智能傳感器、現(xiàn)場總線與FCS

【摘 要】歸納了智能傳感器的性能特點(diǎn)，介紹了現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，分析了FCS的構(gòu)成特征及FCS對DCS的影響。

【關(guān)鍵詞】智能傳感器;現(xiàn)場總線;FCS

引言

以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制系統(tǒng)將現(xiàn)有的模擬信號用高容量的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)代替，從而大大減輕現(xiàn)場信號電纜連接的費(fèi)用和工作量，提高信號的傳輸效率。

一．智能傳感器的性能特點(diǎn)

一般的傳感器只能作為敏感元件，須配上變換儀表來檢測物理量、化學(xué)量等的變換。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了智能儀表。智能儀表采用超大規(guī)模集成電路，在完成輸入信號的非線性補(bǔ)償、零點(diǎn)錯(cuò)誤、溫度補(bǔ)償、故障診斷等基礎(chǔ)上，還可完成對工業(yè)過程的控制。智能傳感器集成了傳感器智能儀表的全部功能，具有很高的線性度和低的溫度漂移，特點(diǎn)如下：

⑴一定程度的人工智能?？梢愿鶕?jù)不同的測量要求，選擇合適方案，并對信息進(jìn)行綜合處理，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。

⑵多敏感功能。將原來分散的各自獨(dú)立的單敏傳感器集成為具有多敏感功能的傳感器，能同時(shí)測量多種物理量和化學(xué)量，全面反映被測量的綜合信息。

⑶精度高、測量范圍寬。隨時(shí)檢測出被測量的變化對檢測元件特性的影響，并完成各種運(yùn)算，其輸出信號更為精確，同時(shí)其量程比可達(dá)100：1，最高達(dá)400：1，可用一個(gè)智能傳感器應(yīng)付很寬的測量范圍，特別適用于要求量程比大的控制場合。

⑷通信功能?？刹捎脴?biāo)準(zhǔn)化總線接口，進(jìn)行信息交換。這是智能傳感器的關(guān)鍵標(biāo)志之一。

二．現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支的通信網(wǎng)絡(luò)。它是用于過程自動(dòng)化最低層的現(xiàn)場設(shè)備以及現(xiàn)場儀表互連網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)的集成?，F(xiàn)場總線是以ISO的OSI模型為基本框架的，并根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行簡化了的體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線具有互換性、互操作性、控制功能分散、互連網(wǎng)絡(luò)、維修方便等優(yōu)點(diǎn)外，還具有如下特點(diǎn)：

（1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系簡單。這種體系結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)靈活、執(zhí)行直觀、性能良好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還保證了通信的速度。

（2）綜合自動(dòng)化功能。把現(xiàn)場智能設(shè)備分作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過現(xiàn)場總線來實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與管理層之間的信息傳遞，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)化功能。

（3）容錯(cuò)能力強(qiáng)?，F(xiàn)場總線通過使用檢錯(cuò)、自校驗(yàn)、監(jiān)督定時(shí)等故障檢錯(cuò)方法，大大提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。

（4）提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和測控精度。現(xiàn)場智能設(shè)備可以就近處理信號并采用數(shù)字通信方式與主控系統(tǒng)交換信息，不僅具有較強(qiáng)的抗干擾能力，而且其精度和可靠性也得到了很大的提高。

現(xiàn)場總線的這些特點(diǎn)不僅保證了它完全可以適應(yīng)目前工業(yè)界對數(shù)字通訊和傳統(tǒng)控制的要求，而且使它具有不同層次的復(fù)雜控制與先進(jìn)控制、優(yōu)化控制功能成為可能。

三．現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）

隨著復(fù)雜過程工業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)過程控制對大量現(xiàn)場信號的采集、傳遞和數(shù)據(jù)交換以及對精度、可靠性、管控一體化都提出了更高的要求，現(xiàn)有的DCS已經(jīng)不能滿足這些要求，況且現(xiàn)有的DCS具有諸如控制不能徹底分散，故障相對集中，系統(tǒng)不徹底開放，成本較高等缺點(diǎn)。于是通過數(shù)字通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)和微處理器技術(shù)的融合，把傳統(tǒng)的數(shù)字信號和模擬信號的混合系統(tǒng)變成全數(shù)字信號系統(tǒng)，從而產(chǎn)生了新一代的控制系統(tǒng)FCS。

