現場總線控制系統及其在化學品氧化鋁生產中的應用

周加貴

中國鋁業公司，北京 100082

1 現場總線控制系統的發展

現場總線控制系統（Fieldbus Control System, FCS）是20世紀80年代后期發展起來的，90年代走向實用化，僅有幾十年的歷史 。在有些行業，FCS是伴隨著可編程控制器（Programmable Logic Controller, PLC）發展起來的；而在另一些行業，FCS又是伴隨著集散控制系統（Distributed Control System, DCS）發展而來的，所以FCS與PLC及DCS之間存在千絲萬縷的聯系。

目前，FCS的發展勢頭非常迅猛，正成為世界上最實用的新型控制系統。FCS是當前自動化控制技術發展的方向和熱點，FCS的出現，將是自動化領域的一個里程碑，必將開創自動化控制領域的新時代。

2 現場總線控制系統的特點

現場總線控制系統（FCS）是基于現場總線（FieldBus）的控制系統，是一代全數字化、全分散、全開放和可互操作的過程自動化控制系統。現場總線是現場總線控制系統（FCS）的基礎和關鍵。

現場總線是連接如傳感器、執行器和控制器等測量和控制設備的全數字、雙向、串行通信網絡。現場總線有四個主要特征：以數字信號完全替代4～20mA模擬信號；控制、報警、趨勢和其他功能可以完全分部在現場設備中；多廠家設備具有互操作性；系統完全開放。當今不少國家的自動化公司投入了巨大的人力、物力、財力全方位地進行技術研究和應用研究，所以目前現場總線的標準不一，種類較多，如Ecelon公司的Lonworks，Bosch公司的CAN，施耐德公司的Modbus，西門子公司Siemens的ProfiBus，Phenix Contact公司的InterBus，Fisher-Rosemount公司的FF，Rosemount公司的HART等，有40余種各具特色的現場總線，國際標準也有12種之多。2001年，中國將FF、ProfiBus、HART等立項為行業標準，其中ProfiBus標準中文本已于2001年11月批準為中國的行業標準，編號JB/T 10308.3-2001。

在傳統的控制系統中，現場級設備與控制器之間連接采用一對一所謂I/O接線方式傳遞4-20mA或24VDC信號。現場總線是采用數字式通信方式取代設備級的4-20mA（模擬量信號/24VDC 開關量信號），使用一根電纜連接所有現場設備，從而降低了硬件成本，更加方便于安裝、調試、組態和維護。FCS具有對環境具有很強的適應性，能組成局域網，甚至可與internet相通。

3 FCS、PLC、DCS的比較

目前，DCS在傳統的閉環控制基礎上，具有了很強的順序控制功能；而PLC，在傳統的順序控制基礎上，閉環控制處理能力大大提高，而且兩者都能組成大型控制系統，DCS與PLC的應用領域，已有很大的交叉和重疊，而且它們現在也都能支持現場總線技術。

FCS、DCS與PLC，雖然目前正在相互融合，但是，它們的區別也很明顯：

1）DCS系統龐大，它的控制器功能強大而完善，在整個系統中占據核心地位，它的總線系統是系統的基礎和保證，通常都采用冗余設計，系統整體投資大而且要一步到位。PLC系統一般都是中小系統，一般作為一個控制站使用。數字智能現場裝置是FCS的基礎，它能執行控制、診斷和通訊等功能。FCS的信息處理現場化，使得控制器的功能和重要性大大減弱，因此，FCS系統投資少而分散，可以根據需要靈活配置，邊用邊改、邊投運；

2）DCS和PLC系統是相對封閉的系統，各公司產品基本不兼容。FCS系統是開放式系統，只要協議相同，不同公司的產品都可以連入現場總線，系統集成的可擴充性和兼容行都非常好；

3）FCS的基礎是現場數字智能儀表裝置，本質是信息處理現場化，可以將PID閉環控制功能裝入變送器或執行器中，目前控制周期可以從DCS的每秒2～5次提高到FCS的每秒10～20次，從而顯著了改善了控制器調節性能；

4）FCS與DCS和PLC相比，可以省去數量驚人的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，可以大大減少使用的電纜及敷設電纜用的橋架等，節省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積，同時也節省了設計、安裝和維護費用。

4 現場總線控制系統在化學品氧化鋁生產中的應用

FCS作為一個新型的控制系統，目前完全的FCS系統比較少，但是，正如前面講的DCS、PLC和FCS相互融合一樣，帶有現場總線的DCS和PLC系統，卻是越來越多。目前，我公司使用的30多套和利時公司的DCS系統全部使用現場總線結構，而且還有多套帶有現場總線連接現場控制箱的DCS和PLC系統，現簡單介紹3套系統。

4.1 氧化鋁焙燒工序DCS系統

該系統是HONEYWELL公司的S9000系列小型DCS系統，建于1997年，從德國魯齊公司全套引進。該系統采用Phenix Contact公司的InterBus現場總線，連接現場9個BC箱，最后與控制室的S9000控制器相連。該系統有10多個控制回路，6000多個I/O點，控制氧化鋁焙燒的整個過程。該系統布線與傳統布線方式相比，簡捷快速，省時省力，大幅節約費用。

4.2 4A沸石生產工序OK壓濾機PLC系統

該系統是Seimense公司的S7-300 PLC系統，采用Seimense的ProfiBus現場總線，建于2003年。如圖3所示，該系統用現場總線連接4個現場控制箱，其中MP370是彩色觸摸屏，Slave4和Slave5是在CPU控制箱內的I/O單元。該系統通過現場的MP370觸摸屏，進行操作、控制和狀態顯示，實現了OK壓濾機的進料、油壓推動擠壓、水壓推動擠壓、吹風、排料的全自動全過程控制，大幅提高了4A沸石產品的產品質量的穩定性和可靠性。

圖3 OK壓濾機ProfiBus現場總線示意圖

4.3 種分瑪瑙生產線DCS系統變頻器控制

該系統采用和利時公司的Holisys系統，其中用30臺變頻器控制瑪瑙級氫氧化鋁產品現場的泵和攪拌器等主要設備。整個系統如圖4所示，變頻器采用ABB的ACS800系列，通過適配器模塊RPBA-01連接，組成Profbus總線進行數據通訊，和利時公司 Holisys DCS系統控制變頻器的啟動與停止、頻率的設定，接受變頻器反饋的運行、報警、故障等運行狀態，以及速度實際值和電流實際值等信息。

圖4 種分瑪瑙生產線DCS變頻器控制現場總線示意圖

5 結論

過程控制系統的發展在經歷了基氣動單元組合儀表系統（QDZ）、電動單元組合儀表系統(DDZ)、計算機直接數字控制系統(DDC)、可編程邏輯控制器（PLC）、集散控制系統（DCS）后和數據采集與監視控制系統（SCADA）后，將朝著現場總線控制系統（FCS）的方向發展。FCS將為控制數字化和管理信息化提供廣闊的空間。近年來，現場總線技術在中國鋁業山東分公司的應用逐漸普及，充分體現了現場總線系統具有安裝維護方便、設計組態簡單、節約投資費用等諸多優點。山東分公司多年現場總線技術實踐表明，現場總線技術及現場總線控制系統，代表了今后自動化儀表和控制領域的發展方向，是工業自動化控制領域里的一場革命。

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