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西儀集團(tuán)有限責(zé)任公司 趙建民
摘要：近年來，現(xiàn)場(chǎng)總線這個(gè)名詞被廣泛地應(yīng)用于各種產(chǎn)品和概念，閥門和執(zhí)行器也不例外地采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。本文介紹了閥門執(zhí)行器現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、總線形式和通信協(xié)議等。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線 閥門 執(zhí)行器 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)
隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，過程控制技術(shù)受到了人們普遍的重視，用戶對(duì)過程控制系統(tǒng)的要求也越來越高。現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)運(yùn)而生，則表明控制技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新的水平。它不僅極大地滿足了過程控制的需要，而且還將對(duì)工業(yè)自動(dòng)化儀表行業(yè)帶來一場(chǎng)革命。
近年來，在世界工業(yè)閥門和執(zhí)行器生產(chǎn)制造中占有主導(dǎo)地位的專業(yè)化公司相繼推出各自為閥門或執(zhí)行器開發(fā)設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。其中有美國Limitorque公司的DDC-100TM系統(tǒng)、美國Keystone公司的KEYDIG系統(tǒng)和英國Rotork公司的Pakscan
IIE系統(tǒng)。這類系統(tǒng)，無論其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、總線形式和通信協(xié)議如何不同，都完全實(shí)現(xiàn)了閥門或執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)裝置與上位機(jī)的通信和智能化，而且整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)，深受用戶的歡迎。
1、系統(tǒng)特點(diǎn)
閥門執(zhí)行器現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是根據(jù)用戶需要最新發(fā)展起來的“FCS”（現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)）。其系統(tǒng)配置和構(gòu)成靈活多變，具有很強(qiáng)的適用能力。它很好地解決了現(xiàn)場(chǎng)最常見的有關(guān)干擾噪聲、控制距離、接點(diǎn)容量和工作環(huán)境等方面的問題，非常具體地顯示了它在閥門和執(zhí)行器應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)巨大的潛在市場(chǎng)和發(fā)展前景。
1.1 節(jié)省安裝費(fèi)用
閥門執(zhí)行器現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)由于具有良好的消噪功能，因此，它可以使用帶屏蔽的雙絞線或使用廉價(jià)的無屏蔽三線電纜進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部的通信。這種系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單，投運(yùn)速度快，費(fèi)用一般只有常規(guī)控制系統(tǒng)的40%左右。例如，在常規(guī)控制系統(tǒng)中，接到每臺(tái)閥門或執(zhí)行器上的電纜芯數(shù)可達(dá)六、七根、十幾根，最多的可達(dá)二十二根，而閥門執(zhí)行器現(xiàn)場(chǎng)總路線控制系統(tǒng)中的所有閥門或執(zhí)行器的連接只需要兩根或三根電纜即可完成（除就地供電外）。表1列出了國內(nèi)外執(zhí)行器的常規(guī)連接和現(xiàn)場(chǎng)總線連接所需的電纜芯數(shù)。
1.2 工程容量大
根據(jù)使用要求和系統(tǒng)規(guī)模，閥門執(zhí)行器現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)允許在10—20公里的一條通信環(huán)路上接入100—250臺(tái)閥門或執(zhí)行器等各種類型的現(xiàn)場(chǎng)裝置。在整個(gè)通信環(huán)路內(nèi)，不設(shè)中繼站也可將信息或數(shù)據(jù)傳送到各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)裝置，同時(shí)還不限制接入環(huán)路內(nèi)閥門或執(zhí)行器等裝置之間的距離。
