現(xiàn)場(chǎng)總線在DCS系統(tǒng)中的集成設(shè)計(jì)是什么樣的？

引言

新的基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制策略和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將對(duì)現(xiàn)有的儀表及控制系統(tǒng)產(chǎn)生革命性的影響。從現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的本質(zhì)特征上分析了其對(duì)傳統(tǒng)分散控制系統(tǒng)DCS的沖擊，并結(jié)合dcs的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出了現(xiàn)場(chǎng)總線集成于dcs的三種實(shí)現(xiàn)方法。

工業(yè)控制從早期的就地控制、集中控制，已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的集散控制(dcs)，在過(guò)去的20年中，過(guò)程工業(yè)對(duì)dcs系統(tǒng)及相關(guān)的儀表裝置進(jìn)行了大量的投入，dcs系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果得到了用戶的肯定。4-20mA信號(hào)是dcs系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相互連接的最本質(zhì)特點(diǎn)，這是控制系統(tǒng)和儀表裝置發(fā)展的一大進(jìn)步。

然而現(xiàn)在，數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)今控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向。人們意識(shí)到傳統(tǒng)的模擬信號(hào)只能提供原始的測(cè)量和控制信息，而智能變送器在4-20mA信號(hào)之上附加信息的能力又受其低通信速率的制約，所以對(duì)整個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)的機(jī)制進(jìn)行數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，應(yīng)是其發(fā)展的必然趨勢(shì)。

現(xiàn)場(chǎng)總線在智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)之間提供了一個(gè)全數(shù)字化的、雙向的、多節(jié)點(diǎn)的通信鏈接?，F(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)促進(jìn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，并且使現(xiàn)場(chǎng)控制的功能更加強(qiáng)大。這一改進(jìn)帶來(lái)了過(guò)程控制系統(tǒng)的開放性，使系統(tǒng)成為具有測(cè)量、控制、執(zhí)行和—過(guò)程診斷的綜合能力的控制網(wǎng)絡(luò)。

1、現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)傳統(tǒng)dcs的沖擊

現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)傳統(tǒng)dcs的沖擊來(lái)源于其本質(zhì)上優(yōu)越于dcs系統(tǒng)的技術(shù)特征。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC和現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)FF的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有以下5個(gè)主要特點(diǎn)：

①數(shù)字信號(hào)完全取代4-20mA模擬信號(hào);

②使基本過(guò)程控制、報(bào)警和計(jì)算功能等完全分布在現(xiàn)場(chǎng)完成;

③使設(shè)備增加非控制信息，如自診斷信息、組態(tài)信息以及補(bǔ)償信息等;

④實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)管理和控制的統(tǒng)一;

⑤真正實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開放性、互操作性。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)不僅是一種通信技術(shù)，它實(shí)際上融人了智能化儀表、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和開放系統(tǒng)互連(OSI)等技術(shù)的精粹。所有這些特點(diǎn)使得以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)相對(duì)于傳統(tǒng)dcs系統(tǒng)具有巨大的優(yōu)越性：

①系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，成本顯著降低;

②現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備自治性加強(qiáng)，系統(tǒng)性能全面提高;

③提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院途?

④真正實(shí)現(xiàn)全分散、全數(shù)字化的控制網(wǎng)絡(luò);

⑤用戶始終擁有系統(tǒng)集成權(quán)。

這些優(yōu)越性可從dcs和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較后得到驗(yàn)證。

2、現(xiàn)場(chǎng)總線集成于dcs系統(tǒng)是現(xiàn)階段控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)

盡管用戶對(duì)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)表示歡迎，但他們并不希望對(duì)他們現(xiàn)有的儀表系統(tǒng)做大的改動(dòng)。

目前在現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展初期，大多數(shù)用戶更傾向于對(duì)他們現(xiàn)有的儀表系統(tǒng)進(jìn)行逐步的增添和替換;另一方面，dcs系統(tǒng)及其儀表的消失或完全被取代，對(duì)于費(fèi)用或人力而言也都是不合理的。現(xiàn)階段最可行的方案是考慮如何使現(xiàn)場(chǎng)總線與傳統(tǒng)的dcs系統(tǒng)盡可能地協(xié)同工作，這種集成方案能夠得到靈活的系統(tǒng)組態(tài)，以適用于更廣泛的、富于實(shí)用價(jià)值的應(yīng)用。

3、現(xiàn)場(chǎng)總線于dcs系統(tǒng)I/0總線上的集成

在dcs的結(jié)構(gòu)體系中，自上而下大體可分為3層：管理層，監(jiān)控操作層和I/O測(cè)控層。在I/O測(cè)控層的I/O總線上，掛有dcs控制器和各種I/O卡件，I/O卡件用于連接現(xiàn)場(chǎng)4-20mA設(shè)備、離散量或PIC等現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，dcs控制器負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制。

