摘要：

    現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )自1984年成立以來(lái)，經(jīng)過(guò)二十幾年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一個(gè)成熟的，開(kāi)放的、全數字化的工業(yè)通信系統。本文通過(guò)描述基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)在寧波三菱化學(xué)有限公司的DCS系統項目中的應用，結合本人在該項目中的實(shí)際工作經(jīng)歷，介紹基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)的概念，并分析了它的優(yōu)點(diǎn)與不足。
關(guān)鍵詞：基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)，DCS系統，工廠(chǎng)自動(dòng)化

    1.基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)的簡(jiǎn)介

    1.1 基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)的定義

    什么是基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)？基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)是一種全數字，串行，雙向通信系統。它用于工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )底層網(wǎng)絡(luò )或工廠(chǎng)自動(dòng)化環(huán)境。其適用的應用場(chǎng)合有基本和復雜管理控制的場(chǎng)合，以及與上述功能相關(guān)的，帶很多離散控制的應用。
目前H1是基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)最常用的方案，H1的通訊速率為31.25千字節/秒，通常用于連接現場(chǎng)設備。它通過(guò)雙絞線(xiàn)實(shí)現通信和供電。在艾默生過(guò)程管理公司的DCS系統中就有H1卡件來(lái)實(shí)現基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)的功能。

    1.2 基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)

    傳統的模擬和離散現場(chǎng)儀表采用點(diǎn)對點(diǎn)連接方式，每個(gè)設備采用一對線(xiàn)纜。同時(shí)也受限于傳送單個(gè)信息——通常是通過(guò)線(xiàn)纜傳送過(guò)程變量或控制輸出。而基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)則不會(huì )受到上述情況的制約。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

    （1）多點(diǎn)接線(xiàn)?；饡?huì )現場(chǎng)總線(xiàn)的一個(gè)線(xiàn)纜（稱(chēng)為網(wǎng)段）上最多可帶32個(gè)設備——如果采用中繼器則更多。但在實(shí)際使用中，考慮到供電，過(guò)程模塊化和回路執行速度等因素，一般一個(gè)H1網(wǎng)段上連接4到16個(gè)設備。其中閥門(mén)控制器不建議超過(guò)2個(gè)。這就意味著(zhù)當有1000對設備，如果采用傳統技術(shù)您需要1000對線(xiàn)，而采用基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)，只需要60到250對線(xiàn)，這將為最終用戶(hù)節省大筆的接線(xiàn)費用成本和接線(xiàn)裝置。

    （2）多變量?jì)x表。一個(gè)節點(diǎn)上可以處理來(lái)自同一現場(chǎng)設備上的多個(gè)變量。例如，一個(gè)溫度變送器可以與多達八個(gè)傳感器的輸入進(jìn)行通信。它同時(shí)降低了接線(xiàn)和儀表費用。多個(gè)設備的功能通過(guò)一個(gè)設備來(lái)完成，還提高了安全性并降低短時(shí)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(mén)控制器可以接收來(lái)自主系統或其他控制源的控制輸出，并將閥門(mén)當前位置送出去，從而實(shí)現更為精確的控制。而采用模擬量，就必須增加另一對線(xiàn)方可實(shí)現該功能。

    （4）新型信息。傳統模擬量和離散量設備無(wú)法通知您它們是否運行正常，或是發(fā)送的過(guò)程信息是否有效。所以技術(shù)員不得不花大量的時(shí)間來(lái)確認設備的運行狀態(tài)。而基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)設備不同。它們可以告訴您其運行是否正常，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(guò)程問(wèn)題，可以提前發(fā)現并解決。

    2. DCS項目中基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)的應用

    2.1 MCC項目的簡(jiǎn)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(huì )社(90%)(三菱化學(xué)株式會(huì )社61%、伊藤忠商事株式會(huì )社35%、三菱商事株式會(huì )社4%)和中方股東中國中信集團公司出資，主要生產(chǎn)和銷(xiāo)售PTA(精對苯二甲酸)。

