現(xiàn)場總線在石化工業(yè)自控系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

韓廣東

摘 要：介紹了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、硬件組成和軟件組成等，探討了現(xiàn)場總線技術(shù)在石化行業(yè)的應(yīng)用和應(yīng)用中存在的主要問題。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線；FCS；過程控制

1 引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)的飛快發(fā)展，近年來自控技術(shù)發(fā)生了深刻變革，對于石化工業(yè)，自動(dòng)控制系統(tǒng)多年來一直由集散控制系統(tǒng)（DCS）占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，對自動(dòng)控制技術(shù)提出了更高的要求，過程控制技術(shù)的發(fā)展速度越來越快，由分離型向共享型發(fā)展、模擬型向數(shù)字型發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)向現(xiàn)場拓展，在發(fā)展的過程中，大致經(jīng)歷了5個(gè)階段：人工控制、模擬儀表控制、計(jì)算機(jī)集中控制、集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。現(xiàn)場總線技術(shù)是這場變革中的最核心技術(shù)[1]。

2 FCS的特點(diǎn)

現(xiàn)場總線系統(tǒng)是一種全數(shù)字、串行、雙向的通訊系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)將“現(xiàn)場”設(shè)備互相連接起來，包括傳感器、執(zhí)行器與控制器等。典型的現(xiàn)場總線系統(tǒng)就是提供一個(gè)現(xiàn)場設(shè)備到主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接，這個(gè)連接是雙向的、串行通訊連接。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）可以在一對電纜上傳輸多個(gè)數(shù)字信號[2]，同時(shí)又為多個(gè)設(shè)備提供電源。

現(xiàn)場總線的特點(diǎn)是[3]：

（1）系統(tǒng)的開放性：它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備或系統(tǒng)連接。根據(jù)用戶自己的設(shè)計(jì)方案，對不同供應(yīng)商的產(chǎn)品進(jìn)行隨意的組合。

（2）智能化的現(xiàn)場設(shè)備與功能自治：可以將原來在DCS系統(tǒng)中進(jìn)行的測量，補(bǔ)償，數(shù)據(jù)處理，邏輯控制等功能，轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場設(shè)備中完成，并可以隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性：與原有的DCS集中與分散結(jié)合的控制系統(tǒng)相比，現(xiàn)場總線系統(tǒng)是一種全分散性的體系結(jié)構(gòu)。這樣就簡化了系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

（4）高度的現(xiàn)場適應(yīng)性：現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠步泳€形式豐富，支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，可以將供電與通信線合并，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

（5）節(jié)省投資費(fèi)用：在一根電纜上可以為多個(gè)設(shè)備提供數(shù)據(jù)傳輸，這樣減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝的工作量，節(jié)省了材料費(fèi)用。

（6）提高了系統(tǒng)精度：現(xiàn)場總線設(shè)備具有智能化、數(shù)字化的特點(diǎn)，與模擬信號相比，傳送誤差將大大減少，系統(tǒng)測量與控制的精確顯著提高。

3 FCS的系統(tǒng)組成

下面介紹典型的FCS系統(tǒng)的硬件組成。

（1）接口設(shè)備。接口設(shè)備主要指各種接口卡件，用以連接計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場總線。包括PC機(jī)、過程控制接口卡（PCI）、串行接口（BC1）等。

（2）現(xiàn)場總線儀表。在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)下，智能型現(xiàn)場儀表替代了傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)中的模擬型現(xiàn)場儀表，這里“智能”是指現(xiàn)場變送器除了具有信號變換、補(bǔ)償?shù)裙δ芡猓€具有控制功能，如PID等運(yùn)算控制功能[4]。

