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综合自动化(五)

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-08-20  作者:陈立秋  浏览次数:62
核心提示:陈立秋,中国纺织工程学会染整专业委员会特聘首席专家,获得中国染整行业终身荣誉奖。现从事染整工程的创新工作。
 现场总线控制系统(FCS,Fietdbus Control System)。现场总线不单是一种通信技术,也不仅是用数字仪表代替模拟仪表,而是用新一代的现场总线控制系统(FCS)代替传统的分散型控制系统。它与传统的DCS相比有很多优点,是一种全数字化、全分散式、全开放和多点通信的底层控制网络,是计算机技术、通信技术和测控技术的综合及集成。
1   定义
根据国际电工委员会(IEC,International Electrotechnical Commission)标准和现场总线基金会(FF,Fietdbus Foundation)的定义,现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输和多分支结构的通信网络。
2   技术特点
2.1 现场总线系统是一个“纯数字”系统,而数字信号具有很强的抗干扰能力,所以,现场的噪声及其他干扰信号很难扭曲现场总线控制系统里的数字信号,数字信号的完整性使得过程控制的准确性和可靠性更高。
2.2 一对N结构
一对传输线,N台仪表,双向传输多个信号。这种一对N结构使得接线简单,工程周期短,安装费用低,维护容易。如果增加现场设备或现场仪表,只需并行挂接到电缆上,无须架设新的电缆。
2.3 可靠性高
数字信号传输抗干扰强,精度高,无须采用抗干扰和提高精度的措施,从而降低了成本。
2.4 可控状态
操作员在控制室既可了解现场设备或现场仪表的工作情况,也能对其进行参数调整,还可预测或寻找故障。整个系统始终处于操作员的远程监视和可控状态下,提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。
2.5  互换性
用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场设备或现场仪表,并将不同品牌的仪表互联。即使某台仪表发生故障,换上其他品牌的同类仪表也能照常工作,实现了“即接即用”。
2.6 互操作性
用户把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起,进行统一组态,构成其所需的控制回路,而不必绞尽脑汁,为集成不同品牌的产品在硬件或软件上花费力气或增加额外投资。
2.7 综合功能
现场仪表既有检测、变换和补偿功能,又有控制和运算功能,实现了一表多用,不仅方便了用户,而且降低了成本。
2.8 分散控制
控制站功能分散在现场仪表中,通过现场仪表即可构成控制回路,实现了彻底的分散控制,提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。 
在FCS中的现场设备与所谓的仪表已经组成对单一量的自行测量、自行数据处理、自行分析判断、决策的控制系统。也就是说,FCS废弃了DCS的控制站,把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表,从而构成虚拟控制站。这样,许多控制功能从控制室移至现场仪表,大量的过程检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用,在新的技术基础上实施就地控制。现场智能传感器/变送器将调控了的对象状态参量(如湿度)通报给控制室的上位计算机。上位计算机主要对其进行总体监督、协调、优化控制与管理,实现了彻底的分散控制。
2.9  统一组态
由于现场设备或现场仪表都引人了功能块的概念,所有制造商都使用相同的功能块,并统一组态方法,使组态变得非常简单,用户不需要因为现场设备或现场仪表种类不同而带来的组态方法的不同,再去学习和培训。
2.10  开放式系统
现场总线为开放互联网络,所有技术和标准全是公开的,所有制造商必须遵循。这样,用户可以自由集成不同制造商的通信网络,既可与同层网络互联,也可与不同层网络互联,还可极其方便地共享网络数据库。
3    现场总线的体系结构
图1是现场总线控制系统体系结构图。现场总线可以采用点到点、带节点的总线、菊花链和树形等拓扑结构。在使用现场总线时,每段现场总线的两端必须连接由电阻、电容串联组成的终端器。
体系结构主要特征:


3.1 现场通信网络
现场总线把通信一直延伸到生产现场或生产设备,用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络,如图2所示,该图代表了FF现场总线控制系统的网络结构。
3.2 现场设备互联
现场设备或现场仪表是指变送器、执行器、服务器和网桥、辅助设备以及监控设备等。这些设备通过一对传输线互联(图3)。可使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等进行传输,并可根据需要选择不同类型的传输介质。
(1)变送器:常用的变送器有温度、压力、流量、物位和分析五大类,每类又有多个品种。变送器既有检测、变换和补偿功能,又有PID控制和运算功能。
(2)执行器:常用的执行器有电动和气动两大类,每类又有多个品种。执行器的基本功能是信号驱动和执行,还内含调节阀输出特性补偿、PID控制和运算等功能;另外,还有阀门特性自校验和自诊断功能。  
(3)服务器和网桥:服务器上接局域网(LAN,Local Area Network),下接H1和H2(网段);网桥上接H2,下接H1。
 
