创新研修课论文-现场总线

1、现场总线论文摘要:现场总线控制系统是信息数字化、 控制分散化、 开放互可操作的新一代工业自动化控 制系统,它是信息技术、智能化、数字化、网络化向现场的发展。文章就其基本概念、由来 和特点,以及基金会现场总线等内容进行了阐述。一、什么是“现场总线”现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络, 也称现场网络。 也 就是将传感器、 各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。 原来 这些机器间的主体配线是 ON/OFF、接点信号和模拟信号,通过通讯的数字化,使时间分割、 多重化、多点化成为可能,从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线(配线的 共享 。“现场

2、总线” 是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、 双向、 多站的串行通信 网络, 与控制系统和现场仪表的联用组成的现场总线系统。 现场总线与传统控制系统比较具 有下列优点:a. 用全数字信号替代现场仪表的 420mA 模拟信号, 进行双向多站式通信, 提高了系统的运 行速率;b. 在结构上,把控制、报誓、趋势分析、智能诊断等功能下放到现场级仪表和装置中,上位 机仅保持调度、管理、网络通信等功能,功能和危险性更趋分散,提高了系统的可靠性;c. 总线采用多站相互通信,缩短了布线距离,可减少通信电缆及支架投资 60%;d. 实现了系统的开放,各厂商的产品可以交互操作和互换使用,给用户提供了方

3、便。二、 现场总线的由来1、产生现场总线的背景工业生产的发展对检测和控制的要求日益增多, 原始的目测、 耳闻及手摸的检测方式正 在向着用仪表检测和自控的方向发展。早期的仪表与调节装置是机械式的, 如膨胀式温度计、 弹簧管式压力计和用于蒸汽机的 飞球式调速器等。进入 20世纪 90年代,为了降低产品成本,增加盈利,工业生产的规模越来越大, 生产 过程也日益强化, 同时人们对环境保护和生产安全的意识也更加提高, 各国对此也制定了与 之有关的规程或法令。此外,随着经济的国际化, 企业之间的竞争不可避免,这就迫使企业 的生产向着稳产、高效、优质、低耗、节能、环保与安全的方向发展。因此对生产过程进行 检

4、测与控制的点数与精度以及可靠性方面的要求也越来越高。 以钢铁企业为例, 4000m 3以上 的大型炼铁高炉, 其检测点已在 5000个以上; 而火电厂 300MW 机组的测点也在 5000个左右, 600MW 机组的测点也到了 7000个,何况 800MW 或 900MW 机组也已经有了;又如乙烯装置也 从过去的 30万吨到现在的 90万吨了。随着测点的增加,所需的控制电缆数势必随之增加, 以火力发电站 300MW 组为例,其所需的电缆长度已近 500km 以上,试想在电站的锅炉房内, 空间有限,已密布着各种水、蒸汽、空气与燃料的管道,还要布置如此众多的电缆,不仅给 工程设计带来了困难, 而且

5、给安装、 调试与维修也带来了极大的不便, 而更重要的是如此大 量的信息涌向 DCS 的入口,不可避免地出现了 “瓶颈”堵塞的现象,严重地威胁着 DCS 的正常运行。因此, 寻求现场仪表的数字化、 智能化, 使大量的一般控制功能从 DCS 下放到现场 仪表中去解决, 以减少汽机的负担而增加系统的可靠性, 同时也要求减少通往控制室的电缆 数。3、产生现场总线的基础既然随着工业生产规模的不断扩大已经显示出需要智能化仪表与现场总线的苗头, 恰恰 就在这个时候,控制技术、通信技术与计算机技术(有人将 Control 控制、 Communication 通信、 Computer 计算机统称为 3C 技术,

6、也有人将 CRT 屏幕技术也加了进来称为 4C 技术 的发展提供了所需的技术基础。于是现场总线控制系统 FCS(Fieldbus Control System就 应运而生了。三、现场总线的特点目现场总线是 3c 技术(计算机、通信、控制的融合。简单地概括现场总线技术的特 点是:信号传输全数字、控制功能全分散、标准统一全开放。比较而言,一方面 DCS 是一种半数字、半分散、半开放的控制系统; FCS (现场总线控 制系统则是在 DCS 基础上的连续发展, 它们在很多方面是一样的,如人机界面操作站、先 进控制间的关系等。 从这一点看, 不应把 FCS 和 DCS 对立起来。 另一方面 DCS 发展

