過程自動化現(xiàn)場總線在化工過程中的應(yīng)用

1 系統(tǒng)概述

化學(xué)工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，它的發(fā)展關(guān)系到國計(jì)民生，而且與國民經(jīng)濟(jì)的其他部門有密切的聯(lián)系，是農(nóng)業(yè)、國防、輕紡和交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)部門發(fā)展中不可缺少的基礎(chǔ)工業(yè)之一。由于現(xiàn)代化工生產(chǎn)向復(fù)雜化、大型化、高速化和自動化發(fā)展，而且具有高溫、高壓、易燃、易爆及有毒的特點(diǎn)，為保證生產(chǎn)穩(wěn)定、可靠、安全地運(yùn)行，相應(yīng)地對化工過程的參數(shù)檢測和自動控制提出了更嚴(yán)格、更準(zhǔn)確的要求。一個(gè)化工廠中，檢測點(diǎn)多達(dá)幾千甚至幾萬個(gè)，控制回路也有幾百個(gè)，為了能夠正確地把生產(chǎn)過程控制在最佳的工況下運(yùn)行，減少原料和動力的消耗，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，又能夠保證生產(chǎn)安全，防止事故發(fā)生和擴(kuò)大，達(dá)到延長設(shè)備使用壽命;提高設(shè)備利用率，同時(shí)還要減輕勞動強(qiáng)度，改善勞動力，本控制系統(tǒng)中采用了基于 FF 總線和 ASI 現(xiàn)場總線的過程自動化冗余控制系統(tǒng)。FF 總線功能強(qiáng)大 , 支持本安裝系統(tǒng) , 實(shí)時(shí)性好 , 總線供電 , 但如果主設(shè)備失效將使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓 , 總線雖然性能突出 , 成本卻較高 , 協(xié)議也復(fù)雜 , 主要應(yīng)用于流程控制領(lǐng)域。打破了常規(guī)的一次儀表配常規(guī)顯示儀表、一次儀表與 DCS 或 PLC 配套傳統(tǒng)應(yīng)用，大量節(jié)省人力物力。與傳統(tǒng)的 DCS 或PLC 系統(tǒng)相比，現(xiàn)場總線技術(shù)更具有開放性、互連性、互操作性、擴(kuò)展性以及豐富的軟、硬件資源。

2 基于過程自動化現(xiàn)場總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)

系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

(1)操作員及工程師站：主要完成過程參數(shù)的監(jiān)視、報(bào)警、趨勢分析以及操作等功能。

(2)網(wǎng)絡(luò)電纜：用于現(xiàn)場設(shè)備與HMI 的信息交換介質(zhì) , 采用雙絞線。

(3)現(xiàn)場總線接口：用于連接過程自動化現(xiàn)場總線和 HMI，一種 PCI 卡，插在 HMI 的 PCI 插槽內(nèi)。

(4)終端器：用在網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)末端的阻抗匹配器 , 每條總線段需要 2 個(gè)終端器 , 終端器用于防止信號失真和衰減。

(5)中繼器：用于擴(kuò)展過程自動化現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)上的任意 2 臺設(shè)備間最多可使用 4 臺中繼器。它是一臺有源的總線或非總線供電設(shè)備，工作在物理層。

(6)總線電源：為現(xiàn)場總線供電。

(7)現(xiàn)場總線設(shè)備：現(xiàn)場總線設(shè)備主要指現(xiàn)場總線儀表，它們?nèi)坎⒙?lián)到過程自動化現(xiàn)場總線上，作為該網(wǎng)的智能節(jié)點(diǎn)，每臺現(xiàn)場總線儀表均是以微處理器為基礎(chǔ)的智能化儀表，內(nèi)置了許多軟件功能模塊。每臺現(xiàn)場總線儀表內(nèi)置的功能模塊包括：模擬量輸入、模擬量輸出、PID 運(yùn)算、輸入選擇、算術(shù)運(yùn)算、累計(jì)、特征化和輸出選擇等功能。用戶可以通過組態(tài)軟件對這些功能模塊進(jìn)行靈活連接來實(shí)現(xiàn)自己的控制策略?，F(xiàn)場總線除具有一對 N 結(jié)構(gòu)、互換性、互操作性、控制功能分散、互連網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)外，還具有如下特點(diǎn)：

(1)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)簡單其結(jié)構(gòu)模型一般僅有 4 層，這種簡化的體系結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)靈活，執(zhí)行直觀，價(jià)格低廉，性能良好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還保證了通信的速度。

(2)綜合自動化功能把現(xiàn)場智能設(shè)備分別作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過現(xiàn)場總線來實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與管理層之間的信息傳遞與溝通，易于實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的綜合自動化功能。

(3)容錯(cuò)能力強(qiáng)現(xiàn)場總線通過使用檢錯(cuò)、自校驗(yàn)、監(jiān)督定時(shí)、屏蔽邏輯等故障檢測方法，大大提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。

(4)提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和測控精度現(xiàn)場智能設(shè)備可以就近處理信號并采用數(shù)字通信方式與主控系統(tǒng)交換信息，不僅具有較強(qiáng)的抗干擾能力，而且其精度和可靠性也得到了很大的提高。由此可見，和傳統(tǒng)的 DCS 和 PLC 控制系統(tǒng)不同，所有現(xiàn)場儀表都是網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)智能設(shè)備。在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，以微處理器為基礎(chǔ)的現(xiàn)場儀表已不再是傳統(tǒng)意義上的變送或執(zhí)行單元，而是同時(shí)起著數(shù)據(jù)采集、控制、計(jì)算、報(bào)警、診斷、執(zhí)行和通信的作用，每臺儀表均有自己的地址與網(wǎng)絡(luò)上的其它儀表進(jìn)行區(qū)分。所有現(xiàn)場儀表均可采用總線供電方式。在危險(xiǎn)場所還可使用現(xiàn)場總線安全柵。

結(jié)語

過程自動化現(xiàn)場總線是一種用于智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的開放式、數(shù)字化、多節(jié)點(diǎn)的通信技術(shù)。它用數(shù)字信號完全取代了傳統(tǒng)的 4~20mA 信號，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場的管理與控制的統(tǒng)一;使一些基本過程控制，報(bào)警和計(jì)算功能分布在現(xiàn)場完成;可使設(shè)備增加非控制信息，如：診斷信息等 . 實(shí)現(xiàn)了開放性與互操作性，它不僅僅是一種通信技術(shù)，實(shí)際是智能化儀表，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等技術(shù)的集成。連接在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上的智能現(xiàn)場設(shè)備都具有數(shù)字通信能力，各種智能現(xiàn)場設(shè)備共享信道，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換，協(xié)調(diào)工作，組成一個(gè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)以成功用于某化工廠，實(shí)踐表明運(yùn)行良好。