數(shù)字通信技術(shù)的產(chǎn)生，大大優(yōu)化了工廠的接線。您可以在同一個線路中安裝多臺設(shè)備，傳遞多個信號，這就能夠讓信號在同一個物理層中的傳輸速度更快。應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，橋架、線槽、終端、輸入輸出卡、安全柵以及控制線路等數(shù)量都減少了。由于接線的減少，在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、相關(guān)文件的編制等方面也更加方便了，而回路的檢查和調(diào)試速度則由于數(shù)字結(jié)構(gòu)帶來的自動化而大大加快。 總的來說，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用可以使自動化項(xiàng)目的工程成本降低30%之多。 因?yàn)橐粋€典型的工廠運(yùn)作通常會持續(xù)15年或者更久，因此現(xiàn)場總線技術(shù)擁有的一項(xiàng)關(guān)鍵性優(yōu)勢是，它可以提供一個數(shù)字平臺，這個平臺對于今后技術(shù)和軟件的升級及變化具有極強(qiáng)的兼容性。
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圖1：基于EDDL制造的手持式通信工具可用于野外工作。
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過程自動化中的總線技術(shù)
過程控制、工廠自動化，以及機(jī)器人技術(shù)等等，為控制方面帶來了不同的挑戰(zhàn)， 因此需要不同的總線技術(shù)。 在24種總線技術(shù)中， 過程自動化基本上會用到 三種協(xié)議：HART、基金會現(xiàn)場總線以及PROFIBUS-DP協(xié)議。 在應(yīng)用HART 和基金會現(xiàn)場總線的現(xiàn)代工廠控制系統(tǒng)中，這幾種協(xié)議得到廣泛的支持，這些系統(tǒng)同時支持手操器的遠(yuǎn)程使用。
基金會現(xiàn)場總線 H1
在精煉廠和石化工廠的設(shè)備目錄上可能有數(shù)百甚至數(shù)千臺設(shè)備，由于每條電纜可連接6至8臺或更多的設(shè)備以求設(shè)備工作能力的最大化，因此布線將大大減少。
基金會現(xiàn)場總線H1協(xié)議以其獨(dú)特的性能滿足控制方面的要求，是石化和精煉行業(yè)以及許多其它行業(yè)的不二之選。 在常規(guī)過程控制中，如PID和流量測量累計(jì)，要求輸入輸出的采樣過程有準(zhǔn)確的周期， 并且同通信和控制同步。在這里避免混淆、避免延長反應(yīng)時間、避免由于通訊繁忙帶來的不穩(wěn)定性是有必要的。 同樣地，對于非實(shí)時通信必須有信道隔離，以防止其產(chǎn)生對實(shí)時通信的干擾。H1協(xié)議還滿足以下總線方面的要求：從控制室到現(xiàn)場之間的遠(yuǎn)距離工作；可以有長的分支以滿足拓?fù)涞撵`活性；支持用于設(shè)備配置和診斷的電子設(shè)備描述語言(EDDL)；實(shí)現(xiàn)即插即可調(diào)試的自動尋址功能；總線供電；可在危險區(qū)域帶電作業(yè)的本安功能。
基金會現(xiàn)場總線H1所獨(dú)有的IEC-6180402功能塊語言，可以用來制定控制策略。
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協(xié)議名稱 |
基金會現(xiàn)場總線H1 |
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距離 |
1.9 km或者使用中繼器可達(dá)9.5 km |
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每個網(wǎng)段的可掛接設(shè)備 |
32 (理論上), 8-16 (實(shí)際應(yīng)用) |
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總線供電 |
是 |
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本安 |
是 |
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通訊速率 |
31.25 kbit/s |
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分支長度 |
max 120 m |
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每個總線上的設(shè)備 |
240 (理論上), 8-16 (實(shí)際) |
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通訊關(guān)系 |
周期性的發(fā)布訂閱，點(diǎn)到點(diǎn)的主從方式，報(bào)警發(fā)布 |
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數(shù)據(jù) |
循環(huán)的 IO與非循環(huán)的設(shè)備數(shù)據(jù) |
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EDDL 支持 |
是 |
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自動分配地址 |
是 |
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其他 |
根據(jù)模塊和參數(shù)組織數(shù)據(jù) |
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設(shè)備類型 |
溫度,壓力, 液位,流量, 密度,和電導(dǎo)計(jì) and 濃度變送器
電導(dǎo), pH/ORP, 電阻, 融氧, 和氧分析
機(jī)械健康監(jiān)控
閥門定位器, 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu),離散開關(guān),開關(guān)閥
信號轉(zhuǎn)換器 |
