李  暉

1  現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)
1.1  現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及其特點(diǎn)
“現場(chǎng)總線(xiàn)”名詞的出現，已有十幾年的歷史，在現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)誕生的初期，它的主要功能是將當時(shí)的可編程邏輯控制器（PLC）以一種較簡(jiǎn)潔的方式連接起來(lái)，后來(lái)隨著(zhù)計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，逐步發(fā)展成為連接工業(yè)現場(chǎng)設備和控制室系統的全數字、雙向、多站點(diǎn)的通信技術(shù)。在過(guò)程控制領(lǐng)域內，它就是從控制室延伸到現場(chǎng)測量?jì)x表、變送器和執行機構的數字通信總線(xiàn)。它取代了傳統模擬儀表單一的4~20mA傳輸信號，實(shí)現了現場(chǎng)設備與控制室主控設備間的雙向、數字化的多信息交換。
目前國內國際的幾種常用的具有影響的現場(chǎng)總線(xiàn)和智能儀表有以下幾種：基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)（Foundation Fieldbus）、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART等。
在工業(yè)控制領(lǐng)域，現場(chǎng)總線(xiàn)儀表與常規的模擬量?jì)x表相比，有其特有的優(yōu)勢，如：現場(chǎng)總線(xiàn)系統的接線(xiàn)十分簡(jiǎn)單，一對雙絞線(xiàn)或一條電纜上通?？梢?huà)旖佣鄠€(gè)設備，因而可減少安裝的費用；現場(chǎng)總線(xiàn)儀表自身能直接執行多種控制計算和報警功能，進(jìn)一步分散了控制風(fēng)險；具有數字通訊和診斷能力，提高了系統的精度和可靠性；通訊標準相對統一，同一條總線(xiàn)上可連接多個(gè)制造商的產(chǎn)品。
1.2  目前現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在應用中的定位
由于現場(chǎng)總線(xiàn)設備有以上的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)有基于現場(chǎng)總線(xiàn)儀表的現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )應用到實(shí)際生產(chǎn)中。雖然由于目前現場(chǎng)總線(xiàn)儀表內部功能較為簡(jiǎn)單，這種結構還遠遠不能達到現有DCS或PLC的控制水平，也不能完成復雜的順序控制和聯(lián)鎖功能。但有觀(guān)點(diǎn)認為隨著(zhù)制造技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)以現場(chǎng)總線(xiàn)為基礎的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）將取代現有的DCS和PLC。不過(guò)，筆者認為任何應用于商業(yè)的技術(shù)，都應該是以降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量為基礎的，現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)發(fā)展也不應例外。也許當“FCS”的功能達到目前DCS的控制水平時(shí)，那時(shí)生產(chǎn)制造商的要求已經(jīng)不僅僅局限于這些功能了。因此現場(chǎng)總線(xiàn)儀表在未來(lái)控制系統中的主要功能，仍然應該是進(jìn)行信息收集，應該是信息量更多、速度更快、精度更高的數據收集系統，而不是進(jìn)行中央數據處理，系統中大量信息的處理仍應由功能更強大的中央計算機來(lái)完成，就像現有的DCS系統中的現場(chǎng)控制站和操作站一樣。
目前現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)存在的合理性在于，它不僅僅能夠采集生產(chǎn)中的過(guò)程數據，如溫度、壓力等，還能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )收集各個(gè)儀表自身的狀態(tài)數據，如量程、工作時(shí)間、故障情況等，通過(guò)這些數據來(lái)進(jìn)行設備遠程診斷，可以提高設備維護的效率，有利于進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。目前已經(jīng)出現了基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的工廠(chǎng)資源管理系統（PRM，Plant Resource Manager）。
2  工廠(chǎng)資源管理系統
2.1  概述
隨著(zhù)生產(chǎn)工業(yè)的競爭日趨激烈，產(chǎn)品成本成為競爭的重要因素，維護成本作為產(chǎn)品成本中的主要部分，也漸漸為生產(chǎn)廠(chǎng)商所關(guān)注，成為成本管理的焦點(diǎn)之一。
目前，Foundation Fieldbus（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為FF）和其他現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品已進(jìn)入推廣階段。這些設備都具有在線(xiàn)獲取現場(chǎng)設備各種數據的能力，這就使得現場(chǎng)設備的故障預告和裝置的預測維護變成可能。同時(shí)，通過(guò)在中央控制室使用檢查計劃時(shí)間表、檢查備忘錄等一系列預測維護工具，不僅能夠大幅度的降低維護成本，而且能夠增加裝置的實(shí)際運行時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。
YOKOGAWA開(kāi)發(fā)的基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的工廠(chǎng)資源管理系統軟件包，是對現場(chǎng)設備遠程維護和預測維護的一個(gè)很好的嘗試。
PRM系統的特點(diǎn)包括：在線(xiàn)收集并存儲具有數字交互通訊功能儀表設備（如FF設備等）的參數，并集成了一些預測維護的軟件工具；提供了多種設備分類(lèi)方式，以及多種設備維護信息的管理方式，如檢查計劃時(shí)間表、檢查備忘錄等；允許維護人員及時(shí)調整現場(chǎng)設備的參數和相關(guān)信息；并且，可以實(shí)時(shí)的采集針對現場(chǎng)設備的操作信息，如參數整定的具體時(shí)間和人員信息等，這些信息也是設備維護的重要參數之一。圖1所示，為PRM維護信息顯示畫(huà)面（設備詳細信息畫(huà)面和設備檢查備忘錄畫(huà)面）。 