（3）外圍設(shè)備。外圍設(shè)備包括電纜、電源、阻抗匹配器、端子、接線盒、安全柵及重發(fā)器等輔助設(shè)備。

現(xiàn)場總線的軟件系統(tǒng)主要包括組態(tài)軟件、監(jiān)控軟件、設(shè)備管理軟件等。1）現(xiàn)場總線組態(tài)軟件。組態(tài)軟件包括通信組態(tài)與控制系統(tǒng)組態(tài)。控制組態(tài)是指在明確系統(tǒng)控制功能的前提下，設(shè)計(jì)控制回路的結(jié)構(gòu)，確定控制回路采取的控制方式，最終生成控制回路。通信組態(tài)是指明確節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的通信協(xié)議和通信關(guān)系。通過系統(tǒng)組態(tài)，實(shí)現(xiàn)各現(xiàn)場儀表之間、現(xiàn)場儀表與監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間以及計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。2）常用功能塊。功能模塊的作用是處理輸入和產(chǎn)生輸出，每個(gè)功能模塊都有專門的算法和內(nèi)部參數(shù)，它內(nèi)置于PCI卡和每臺(tái)現(xiàn)場總線儀表中。用戶可以通過對功能模塊進(jìn)行組態(tài)來實(shí)現(xiàn)自己的控制策略。3）監(jiān)控軟件。監(jiān)控軟件的主要功能包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、常規(guī)控制計(jì)算、優(yōu)化控制、邏輯控制、報(bào)警監(jiān)視、運(yùn)行參數(shù)的畫面顯示、報(bào)表輸出和操作與參數(shù)修改等。

4 FCS的應(yīng)用

截至目前，現(xiàn)場總線技術(shù)憑借良好的功能和自身的特點(diǎn)，在石化工業(yè)自動(dòng)控制中有了長足的發(fā)展。目前流行的現(xiàn)場總線有FF、LonWorks、Profibus、WorldFIP、CAN、HART（過渡協(xié)議）等，其中石化行業(yè)廣泛應(yīng)用的是FF和HART現(xiàn)場總線系統(tǒng)。

現(xiàn)場總線在實(shí)際應(yīng)用中存在著一些問題。主要有：

（1）價(jià)格問題。FCS主要節(jié)省了安裝和維護(hù)費(fèi)用，但在硬件的價(jià)格方面要高于傳統(tǒng)的DCS。由于國內(nèi)人工成本低，所以FCS系統(tǒng)的總體價(jià)格要高于DCS。

（2）冗余問題。現(xiàn)場總線系統(tǒng)對冗余的需求不高，原因有二：一是現(xiàn)場總線的智能儀表具有自我診斷功能，當(dāng)現(xiàn)場儀表出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)采集或調(diào)節(jié)回路失靈時(shí)，它可以自我發(fā)出預(yù)警，可以切換到主機(jī)進(jìn)行操作干預(yù)。二是現(xiàn)場總線儀表具有自我調(diào)節(jié)功能，當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，現(xiàn)場儀表可以自主干預(yù)而實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)。但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用場合，多數(shù)用戶由于對總線系統(tǒng)信心不足，擔(dān)心生產(chǎn)的安全，所以特別強(qiáng)調(diào)冗余。而目前現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)FF的F1和Profibus的PA都沒有冗余。當(dāng)然，現(xiàn)場總線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)用戶冗余要求，但這樣一來，會(huì)增加總線系統(tǒng)的投資。

（3）安裝、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)比較復(fù)雜。由于現(xiàn)場總線技術(shù)是一門新興的技術(shù)，人們對它的結(jié)構(gòu)和操作還不熟悉。尤其是像FF這樣的現(xiàn)場總線本身相當(dāng)復(fù)雜，在安裝調(diào)試過程和運(yùn)行維護(hù)中經(jīng)常會(huì)遇到很多困難。

5 結(jié)束語

現(xiàn)場總線技術(shù)的興起，可以實(shí)現(xiàn)多種信息的高速傳輸，使得石化工廠在管理級層面，可以獲得更精確、更全面的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)真正的集中管理。隨著現(xiàn)場總線和現(xiàn)場智能儀表技術(shù)的日趨成熟，在生產(chǎn)中將控制節(jié)點(diǎn)下放到現(xiàn)場變得實(shí)際可行，從而實(shí)現(xiàn)了真正的過程分散控制。同時(shí)人們對總線技術(shù)更加了解，更加熟悉和信任，現(xiàn)場總線技術(shù)必將在石化行業(yè)的自動(dòng)控制中應(yīng)用的越來越廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1]周明.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)[M].中國電力出版社，2002.

[2]王永華.現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006（12）.

[3]周以琳，張文霞，袁健.基于FF現(xiàn)場總線的監(jiān)控軟件改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007（02）：28-30.

[4]方曉柯，徐林，王建輝等.DeviceNet現(xiàn)場總線特點(diǎn)分析及節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26（11）.