 
3.3  互操作性
现场设备或现场仪表种类繁多,没有任何一家制造商可以提供一个工厂所需的全部现场设备,所以,不同厂商产品的交互操作与互换是不可避免的。用户不希望为选用不同的产品而在硬件或软件上花力气,而希望把各厂商性能价格比最优的产品集成在一起,实现“即接即用”;用户希望对不同品牌的现场设备统一组态,构成所需要的控制回路。这就是现场总线设备互操作的含义。现场设备互联是基本要求,只有实现互操作性,用户才能自由地集成FCS。
3.4 分散功能块
FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站,把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表,从而构成虚拟控制站。由于功能分散在多台现场仪表中,并可统一组态,所以可供用户灵活选用各种功能块,对所需控制系统实现彻底的分散控制,如图3所示。其中差压变送器含有模拟量输入功能块(PID110) ,凋节阀含有PID控制功能块(PID110)及模拟量输出功能块(AO110) 。这三个功能块构成流量控制回路。
3.5  通信线供电
通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量,这种方式用于本质安全环境的低功耗现场仪表,与其配套的还有安全栅。众所周知,许多生产现场有可燃性物质,所有现场设备必须严格遵守安全防爆标准,现场总线设备也不例外。
3.6  开放式互联网络
现场总线为开放式互联网络,既可与同层网络互联,也可与不同层网络互联。开放式互联网络还体现在网络数据库共享,通过网络对现场设备和功能块统一组态,使不同厂商的网络及设备融为一体,构成统一的FCS,如图3所示。
4    现场总线控制系统
近年来,关于现场总线的讨论在国际上非常活跃,许多研究现场总线及其标准的专业委员会、研究小组纷纷建立,他们和一些公司及厂家不断提出各自的建议和解决方案。不少公司或组织也根据自己的理解为现场总线下了定义,而最先提出现场总线这个名字的则是国际电工委员会(IEC,International Electrotechnical Commission)。
各种组织给现场总线下的定义也基本相同,定义为:现场总线是一种串行的、数字数据通信链路。它沟通了生产、过程领域的基本控制设备(即场地级设备)之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备(即车间级设备)之间的联系。
 这里所考虑的场地级设备指的是最低层次的控制、监测、执行和计算设备,包括传感器、控制器、智能阀门、微处理器和存储器等各种类型的工业仪表产品。生产过程指的是现场总线标准规定的连续过程生产和离散过程控制两类过程。现场总线在其中的任务,就是采集测量值、传送测量值以及调节干预过程。
现场总线不仅是一个网络,而且是一个开放式控制系统。现场总线网络控制系统(FCS)是一个由三类部件组成的实时连续反馈系统,即由被控过程(或环境)、数据融合机制以及传感器和施动器组成的闭环通信控制系统。其中,传感器为数据融合机制提供有关被控过程当前状态的信息;数据融合机制是一个数据处理系统,利用传感器提供的信息计算所需的操作,以减少系统理想设定状态与当前状态之间的差异;施动器完成了数据融合机制计算出的行为操作。下现场总线网络控制系统的最主要应用领域是自动化领域。
现场总线网络集成的结构层次:
现场总线控制系统是以现场总线为通信介质的计算机集成控制系统。根据CIMS的观点,它可分为三个层次:现场控制层、过程监控层和企业管理层,层次结构如图4所示。
 
 
4.1 现场控制层
主要是实现对生产过程的常规检测和基本控制,由现场总线智能节点实现包括传感变送部分、PID调节器部分等各种功能的集成,形成控制网段。它可能包含基金会现场总线FF的H1网段或HART、PROFIBUS和LonWorks等网段。同种通信协议的网段间可采用网桥、中继器连接;各种不同通信协议的网段之间则采用网关相连,或直接在操作站的计算机内交换信息。带有AI、AO,DI、DO和PID功能块的现场设备负责完成生产过程的参数测量、数据传输与过程控制,即由现场总线网络完成现场控制层的自动化任务。
4.2 过程监控层
它是系统实现生产稳定、优化操作的保证,也是人与生产过程进行交互的层面。过程监控系统接收来自现场总线智能节点中的现场状态信息和来自决策管理层的调度信息,利用软测量和数据校正技术对这些数据进行完备性和一致性处理,形成过程实时数据库,并利用来自过程实时数据库中的数据实现操作指导、动态优化、高级控制、故障诊断和实时报警等功能。
一般由担任监控任务的工作站、PC或控制器作为网络节点,构成局域网段。现场总线网络通过专门的现场总线通信按口与过程监控层相连。该监控层除了完成上述功能外,还要对控制系统组态。
4.3 企业管理层
又称为信息层,包括决策分析、市场营销、计划、离线优化、调度和生产管理等功能,主要指集成控制系统对这些任务提出信息服务和决策支持,包括通过历史数据的分析和挖掘,提出发展目标和营销策略,根据相应的营销策略调整生产方案,对生产和业务信息实现集成管理制定和落实综合计划,完成生产计算分解,并根据生产的实际情况形成调度指令,组织日常均衡生产和处理异常事件,即时地指挥生产。它是企业信息集成和管、控一体的重要组成部分。
 它的网络节点主要有高性能计算机、工作站和PC等,包括各类管理、计算用客户机,以及服务器、数据库等,并与外界的Internet互联。通过Internet实现与企业内远程网点的信息集成。
 
 
 
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