H1功能塊的執(zhí)行與通信功能的執(zhí)行是同步的，這樣死區(qū)時間就可以降到最低，并可達(dá)到更佳的控制效果。為了減少網(wǎng)絡(luò)通訊負(fù)荷，還可以選擇在現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制。新的快速數(shù)字現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行控制回路的時間可以達(dá)到250ms，甚至可以滿足最嚴(yán)格的過程技術(shù)要求，所以完全能夠獲得過程認(rèn)證部門的許可。
HART協(xié)議
在同一根雙線上面，HART協(xié)議采用數(shù)字通訊和4-20mA技術(shù)相結(jié)合的方式來連接單個設(shè)備，這種方式還可以用作純粹的多分支數(shù)字總線。
HART協(xié)議支持的設(shè)備類型范圍幾乎跟基金會現(xiàn)場總線相同。 另外，HART還用于安全儀表系統(tǒng)的變送器和閥門定位器。
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協(xié)議名稱 |
HART |
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距離 |
3 km |
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每個網(wǎng)段掛接設(shè)備 |
15 (可以), 1 (通常) |
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總線供電 |
是 |
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本安 |
是 |
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通訊速率 |
1.2 kbit/s |
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分支長度 |
N/A |
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每個總線掛接設(shè)備 |
15 (可以), 1 (通常) |
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通訊關(guān)系 |
主從輪詢 |
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數(shù)據(jù) |
通常僅有非周期數(shù)據(jù) |
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EDDL 支持 |
是 |
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否 | |
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其他 |
基于命令 |
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設(shè)備類型 |
溫度,壓力, 液位,流量, 密度,和電導(dǎo)計(jì) 和 濃度變送器電導(dǎo), pH/ORP, 電阻, 融氧, 和氧分析
閥門定位器 |
圖2： 智能安全邏輯處理器與HART通訊
PROFIBUS-DP協(xié)議
PROFIBUS-DP協(xié)議用于幾種不同的組態(tài)，并采用RS485接口。請注意，離散式近接開關(guān)、線圈和其它簡單的開關(guān)設(shè)備并不使用PROFIBUS來連接。 然而，PROFIBUS上的遠(yuǎn)程I/O子系統(tǒng)會通過傳統(tǒng)的線路來連接離散式的信號。
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協(xié)議名稱 |
PROFIBUS-DP |
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距離 |
1.2 km at 93.75 bit/s or below, 100 m at 3 Mbit/s 或更高 |
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每個網(wǎng)段掛接設(shè)備 |
32 |
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總線供電 |
否 |
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本安 |
否 |
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通訊速率 |
9.6/19.2/45.45/93.75/187.5/500 kbit/s or 1.5/3/6/12 Mbit/s |
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分支長度 |
在1.5 Mbit/s速度分支最大 6.6 米或更短 |
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Devices per bus |
126 (理論上) |
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通訊關(guān)系 |
非計(jì)劃同步的主從方式數(shù)據(jù)輪詢 |
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數(shù)據(jù) |
周期性的 IO數(shù)據(jù)與非周期設(shè)備數(shù)據(jù) |
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EDDL 支持 |
是 |
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自動分配地址 |
否 |
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其他 |
由插槽和索引組織數(shù)據(jù) |
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設(shè)備類型 |
遠(yuǎn)程 I/O,稱重儀, 馬達(dá)驅(qū)動,馬達(dá)啟動器, 電流斷路器,電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和，多孔電磁閥 |
專有協(xié)議