7、了二十几 年, 其间也作了不少次改进, 现在的 DCS 也不是当年的 DCS 了。 但 FCS 已经超出了 DCS 的框 架,则难以再称之为一种“改进了的 DCS ” ,因此说这又是一次质的跳变。现场总线技术的全部优点都源于它的三大特点, 在这方面的宣传有两种偏差。 一种是过 于偏激的说法,即“ DCS 消亡论” 。事实上现场总线也不是万能的,也有它难以发挥其优势 的场合。 在一个很长的时期内, 包括 DCS/PLC在内的许多控制系统和现行标准都会与现场总 线共存, 这和 DCS 出现后乃至今天许多原有的控制设备依然存在的局面相似。 但另一种说法 则是抹杀和否认现场总线的优越性, 对这一新事物

8、过于苛求, 这种论点虽不能阻挡技术进步 的车轮, 但对延缓技术进步则有不可忽视的消极作用, 因此实事求是地把现场总线的优点讲 透并令人信服也是十分必要的。以下详述这三大特点。(l信号传输数字化是所有现场总线的基本特点。它给系统带来的本质优点有:系统精度提高; 现场设备的信息增加几十倍, 可用于自诊 断、系统调试和管理,提高了系统的有效性;同一电缆挂接多台现场设备,节省电缆 70 90%及施工量。例如系统操作站很容易读到每条总线上的设备,仪表人员不必象 420mA 仪表那样在现场和控制室间逐台查对。 而每个现场总线的过程变量除了本身数值 外,还有它的状况,如好、坏、不确定等。这个内容通过显示器可

9、给操作人员以提示,方便 系统在运行条件下对现场设备进行诊断维护, 例如变送器膜盒的电容, 阀门的历史档案等 (如 图 3所示 。所以说节省电缆只不过是现场总线技术表层的优点, 因为 DCS/PLC远程 I/O也可达到类 似的效果,而从现场设备获得丰富的信息才是现场总线技术独有的本质优越性。(2标准统一全开放是所有现场总线的必需的特点,也是它与许多原来“专有”的通 信总线的关键区别之一。它给用户带来的本质优点是:打破了个别厂商的垄断, 给技术以强大的支持群体, 促进 公平竞争,促进技术进步。 DCS 只作到操作站以上开放,控制层不可能开放,而 FCS 则做到 系统从上到下全开放。 不同总线开放的

10、程度和难度都有所区别, 简单的 I/O总线开放的难度 较低而控制用的系统总线的开放互操作就很难。(3控制彻底分散是象 FF 这类现场总线具有的突出特点。它给用户带来的实质优点是:由高度智能的现场设备来分散地完成 DCS 控制器的功能,弱化甚至省去了集中控制器的层次, 降低了设备费用, 使控制风险彻底分散, 提高系统控制 的自治性和可靠性。 对于 I/O类简单的总线则不具有这一特点和优点。 不过这和使用的场合 有关,例如逻辑控制算法简单但要求速度快,所以 PLC 通常并不要求控制彻底分散。这里我们从用户选择控制系统的评估原则角度来说明现场总线的优越性按我的理解将其重要性排成顺序,并予以加权+3、

11、+2、+l 、 0,以此对 DCS/PLC和 FCS 进行对比评分,得出的粗略结果是 3:12,虽然这只是定性的形象表达而已。关于现场总线与 DCS/PLC价格对比是一个分歧很大的话题, 认为现场总线价格很贵是目 前很多人的看法, 对这一问题应历史发展动态地看, 全面地看。 一种产品在其生命周期内的 价格变化曲线通常分为早期, 正常期和末期。 新产品因其有较大的性能优势早期一般价格较 高, 这样也利于尽快收回用于开发的高昂投入。 然后为与老产品竞争和扩大市场其价格将降 到一个相对稳定的合理位置, 这一时期是最大收益期, 当更新的产品出现后, 为延长市场生 命周期其价格将再降到一个微利的程度,

12、此时其再降价的潜力已经很小了。 由于软件产品的 复制成本远低于硬件产品,所以软件含量高的 FCS 系统降价的潜力比 DCS 更大。FCS 给用户带来的节省体现在设计、建设、运行维护全过程。国外称 FCS 比 DCS 在设备、 材料、 施工三项上可节省投资 40%左右。 对设备费也不应仅对单台进行比较, 而要对系统总 设备费及设备档次进行对比, 现在可以说仅就设备费 FCS 和 DCS 也是在同一水平上。 所以有人 提出现场总线是“总体的节省,长远的效益” 。在宣传现场总线给用户带来经济上的好处时 也不要误导为它是“便宜货” ,现场总线首先是先进的高科技,但它物超所值,还给用户带 来经济上的节省

