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    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有限公司的DCS系統(tǒng)項目中的應用，結(jié)合本人在該項目中的實際工作經(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。其適用的應用場合有基本和復雜管理控制的場合，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

    傳統(tǒng)的模擬和離散現(xiàn)場儀表采用點對點連接方式，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：

    （1）多點接線。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)省大筆的接線費用成本和接線裝置。

    （2）多變量儀表。一個節(jié)點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八個傳感器的輸入進行通信。它同時降低了接線和儀表費用。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險。

    （3）雙向通信。此外，信息傳送是雙向進行的。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，并將閥門當前位置送出去，從而實現(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設(shè)備的運行狀態(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)場總線的應用

    2.1 MCC項目的簡介

    寧波三菱化學有限公司創(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。本人負責的就是其中的DCS系統(tǒng)。整個DCS系統(tǒng)中，有模擬量輸入點440，模擬量輸出點162。其中帶有現(xiàn)場總線的模擬量輸入點就有403，占總模擬輸入點的91.5%; 帶有現(xiàn)場總線模擬量輸出點158，占總模擬輸出點的97.5%。所以說基金會現(xiàn)場總線在MCC項目中起著主導地位。

    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應用工作站（用于工廠管理），兩對HUB。操作員站作為人機接口供操作人員對現(xiàn)場工藝過程進行監(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)場的控制機柜連接形成系統(tǒng)，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(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)場的兩個控制機柜中的兩個不同的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控制機柜，每套機柜中裝有一些傳統(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)備之間維護中央的，確定性通信調(diào)度。通過強迫個設(shè)備在其預定的時間周期性傳送數(shù)據(jù)，它全面提高通信的可靠性。也就是說當整個網(wǎng)段中的某一設(shè)備沒有響應鏈路活動調(diào)度器的強迫數(shù)據(jù)消息，鏈路活動調(diào)度器將再次發(fā)送消息--強迫該設(shè)備發(fā)布信息。當鏈路活動調(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，用來實時地監(jiān)控每個網(wǎng)段的運行狀況。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確性，縮短了控制周期，同時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(zhí)行先進控制功能。

    MCC項目中有236個溫度點，項目中使用了35臺羅斯蒙特848T多點溫度變送器，這些848T分布在16個H1網(wǎng)段上，實際使用的相關(guān)材料，工程調(diào)試等費用節(jié)省超過50%。848T多點溫度變送器的使用，使得項目實際總儀表臺數(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)場總線應用的幾點問題

    3.1 現(xiàn)場總線噪音問題 

    通常現(xiàn)場總線應用必然涉及到系統(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格的要求。接頭每次停機都要進行檢查，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用。減低這種費用就要選擇信譽較好的廠家，使用其設(shè)備，如果設(shè)備的性能好，對環(huán)境適應能力強，同樣可以達到降低生產(chǎn)成本的效果，改善設(shè)備運行性能。

    4. 總結(jié)

    MCC項目已在2009年6月順利開車試運行。基金會現(xiàn)場總線在整個項目的運用，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，真正實現(xiàn)分散控制；現(xiàn)場智能設(shè)備的預警功能及時發(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