摘要：

    現(xiàn)場總線基金會自1984年成立以來，經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一個成熟的，開放的、全數(shù)字化的工業(yè)通信系統(tǒng)。本文通過描述基金會現(xiàn)場總線在寧波三菱化學(xué)有限公司的DCS系統(tǒng)項目中的應(yīng)用，結(jié)合本人在該項目中的實(shí)際工作經(jīng)歷，介紹基金會現(xiàn)場總線的概念，并分析了它的優(yōu)點(diǎn)與不足。
關(guān)鍵詞：基金會現(xiàn)場總線，DCS系統(tǒng)，工廠自動化

    1.基金會現(xiàn)場總線的簡介

    1.1 基金會現(xiàn)場總線的定義

    什么是基金會現(xiàn)場總線？基金會現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字，串行，雙向通信系統(tǒng)。它用于工廠網(wǎng)絡(luò)底層網(wǎng)絡(luò)或工廠自動化環(huán)境。其適用的應(yīng)用場合有基本和復(fù)雜管理控制的場合，以及與上述功能相關(guān)的，帶很多離散控制的應(yīng)用。
目前H1是基金會現(xiàn)場總線最常用的方案，H1的通訊速率為31.25千字節(jié)/秒，通常用于連接現(xiàn)場設(shè)備。它通過雙絞線實(shí)現(xiàn)通信和供電。在艾默生過程管理公司的DCS系統(tǒng)中就有H1卡件來實(shí)現(xiàn)基金會現(xiàn)場總線的功能。

    1.2 基金會現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn)

    傳統(tǒng)的模擬和離散現(xiàn)場儀表采用點(diǎn)對點(diǎn)連接方式，每個設(shè)備采用一對線纜。同時也受限于傳送單個信息——通常是通過線纜傳送過程變量或控制輸出。而基金會現(xiàn)場總線則不會受到上述情況的制約。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

    （1）多點(diǎn)接線。基金會現(xiàn)場總線的一個線纜（稱為網(wǎng)段）上最多可帶32個設(shè)備——如果采用中繼器則更多。但在實(shí)際使用中，考慮到供電，過程模塊化和回路執(zhí)行速度等因素，一般一個H1網(wǎng)段上連接4到16個設(shè)備。其中閥門控制器不建議超過2個。這就意味著當(dāng)有1000對設(shè)備，如果采用傳統(tǒng)技術(shù)您需要1000對線，而采用基金會現(xiàn)場總線，只需要60到250對線，這將為最終用戶節(jié)省大筆的接線費(fèi)用成本和接線裝置。

    （2）多變量儀表。一個節(jié)點(diǎn)上可以處理來自同一現(xiàn)場設(shè)備上的多個變量。例如，一個溫度變送器可以與多達(dá)八個傳感器的輸入進(jìn)行通信。它同時降低了接線和儀表費(fèi)用。多個設(shè)備的功能通過一個設(shè)備來完成，還提高了安全性并降低短時排放的風(fēng)險。

    （3）雙向通信。此外，信息傳送是雙向進(jìn)行的。閥門控制器可以接收來自主系統(tǒng)或其他控制源的控制輸出，并將閥門當(dāng)前位置送出去，從而實(shí)現(xiàn)更為精確的控制。而采用模擬量，就必須增加另一對線方可實(shí)現(xiàn)該功能。

    （4）新型信息。傳統(tǒng)模擬量和離散量設(shè)備無法通知您它們是否運(yùn)行正常，或是發(fā)送的過程信息是否有效。所以技術(shù)員不得不花大量的時間來確認(rèn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。而基金會現(xiàn)場總線設(shè)備不同。它們可以告訴您其運(yùn)行是否正常，發(fā)送的信息狀態(tài)。免除了大量的例行檢查工作，還可以對重大的過程問題，可以提前發(fā)現(xiàn)并解決。

    2. DCS項目中基金會現(xiàn)場總線的應(yīng)用

    2.1 MCC項目的簡介

    寧波三菱化學(xué)有限公司創(chuàng)立于2005年4月，由日方股東寧波PTA投資株式會社(90%)(三菱化學(xué)株式會社61%、伊藤忠商事株式會社35%、三菱商事株式會社4%)和中方股東中國中信集團(tuán)公司出資，主要生產(chǎn)和銷售PTA(精對苯二甲酸)。