圖1  設備信息維護畫(huà)面

2.2  工廠(chǎng)資源管理系統在生產(chǎn)中的位置
工廠(chǎng)資源管理系統的信息來(lái)源是位于生產(chǎn)第一線(xiàn)的具有數字通訊能力的智能設備，如現場(chǎng)總線(xiàn)設備等；它的信息處理中心和遠程維護終端既可以位于中央控制室，為現場(chǎng)維護人員提供設備的第一手資料，也可以位于生產(chǎn)廠(chǎng)的各個(gè)相關(guān)的管理部門(mén)，如生產(chǎn)管理部門(mén)、采購部門(mén)等。
如圖2所示為PRM在生產(chǎn)管理中的位置。PRM服務(wù)器是信息管理和處理中心；PRM客戶(hù)終端就如同DCS的操作站是生產(chǎn)操作人員的操作平臺一樣，是維護人員和設備管理人員的維護管理信息平臺。 

圖2  PRM在工廠(chǎng)中的位置

2.3  功能和特點(diǎn)
PRM采用客戶(hù)/服務(wù)器結構。這就允許客戶(hù)隨著(zhù)系統的擴展和現場(chǎng)設備的增加，隨時(shí)添加計算機終端作為PRM客戶(hù)端。同時(shí)客戶(hù)端計算機和服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)連接，使得維護終端不再局限于工廠(chǎng)的內部。PRM用來(lái)存貯維護信息和設備信息的數據庫采用Oracle公司的產(chǎn)品，是一個(gè)可以24小時(shí)連續運行的大型數據庫。
PRM具有良好的兼容性。它不僅僅支持FF設備，還支持Profibus設備、Modbus設備、HART儀表，同時(shí)也能管理常規的4~20mA儀表以及其它的現場(chǎng)設備，如泵等。當然PRM功能的發(fā)揮，還是要依靠被管理的現場(chǎng)設備的數字通訊能力。FF設備、Profibus設備能提供令人滿(mǎn)意的設備信息，用以提高維護效率。同時(shí)，PRM對于那些不具備數字通訊能力的現場(chǎng)設備也能進(jìn)行管理。這就使維護人員能夠對所有的現場(chǎng)設備進(jìn)行集中管理，便于制定一個(gè)針對各種設備的最適合的維護計劃。
PRM提供多種的遠程維護和預測維護功能，具體如下：
設備的維護信息管理。PRM的設備信息管理方式類(lèi)似于WINDOWS中的資源管理器，并且可以對現場(chǎng)的設備采用三種分類(lèi)方式進(jìn)行管理：以生產(chǎn)裝置的工序或工段分類(lèi)以設備的通訊網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型分類(lèi)、以及以用戶(hù)自定義的設備類(lèi)型分類(lèi)。圖3所示，為以設備的通訊網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型分類(lèi)時(shí)的PRM設備管理器。
在PRM設備資源管理器中，對每個(gè)設備的各種信息也作了歸類(lèi)。表1列出了PRM可以管理的維護信息種類(lèi)。這些設備信息都能保存在數據庫中，同時(shí)也能將具體進(jìn)行設備維護人員的信息，以及進(jìn)行維護操作的原因等一同記錄在數據庫中。 

圖3  PRM設備資源管理器畫(huà)面

PRM不僅提供了數據的存儲，而且提供了新舊參數的比較功能，在設備參數維護畫(huà)面中，可以同時(shí)顯示現有的儀表參數和維護人員設定了的參數，如果兩個(gè)參數不一致，則以紅色突顯出來(lái)，使得設備參數的修改更加方便和安全。

表1  PRM維護信息分類(lèi)

