自动控制理论 第五章 过程控制 5.7 现场总线控制系统

发布日期:[15-02-08 14:33:52] 浏览人次:[]

5.7 现场总线控制系统

现场总线控制系统(FCS:Fieldbus Control System)是继集散控制系统(DCS)后的新一代控制系统,它是电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术的发展成果。现场总线使得现场仪表、执行机构、控制室设备之间构成网络互连系统,实现全数字化、双向、多参数的数字通信,为控制系统的全分布和全数字化运行奠定了基础。

5.7.1  现场总线
现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统,也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它在制造业、过程工业、交通等方面的自动过系统中具有广泛的应用前景。

现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表,使它们各自都具有数字计算和数字通信的能力,采用可进行简单连接的双绞线等作为总线,把多个测量控制仪表连接成网络系统,并公开规范的通信协议,在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间,实现数据传输与信息交换,形成各种适应实际需要的自动化控制系统。简而言之,它把单个分散的测量控制设备变成网络节点,以现场总线为纽带,把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成控制任务的网络系统和控制系统。它给自动化领域带来的变化,正如众多分散的计算机被网络连接在一起,使计算机的功能、作用发生的变化。现场总线则使自控系统与设备具有通信能力,把它们连结成网络系统,加入到信息网络的行列。因此把现场总线技术说成是一个控制技术新时代的开端并不过分。

现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧下降,计算机与计算机网络系统得到迅速发展,而处于生产过程底层的测控自动化系统,难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换,使每个自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集成,要实现综合自动化,就必须设计出一种能在工业现场环境运行、性能可靠、造价低廉的通信系统,形成工场底层网络,完成现场自动化设备之间的多点数字通信,实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。它作为过程自动化、制 自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互联通信网络,沟通了生产过程现场控制设备之间及其与高层控制管理层网络之间的联系,为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。

现场总线控制系统既是一个开放的通信网络,又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带,把挂接在总线上作为网络节点的智能设备连接为网络系统,并进一步构成自动化系统,实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。

由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向,它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点,受到全世界的普遍关注。现场总线的出现,导致了目前生产的自动化仪表、集散控制系统(DCS)、可编程控制器(PLC)在产品的体系结构、功能结构方面有较大变革,自动化设备的制造厂家被迫面临产品更新换代的又一次挑战。传统的模拟仪表将被具有网络数字通信功能的智能化数字仪表所取代。出现了一批集检测、运算、控制功能于一体的变送控制器;出现了可集检测温度、压力、流量于一身的多变量变送器;出现了带控制模块和具有故障信息的执行器,并由此大大改变了现有的设备维护管理方法。

5.7.2  现场总线控制设备
现场总线导致了传统控制系统结构的变革,形成了新型的网络集成式全分布控制系统——现场总线控制系统(FCS)。这是基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统(DCS)后的新一代控制系统。

1.  现场总线控制系统的结构
现场总线控制系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的设备联线,按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间,控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接。

现场总线系统由于采用了智能现场设备,能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备,加上现场设备具有通信能力,现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号,因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表,直接在现场完成,实现了彻底的分散控制。图5.57为现场总线控制系统与传统控制系统的结构对比。

图5.57 现场总线控制系统与传统控制系统的结构比较
图5.57 现场总线控制系统与传统控制系统的结构比较

由于采用数字信号替代模拟信号,因而可实现一对通信线上传输多个信号(包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息),同时又为多个设备提供电源,现场设备以外不再需要模拟/数字、数字/模拟转换部件。这样就简化了系统结构,为节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维持费用创造了条件。

2.  现场总线构成了全分布控制系统
模拟信号的传递需要一对一的物理连接,因而,提高响应速度与控制精度的难度较大,信号传输的抗干扰能力也较差,人们开始寻求用数字信号取代模拟信号,出现了集中式直接数字控制系统。但由于集中式直接数字控制系统的控制计算机一旦出现某种故障,就会造成所有控制回路瘫痪、工厂停产的严重局面,这种危险的集中控制系统结构很难为生产过程所接受。

随着计算机可靠性的提高,价格的大幅度下降,出现了数字调节器、可编程控制器(PLC)以及由多个计算机通过网络构成的集中、分散相结合的集散控制系统(DCS)。DCS系统中,测量变送器一般为模拟仪表,因而它是一种模拟数字混合系统,这种系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大的进步。在DCS系统形成的过程中,由于受计算机系统早期存在系统封闭这一缺陷的影响,各DCS厂家的产品自成系统,不同厂家的设备不能互连在一起,难以实现互换与互操作,组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。