    2008年7月，艾默生過程控制有限公司為寧波三菱化學(xué)有限公司提供工廠自動化系統(tǒng)這一項目（以下簡稱MCC項目）正式開工。該工廠自動化系統(tǒng)包括DCS（離散控制系統(tǒng)）和SIS（緊急停車系統(tǒng)）兩部分。本人負(fù)責(zé)的就是其中的DCS系統(tǒng)。整個DCS系統(tǒng)中，有模擬量輸入點(diǎn)440，模擬量輸出點(diǎn)162。其中帶有現(xiàn)場總線的模擬量輸入點(diǎn)就有403，占總模擬輸入點(diǎn)的91.5%; 帶有現(xiàn)場總線模擬量輸出點(diǎn)158，占總模擬輸出點(diǎn)的97.5%。所以說基金會現(xiàn)場總線在MCC項目中起著主導(dǎo)地位。

    2.2 MCC項目的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    （1) 操作站：控制室內(nèi)包括5臺操作站，1臺工程師站，1臺APP應(yīng)用工作站（用于工廠管理），兩對HUB。操作員站作為人機(jī)接口供操作人員對現(xiàn)場工藝過程進(jìn)行監(jiān)控。工程師站用于系統(tǒng)的開發(fā)和組態(tài)，包含系統(tǒng)全部數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用工作站主要用于歷史數(shù)據(jù)的采集與存儲。中控室的這些設(shè)備通過HUB利用以太網(wǎng)與現(xiàn)場的控制機(jī)柜連接形成系統(tǒng)，完成組態(tài)，運(yùn)行，操作等完整的控制功能。

    （2) 控制網(wǎng)絡(luò)：為了系統(tǒng)的可靠，我們?yōu)樵撓到y(tǒng)配置了冗余的控制網(wǎng)絡(luò)，其為通信提供了安全性和可靠性。在中控室通過兩個不同的HUB接入位于現(xiàn)場的兩個控制機(jī)柜中的兩個不同的HUB，建立了兩條完全獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，形成冗余的主副網(wǎng)絡(luò)集線器，提高了系統(tǒng)的可靠性。
   
    （3) 控制器：系統(tǒng)中配有兩套DCS控制機(jī)柜，每套機(jī)柜中裝有一些傳統(tǒng)卡件（AI，AO，DI，DO）和H1卡件。其中為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，AI卡，AO卡和H1卡都是冗余的。一旦主的卡件發(fā)生故障，將立刻切換的一直處于備用狀態(tài)的副的卡件。控制器為MD+控制器，具有管理所有I/O卡件的控制活動；管理所有的網(wǎng)絡(luò)通信功能；管理時間抽樣、報警、趨勢對象；執(zhí)行控制策略，在100ms內(nèi)完成從輸入通道取信號，控制策略執(zhí)行，傳送結(jié)果到輸出通道。
每對DCS控制器下冗余H1卡可通過總線方式將現(xiàn)場總線設(shè)備信號連接到DCS系統(tǒng)中，連接電纜為屏蔽雙絞線。H1卡下帶有2個port，即兩個干線段（segment），通過P+F安全柵模盒連接現(xiàn)場總線儀表，每個干線段最多帶12臺總線儀表。

    2.3 MCC項目中的現(xiàn)場總線

    2.3.1 MCC項目中的現(xiàn)場總線設(shè)計

    基金會現(xiàn)場總線的網(wǎng)段設(shè)計可用總線網(wǎng)段設(shè)計軟件（Segment Design Tool）自動生成圖紙，下圖2就是MCC項目中的某個網(wǎng)段設(shè)計圖紙，由H1卡件連接現(xiàn)場總線的電源，由電源驅(qū)動接線盒下連接的各個現(xiàn)場總線儀表。

                       
                               圖2

    利用總線網(wǎng)段設(shè)計軟件還可自動分析出網(wǎng)段中的設(shè)計是否符合規(guī)范，簡化了設(shè)計流程，也為項目的設(shè)計進(jìn)度贏得了寶貴的時間。

    每個網(wǎng)段中都會選擇一臺簡單的不帶控制策略的現(xiàn)場總線設(shè)備作為鏈路活動調(diào)度器（LAS）。LAS的功能可為網(wǎng)段上的設(shè)備之間維護(hù)中央的，確定性通信調(diào)度。通過強(qiáng)迫個設(shè)備在其預(yù)定的時間周期性傳送數(shù)據(jù)，它全面提高通信的可靠性。也就是說當(dāng)整個網(wǎng)段中的某一設(shè)備沒有響應(yīng)鏈路活動調(diào)度器的強(qiáng)迫數(shù)據(jù)消息，鏈路活動調(diào)度器將再次發(fā)送消息--強(qiáng)迫該設(shè)備發(fā)布信息。當(dāng)鏈路活動調(diào)度器失效時，會由網(wǎng)段中的備用鏈路活動調(diào)度器成為主調(diào)度器，接管其功能。這就意味基金會現(xiàn)場總線的設(shè)計可以更好地避免系統(tǒng)性能衰減，并進(jìn)一步增加可靠性。
MCC項目的每個網(wǎng)段還配備了P+F的高級診斷模塊，用來實(shí)時地監(jiān)控每個網(wǎng)段的運(yùn)行狀況。用戶可以通過分析波形，幫助客戶了解整個網(wǎng)段的健康狀況,對于可能發(fā)生的故障有很好的預(yù)防作用。