1.3 高性能
閥門執(zhí)行器現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)功能豐富、性能優(yōu)良、工作可靠，非常適合在一些特殊場(chǎng)合使用。即使在環(huán)境條件特別惡劣的地方，它也能發(fā)揮作用，長(zhǎng)期安全可靠地工作。如今，各公司的閥門執(zhí)行器現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)都已經(jīng)經(jīng)過多年現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行檢驗(yàn)并得到用戶的認(rèn)可，成為名副其實(shí)的“FCS”。
1.4 配置齊全
用戶可根據(jù)過程控制的需要任意提出要求和配置，這種系統(tǒng)既能以主系統(tǒng)也能以予子系統(tǒng)參與過程控制，使用時(shí)還可將閥門或執(zhí)行器等設(shè)置成智能化或半智能化單元。其它諸如主控站冗余、緊急操作面板、各種信號(hào)的輸入輸出接口、多站系統(tǒng)和多任務(wù)軟件等都可以根據(jù)需要來配置。
1.5 接口簡(jiǎn)單
在閥門執(zhí)行器現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)部通信接口短距離一般采用RS232，而長(zhǎng)距離則采用RS485。同時(shí)，各種信號(hào)的輸入輸出接口也都采用插拔連接方式。這就使得系統(tǒng)內(nèi)部的接線非常簡(jiǎn)單，僅使用一些標(biāo)準(zhǔn)的常用工具和少量的儀器便可完成。有時(shí)，甚至現(xiàn)場(chǎng)操作人員都能熟練地做好這些接線工作。
2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
不同的閥門執(zhí)行器現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是基本相同的。它們一般是由主控站、通信環(huán)路和現(xiàn)場(chǎng)單元（本體為閥門或執(zhí)行器）組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2.1 主控站
作為master station
的主控站多采用工業(yè)PC機(jī)構(gòu)成，以利用其鍵盤和顯示器對(duì)系統(tǒng)的操作方式以及工作狀態(tài)進(jìn)行控制和監(jiān)視。用戶可根據(jù)系統(tǒng)提供的豐富方便的軟件包非常容易地生成操作方式、系統(tǒng)狀態(tài)和控制邏輯的采色了畫面，并通過鍵盤隨時(shí)發(fā)出操作命令，設(shè)置系統(tǒng)必要的工作參數(shù)條件。圖2所示的是DDC-100TM系統(tǒng)和KEYDIG 系統(tǒng)采用工業(yè)PC機(jī)構(gòu)成的一種主控站。
主控站也有特殊設(shè)計(jì)的盤裝式結(jié)構(gòu)，例如Pakscan IIE
的主控站就是這種結(jié)構(gòu)。在它的控制面板上，裝有監(jiān)視環(huán)路工作狀態(tài)的液晶顯示器、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和數(shù)據(jù)的鍵盤以及顯示系統(tǒng)運(yùn)行和報(bào)警信息的指示燈。通過控制面板，可完成系統(tǒng)環(huán)路波特率、現(xiàn)場(chǎng)單元地址和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葏?shù)的設(shè)置。此外，萬一主控站失控或系統(tǒng)工作不正常，操作人員可使用鍵盤直接控制閥門或執(zhí)行器。而當(dāng)系統(tǒng)遇到意外情況時(shí)，控制面板上還有應(yīng)急按鈕供操作人員緊急關(guān)閉系統(tǒng)中最重要的閥門與管道。圖3為采用冗余化安裝和工作的Paskcan
IIE 系統(tǒng)的盤裝式主控站。它可在主控站發(fā)生故障后50ms自動(dòng)切換到備用主控站，從而確保系統(tǒng)仍能安全可靠地運(yùn)行。
2.2 通信環(huán)路
如前所述，一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的閥門或執(zhí)行器與控制室之間傳輸信號(hào)所需的接線非常復(fù)雜，安裝與維修都很困難，費(fèi)用也很高。而閥門執(zhí)行器現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中使用的兩線或三線電纜既安裝簡(jiǎn)單、維修方便、工作效率高，又成本低、節(jié)省費(fèi)用。特別是系統(tǒng)中所有閥門或執(zhí)行器用這種電纜一臺(tái)一臺(tái)串接起來后形成一條閉合的環(huán)路時(shí)，每臺(tái)閥門或執(zhí)行器都能從環(huán)路的兩個(gè)方向與主控站進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)的交換，相當(dāng)又給系統(tǒng)增加了一條冗余通信路徑。