3.1智能傳感器和現(xiàn)場總線是組成FCS的兩個(gè)重要部分

FCS用現(xiàn)場總線在控制現(xiàn)場，建立一條高可靠性的數(shù)字通訊線路，實(shí)現(xiàn)各個(gè)智能傳感器之間及智能傳感器與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，把單個(gè)分散的智能傳感器變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。智能傳感器中的數(shù)據(jù)處理有助于減輕主控制站的工作負(fù)擔(dān)，使大量的信息處理就地化，減小了現(xiàn)場儀表與控制站之間的信息往返，降低了對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊容量的要求，經(jīng)過智能傳感器預(yù)處理過的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線匯集到主機(jī)上，進(jìn)行更高級的處理，提高了系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力，這樣FCS把各個(gè)智能傳感器連接成了可以互相溝通信息，共同完成控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能更好的體現(xiàn)DCS中的“信息集中，控制分散”的功能，提高了信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和快速性。

以現(xiàn)場總線技術(shù)為基礎(chǔ)，以微處理器為中心，以數(shù)字化通信為傳輸方式的現(xiàn)場總線智能傳感器與一般的智能傳感器相比，需有以下功能：

⑴共用一條總線傳遞信息，具有多種計(jì)算、數(shù)據(jù)處理及控制功能，從而減少主機(jī)的負(fù)擔(dān)。

⑵取代4～20mA模擬信號傳輸，實(shí)現(xiàn)傳輸信號的數(shù)字化，增強(qiáng)信號的抗干擾能力。

⑶采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)議，成為FCS的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傳感器和執(zhí)行器之間信息交換。

⑷系統(tǒng)可對之進(jìn)行校驗(yàn)、組態(tài)、測試，從而改善系統(tǒng)的可靠性。

⑸接口標(biāo)準(zhǔn)化，具有即插即用特性。

現(xiàn)場總線智能傳感器是未來工業(yè)控制過程、控制系統(tǒng)的主流儀表，它與現(xiàn)場總線組成FCS的兩個(gè)重要部分。但現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的制定卻進(jìn)展緩慢，現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一影響了現(xiàn)場總線智能傳感器的應(yīng)用。

從世界范圍來看，已流行的幾種現(xiàn)場總線都有各自的優(yōu)點(diǎn)，難以統(tǒng)一到某一種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)上，其原因是多方面的。首先是技術(shù)的原因，現(xiàn)有各種現(xiàn)場總線都具有各自的協(xié)議規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，要統(tǒng)一存在許多技術(shù)難題，其次是商業(yè)利益，各現(xiàn)場總線與其背后的開發(fā)公司息息相關(guān)，各企業(yè)為今后占有更多的市場分額，都希望在現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)中采用自己的技術(shù)；再次是組織上的原因，現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)化必須有一個(gè)統(tǒng)一的國際性組織來完成。然而，多年來，用戶迫切需要現(xiàn)場總線有一個(gè)統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的互操作性和互換性。

3.2FCS對DCS的影響

傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)由各種工作站通過局域網(wǎng)絡(luò)連接而成，操作站和信息管理站完成系統(tǒng)的組態(tài)、監(jiān)控和運(yùn)行管理，現(xiàn)場監(jiān)控站則完成生產(chǎn)過程信息的采集和控制，DCS的主要問題是開放型差分散不夠，需要用大量的電纜傳遞信號，F(xiàn)CS則突破了DCS系統(tǒng)中通訊由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉專用的解決方案變成了基于開放通用標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，把集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把DCS控制站中基本且可獨(dú)立的功能塊徹底的下放到現(xiàn)場智能儀表中去。

實(shí)際上，工業(yè)過程控制的發(fā)展大體分：氣動(dòng)儀表控制→電動(dòng)儀表控制→計(jì)算機(jī)集中控制→DCS幾個(gè)階段。目前，我國部分過程工藝都以DCS作為主流控制系統(tǒng)，電Ⅲ型儀表作為主導(dǎo)儀表，加上認(rèn)識上的原因，現(xiàn)場總線儀表仍為非主導(dǎo)儀表，暫不能普及FCS。DCS是一個(gè)不斷發(fā)展的控制系統(tǒng)，它必然不斷采用現(xiàn)場總線技術(shù)對自身進(jìn)行改造，使DCS能與現(xiàn)場總線智能儀表和局部FCS連接起來。

結(jié)束語

FCS的關(guān)鍵是現(xiàn)場總線技術(shù)與現(xiàn)場總線智能傳感器。隨著電Ⅲ型儀表改造為智能儀表，能構(gòu)想出現(xiàn)場總線；隨著數(shù)字通訊技術(shù)的成熟，能出現(xiàn)現(xiàn)場總線；從而從DCS中脫穎而出FCS?？梢哉fFCS是工業(yè)系統(tǒng)的大革命，即模擬儀表分散控制→集散控制系統(tǒng)→全開放全分散全集中控制系統(tǒng)。國外從九十年代中開始投用FCS，國內(nèi)從1998年開始試用FCS，但尚不完善和完整，目前正是步入FCS的實(shí)施階段，它是完全可靠、完全分散的開放系統(tǒng)，依據(jù)目前的發(fā)展趨勢，F(xiàn)CS將取代DCS，并在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位。