在dcs系統(tǒng)的I/O總線上集成現(xiàn)場(chǎng)總線的關(guān)鍵是通過(guò)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡掛在dcs的I/O總線上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息映射成原有dcs的 I /O總線上相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，如基本測(cè)量值、報(bào)警值或工藝設(shè)定值等，使得在dcs控制器所看到的現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)的信息就如同來(lái)自一個(gè)傳統(tǒng)的dcs設(shè)備卡一樣。這樣便實(shí)現(xiàn)了在I/O總線上的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)集成。

這種方案主要可用于dcs系統(tǒng)已經(jīng)安裝并穩(wěn)定運(yùn)行，而現(xiàn)場(chǎng)總線首次引入系統(tǒng)的、規(guī)模較小的應(yīng)用場(chǎng)合;此方案也可應(yīng)用于PLC系統(tǒng)。

這種方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是集成規(guī)模受到現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡的限制。

Fisher-Rosemount公司推出的dcs系統(tǒng)DeltaV采用的就是此種集成方案。DeltaV系統(tǒng)在它的I/O卡件中專門開發(fā)設(shè)計(jì)了此種功能的接口卡——現(xiàn)場(chǎng)總線H1通信模塊(31.25kbit/s)，成功地將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)集成在DeltaV系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)總線儀表相連，極大地節(jié)省了安裝、操作以及維護(hù)費(fèi)用，同樣的控制器可兼容H1與傳統(tǒng)的I/O模塊，有利于從傳統(tǒng)的控制模。式向現(xiàn)場(chǎng)總線控制模式的過(guò)渡和轉(zhuǎn)變。

在DeltaV系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線H1通信模塊中具有特定的Driver，用以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息與I/O總線上對(duì)應(yīng)信息的映射。

4、現(xiàn)場(chǎng)總線于dcs系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的集成

除了在I/O總線上的集成方案，還可以在更高一層——dcs網(wǎng)絡(luò)層上集成現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。在這種方案中，現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡不是掛在dcs的I/O總線上，而是在dcs的上層LAN上。

在這種方案中，現(xiàn)場(chǎng)總線控制執(zhí)行信息、測(cè)量以及現(xiàn)場(chǎng)儀表的控制功能均可在dcs操作站進(jìn)行瀏覽并修改。它的優(yōu)點(diǎn)是原來(lái)必須由dcs主計(jì)算機(jī)完成的一些控制和計(jì)算功能，現(xiàn)在可下放到現(xiàn)場(chǎng)儀表實(shí)現(xiàn)，并且可以在dcs操作員界面上得到相關(guān)的參數(shù)或數(shù)據(jù)信息;它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要對(duì)dcs控制站進(jìn)行改動(dòng)，對(duì)原有系統(tǒng)影響較小。

5、現(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)網(wǎng)關(guān)與dcs系統(tǒng)并行集成

若在一個(gè)工廠中并行運(yùn)行著dcs系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，則還可以通過(guò)一個(gè)網(wǎng)關(guān)來(lái)網(wǎng)接兩者，安裝網(wǎng)關(guān)以完成dcs系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)總線高速網(wǎng)絡(luò)之間的信息傳遞。

在這一結(jié)構(gòu)中，dcs系統(tǒng)的信息能夠在新的操作員界面上得到并顯示。通過(guò)使用拋網(wǎng)橋可以安裝大量的H1低速總線?，F(xiàn)場(chǎng)總線接口單元可提供控制協(xié)調(diào)、報(bào)警管理和短時(shí)趨勢(shì)收集等功能。

現(xiàn)場(chǎng)總線與dcs的并行集成，完成整個(gè)工廠的控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的集成統(tǒng)一，并可以通過(guò)Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)Infranet與Inernet的互連。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是豐富了網(wǎng)絡(luò)的信息內(nèi)容，便于發(fā)揮數(shù)據(jù)信息和控制信息的綜合優(yōu)勢(shì);另外，在這種集成方案中，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)與通過(guò)網(wǎng)關(guān)而集成在一起的dcs系統(tǒng)是相互獨(dú)立的。

6、結(jié)論

綜上所述，我們相信現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)將廣泛地應(yīng)用到過(guò)程工業(yè)控制中，通過(guò)對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行一些必要的修改，將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)引入到dcs中，將會(huì)給用戶帶來(lái)大量的收益;另一方面，即使大多數(shù)的連續(xù)控制環(huán)路將由現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)來(lái)完成，dcs系統(tǒng)仍將在許多諸如實(shí)時(shí)要求較高的控制場(chǎng)合扮演重要的角色?，F(xiàn)階段現(xiàn)場(chǎng)總線與dcs系統(tǒng)的共存將使用戶擁有更多的選擇，以實(shí)現(xiàn)更合理的控制系統(tǒng)。