新型的现场总线控制系统则突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的设备,把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案,既可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备,通过现场总线网络连接成系统,实现综合自动化的各种功能;同时又把DCS集中与分散相结合的集散系统结构,变成了新型全分布结构,把控制功能彻底下放到现场,依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。

把微处理器置入现场自控设备,使设备具有数字计算和数字通信能力,提高了信号的测量、控制和传输精度,同时为丰富控制信息的内容,实现其远程传送创造了条件。在现场总线的环境下,借助设备的计算、通信能力,在现场就可以进行许多复杂计算,形成真正分散在现场的完整控制系统,提高控制系统运行的可靠性。还可借助现场总线网段以及与之有通信连接的其他网段,实现异地远程自动控制,如操作远在数百公里之外的开关、阀门等。还可以提供传统仪表所不能提供的仪表运行状态、故障诊断信息等,便于操作管理人员进行现场设备的维护和管理。

3.  现场总线构成控制系统的底层控制网络
现场总线是新型的自动化系统,又是低带宽的底层控制网络,它位于生产控制网络结构的底层,具有开放统一的通信协议,肩负生产运行一线测量控制的特殊任务。

现场总线与现场设备直接连接,一方面将现场测量控制设备互连为通信网络,实现不同网段、不同现场通信设备间的信息共享;同时又将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室,并进一步实现与操作终端、上层控制管理网络的连接和信息共享。在把一个现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室的同时,又将各种控制、维护、组态命令,乃至现场设备的工作电源等送往各相关的现场设备,沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。现场总线所肩负的是测量控制的特殊任务,它具有信息 输的实时性强,可靠性高,传输速率一般为几Kb/s(bit per second),至10Mb/s之间。

现场总线网段与其它网络间实现信息交换,必须有严格的保安措施和权限限制,以保证设备和系统的安全运行。

5.7.3  现场总线控制系统的特点
1.现场总线系统的技术特点
(1)系统的开放性。 开放是指对相关标准的一致性、公开性,强调对标准的共识与遵从。一个开放系统,是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开,各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。

(2)互可操作性与互用性。 互可操作性,是指实现互连设备间和系统间的系统间的信息传送与沟通;而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。

(3)现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能,并可随时诊断设备的运行状态。

(4)系统结构的高度分散性。 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系,简化了系统结构,提高了可靠性。

(5)对现场环境的适应性。 作为工厂网络底层的现场总线工作在生产现场,专为现场环境而设计,可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等,具有较强的抗干扰能力,能采用两线制实现供电与通信,并可满足本质安全型的防爆要求等。

2.现场总线的特点
由于现场总线的特点,特别是现场总线系统结构的简化,使控制系统从设计、安装、投入运作到正常生产运行及其检修维护,都体现出它的优越性。

(6)节省硬件数量与投资。 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警与计算功能,可减少变送器的数量,不需要单独的调节器、计算单元等,也不需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线,还可用工控PC机作为操作站,从而节省了一大笔硬件投资,并可减少控制室的占地面积。

(7)节省安装费用。 现场总线系统的接线十分简单,一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备。因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少,连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备是,无需增设新的电缆,可就近连接在原有的电缆上,既减少了投资,也减少了设计、安装的工作量。据有关典型工程的测算表明,可节约安装费用60%以上。

(8)节省维护开销。 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力,并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室,用户可以查询所有设备的运行、诊断维护信息,以便早期分析故障原因并快速排除,缩短了停工时间,同时由于系统简化,连线简单而减少了维护工作量。

(9)用户具有高度的系统集成主动权。 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而被限制了设备的选择范围,不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。使系统集成过程中的主动权掌握在用户手中。

(10)提高了系统的准确性与可靠性。 由于现场总线设备的智能化、数字化,与模拟信号相比,它从根本上提高了测量与控制的精确度,减少了传送误差。同时,由于系统的结构简单化,设备与连线减少,现场仪表内部功能加强,减少了信号的往返传输,提高了系统的工作可靠性。
此外,由于它的设备标准化,功能模块化,因而还具有设计简单,易于重构等优点。

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