jìn)行逐步的增添和替換;另一方面，dcs系統及其儀表的消失或完全被取代，對于費用或人力而言也都是不合理的。現階段最可行的方案是考慮如何使現場(chǎng)總線(xiàn)與傳統的dcs系統盡可能地協(xié)同工作，這種集成方案能夠得到靈活的系統組態(tài)，以適用于更廣泛的、富于實(shí)用價(jià)值的應用。

3、現場(chǎng)總線(xiàn)于dcs系統I/0總線(xiàn)上的集成在dcs的結構體系中，自上而下大體可分為3層：管理層，監控操作層和I/O測控層。在I/O測控層的I/O總線(xiàn)上，掛有dcs控制器和各種I/O卡件，I/O卡件用于連接現場(chǎng)4-20mA設備、離散量或PIC等現場(chǎng)信號，dcs控制器負責現場(chǎng)控制。在dcs系統的I/O總線(xiàn)上集成現場(chǎng)總線(xiàn)的關(guān)鍵是通過(guò)一個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)接口卡掛在dcs的I/O總線(xiàn)上，實(shí)現現場(chǎng)總線(xiàn)系統中的數據信息映射成原有dcs的I/O總線(xiàn)上相對應的數據信息，如基本測量值、報警值或工藝設定值等，使得在dcs控制器所看到的現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)的信息就如同來(lái)自一個(gè)傳統的dcs設備卡一樣。這樣便實(shí)現了在I/O總線(xiàn)上的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)集成。這種方案主要可用于dcs系統已經(jīng)安裝并穩定運行，而現場(chǎng)總線(xiàn)首次引入系統的、規模較小的應用場(chǎng)合;此方案也可應用于PLC系統。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是結構比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是集成規模受到現場(chǎng)總線(xiàn)接口卡的限制。Fisher-Rosemount公司推出的dcs系統DeltaV采用的就是此種集成方案。DeltaV系統在它的I/O卡件中專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)設計了此種功能的接口卡——現場(chǎng)總線(xiàn)H1通信模塊(31.25kbit/s)，成功地將現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)集成在DeltaV系統中，可實(shí)現與現場(chǎng)總線(xiàn)儀表相連，極大地節省了安裝、操作以及維護費用，同樣的控制器可兼容H1與傳統的I/O模塊，有利于從傳統的控制模.式向現場(chǎng)總線(xiàn)控制模式的過(guò)渡和轉變。在DeltaV系統的現場(chǎng)總線(xiàn)H1通信模塊中具有特定的Driver，用以實(shí)現現場(chǎng)總線(xiàn)系統數據信息與I/O總線(xiàn)上對應信息的映射。

4、現場(chǎng)總線(xiàn)于dcs系統網(wǎng)絡(luò )層的集成除了在I/O總線(xiàn)上的集成方案，還可以在更高一層——dcs網(wǎng)絡(luò )層上集成現場(chǎng)總線(xiàn)系統。在這種方案中，現場(chǎng)總線(xiàn)接口卡不是掛在dcs的I/O總線(xiàn)上，而是在dcs的上層LAN上。在這種方案中，現場(chǎng)總線(xiàn)控制執行信息、測量以及現場(chǎng)儀表的控制功能均可在dcs操作站進(jìn)行瀏覽并修改。它的優(yōu)點(diǎn)是原來(lái)必須由dcs主計算機完成的一些控制和計算功能，現在可下放到現場(chǎng)儀表實(shí)現，并且可以在dcs操作員界面上得到相關(guān)的參數或數據信息;它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要對dcs控制站進(jìn)行改動(dòng)，對原有系統影響較小。這種集成方案在工程實(shí)際中也有應用。如Smar公司的302系列現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品可以實(shí)現在dcs系統網(wǎng)絡(luò )層集成其現場(chǎng)總線(xiàn)功能。

5、現場(chǎng)總線(xiàn)通過(guò)網(wǎng)關(guān)與dcs系統并行集成若在一個(gè)工廠(chǎng)中并行運行著(zhù)dcs系統和現場(chǎng)總線(xiàn)系統，則還可以通過(guò)一個(gè)網(wǎng)關(guān)來(lái)網(wǎng)接兩者，安裝網(wǎng)關(guān)以完成dcs系統與現場(chǎng)總線(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò )之間的信息傳遞。在這一結構中，dcs系統的信息能夠在新的操作員界面上得到并顯示。通過(guò)使用拋網(wǎng)橋可以安裝大量的H1低速總線(xiàn)。現場(chǎng)總線(xiàn)接口單元可提供控制協(xié)調、報警管理和短時(shí)趨勢收集等功能。現場(chǎng)總線(xiàn)與dcs的并行集成，完成整個(gè)工廠(chǎng)的控制系統和信息系統的集成統一，并可以通過(guò)Web服務(wù)器實(shí)現Infranet與Inernet的互連。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是豐富了網(wǎng)絡(luò )的信息內容，便于發(fā)揮數據信息和控制信息的綜合優(yōu)勢;另外，在這種集成方案中，現場(chǎng)總線(xiàn)系統與通過(guò)網(wǎng)關(guān)而集成在一起的dcs系統是相互獨立的。

6、結論綜上所述，我們相信現場(chǎng)總線(xiàn)系統將廣泛地應用到過(guò)程工業(yè)控制中，通過(guò)對過(guò)程控制系統進(jìn)行一些必要的修改，將現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)引入到dcs中，將會(huì )給用戶(hù)帶來(lái)大量的收益;另一方面，即使大多數的連續控制環(huán)路將由現場(chǎng)總線(xiàn)系統來(lái)完成，dcs系統仍將在許多諸如實(shí)時(shí)要求較高的控制場(chǎng)合扮演重要的角色。現階段現場(chǎng)總線(xiàn)與dcs系統的共存將使用戶(hù)擁有更多的選擇，以實(shí)現更合理的控制系統。