系統(tǒng)運(yùn)行期間，除了正常的工作之外，環(huán)路電纜不停地被掃描查詢，以確定其是否完整。若通訊環(huán)路完整無損，主控站將依過程控制的需要通過環(huán)路電纜向現(xiàn)場(chǎng)單元發(fā)送控制命令，同時(shí)接受現(xiàn)場(chǎng)單元發(fā)回的工作狀態(tài)信息。當(dāng)然，所有現(xiàn)場(chǎng)單元都已預(yù)先設(shè)置好了地址并隨時(shí)準(zhǔn)備接受命令和接受查詢。一般情況下，主控站要發(fā)數(shù)次命令。每發(fā)一次命令，都要接收到被詢址現(xiàn)場(chǎng)單元的應(yīng)答一次。否則，系統(tǒng)將按環(huán)路故障進(jìn)行處理。現(xiàn)場(chǎng)單元的應(yīng)答時(shí)間則由現(xiàn)場(chǎng)單元的數(shù)量以及環(huán)路距離所決定。
通信環(huán)路一旦斷開，在環(huán)路斷點(diǎn)一側(cè)的現(xiàn)場(chǎng)單元將會(huì)自動(dòng)地形成各自一側(cè)完整的環(huán)路，繼續(xù)保持主控站與所有現(xiàn)場(chǎng)單元之間的通信。圖4為幾種常見的環(huán)路故障。圖5則是系統(tǒng)正常工作時(shí)和環(huán)路斷開后兩種方式的工作原理示意圖。
環(huán)路斷開后，主控站首先通過端口
A向與其連接的第一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)單元發(fā)送命令，同時(shí)接收該現(xiàn)場(chǎng)單元的應(yīng)答。然后再向第二臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)單元發(fā)送命令，同時(shí)也接收這臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)單元的應(yīng)答。這樣，發(fā)送命令，接收應(yīng)答，連接現(xiàn)場(chǎng)單元的環(huán)路一步步擴(kuò)大，直到環(huán)路斷點(diǎn)處不能再繼續(xù)下去為止。與此同時(shí)，主控站也通過端口B向相反方向的現(xiàn)場(chǎng)單元發(fā)送命令并接收應(yīng)答，直到斷點(diǎn)前的現(xiàn)場(chǎng)單元。用這種方法，主控站不僅從環(huán)路兩個(gè)方向確定了斷點(diǎn)位置，也確定了斷點(diǎn)兩端現(xiàn)場(chǎng)單元自行構(gòu)成的返回路徑，從而保證所有現(xiàn)場(chǎng)單元與主控站之間的通信工作始終不被中斷。
作為環(huán)路故障檢查的必要手段，主控站一般要重復(fù)進(jìn)行檢查。即不斷地發(fā)出命令，接收應(yīng)答。在正常情況下，從端口A發(fā)出命令，再由端口B接收應(yīng)答。
2.3 現(xiàn)場(chǎng)單元
閥門執(zhí)行器現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)單元是根據(jù)閥門或執(zhí)行器的特殊要求專門設(shè)計(jì)的Smart控制器，結(jié)構(gòu)為單機(jī)架裝方式或執(zhí)行器整體方式。但不管是哪種結(jié)構(gòu)方式，它總是和閥門或執(zhí)行器作為智能化或半智能化的裝置來使用的。
通常，半智能化的現(xiàn)場(chǎng)單元僅僅是主控站的一個(gè)分散的I/O口。在系統(tǒng)中，它接受主控站的控制命令，對(duì)閥門或執(zhí)行器進(jìn)行一系列的操作，同時(shí)將閥門或執(zhí)行器上的工作狀態(tài)和其它信息反饋給主控站，供系統(tǒng)采集、記錄、顯示和控制使用。
智能化現(xiàn)場(chǎng)單元除可與主控站通過環(huán)路進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)通信并根據(jù)主控站命令工作外，還可單獨(dú)與閥門或執(zhí)行器構(gòu)成回路，為工業(yè)過程提供閥門定位、邏輯控制、批量操作、PID調(diào)節(jié)以及多回路運(yùn)行等多種能力，對(duì)位置、流量、壓力和液面進(jìn)行更為豐富和精確的控制。
無論是智能化還是半智能化的，也無論是架裝式還是整體式的，這些現(xiàn)場(chǎng)單元都具有閥門或執(zhí)行器操作所需要的特殊功能，其中包括：
過力矩保護(hù)-在閥門或執(zhí)行器發(fā)生堵轉(zhuǎn)或出力超過限定值時(shí)，可自動(dòng)地切斷電源停止運(yùn)行。
電機(jī)過熱保護(hù)-電機(jī)繞組中埋有熱敏元件，在由于超載使電機(jī)過熱時(shí)發(fā)出信號(hào)，然后由保護(hù)電路自動(dòng)切斷電源使電機(jī)停轉(zhuǎn)。
斷信號(hào)保護(hù)-無論是在輸入信號(hào)還是位置信號(hào)消失或超量程時(shí)，執(zhí)行器都可自動(dòng)地轉(zhuǎn)入事先預(yù)置的安全工作狀態(tài)，或由閉環(huán)控制轉(zhuǎn)入開環(huán)控制。信號(hào)正常后，執(zhí)行器可自動(dòng)恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)。
