现场总线与DCS系统网络的集成应用.doc

现场总线与DCS系统网络的集成应用【摘要】现场总线是一种全数字化，双向的，多节点的通信连接，现在工业控制中大量智能型仪表、设备的投入使用，为现场总线的应用创造了条件。在DCS广泛应用的今天，现场总线与传统DCS系统的协同工作，将能够提供更加灵活的组态，减少施工维护费用，取得更加广泛的，高于实用价值的应用。【关键词】DCS系统 现场总线 FCS系统 智能仪表 协调应用 前景1分散控制系统的发展从50年代末期，计算机开始应用于工业过程控制领域，数字式控制技术取得了长足的发展，此后，微处理机技术和数字通讯技术的飞速发展，促使了1975年分散控制系统的诞生。三十年来，分散控制系统在工业生产过程中迅速普及，目前广泛应用于电力、石化、冶金等行业，分散控制系统的应用大幅度地提高了生产过程的安全性、经济性、稳定性和可靠性。2分散控制系统的结构分散控制系统是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统，典型的分散控制系统纵向一般分为四层，自下而上分别是现场级、控制级、监控级和管理级，对应这四层结构分别对应着四种计算机网络，即现场网络Fnet(Field Network)、控制网络Cnet(Control Network)、监控网络Snet(Supervision Network)和管理网络Mnet(Mangerment Network)把相应层的设备连接在一起。图1典型分散控制系统的网络结构现场级设备位于生产过程附近，典型的现场设备有温度传感器、压力变送器、电动执行器、流量计等，它们把生产过程的信号转换成420mA信号，送往过程控制站，目前分散控制系统中现场级设备一般传送的都是模拟量信号(420mA 或010V等)。控制级主要由数据采集器和过程控制站构成，过程控制站接受现场设备送过来的信号，按照预先设定的控制策略计算出控制量送回到现场执行器来完成对工业过程的控制。一般在电厂中，都把过程控制站和数据采集器集中安装在主控室内的电子设备间中，所以在施工过程中需要耗费大量的控制电缆和人工。监控级主要是提供人机接口的设备，使监控人员可以观察到生产过程运行情况，并且可以根据实时工况随时通过操作键盘来发出控制指令，对生产过程进行干预。管理级主要完成实时监控和性能监控、统计、计划等管理职能。正是由于分散控制系统的分级分散网络结构，所以具有适应性和扩展性好，控制能力强，可靠性高和维护方便等特点。3现场总线的发展现场总线是90年代中期发展起来的一种新技术，近几年，随着信息技术、自动控制技术、计算机技术、网络技术的迅速发展而发展，并逐渐成为自动化控制领域中的热点技术之一。我国目前已有近百套系统在使用，大部分应用于石化企业，应用的回路达到70多个，近千个控制点。那么什么是现场总线，不同文章对现场总线的定义有不同的说法。一般来说现场总线是将现场的控制器和智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，遵循ISO的OSI开放系统互连协议，双向传输，支持双向多节点，总线式的全数字通讯。现场总线发展迅速，目前已开发出有近40多种现场总线，经常见到的现场总线有CAN总线、Profibus总线、MODBUS总线、HART总线，以现场总线将自动化最底层的控制器和现场智能仪表相联而构成的实时控制系统称为现场总线控制系统(FCS)。图2典型现场总线的系统结构(1)CAN(Control Area Network)是由德国Bosch 公司1993年推出，早期是应用于汽车监控系统,介质访问方式为非破坏性位仲裁方式,适用于实时性要求很高的小型网络。鲁能控制工程公司开发的LN2000 DCS控制系统中的现场级网络就是使用的CAN总线。2)Profibus(Process Field Bus)德国西门子公司1987年推出,主要应用于PLC产品,Profibus-FMS主要用于主站之间的通讯, Profibus-DP主要用于制造行业中从站之间的通讯, Profibus-AP主要用于过程行业中从站之间的通讯，Profibus目前正在西门子的DCS系统中被广泛应用。(3)HART(Hightway Addressable Remote Tranducer)美国Rosemount公司1989年推出，它通过在420mA电源信号线上叠加不同频率的正弦波而传送数字信号，目前市场上的智能变送器大部分都支持HART通讯协议。