雖然HART采用4-20mA的通訊技術(shù)取代了大多數(shù)煉油廠和石化工廠專有智能協(xié)議，部分工廠仍然擁有使用專有協(xié)議的儀表。 有些工廠幾年前購買了使用專用協(xié)議輸入卡的DCS，如今面臨著一個問題，需要繼續(xù)向相同的DCS供應(yīng)商購買變送器以便維持互操作性。 由于選擇受到了限制，只能購買價格昂貴的備件進(jìn)行日后維護(hù)了。PROFIBUS-DP使這個問題迎韌而解，因?yàn)樗褂昧碎_放的標(biāo)準(zhǔn)化的通信方式。 現(xiàn)在的工廠越來越傾向于標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)，他們會將基于標(biāo)準(zhǔn)化多路轉(zhuǎn)換器或無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)備管理系統(tǒng)接入DCS系統(tǒng)中，而繞過DCS輸入卡中的專用協(xié)議。 多路轉(zhuǎn)換器應(yīng)用HART通信，直接訪問來自于智能數(shù)字儀表的重要診斷信息。
總線技術(shù)的承諾
雖然對于現(xiàn)場總線而言布線成本的降低是首要的，來自于設(shè)備管理軟件的維護(hù)保養(yǎng)成本的節(jié)省也是十分可觀的。
利用軟件可以進(jìn)行過程儀表的識別、信息訪問、遠(yuǎn)程診斷以及性能分析。 此外，操作統(tǒng)計(jì)、記錄審查、標(biāo)定的記錄和整理、文件的訪問、設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測，以及維護(hù)和服務(wù)記錄等也在該軟件的功能范圍之內(nèi)。
為了確保充分發(fā)揮設(shè)備管理軟件的作用，它必須與操作人員工作站的軟件緊密整合。操作人員可以方便地點(diǎn)擊屏幕上的問題設(shè)備或設(shè)備報(bào)警，以打開該設(shè)備頁面，檢查設(shè)備的健康狀況。同樣重要的是，設(shè)備管理軟件必須整合到日常的工作流程中。
圖2：通過基于EDDL的設(shè)備管理軟件可以訪問信息并減少養(yǎng)護(hù)成本。
基于IEC 61804-3標(biāo)準(zhǔn)的EDDL技術(shù)也非常重要，因?yàn)樗情_放式標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的一個關(guān)鍵組成部分。 EDDL是HART、基金會現(xiàn)場總線和PROFIBUS協(xié)議的必要組成部分，這是因?yàn)樗苁垢鞣N工廠現(xiàn)場設(shè)備在同一個軟件中顯示出來。設(shè)備的每種版本都配備一個EDDL文件，該文件同軟件進(jìn)行通信，以確定如何獲得設(shè)備內(nèi)的信息并將信息以用戶友好的界面顯示出來。 關(guān)鍵在于，EDDL文件是放置在壓縮文本內(nèi)的， 不在編程語言內(nèi)， 這樣在將新設(shè)備集成到控制系統(tǒng)中時，就不必安裝可能給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來風(fēng)險的新軟件了。
圖4 數(shù)字自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖5 數(shù)字自動化系統(tǒng)控制器配有接口卡以適應(yīng)不同類型的總線技術(shù)
數(shù)字工廠結(jié)構(gòu)
可提供開放式標(biāo)準(zhǔn)通信的所有優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字工廠結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)場儀器儀表及設(shè)備的智能，通過將準(zhǔn)確、有用的信息及時傳達(dá)給操作和維護(hù)人員，從而改進(jìn)過程和工廠的效率。
由于各種設(shè)備都使用不同的協(xié)議來傳遞其獨(dú)特的功能（表1），我們要將工廠中不同的總線技術(shù)有效整合起來，發(fā)揮數(shù)字工廠的最大優(yōu)勢。所以控制系統(tǒng)必須具有整合所有協(xié)議的能力，而不是被要求使用更復(fù)雜的而功能。
表1 設(shè)備類型和協(xié)議有效性
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ASI |
HART |
DP |
FF |
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控制變送器 |
|
X |
|
X |
|
控制閥 |
|
X |
|
X |
|
馬達(dá)驅(qū)動 |
|
|
X |
|
|
安全設(shè)備 |
|
X |
|
|
|
安全閥 |
|
X |
|
|
|
二位開關(guān) |
X |
|
|
|
|
二位閥門 |
X |
|
|
X |
|
開關(guān)電磁閥 |
X |
|
|
|
|
電動執(zhí)行機(jī)構(gòu) |
|
|
X |
X |
更少的方案。 具體來說，工程師站的軟件必須支持各種現(xiàn)場總線的組態(tài)，而不是一個采用獨(dú)立軟件的復(fù)雜方案。
應(yīng)用最好的現(xiàn)代技術(shù)并采用最好的操作規(guī)程，裝備有完全集成的數(shù)字工廠結(jié)構(gòu)的工廠將在每一個工程階段獲得非凡的速度和效率。后續(xù)操作將提供更好的改進(jìn)。對于過程制造商來說， 開放的標(biāo)準(zhǔn)化的基金會現(xiàn)場總線和補(bǔ)充的總線技術(shù)為實(shí)現(xiàn)以上這些優(yōu)勢起到了至關(guān)重要的作用。
參考文獻(xiàn)
1. Jonas Berge,”過程控制用現(xiàn)場總線：工程、操作和維護(hù)保養(yǎng)” ,ISA, 2002,
ISBN 1-55617-760-7H Enquiry Number 1/2-01 HA
該文發(fā)表應(yīng)感謝艾默生過程管理新加坡公司的經(jīng)理Jonas Berge先生。 Jonas Berge先生曾在瑞典學(xué)習(xí)，在儀器儀表及控制系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域擁有超過20年的豐富經(jīng)驗(yàn)。他是基金會現(xiàn)場總線的設(shè)計(jì)師之一，ISA的高級會員，新加坡現(xiàn)場總線基金會營銷協(xié)會的會長， 和“用于過程控制的現(xiàn)場總線：工程、操作、和維護(hù)保養(yǎng)”以及“自動化軟件 ：結(jié)構(gòu)、集成和安全”兩本書的作者。 Berge先生于1999年獲頒ISA優(yōu)秀文獻(xiàn)獎。
（轉(zhuǎn)載）
