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李  暉

1  現場總線技術
1.1  現場總線技術及其特點
“現場總線”名詞的出現，已有十幾年的歷史，在現場總線技術誕生的初期，它的主要功能是將當時的可編程邏輯控制器（PLC）以一種較簡潔的方式連接起來，后來隨著計算機技術和網絡技術的發展，逐步發展成為連接工業現場設備和控制室系統的全數字、雙向、多站點的通信技術。在過程控制領域內，它就是從控制室延伸到現場測量儀表、變送器和執行機構的數字通信總線。它取代了傳統模擬儀表單一的4~20mA傳輸信號，實現了現場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總線和智能儀表有以下幾種：基金會現場總線（Foundation Fieldbus）、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART等。
在工業控制領域，現場總線儀表與常規的模擬量儀表相比，有其特有的優勢，如：現場總線系統的接線十分簡單，一對雙絞線或一條電纜上通常可以掛接多個設備，因而可減少安裝的費用；現場總線儀表自身能直接執行多種控制計算和報警功能，進一步分散了控制風險；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，同一條總線上可連接多個制造商的產品。
1.2  目前現場總線技術在應用中的定位
由于現場總線設備有以上的優點，目前已經有基于現場總線儀表的現場網絡應用到實際生產中。雖然由于目前現場總線儀表內部功能較為簡單，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鎖功能。但有觀點認為隨著制造技術和通訊技術的發展，未來以現場總線為基礎的現場總線控制系統（FCS）將取代現有的DCS和PLC。不過，筆者認為任何應用于商業的技術，都應該是以降低生產成本、提高產品質量為基礎的，現場總線的技術發展也不應例外。也許當“FCS”的功能達到目前DCS的控制水平時，那時生產制造商的要求已經不僅僅局限于這些功能了。因此現場總線儀表在未來控制系統中的主要功能，仍然應該是進行信息收集，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完成，就像現有的DCS系統中的現場控制站和操作站一樣。
目前現場總線技術存在的合理性在于，它不僅僅能夠采集生產中的過程數據，如溫度、壓力等，還能夠通過網絡收集各個儀表自身的狀態數據，如量程、工作時間、故障情況等，通過這些數據來進行設備遠程診斷，可以提高設備維護的效率，有利于進一步降低生產成本。目前已經出現了基于現場總線技術的工廠資源管理系統（PRM，Plant Resource Manager）。
2  工廠資源管理系統
2.1  概述
隨著生產工業的競爭日趨激烈，產品成本成為競爭的重要因素，維護成本作為產品成本中的主要部分，也漸漸為生產廠商所關注，成為成本管理的焦點之一。
目前，Foundation Fieldbus（以下簡稱為FF）和其他現場總線產品已進入推廣階段。這些設備都具有在線獲取現場設備各種數據的能力，這就使得現場設備的故障預告和裝置的預測維護變成可能。同時，通過在中央控制室使用檢查計劃時間表、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際運行時間，提高生產效率。
YOKOGAWA開發的基于現場總線技術的工廠資源管理系統軟件包，是對現場設備遠程維護和預測維護的一個很好的嘗試。
PRM系統的特點包括：在線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方式，以及多種設備維護信息的管理方式，如檢查計劃時間表、檢查備忘錄等；允許維護人員及時調整現場設備的參數和相關信息；并且，可以實時的采集針對現場設備的操作信息，如參數整定的具體時間和人員信息等，這些信息也是設備維護的重要參數之一。圖1所示，為PRM維護信息顯示畫面（設備詳細信息畫面和設備檢查備忘錄畫面）。 

圖1  設備信息維護畫面

2.2  工廠資源管理系統在生產中的位置
工廠資源管理系統的信息來源是位于生產第一線的具有數字通訊能力的智能設備，如現場總線設備等；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，為現場維護人員提供設備的第一手資料，也可以位于生產廠的各個相關的管理部門，如生產管理部門、采購部門等。
如圖2所示為PRM在生產管理中的位置。PRM服務器是信息管理和處理中心；PRM客戶終端就如同DCS的操作站是生產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在工廠中的位置