(4)MODBUS是MODICON公司为该公司生产的PLC设计的一种通信协议，MODBUS有两种传送方式，RTU方式和ASC方式。(5)FF(Fieldbus Foundation)现场总线基金会是国际公认的唯一不附属于某企业的、非商业化的国际标准化组织，FF协议的前身是以美国Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、ABB、Yokogawa、Siemens等80家公司制定的ISP协议。1、以现场总线构成的控制系统具有以下特点：(1)控制分散，且能在线运行条件下对系统和现场设备进行诊断，能进一步提高运行可靠性。(2)双向数字式传输，避免了模拟量信号在传输过程中的受干扰和衰减，传送精度高。(3)施工、安装方便，能节省5075%的电缆，仪表柜及相应的工程量，而且特别适用于防爆等级要求较高的现场。(4)通信协议标准国际化，只要合乎总线协议标准的现场仪表都可以与此方便地联用和通讯。4FCS系统与DCS系统的兼容通过FCS的网络结构可以看出，虽然现场总线可以由现场智能设备和人机接口构成两层的网络结构，把常规的PID控制算法在智能变送器或执行器中实现，但是这种总线控制系统仅适合于控制规模较小、控制回路相对独立、不需要复杂协调控制功能的生产过程，为了实现复杂的协调控制功能，现场总线控制系统的结构中就须要利用控制站来实现，也就是需要三层的网络结构。虽然三层网络结构的现场总线系统网络与DCS相似，但其中控制站所承担的功能与DCS有很大的差别，在传统DCS系统中无论是控制回路的PID运算，还是各控制回路之间的协调控制功能都是由控制站来实现，但在FCS系统中，底层的PID等基本控制功能完全由现场设备来完成，控制站的任务仅是完成各控制回路之间的信息交流和协调控制功能。这种控制功能的下放，大大减轻了控制器的负荷率，使系统的风险性更加分散，数据处理速度大大加快。虽然FCS系统具有许多先进性，但是它还是一个新鲜的控制思想，目前在国内还没有在大型电力、石化等企业应用的业迹。据互联网的报导，菲律宾的一个工厂里选用了FF(基金会)总线来管理17个装备站的发电机，一共有641个总线装置和215个总线支，比使用传统的DCS系统减少了大量的安装电缆，I/O模板由1060块减少到100块，系统启动也十分快捷和容易，每个装置仅仅用了415分钟就完成了通信和调试。其实，总线系统不是一个独立的系统，在传统DCS中，各厂家都广泛地使用了总线控制技术，但是因为DCS厂家的垄断性，各种品牌DCS的总线协议都是非公开，不开放的，所以各家DCS厂商都不得不有自己独立的I/O卡件及控制器等。系统的兼容性比较差。现场的DCS系统应用结果得到了广大用户的肯定，尽管用户对控制系统的结构改进表示欢迎，但是他们并不希望对现有的DCS系统做大的改动，目前在现场总线的发展初期，大家都更倾向于考虑如何使现场总线与传统的DCS系统尽可能地协同工作，使系统方案能够得到灵活的系统组态，以实现更广泛、更富于实用价值的应用。5现场总线与DCS系统的集成根据DCS系统网络结构特点，现场总线与DCS系统的集成方式主要有以下3种。1）现场总线于DCS系统中I/O总线的集成DCS系统中的I/O总线其实也是一种现场总线，现场总线与I/O总线的集成其实是不同总线协议之间的互联互通(前面介绍过DCS系统的现场总线是不开放的)在DCS系统I/O总线上集成现场总线的关键是通过一个现场总线接口卡挂接到DCS的I/O总线上，把现场总线当中的数据信息映射成原有DCS的I/O总线上相对应的数据信息，这种方案主要可用于DCS系统已经安装并且稳定运行，而现场总线首次引入系统的，规模较小的场合。这种方案优点是结构简单，缺点是集成规模受现场总线接口卡的限制。2）现场总线于DCS系统网络层的集成这种方案是把现场总线通过接口卡挂到DCS系统的网络层，现场总线中的控制信息和测量信息都可以通过DCS的操作员站进行浏览并进行修改。优点是原来在DCS控制器里的一些控制算法和计算功能可以下放到现场仪表中来实现，并可以在DCS操作员界面上得相关参数和信息，而且不须要对DCS系统的控制站进行改动，对原系统影响小。3）现场总线与DCS系统并行集成这种方案是一套FCS系统，通过网关与DCS系统实现信息互联。这种集成中FCS系统和DCS系统是完