簡述現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

魏萬芳

摘 要 本文介紹現(xiàn)場總線在工業(yè)自動(dòng)控制中的廣泛應(yīng)用，并闡述了現(xiàn)場總線的定義、產(chǎn)生因素、類型、優(yōu)點(diǎn)，以及現(xiàn)場總線給工業(yè)自動(dòng)化控制帶來的變革。

關(guān)鍵詞 現(xiàn)場總線;控制系統(tǒng);拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1節(jié)省硬件數(shù)量與投資

由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感 、控制、報(bào)警和計(jì)算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的控制器、計(jì)算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控PC機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設(shè)備的減少，還可減少控制室的占地面積。

2節(jié)省安裝費(fèi)用

現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計(jì)與接頭校對的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時(shí)，無須增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測算資料，可節(jié)約安裝費(fèi)用60%以上。

3節(jié)省維護(hù)開銷

由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除[1]。縮短了維護(hù)停工時(shí)間，同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，連線簡單而減少了維護(hù)工作量。

4系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)

用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品被“框死”了設(shè)備的選擇范圍，不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過程中的主動(dòng)權(quán)完全掌握在用戶手中。

5準(zhǔn)確性與可靠性

由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)：減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和功能模塊化，因而還具有設(shè)計(jì)簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。

6智能化與功能自治性

它將傳感測量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

7對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性

工作在現(xiàn)場設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等[2]。

尤其現(xiàn)場總線中的基金會FF現(xiàn)場總線很適合于有爆炸危險(xiǎn)場所及磁干擾較嚴(yán)重的場所，在石油化工這個(gè)高危行業(yè)非常適用，下面對基金會現(xiàn)場總線FF在行業(yè)中的應(yīng)用做一些介紹：

基金會現(xiàn)場總線（Foundation Fieldbus）通常稱為FF現(xiàn)場總線，它分為HI和H2兩級總線。HI采用符合IEC 61158-2標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線物理層;H2則采用高速以太網(wǎng)為其物理層。

H1現(xiàn)場總線物理層的主要電氣特性如下：采用位同步數(shù)字化傳輸方式;傳輸波特率為31.25kbps，驅(qū)動(dòng)電壓9～32VDC;信號電流如±lA.;電纜為屏蔽雙絞線;接線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用線型、樹型、星型或者復(fù)合型;電纜長度小于等于1900m（無中繼器時(shí)）;分支電纜的長度30～120m;掛界設(shè)備數(shù)量小于等于32臺（無中繼器時(shí)）;可用中繼器小于等于4臺;適用防爆方法有本質(zhì)安全防爆方法等。H2則采用高速以太網(wǎng)為其物理層，傳輸速率為1Mkbs和2.5Mkbs，通信距離為750m和500m，物理傳輸介質(zhì)可支持比絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)場總線在一根屏蔽雙絞線電纜上完成對多臺現(xiàn)場儀表的供電和雙向數(shù)字通信?？刂?系統(tǒng)所配備的HI網(wǎng)卡通常只負(fù)責(zé)與現(xiàn)場儀表的雙向通信[3]。而總線的供電則需由專門的FF配電器完成。HI總線以段為單位，每塊HI網(wǎng)卡有兩個(gè)端口，每個(gè)端口連接一個(gè)段，而每一段需配一臺FF配電器?？偩€的兩端還需各配一個(gè)終端電阻，以消除高頻信號的回聲。

現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)層采用現(xiàn)場總線基金會FF HI總線和FF HSE總線。儀表控制系統(tǒng)所使用的FF智能儀表通過FFHl總線按照總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，根據(jù)安裝位置和功能劃分為8個(gè)網(wǎng)段， 每個(gè)網(wǎng)段有8～16臺設(shè)備，各網(wǎng)段間通過HSEJHl接口設(shè)備與HSE總線按照星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接。FF現(xiàn)場總線儀表可構(gòu)成控制回路、能夠提供更多過程信息或更多維護(hù)信息，具有設(shè)備遠(yuǎn)程調(diào)試和自診斷能力，維護(hù)方便。HI鏈路主設(shè)備LAS（具有鏈路活動(dòng)調(diào)度功能的設(shè)備，控制器、變送器均可以有此功能）可進(jìn)行冗余配置。傳統(tǒng)的離散數(shù)據(jù)和過程控制中標(biāo)準(zhǔn)的4～20M模擬儀表信號通過NCS-3000 FF分布式智能I/O引人控制系統(tǒng)， FF分布式智能I/O的主控制器間通過FFHSE總線互聯(lián)，安全連鎖、手/自動(dòng)控制、數(shù)值轉(zhuǎn)換等功能由主控制器實(shí)現(xiàn)，各主控制器能獨(dú)立運(yùn)行。

基金會現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，提高了系統(tǒng)工作的靠性，減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量，節(jié)省了投資，同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，連線簡單而減少了維護(hù)工作量，靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

8結(jié)束語

現(xiàn)場總線技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣為注的焦點(diǎn)課題，國際上現(xiàn)場總線的研究、開發(fā)，使測控系統(tǒng)沖破了長期封閉系統(tǒng)的禁錮，走上開放發(fā)展的征程，這對中國現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展是個(gè)極好的機(jī)會，也是一次嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展的大趨勢，現(xiàn)場總線技術(shù)受計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響是十分深刻的。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異，發(fā)展十分迅猛，這些具有重大影響的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)必將進(jìn)一步融合到現(xiàn)場總線技術(shù)之中，使現(xiàn)場總線技術(shù)以其獨(dú)樹一幟的技術(shù)優(yōu)勢帶動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化控制飛速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社， 1999：78.

[2] 郭瓊.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：34-36.

[3] 周明.現(xiàn)場總線控制[M].北京：中國電力出版社，2001：133.