    2008年7月，艾默生過(guò)程控制有限公司為寧波三菱化學(xué)有限公司提供工廠(chǎng)自動(dòng)化系統這一項目（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MCC項目）正式開(kāi)工。該工廠(chǎng)自動(dòng)化系統包括DCS（離散控制系統）和SIS（緊急停車(chē)系統）兩部分。本人負責的就是其中的DCS系統。整個(gè)DCS系統中，有模擬量輸入點(diǎn)440，模擬量輸出點(diǎn)162。其中帶有現場(chǎng)總線(xiàn)的模擬量輸入點(diǎn)就有403，占總模擬輸入點(diǎn)的91.5%; 帶有現場(chǎng)總線(xiàn)模擬量輸出點(diǎn)158，占總模擬輸出點(diǎn)的97.5%。所以說(shuō)基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)在MCC項目中起著(zhù)主導地位。

    2.2 MCC項目的系統網(wǎng)絡(luò )結構

    （1) 操作站：控制室內包括5臺操作站，1臺工程師站，1臺APP應用工作站（用于工廠(chǎng)管理），兩對HUB。操作員站作為人機接口供操作人員對現場(chǎng)工藝過(guò)程進(jìn)行監控。工程師站用于系統的開(kāi)發(fā)和組態(tài)，包含系統全部數據庫。應用工作站主要用于歷史數據的采集與存儲。中控室的這些設備通過(guò)HUB利用以太網(wǎng)與現場(chǎng)的控制機柜連接形成系統，完成組態(tài)，運行，操作等完整的控制功能。

    （2) 控制網(wǎng)絡(luò )：為了系統的可靠，我們?yōu)樵撓到y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(guò)兩個(gè)不同的HUB接入位于現場(chǎng)的兩個(gè)控制機柜中的兩個(gè)不同的HUB，建立了兩條完全獨立的網(wǎng)絡(luò )，形成冗余的主副網(wǎng)絡(luò )集線(xiàn)器，提高了系統的可靠性。
   
    （3) 控制器：系統中配有兩套DCS控制機柜，每套機柜中裝有一些傳統卡件（AI，AO，DI，DO）和H1卡件。其中為了保證系統的穩定性，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?？刂破鳛镸D+控制器，具有管理所有I/O卡件的控制活動(dòng)；管理所有的網(wǎng)絡(luò )通信功能；管理時(shí)間抽樣、報警、趨勢對象；執行控制策略，在100ms內完成從輸入通道取信號，控制策略執行，傳送結果到輸出通道。
每對DCS控制器下冗余H1卡可通過(guò)總線(xiàn)方式將現場(chǎng)總線(xiàn)設備信號連接到DCS系統中，連接電纜為屏蔽雙絞線(xiàn)。H1卡下帶有2個(gè)port，即兩個(gè)干線(xiàn)段（segment），通過(guò)P+F安全柵模盒連接現場(chǎng)總線(xiàn)儀表，每個(gè)干線(xiàn)段最多帶12臺總線(xiàn)儀表。

    2.3 MCC項目中的現場(chǎng)總線(xiàn)

    2.3.1 MCC項目中的現場(chǎng)總線(xiàn)設計

    基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)段設計可用總線(xiàn)網(wǎng)段設計軟件（Segment Design Tool）自動(dòng)生成圖紙，下圖2就是MCC項目中的某個(gè)網(wǎng)段設計圖紙，由H1卡件連接現場(chǎng)總線(xiàn)的電源，由電源驅動(dòng)接線(xiàn)盒下連接的各個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)儀表。

                       
                               圖2

    利用總線(xiàn)網(wǎng)段設計軟件還可自動(dòng)分析出網(wǎng)段中的設計是否符合規范，簡(jiǎn)化了設計流程，也為項目的設計進(jìn)度贏(yíng)得了寶貴的時(shí)間。