(1)  設備診斷和參數整定
•  現場(chǎng)設備診斷功能
設備狀態(tài)遠程監視窗口允許在一個(gè)故障發(fā)生之后快速的檢查設備的狀態(tài)，減少了現場(chǎng)檢查的工作。當設備出現故障時(shí)，將產(chǎn)生報警提醒維護人員，同時(shí)也能夠像查看設備參數一樣，觀(guān)察設備的錯誤狀態(tài)信息。這些功能使維護人員能在第一時(shí)間獲得設備的故障信息，及時(shí)分析故障原因、制定相應的對策，以及快速的更換有問(wèn)題設備，減少因儀表設備故障而導致的生產(chǎn)停頓。
•  現場(chǎng)設備參數調整
PRM針對FF設備集成了遠程調校功能。它不僅能對儀表的參數進(jìn)行顯示、比較以及設定，而且還可以將特殊設備的調校方法和順序記錄在“設備描述”中，用以方便維護人員操作。
•  閥門(mén)診斷功能
PRM專(zhuān)門(mén)針對閥門(mén)設計了診斷功能，它通過(guò)采集和積累閥門(mén)的信息，如使用時(shí)間、動(dòng)作的頻度等，用來(lái)進(jìn)行閥門(mén)的統計預防維護。統計預防維護不僅僅能提高維護的效率，而且也能通過(guò)延長(cháng)閥門(mén)的檢修周期來(lái)提高工廠(chǎng)的生產(chǎn)效率。同時(shí)，積累的信息還能提供給生產(chǎn)操作人員，以尋求更適當的調節方法，提高了閥門(mén)的控制精度。在一個(gè)生產(chǎn)裝置中往往要使用大量的閥門(mén)，因此提高閥門(mén)的精度將會(huì )有助于提高生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量。
當然，以上這些功能都需要具有智能通訊功能的現場(chǎng)儀表及閥門(mén)來(lái)支持，如FF總線(xiàn)儀表等。
(2)  維護檢查的記錄文檔和報表
在維護的過(guò)程中，對維護檢查工作的結果進(jìn)行管理，形成一個(gè)工作記錄，將成為后續工作的一個(gè)非常有用的信息源。在PRM中維護人員可以將工作記錄寫(xiě)入維護數據庫中，使得維護工作記錄的便于保存和檢索，同時(shí)也是預測維護的重要數據之一。
此外，PRM還具有維護工作報告自動(dòng)生成或協(xié)助生成功能。在方便了維護人員的同時(shí)，也使得維護工作報告進(jìn)入數據庫進(jìn)行數字化管理。
(3)  現場(chǎng)設備信息資源共享
PRM允許其它網(wǎng)絡(luò )（如商務(wù)網(wǎng)絡(luò )）通過(guò)與現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的連接來(lái)共享現場(chǎng)設備的信息，當然這種訪(fǎng)問(wèn)需要PRM對訪(fǎng)問(wèn)者的權限進(jìn)行確認。而且，PRM不僅僅起到現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )和上位網(wǎng)絡(luò )的中介作用，而且還能針對不同的需要，將現場(chǎng)信息分類(lèi)提供。如：將設備參數設定信息提供給生產(chǎn)操作部門(mén)；將設備的使用和備件信息提供給采購部門(mén)；將設備的診斷信息提供給設備維護部門(mén)等等。
通過(guò)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )、控制網(wǎng)絡(luò )以及商務(wù)網(wǎng)絡(luò )的相互連接，實(shí)現了現場(chǎng)信息的充分共享，使管理人員、決策人員更準確的了解生產(chǎn)的情況，制定更切實(shí)的計劃和措施，將有助于提高企業(yè)的活力。
3  結論和展望
目前，國內大多數生產(chǎn)廠(chǎng)的儀表設備巡檢方式，還是依靠?jì)x表人員的經(jīng)驗在現場(chǎng)進(jìn)行；儀表參數的修改和整定也同樣在現場(chǎng)手工完成。對于系統的維護則主要是通過(guò)定期的大修來(lái)預防和減少生產(chǎn)中設備故障的發(fā)生。也許，隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)設備的發(fā)展和普及，以及類(lèi)似PRM的維護系統的出現和改進(jìn)，傳統的維護方式也將隨之改變。設備的中央巡檢、中央整定將成為基本的操作；通過(guò)數據庫工具、統計工具對每臺關(guān)鍵設備進(jìn)行預測分析及可靠性評估，將使系統定期的大修成為歷史，取而代之的將是針對個(gè)別設備的預測維護，大幅度增加裝置的有效運行時(shí)間，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。