遙控與本機(jī)手操-通過按紐進(jìn)行閥門的“開”、“關(guān)”、“停”操作和緊急關(guān)閉操作。
故障顯示和報(bào)警-通過自診斷，可在萬一發(fā)生故障或工作不正常時(shí)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并及時(shí)顯示故障內(nèi)容。
由于是在惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下使用，現(xiàn)場(chǎng)單元均采用了高可靠性器件、表面封裝技術(shù)、堅(jiān)固的雙層密封外殼，特殊的軟硬件抗干擾技術(shù)等措施來保證其能長(zhǎng)期安全可靠地工作。
3、總線形式和通信協(xié)議
在閥門執(zhí)行器現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，維持系統(tǒng)高效而有秩序工作的是系統(tǒng)通信所使用的各種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。
在國際性現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)沒有完全統(tǒng)一之前，閥門或執(zhí)行器專業(yè)公司出于自身的利益，開發(fā)了各自的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)有共同之處，也有不同之處。同時(shí)，系統(tǒng)所使用的總線形式和通信協(xié)議有相同的也有不同的。Limitorque的DDC-100TM系統(tǒng)使用的總線技術(shù)是Inter
公司的Bitbus。這是一種總線串行接口，物理層基于RS485，通道以IBM公司研制的SDLC協(xié)議為基礎(chǔ)。它不僅在DDC-100TM系統(tǒng)中與環(huán)路上自家的裝置兼容，通過專用接口，還可與Honeywell
Foxboro Taylor 等其它公司的DCS和PLC 兼容，使用起來非常得心應(yīng)手。
Keystone 公司的KEYDIG 系統(tǒng)采用的是Valvbus
總線。它的通信是通過RS232、RS485標(biāo)準(zhǔn)接口和Modus或Ascll協(xié)議完成的。除此之外，Valvbus
使用了一種專利信號(hào)波形，從而形成一種高強(qiáng)的數(shù)字載波，使得該系統(tǒng)抗干擾能力極強(qiáng)，不必對(duì)所用的電纜類型進(jìn)行限制。
Rotork公司的Pakscan
IIE系統(tǒng)使用的是Modbus總線協(xié)議。這是一種為在2400波特的額定信號(hào)速率下高速和可靠通信而設(shè)計(jì)的總線協(xié)議。在這個(gè)信號(hào)速率下，傳輸一個(gè)指令到現(xiàn)場(chǎng)單元的時(shí)間是27ms，掃描一個(gè)具有240臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)單元的環(huán)路需要1.9秒。有60臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)單元的現(xiàn)場(chǎng)總線環(huán)路用0.4秒就可掃描完畢。
此外，目前還有一些廠家正在開發(fā)或生產(chǎn)采用Hart和FF總線協(xié)議的閥門、電氣轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行器。我國在“九五”期間也組織開發(fā)了Hart和FF協(xié)議儀表產(chǎn)品，其中就有執(zhí)行器。
盡管有各自的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，盡管其局域網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格不一，但無論哪種總線協(xié)議，都是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)之間進(jìn)行全數(shù)字化、雙向和多站通信工作的，而且從總體上看，還都是靠軟硬件來實(shí)現(xiàn)的。上述幾種系統(tǒng)所使用的總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)的一般方法是，較低層的具體功能和任務(wù)要求主要由硬件實(shí)現(xiàn)，而高層則主要由軟件來實(shí)現(xiàn)。
迄今為止，閥門執(zhí)行器現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用歷史不過是短短的幾年時(shí)間。它一出現(xiàn)，就徹底改變了閥門或執(zhí)行器的控制和維護(hù)方法，并解決了長(zhǎng)期因擾過程控制系統(tǒng)的閥門或執(zhí)行器的接線、調(diào)試和維修問題。這使我們看到，它不僅改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還必將對(duì)過程控制領(lǐng)域產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。
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