    每個(gè)網(wǎng)段中都會(huì )選擇一臺簡(jiǎn)單的不帶控制策略的現場(chǎng)總線(xiàn)設備作為鏈路活動(dòng)調度器（LAS）。LAS的功能可為網(wǎng)段上的設備之間維護中央的，確定性通信調度。通過(guò)強迫個(gè)設備在其預定的時(shí)間周期性傳送數據，它全面提高通信的可靠性。也就是說(shuō)當整個(gè)網(wǎng)段中的某一設備沒(méi)有響應鏈路活動(dòng)調度器的強迫數據消息，鏈路活動(dòng)調度器將再次發(fā)送消息--強迫該設備發(fā)布信息。當鏈路活動(dòng)調度器失效時(shí)，會(huì )由網(wǎng)段中的備用鏈路活動(dòng)調度器成為主調度器，接管其功能。這就意味基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)的設計可以更好地避免系統性能衰減，并進(jìn)一步增加可靠性。
MCC項目的每個(gè)網(wǎng)段還配備了P+F的高級診斷模塊，用來(lái)實(shí)時(shí)地監控每個(gè)網(wǎng)段的運行狀況。用戶(hù)可以通過(guò)分析波形，幫助客戶(hù)了解整個(gè)網(wǎng)段的健康狀況,對于可能發(fā)生的故障有很好的預防作用。

    2.3.2 MCC項目中的現場(chǎng)總線(xiàn)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), 還有費希爾閥門(mén)和數字閥門(mén)定位器等。其中大部分都是現場(chǎng)總線(xiàn)儀表，與常規模擬儀表控制回路不同的是：現場(chǎng)總線(xiàn)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行單元合為一體。

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

    MCC項目中有236個(gè)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(gè)H1網(wǎng)段上，實(shí)際使用的相關(guān)材料，工程調試等費用節省超過(guò)50%。848T多點(diǎn)溫度變送器的使用，使得項目實(shí)際總儀表臺數較傳統方案降低了15%。

    2.3.3 MCC項目中的現場(chǎng)總線(xiàn)的輔助工具

    由基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)配合智能設備管理軟件（AMS），為MCC項目在開(kāi)車(chē)階段降低了開(kāi)車(chē)風(fēng)險。通過(guò)使用AMS軟件，用戶(hù)可以在控制室直接發(fā)現現場(chǎng)設備的安全故障，并提示工程人員及時(shí)處理，將近90%的安裝故障在開(kāi)車(chē)前得以及時(shí)排除，節省了開(kāi)車(chē)調試時(shí)間，項目比原計劃提前了二十幾天就順利開(kāi)車(chē)了。

    3. MCC項目中基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)應用的幾點(diǎn)問(wèn)題

    3.1 現場(chǎng)總線(xiàn)噪音問(wèn)題 

    通?，F場(chǎng)總線(xiàn)應用必然涉及到系統噪音問(wèn)題，由于所有的現場(chǎng)設備完全連接到現場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )當中，連接處必然使用TAP接頭，這種接頭長(cháng)期處于現場(chǎng)環(huán)境較為惡劣的地方，就會(huì )出現網(wǎng)絡(luò )噪音的現象，繼而出現設備與網(wǎng)絡(luò )連接錯誤的報警，而MCC項目也不例外。所以現場(chǎng)總線(xiàn)對現場(chǎng)的衛生條件，現場(chǎng)的振動(dòng)條件都有嚴格的要求。接頭每次停機都要進(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都是艾默生的儀表，但也有些其它公司的儀表，經(jīng)常會(huì )出現一些故障。在維修中，如果更換一臺儀表都會(huì )有很昂貴的費用。減低這種費用就要選擇信譽(yù)較好的廠(chǎng)家，使用其設備，如果設備的性能好，對環(huán)境適應能力強，同樣可以達到降低生產(chǎn)成本的效果，改善設備運行性能。

    4. 總結

    MCC項目已在2009年6月順利開(kāi)車(chē)試運行?；饡?huì )現場(chǎng)總線(xiàn)在整個(gè)項目的運用，減少了設備組態(tài)及調試時(shí)間；回路控制精度得到提高；PID功能下裝到現場(chǎng)設備，真正實(shí)現分散控制；現場(chǎng)智能設備的預警功能及時(shí)發(fā)現并排除設備潛在故障；使用AMS設備管理軟件縮短了開(kāi)車(chē)時(shí)間。目前開(kāi)車(chē)一年多以來(lái)，沒(méi)有發(fā)生過(guò)大的停車(chē)事故，保證了生產(chǎn)裝置的穩定運行，提高了工廠(chǎng)的效益，受到用戶(hù)的一致好評。

    目前，基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)已經(jīng)成為很多工廠(chǎng)自動(dòng)化系統的首選。相信在以后的更多工廠(chǎng)自動(dòng)化系統中，我們可以看到基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)的身影。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第三期