過程自動化現場總線在化工過程中的應用

1 系統概述

化學工業是我國國民經濟的重要組成部分，它的發展關系到國計民生，而且與國民經濟的其他部門有密切的聯系，是農業、國防、輕紡和交通運輸等工業部門發展中不可缺少的基礎工業之一。由于現代化工生產向復雜化、大型化、高速化和自動化發展，而且具有高溫、高壓、易燃、易爆及有毒的特點，為保證生產穩定、可靠、安全地運行，相應地對化工過程的參數檢測和自動控制提出了更嚴格、更準確的要求。一個化工廠中，檢測點多達幾千甚至幾萬個，控制回路也有幾百個，為了能夠正確地把生產過程控制在最佳的工況下運行，減少原料和動力的消耗，降低生產成本，實現優質高產，又能夠保證生產安全，防止事故發生和擴大，達到延長設備使用壽命;提高設備利用率，同時還要減輕勞動強度，改善勞動力，本控制系統中采用了基于 FF 總線和 ASI 現場總線的過程自動化冗余控制系統。FF 總線功能強大 , 支持本安裝系統 , 實時性好 , 總線供電 , 但如果主設備失效將使整個網絡癱瘓 , 總線雖然性能突出 , 成本卻較高 , 協議也復雜 , 主要應用于流程控制領域。打破了常規的一次儀表配常規顯示儀表、一次儀表與 DCS 或 PLC 配套傳統應用，大量節省人力物力。與傳統的 DCS 或PLC 系統相比，現場總線技術更具有開放性、互連性、互操作性、擴展性以及豐富的軟、硬件資源。

2 基于過程自動化現場總線的系統結構及特點

2.1 系統結構

圖 1 系統結構圖

2.2 系統的組成及特點

系統主要由以下幾部分組成：

(1)操作員及工程師站：主要完成過程參數的監視、報警、趨勢分析以及操作等功能。

(2)網絡電纜：用于現場設備與HMI 的信息交換介質 , 采用雙絞線。

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

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

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

(6)總線電源：為現場總線供電。

(7)現場總線設備：現場總線設備主要指現場總線儀表，它們全部并聯到過程自動化現場總線上，作為該網的智能節點，每臺現場總線儀表均是以微處理器為基礎的智能化儀表，內置了許多軟件功能模塊。每臺現場總線儀表內置的功能模塊包括：模擬量輸入、模擬量輸出、PID 運算、輸入選擇、算術運算、累計、特征化和輸出選擇等功能。用戶可以通過組態軟件對這些功能模塊進行靈活連接來實現自己的控制策略。現場總線除具有一對 N 結構、互換性、互操作性、控制功能分散、互連網絡、維護方便等優點外，還具有如下特點：

(1)網絡體系結構簡單其結構模型一般僅有 4 層，這種簡化的體系結構具有設計靈活，執行直觀，價格低廉，性能良好等優點，同時還保證了通信的速度。

(2)綜合自動化功能把現場智能設備分別作為一個網絡節點，通過現場總線來實現各節點之間、節點與管理層之間的信息傳遞與溝通，易于實現各種復雜的綜合自動化功能。

(3)容錯能力強現場總線通過使用檢錯、自校驗、監督定時、屏蔽邏輯等故障檢測方法，大大提高了系統的容錯能力。

(4)提高了系統的抗干擾能力和測控精度現場智能設備可以就近處理信號并采用數字通信方式與主控系統交換信息，不僅具有較強的抗干擾能力，而且其精度和可靠性也得到了很大的提高。由此可見，和傳統的 DCS 和 PLC 控制系統不同，所有現場儀表都是網絡上的一個節點，每一個節點都是一個智能設備。在現場總線控制系統中，以微處理器為基礎的現場儀表已不再是傳統意義上的變送或執行單元，而是同時起著數據采集、控制、計算、報警、診斷、執行和通信的作用，每臺儀表均有自己的地址與網絡上的其它儀表進行區分。所有現場儀表均可采用總線供電方式。在危險場所還可使用現場總線安全柵。

結語

過程自動化現場總線是一種用于智能現場設備和自動化系統的開放式、數字化、多節點的通信技術。它用數字信號完全取代了傳統的 4~20mA 信號，實現了現場的管理與控制的統一;使一些基本過程控制，報警和計算功能分布在現場完成;可使設備增加非控制信息，如：診斷信息等 . 實現了開放性與互操作性，它不僅僅是一種通信技術，實際是智能化儀表，計算機網絡和開放系統結構等技術的集成。連接在現場總線網絡上的智能現場設備都具有數字通信能力，各種智能現場設備共享信道，可以進行數據和信息交換，協調工作，組成一個現場控制系統，該控制系統以成功用于某化工廠，實踐表明運行良好。