2.3  功能和特點
PRM采用客戶/服務器結構。這就允許客戶隨著系統的擴展和現場設備的增加，隨時添加計算機終端作為PRM客戶端。同時客戶端計算機和服務器通過以太網連接，使得維護終端不再局限于工廠的內部。PRM用來存貯維護信息和設備信息的數據庫采用Oracle公司的產品，是一個可以24小時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，同時也能管理常規的4~20mA儀表以及其它的現場設備，如泵等。當然PRM功能的發揮，還是要依靠被管理的現場設備的數字通訊能力。FF設備、Profibus設備能提供令人滿意的設備信息，用以提高維護效率。同時，PRM對于那些不具備數字通訊能力的現場設備也能進行管理。這就使維護人員能夠對所有的現場設備進行集中管理，便于制定一個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似于WINDOWS中的資源管理器，并且可以對現場的設備采用三種分類方式進行管理：以生產裝置的工序或工段分類以設備的通訊網絡類型分類、以及以用戶自定義的設備類型分類。圖3所示，為以設備的通訊網絡類型分類時的PRM設備管理器。
在PRM設備資源管理器中，對每個設備的各種信息也作了歸類。表1列出了PRM可以管理的維護信息種類。這些設備信息都能保存在數據庫中，同時也能將具體進行設備維護人員的信息，以及進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，在設備參數維護畫面中，可以同時顯示現有的儀表參數和維護人員設定了的參數，如果兩個參數不一致，則以紅色突顯出來，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

(1)  設備診斷和參數整定
•  現場設備診斷功能
設備狀態遠程監視窗口允許在一個故障發生之后快速的檢查設備的狀態，減少了現場檢查的工作。當設備出現故障時，將產生報警提醒維護人員，同時也能夠像查看設備參數一樣，觀察設備的錯誤狀態信息。這些功能使維護人員能在第一時間獲得設備的故障信息，及時分析故障原因、制定相應的對策，以及快速的更換有問題設備，減少因儀表設備故障而導致的生產停頓。
•  現場設備參數調整
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。
•  閥門診斷功能
PRM專門針對閥門設計了診斷功能，它通過采集和積累閥門的信息，如使用時間、動作的頻度等，用來進行閥門的統計預防維護。統計預防維護不僅僅能提高維護的效率，而且也能通過延長閥門的檢修周期來提高工廠的生產效率。同時，積累的信息還能提供給生產操作人員，以尋求更適當的調節方法，提高了閥門的控制精度。在一個生產裝置中往往要使用大量的閥門，因此提高閥門的精度將會有助于提高生產的質量和產量。
當然，以上這些功能都需要具有智能通訊功能的現場儀表及閥門來支持，如FF總線儀表等。
(2)  維護檢查的記錄文檔和報表
在維護的過程中，對維護檢查工作的結果進行管理，形成一個工作記錄，將成為后續工作的一個非常有用的信息源。在PRM中維護人員可以將工作記錄寫入維護數據庫中，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生成或協助生成功能。在方便了維護人員的同時，也使得維護工作報告進入數據庫進行數字化管理。
(3)  現場設備信息資源共享
PRM允許其它網絡（如商務網絡）通過與現場總線網絡的連接來共享現場設備的信息，當然這種訪問需要PRM對訪問者的權限進行確認。而且，PRM不僅僅起到現場網絡和上位網絡的中介作用，而且還能針對不同的需要，將現場信息分類提供。如：將設備參數設定信息提供給生產操作部門；將設備的使用和備件信息提供給采購部門；將設備的診斷信息提供給設備維護部門等等。
通過現場網絡、控制網絡以及商務網絡的相互連接，實現了現場信息的充分共享，使管理人員、決策人員更準確的了解生產的情況，制定更切實的計劃和措施，將有助于提高企業的活力。
3  結論和展望
目前，國內大多數生產廠的儀表設備巡檢方式，還是依靠儀表人員的經驗在現場進行；儀表參數的修改和整定也同樣在現場手工完成。對于系統的維護則主要是通過定期的大修來預防和減少生產中設備故障的發生。也許，隨著現場總線設備的發展和普及，以及類似PRM的維護系統的出現和改進，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；通過數據庫工具、統計工具對每臺關鍵設備進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別設備的預測維護，大幅度增加裝置的有效運行時間，提高企業的生產效率。