現(xiàn)場總線在DCS系統(tǒng)中的集成設計是什么樣的？

引言

新的基于現(xiàn)場總線技術的控制策略和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)將對現(xiàn)有的儀表及控制系統(tǒng)產(chǎn)生革命性的影響。從現(xiàn)場總線技術的本質(zhì)特征上分析了其對傳統(tǒng)分散控制系統(tǒng)DCS的沖擊，并結(jié)合dcs的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)特點，給出了現(xiàn)場總線集成于dcs的三種實現(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)，在過去的20年中，過程工業(yè)對dcs系統(tǒng)及相關的儀表裝置進行了大量的投入，dcs系統(tǒng)的應用結(jié)果得到了用戶的肯定。4-20mA信號是dcs系統(tǒng)及現(xiàn)場設備相互連接的最本質(zhì)特點，這是控制系統(tǒng)和儀表裝置發(fā)展的一大進步。

然而現(xiàn)在，數(shù)字化和網(wǎng)絡化成為當今控制網(wǎng)絡發(fā)展的主要方向。人們意識到傳統(tǒng)的模擬信號只能提供原始的測量和控制信息，而智能變送器在4-20mA信號之上附加信息的能力又受其低通信速率的制約，所以對整個過程控制系統(tǒng)的機制進行數(shù)字化和網(wǎng)絡化，應是其發(fā)展的必然趨勢。

現(xiàn)場總線在智能現(xiàn)場設備、自動化系統(tǒng)之間提供了一個全數(shù)字化的、雙向的、多節(jié)點的通信鏈接?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)促進了現(xiàn)場設備的數(shù)字化和網(wǎng)絡化，并且使現(xiàn)場控制的功能更加強大。這一改進帶來了過程控制系統(tǒng)的開放性，使系統(tǒng)成為具有測量、控制、執(zhí)行和—過程診斷的綜合能力的控制網(wǎng)絡。

1、現(xiàn)場總線對傳統(tǒng)dcs的沖擊

現(xiàn)場總線對傳統(tǒng)dcs的沖擊來源于其本質(zhì)上優(yōu)越于dcs系統(tǒng)的技術特征。根據(jù)國際電工委員會IEC和現(xiàn)場總線基金會FF的定義，現(xiàn)場總線技術具有以下5個主要特點：

①數(shù)字信號完全取代4-20mA模擬信號;

②使基本過程控制、報警和計算功能等完全分布在現(xiàn)場完成;

③使設備增加非控制信息，如自診斷信息、組態(tài)信息以及補償信息等;

④實現(xiàn)現(xiàn)場管理和控制的統(tǒng)一;

⑤真正實現(xiàn)系統(tǒng)開放性、互操作性。

現(xiàn)場總線技術不僅是一種通信技術，它實際上融人了智能化儀表、計算機網(wǎng)絡和開放系統(tǒng)互連(OSI)等技術的精粹。所有這些特點使得以現(xiàn)場總線技術為基礎的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)相對于傳統(tǒng)dcs系統(tǒng)具有巨大的優(yōu)越性：

①系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡化，成本顯著降低;

②現(xiàn)場設備自治性加強，系統(tǒng)性能全面提高;

③提高了信號傳輸?shù)目煽啃院途?

④真正實現(xiàn)全分散、全數(shù)字化的控制網(wǎng)絡;

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)場總線系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)比較后得到驗證。

2、現(xiàn)場總線集成于dcs系統(tǒng)是現(xiàn)階段控制網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢

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

目前在現(xiàn)場總線的發(fā)展初期，大多數(shù)用戶更傾向于對他們現(xiàn)有的儀表系統(tǒng)進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，對于費用或人力而言也都是不合理的?，F(xiàn)階段最可行的方案是考慮如何使現(xiàn)場總線與傳統(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、富于實用價值的應用。

3、現(xiàn)場總線于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測控層。在I/O測控層的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4-20mA設備、離散量或PIC等現(xiàn)場信號，dcs控制器負責現(xiàn)場控制。

在dcs系統(tǒng)的I/O總線上集成現(xiàn)場總線的關鍵是通過一個現(xiàn)場總線接口卡掛在dcs的I/O總線上，實現(xiàn)現(xiàn)場總線系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息映射成原有dcs的 I /O總線上相對應的數(shù)據(jù)信息，如基本測量值、報警值或工藝設定值等，使得在dcs控制器所看到的現(xiàn)場總線來的信息就如同來自一個傳統(tǒng)的dcs設備卡一樣。這樣便實現(xiàn)了在I/O總線上的現(xiàn)場總線技術集成。

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

這種方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較簡單，缺點是集成規(guī)模受到現(xiàn)場總線接口卡的限制。

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)設計了此種功能的接口卡——現(xiàn)場總線H1通信模塊(31.25kbit/s)，成功地將現(xiàn)場總線技術集成在DeltaV系統(tǒng)中，可實現(xiàn)與現(xiàn)場總線儀表相連，極大地節(jié)省了安裝、操作以及維護費用，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)場總線控制模式的過渡和轉(zhuǎn)變。

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

4、現(xiàn)場總線于dcs系統(tǒng)網(wǎng)絡層的集成

除了在I/O總線上的集成方案，還可以在更高一層——dcs網(wǎng)絡層上集成現(xiàn)場總線系統(tǒng)。在這種方案中，現(xiàn)場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)場總線控制執(zhí)行信息、測量以及現(xiàn)場儀表的控制功能均可在dcs操作站進行瀏覽并修改。它的優(yōu)點是原來必須由dcs主計算機完成的一些控制和計算功能，現(xiàn)在可下放到現(xiàn)場儀表實現(xiàn)，并且可以在dcs操作員界面上得到相關的參數(shù)或數(shù)據(jù)信息;它的另一個優(yōu)點是不需要對dcs控制站進行改動，對原有系統(tǒng)影響較小。

5、現(xiàn)場總線通過網(wǎng)關與dcs系統(tǒng)并行集成

若在一個工廠中并行運行著dcs系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)，則還可以通過一個網(wǎng)關來網(wǎng)接兩者，安裝網(wǎng)關以完成dcs系統(tǒng)與現(xiàn)場總線高速網(wǎng)絡之間的信息傳遞。

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。通過使用拋網(wǎng)橋可以安裝大量的H1低速總線?，F(xiàn)場總線接口單元可提供控制協(xié)調(diào)、報警管理和短時趨勢收集等功能。

現(xiàn)場總線與dcs的并行集成，完成整個工廠的控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的集成統(tǒng)一，并可以通過Web服務器實現(xiàn)Infranet與Inernet的互連。這種方案的優(yōu)點是豐富了網(wǎng)絡的信息內(nèi)容，便于發(fā)揮數(shù)據(jù)信息和控制信息的綜合優(yōu)勢;另外，在這種集成方案中，現(xiàn)場總線系統(tǒng)與通過網(wǎng)關而集成在一起的dcs系統(tǒng)是相互獨立的。

6、結(jié)論

綜上所述，我們相信現(xiàn)場總線系統(tǒng)將廣泛地應用到過程工業(yè)控制中，通過對過程控制系統(tǒng)進行一些必要的修改，將現(xiàn)場總線技術引入到dcs中，將會給用戶帶來大量的收益;另一方面，即使大多數(shù)的連續(xù)控制環(huán)路將由現(xiàn)場總線系統(tǒng)來完成，dcs系統(tǒng)仍將在許多諸如實時要求較高的控制場合扮演重要的角色?，F(xiàn)階段現(xiàn)場總線與dcs系統(tǒng)的共存將使用戶擁有更多的選擇，以實現(xiàn)更合理的控制系統(tǒng)。