13、, 但决不是低成本的简易设备。 和其它一切事物一样, 现场总线也不是包治 百病的药方,在一些场合它发挥的优点不太明显,例如简单的小规模的数字模拟混合系统, 特别是现场和控制室距离近的情况。因为混合控制在同一集中的 CPU 中进行将比较方便,小 系统所冒控制集中的风险也不大。 而控制分散的现场总线却要用两种设备去实现, 反而显的 繁琐。 应该说越是大系统控制越复杂, 对于现场和控制室距离远的情况来说, 现场总线显示 的优越性越大。 遗憾的是初期用户对现场总线的信任度不够, 往往不敢用在最能发挥其优点 的大项目上。所以在中小工程中应用现场总线包含了很大的“尝试” 、 “探路”的成分。 三、基金会现

14、场总线(FF 现场总线基金会是由一百多个世界著名工业自动化公司组成的, FF 在 IEC/ISA的 SP50的 基础上开发的现场总线称基金会现场总线(Foundition Fieldbus-FF ,这是不依附于个别 厂商的一种重要的现场总线。 FF 由低速现场总线 H1和高速以太网 HSE (High Speed Ethernet 组成。HSE 借用 100M 以太网 , 协议还增加 FF 制订的用户层, 因此使其变为无 “碰撞冲突”的 “确 定性网络”并解决和 H1总线衔接以及互可操作问题。因此 HSE 成为 FF 的一个专用标识。 HSE 的设备有主设备(HD 、链接设备(LD 、网关设备

15、(GD 、现场设备(FD 四类。 在同一设备中也可能同时包括几种功能。这种设备乍看起来象 DCS 的控制器,但细分起来, 它主要是承担低速总线 H1的链接桥路,不同总线间的网关及不适合于在现场仪表中完成的 复杂控制或层次调度控制, 而把基本控制分散到现场仪表中。 显然带 HSE 接口的 PLC 也属于 FF 系统中的一种现场设备 FD ,所以电气逻辑控制,热工仪表控制信息及计算机管理信息可 以在 HSE 上自由流动交换,它起到“三电”信息的高速公路作用。 FF 声称它也适用制造工 业主要含意就在于此。而不要把 HSE 看成一种高速 I/O总线。 HSE 上的不同厂商的设备也满 足互可操作。综上

16、所述, FF-H1现场总线主要用于热工仪表控制,替代 DCS 控制功能,所以说 FF 和 DCS 系统有更近的“血缘关系” 。 FF-HSE 则把 H1总线和 PLC 逻辑控制联成一体,实现 “三电 控制一体化” 。FF 是实现开放互可操作最好的现场总线,所谓开放即标准是公开的非专有的。互可操作则指在系统的同一套组态环境下可以无损失地使用来自不同厂商的设备的全部功能。 FF 实现互可操作的办法是规定基本标准的功能块,对厂商特有的功能则使用“设备描述 -DD ” , 这是一种标准的程序语言, 主系统通过读懂它来理解设备的全部特有的功能, 这很象各种打 印机通过各自的驱动软件使计算机理解它们一样。

17、 FF 对它注册的现场仪表进行通信一致性 和互可操作测试, 并发给标记, 读者可以在 FF 网站上查到。 但迄今为止 FF 并未对主系统进 行互可操作测试,虽然它们也存在能否完全读懂理解设备描述 -DD 的问题,各个厂商目前达 到的水平还有差距,这一点用户应加以了解。标准功能块给构筑系统提供了很大方便, 但又担心如何处理用户特殊算法。 现在已有如 下解决方案,如 Smar System 302 可利用可编程控制器 LC700的 IEC1131-3自定义算法功 能和现场总线万能接口来处理特殊算法。对实时性不高的算法(23秒也可用上位 PC 机 完成。FF 现场总线产品分成如下几类:(1现场设备现

18、场总线现场设备是系统的重要组成部分, 对现场总线控制系统的评价离不开对现场设 备的评价。这主要体现在:控制运算能力, 如可下装功能块的种类和数量, 运算能力强, 控制可不依赖上位控制器; 耗电低,可在同一线上挂更多的设备,目前省电的变送器耗电可小到 12mA ;单独下装组态的能力,可部分修改组态而不影响其它设备;固件升级能力,不改变硬件仅对软件进行升级;软件设置后备 LAS (链路活动调度器功能;就地调整和显示功能。·变送器压力差压变送器、温度变送器、流量变送器(电磁、涡街、转子、质量等 、物位变送 器、 PH 变送器、密度变送器等。·阀门定位器·接口设备(用于和传统设备联结420mA/H1、 H1/420mA 、 H1/315psi 现场转换器; AI 、 AO 、 DI 、 DO/H1万能转换卡 件(室内型 。(2主系统网关桥路控制器;接口卡; I/O 设备或 PLC ;组态软件、功