現(xiàn)場總線在石化工業(yè)自控系統(tǒng)中的應用探討

韓廣東

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

關鍵詞：現(xiàn)場總線；FCS；過程控制

1 引言

隨著自動化技術的飛快發(fā)展，近年來自控技術發(fā)生了深刻變革，對于石化工業(yè)，自動控制系統(tǒng)多年來一直由集散控制系統(tǒng)（DCS）占據(jù)主導地位。隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，對自動控制技術提出了更高的要求，過程控制技術的發(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)絡向現(xiàn)場拓展，在發(fā)展的過程中，大致經(jīng)歷了5個階段：人工控制、模擬儀表控制、計算機集中控制、集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。現(xiàn)場總線技術是這場變革中的最核心技術[1]。

2 FCS的特點

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)就是提供一個現(xiàn)場設備到主機的網(wǎng)絡連接，這個連接是雙向的、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數(shù)字信號[2]，同時又為多個設備提供電源。

現(xiàn)場總線的特點是[3]：

（1）系統(tǒng)的開放性：它可以與任何遵守相同標準的其他設備或系統(tǒng)連接。根據(jù)用戶自己的設計方案，對不同供應商的產(chǎn)品進行隨意的組合。

（2）智能化的現(xiàn)場設備與功能自治：可以將原來在DCS系統(tǒng)中進行的測量，補償，數(shù)據(jù)處理，邏輯控制等功能，轉移到現(xiàn)場設備中完成，并可以隨時診斷設備的運行狀態(tài)。

（3）系統(tǒng)結構的高度分散性：與原有的DCS集中與分散結合的控制系統(tǒng)相比，現(xiàn)場總線系統(tǒng)是一種全分散性的體系結構。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)省投資費用：在一根電纜上可以為多個設備提供數(shù)據(jù)傳輸，這樣減少了系統(tǒng)設計、安裝的工作量，節(jié)省了材料費用。

（6）提高了系統(tǒng)精度：現(xiàn)場總線設備具有智能化、數(shù)字化的特點，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）接口設備。接口設備主要指各種接口卡件，用以連接計算機與現(xiàn)場總線。包括PC機、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、補償?shù)裙δ芡?，還具有控制功能，如PID等運算控制功能[4]。

（3）外圍設備。外圍設備包括電纜、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)?？刂平M態(tài)是指在明確系統(tǒng)控制功能的前提下，設計控制回路的結構，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)點與節(jié)點間的通信協(xié)議和通信關系。通過系統(tǒng)組態(tài)，實現(xiàn)各現(xiàn)場儀表之間、現(xiàn)場儀表與監(jiān)控計算機之間以及計算機與計算機之間的數(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卡和每臺現(xiàn)場總線儀表中。用戶可以通過對功能模塊進行組態(tài)來實現(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：實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、常規(guī)控制計算、優(yōu)化控制、邏輯控制、報警監(jiān)視、運行參數(shù)的畫面顯示、報表輸出和操作與參數(shù)修改等。

4 FCS的應用

截至目前，現(xiàn)場總線技術憑借良好的功能和自身的特點，在石化工業(yè)自動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)廣泛應用的是FF和HART現(xiàn)場總線系統(tǒng)。

現(xiàn)場總線在實際應用中存在著一些問題。主要有：

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

（2）冗余問題?，F(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，它可以自我發(fā)出預警，可以切換到主機進行操作干預。二是現(xiàn)場總線儀表具有自我調(diào)節(jié)功能，當主機出現(xiàn)故障時，現(xiàn)場儀表可以自主干預而實現(xiàn)自主調(diào)節(jié)。但在實際生產(chǎn)應用場合，多數(shù)用戶由于對總線系統(tǒng)信心不足，擔心生產(chǎn)的安全，所以特別強調(diào)冗余。而目前現(xiàn)場總線國際標準FF的F1和Profibus的PA都沒有冗余。當然，現(xiàn)場總線技術可以實現(xiàn)用戶冗余要求，但這樣一來，會增加總線系統(tǒng)的投資。

（3）安裝、調(diào)試和運行維護比較復雜。由于現(xiàn)場總線技術是一門新興的技術，人們對它的結構和操作還不熟悉。尤其是像FF這樣的現(xiàn)場總線本身相當復雜，在安裝調(diào)試過程和運行維護中經(jīng)常會遇到很多困難。

5 結束語

現(xiàn)場總線技術的興起，可以實現(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)場智能儀表技術的日趨成熟，在生產(chǎn)中將控制節(jié)點下放到現(xiàn)場變得實際可行，從而實現(xiàn)了真正的過程分散控制。同時人們對總線技術更加了解，更加熟悉和信任，現(xiàn)場總線技術必將在石化行業(yè)的自動控制中應用的越來越廣泛。

參考文獻：

[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)場總線技術及應用教程[M].北京：機械工業(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)控軟件改進設計[J].儀表技術與傳感器，2007（02）：28-30.

[4]方曉柯，徐林，王建輝等.DeviceNet現(xiàn)場總線特點分析及節(jié)點電路設計[J].儀器儀表學報，2005，26（11）.