    2.3.2 MCC項目中的現(xiàn)場總線儀表

    MCC項目中采用的儀表有羅斯蒙特壓力變松器（3051S），羅斯蒙特壓力變送器 (848T, 3144P), 還有費(fèi)希爾閥門和數(shù)字閥門定位器等。其中大部分都是現(xiàn)場總線儀表，與常規(guī)模擬儀表控制回路不同的是：現(xiàn)場總線儀表的最大特點(diǎn)是它的控制單元在物理位置上可與測量變送單元或操作執(zhí)行單元合為一體。

    PID功能既可放在變送器，也可放在閥門定位器。MCC項目中我們將所有的控制回路PID功能下放到現(xiàn)場總線設(shè)備中執(zhí)行，提高控制安全性和準(zhǔn)確性，縮短了控制周期，同時降低了控制器的運(yùn)行符合，使得控制器有更多資源可以用于執(zhí)行先進(jìn)控制功能。

    MCC項目中有236個溫度點(diǎn)，項目中使用了35臺羅斯蒙特848T多點(diǎn)溫度變送器，這些848T分布在16個H1網(wǎng)段上，實(shí)際使用的相關(guān)材料，工程調(diào)試等費(fèi)用節(jié)省超過50%。848T多點(diǎn)溫度變送器的使用，使得項目實(shí)際總儀表臺數(shù)較傳統(tǒng)方案降低了15%。

    2.3.3 MCC項目中的現(xiàn)場總線的輔助工具

    由基金會現(xiàn)場總線配合智能設(shè)備管理軟件（AMS），為MCC項目在開車階段降低了開車風(fēng)險。通過使用AMS軟件，用戶可以在控制室直接發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的安全故障，并提示工程人員及時處理，將近90%的安裝故障在開車前得以及時排除，節(jié)省了開車調(diào)試時間，項目比原計劃提前了二十幾天就順利開車了。

    3. MCC項目中基金會現(xiàn)場總線應(yīng)用的幾點(diǎn)問題

    3.1 現(xiàn)場總線噪音問題 

    通常現(xiàn)場總線應(yīng)用必然涉及到系統(tǒng)噪音問題，由于所有的現(xiàn)場設(shè)備完全連接到現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，連接處必然使用TAP接頭，這種接頭長期處于現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣的地方，就會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)噪音的現(xiàn)象，繼而出現(xiàn)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接錯誤的報警，而MCC項目也不例外。所以現(xiàn)場總線對現(xiàn)場的衛(wèi)生條件，現(xiàn)場的振動條件都有嚴(yán)格的要求。接頭每次停機(jī)都要進(jìn)行檢查，但是并不是檢查后就可以完全消除噪音。

    3.2 維修成本較高 

    在MCC項目中我們選用的大多數(shù)都是艾默生的儀表，但也有些其它公司的儀表，經(jīng)常會出現(xiàn)一些故障。在維修中，如果更換一臺儀表都會有很昂貴的費(fèi)用。減低這種費(fèi)用就要選擇信譽(yù)較好的廠家，使用其設(shè)備，如果設(shè)備的性能好，對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，同樣可以達(dá)到降低生產(chǎn)成本的效果，改善設(shè)備運(yùn)行性能。

    4. 總結(jié)

    MCC項目已在2009年6月順利開車試運(yùn)行。基金會現(xiàn)場總線在整個項目的運(yùn)用，減少了設(shè)備組態(tài)及調(diào)試時間；回路控制精度得到提高；PID功能下裝到現(xiàn)場設(shè)備，真正實(shí)現(xiàn)分散控制；現(xiàn)場智能設(shè)備的預(yù)警功能及時發(fā)現(xiàn)并排除設(shè)備潛在故障；使用AMS設(shè)備管理軟件縮短了開車時間。目前開車一年多以來，沒有發(fā)生過大的停車事故，保證了生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，提高了工廠的效益，受到用戶的一致好評。

    目前，基金會現(xiàn)場總線已經(jīng)成為很多工廠自動化系統(tǒng)的首選。相信在以后的更多工廠自動化系統(tǒng)中，我們可以看到基金會現(xiàn)場總線的身影。

    摘自《自動化博覽》2011年第三期