周加貴

中國鋁業(yè)公司，北京 100082

1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System, FCS）是20世紀80年代后期發(fā)展起來的，90年代走向?qū)嵱没?，僅有幾十年的歷史 。在有些行業(yè)，F(xiàn)CS是伴隨著可編程控制器（Programmable Logic Controller, PLC）發(fā)展起來的；而在另一些行業(yè)，F(xiàn)CS又是伴隨著集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System, DCS）發(fā)展而來的，所以FCS與PLC及DCS之間存在千絲萬縷的聯(lián)系。

目前，F(xiàn)CS的發(fā)展勢頭非常迅猛，正成為世界上最實用的新型控制系統(tǒng)。FCS是當(dāng)前自動化控制技術(shù)發(fā)展的方向和熱點，F(xiàn)CS的出現(xiàn)，將是自動化領(lǐng)域的一個里程碑，必將開創(chuàng)自動化控制領(lǐng)域的新時代。

2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是基于現(xiàn)場總線（FieldBus）的控制系統(tǒng)，是一代全數(shù)字化、全分散、全開放和可互操作的過程自動化控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

現(xiàn)場總線是連接如傳感器、執(zhí)行器和控制器等測量和控制設(shè)備的全數(shù)字、雙向、串行通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線有四個主要特征：以數(shù)字信號完全替代4～20mA模擬信號；控制、報警、趨勢和其他功能可以完全分部在現(xiàn)場設(shè)備中；多廠家設(shè)備具有互操作性；系統(tǒng)完全開放。當(dāng)今不少國家的自動化公司投入了巨大的人力、物力、財力全方位地進行技術(shù)研究和應(yīng)用研究，所以目前現(xiàn)場總線的標準不一，種類較多，如Ecelon公司的Lonworks，Bosch公司的CAN，施耐德公司的Modbus，西門子公司Siemens的ProfiBus，Phenix Contact公司的InterBus，F(xiàn)isher-Rosemount公司的FF，Rosemount公司的HART等，有40余種各具特色的現(xiàn)場總線，國際標準也有12種之多。2001年，中國將FF、ProfiBus、HART等立項為行業(yè)標準，其中ProfiBus標準中文本已于2001年11月批準為中國的行業(yè)標準，編號JB/T 10308.3-2001。

在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場級設(shè)備與控制器之間連接采用一對一所謂I/O接線方式傳遞4-20mA或24VDC信號。現(xiàn)場總線是采用數(shù)字式通信方式取代設(shè)備級的4-20mA（模擬量信號/24VDC 開關(guān)量信號），使用一根電纜連接所有現(xiàn)場設(shè)備，從而降低了硬件成本，更加方便于安裝、調(diào)試、組態(tài)和維護。FCS具有對環(huán)境具有很強的適應(yīng)性，能組成局域網(wǎng)，甚至可與internet相通。

3 FCS、PLC、DCS的比較

目前，DCS在傳統(tǒng)的閉環(huán)控制基礎(chǔ)上，具有了很強的順序控制功能；而PLC，在傳統(tǒng)的順序控制基礎(chǔ)上，閉環(huán)控制處理能力大大提高，而且兩者都能組成大型控制系統(tǒng)，DCS與PLC的應(yīng)用領(lǐng)域，已有很大的交叉和重疊，而且它們現(xiàn)在也都能支持現(xiàn)場總線技術(shù)。

FCS、DCS與PLC，雖然目前正在相互融合，但是，它們的區(qū)別也很明顯：

1）DCS系統(tǒng)龐大，它的控制器功能強大而完善，在整個系統(tǒng)中占據(jù)核心地位，它的總線系統(tǒng)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)和保證，通常都采用冗余設(shè)計，系統(tǒng)整體投資大而且要一步到位。PLC系統(tǒng)一般都是中小系統(tǒng)，一般作為一個控制站使用。數(shù)字智能現(xiàn)場裝置是FCS的基礎(chǔ)，它能執(zhí)行控制、診斷和通訊等功能。FCS的信息處理現(xiàn)場化，使得控制器的功能和重要性大大減弱，因此，F(xiàn)CS系統(tǒng)投資少而分散，可以根據(jù)需要靈活配置，邊用邊改、邊投運；

2）DCS和PLC系統(tǒng)是相對封閉的系統(tǒng)，各公司產(chǎn)品基本不兼容。FCS系統(tǒng)是開放式系統(tǒng)，只要協(xié)議相同，不同公司的產(chǎn)品都可以連入現(xiàn)場總線，系統(tǒng)集成的可擴充性和兼容行都非常好；

3）FCS的基礎(chǔ)是現(xiàn)場數(shù)字智能儀表裝置，本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化，可以將PID閉環(huán)控制功能裝入變送器或執(zhí)行器中，目前控制周期可以從DCS的每秒2～5次提高到FCS的每秒10～20次，從而顯著了改善了控制器調(diào)節(jié)性能；

4）FCS與DCS和PLC相比，可以省去數(shù)量驚人的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，可以大大減少使用的電纜及敷設(shè)電纜用的橋架等，節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積，同時也節(jié)省了設(shè)計、安裝和維護費用。

4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在化學(xué)品氧化鋁生產(chǎn)中的應(yīng)用

FCS作為一個新型的控制系統(tǒng)，目前完全的FCS系統(tǒng)比較少，但是，正如前面講的DCS、PLC和FCS相互融合一樣，帶有現(xiàn)場總線的DCS和PLC系統(tǒng)，卻是越來越多。目前，我公司使用的30多套和利時公司的DCS系統(tǒng)全部使用現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，而且還有多套帶有現(xiàn)場總線連接現(xiàn)場控制箱的DCS和PLC系統(tǒng)，現(xiàn)簡單介紹3套系統(tǒng)。

4.1 氧化鋁焙燒工序DCS系統(tǒng)

該系統(tǒng)是HONEYWELL公司的S9000系列小型DCS系統(tǒng)，建于1997年，從德國魯齊公司全套引進。該系統(tǒng)采用Phenix Contact公司的InterBus現(xiàn)場總線，連接現(xiàn)場9個BC箱，最后與控制室的S9000控制器相連。該系統(tǒng)有10多個控制回路，6000多個I/O點，控制氧化鋁焙燒的整個過程。該系統(tǒng)布線與傳統(tǒng)布線方式相比，簡捷快速，省時省力，大幅節(jié)約費用。

4.2 4A沸石生產(chǎn)工序OK壓濾機PLC系統(tǒng)

該系統(tǒng)是Seimense公司的S7-300 PLC系統(tǒng)，采用Seimense的ProfiBus現(xiàn)場總線，建于2003年。如圖3所示，該系統(tǒng)用現(xiàn)場總線連接4個現(xiàn)場控制箱，其中MP370是彩色觸摸屏，Slave4和Slave5是在CPU控制箱內(nèi)的I/O單元。該系統(tǒng)通過現(xiàn)場的MP370觸摸屏，進行操作、控制和狀態(tài)顯示，實現(xiàn)了OK壓濾機的進料、油壓推動擠壓、水壓推動擠壓、吹風(fēng)、排料的全自動全過程控制，大幅提高了4A沸石產(chǎn)品的產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。

圖3 OK壓濾機ProfiBus現(xiàn)場總線示意圖

4.3 種分瑪瑙生產(chǎn)線DCS系統(tǒng)變頻器控制

該系統(tǒng)采用和利時公司的Holisys系統(tǒng)，其中用30臺變頻器控制瑪瑙級氫氧化鋁產(chǎn)品現(xiàn)場的泵和攪拌器等主要設(shè)備。整個系統(tǒng)如圖4所示，變頻器采用ABB的ACS800系列，通過適配器模塊RPBA-01連接，組成Profbus總線進行數(shù)據(jù)通訊，和利時公司 Holisys DCS系統(tǒng)控制變頻器的啟動與停止、頻率的設(shè)定，接受變頻器反饋的運行、報警、故障等運行狀態(tài)，以及速度實際值和電流實際值等信息。

圖4 種分瑪瑙生產(chǎn)線DCS變頻器控制現(xiàn)場總線示意圖

5 結(jié)論

過程控制系統(tǒng)的發(fā)展在經(jīng)歷了基氣動單元組合儀表系統(tǒng)（QDZ）、電動單元組合儀表系統(tǒng)(DDZ)、計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)、可編程邏輯控制器（PLC）、集散控制系統(tǒng)（DCS）后和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）后，將朝著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的方向發(fā)展。FCS將為控制數(shù)字化和管理信息化提供廣闊的空間。近年來，現(xiàn)場總線技術(shù)在中國鋁業(yè)山東分公司的應(yīng)用逐漸普及，充分體現(xiàn)了現(xiàn)場總線系統(tǒng)具有安裝維護方便、設(shè)計組態(tài)簡單、節(jié)約投資費用等諸多優(yōu)點。山東分公司多年現(xiàn)場總線技術(shù)實踐表明，現(xiàn)場總線技術(shù)及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，代表了今后自動化儀表和控制領(lǐng)域的發(fā)展方向，是工業(yè)自動化控制領(lǐng)域里的一場革命。

[1]張志學(xué)，等.以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線.工業(yè)控制計算機，14(7)，2001.

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