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    摘要：

    現場總線基金會自1984年成立以來，經過二十幾年的發展，已經形成了一個成熟的，開放的、全數字化的工業通信系統。本文通過描述基金會現場總線在寧波三菱化學有限公司的DCS系統項目中的應用，結合本人在該項目中的實際工作經歷，介紹基金會現場總線的概念，并分析了它的優點與不足。
關鍵詞：基金會現場總線，DCS系統，工廠自動化

    1.基金會現場總線的簡介

    1.1 基金會現場總線的定義

    什么是基金會現場總線？基金會現場總線是一種全數字，串行，雙向通信系統。它用于工廠網絡底層網絡或工廠自動化環境。其適用的應用場合有基本和復雜管理控制的場合，以及與上述功能相關的，帶很多離散控制的應用。
目前H1是基金會現場總線最常用的方案，H1的通訊速率為31.25千字節/秒，通常用于連接現場設備。它通過雙絞線實現通信和供電。在艾默生過程管理公司的DCS系統中就有H1卡件來實現基金會現場總線的功能。

    1.2 基金會現場總線的優點

    傳統的模擬和離散現場儀表采用點對點連接方式，每個設備采用一對線纜。同時也受限于傳送單個信息——通常是通過線纜傳送過程變量或控制輸出。而基金會現場總線則不會受到上述情況的制約。它具有如下優點：

    （1）多點接線。基金會現場總線的一個線纜（稱為網段）上最多可帶32個設備——如果采用中繼器則更多。但在實際使用中，考慮到供電，過程模塊化和回路執行速度等因素，一般一個H1網段上連接4到16個設備。其中閥門控制器不建議超過2個。這就意味著當有1000對設備，如果采用傳統技術您需要1000對線，而采用基金會現場總線，只需要60到250對線，這將為最終用戶節省大筆的接線費用成本和接線裝置。

    （2）多變量儀表。一個節點上可以處理來自同一現場設備上的多個變量。例如，一個溫度變送器可以與多達八個傳感器的輸入進行通信。它同時降低了接線和儀表費用。多個設備的功能通過一個設備來完成，還提高了安全性并降低短時排放的風險。

    （3）雙向通信。此外，信息傳送是雙向進行的。閥門控制器可以接收來自主系統或其他控制源的控制輸出，并將閥門當前位置送出去，從而實現更為精確的控制。而采用模擬量，就必須增加另一對線方可實現該功能。

    （4）新型信息。傳統模擬量和離散量設備無法通知您它們是否運行正常，或是發送的過程信息是否有效。所以技術員不得不花大量的時間來確認設備的運行狀態。而基金會現場總線設備不同。它們可以告訴您其運行是否正常，發送的信息狀態。免除了大量的例行檢查工作，還可以對重大的過程問題，可以提前發現并解決。

    2. DCS項目中基金會現場總線的應用

    2.1 MCC項目的簡介

    寧波三菱化學有限公司創立于2005年4月，由日方股東寧波PTA投資株式會社(90%)(三菱化學株式會社61%、伊藤忠商事株式會社35%、三菱商事株式會社4%)和中方股東中國中信集團公司出資，主要生產和銷售PTA(精對苯二甲酸)。

    2008年7月，艾默生過程控制有限公司為寧波三菱化學有限公司提供工廠自動化系統這一項目（以下簡稱MCC項目）正式開工。該工廠自動化系統包括DCS（離散控制系統）和SIS（緊急停車系統）兩部分。本人負責的就是其中的DCS系統。整個DCS系統中，有模擬量輸入點440，模擬量輸出點162。其中帶有現場總線的模擬量輸入點就有403，占總模擬輸入點的91.5%; 帶有現場總線模擬量輸出點158，占總模擬輸出點的97.5%。所以說基金會現場總線在MCC項目中起著主導地位。

    2.2 MCC項目的系統網絡結構

    （1) 操作站：控制室內包括5臺操作站，1臺工程師站，1臺APP應用工作站（用于工廠管理），兩對HUB。操作員站作為人機接口供操作人員對現場工藝過程進行監控。工程師站用于系統的開發和組態，包含系統全部數據庫。應用工作站主要用于歷史數據的采集與存儲。中控室的這些設備通過HUB利用以太網與現場的控制機柜連接形成系統，完成組態，運行，操作等完整的控制功能。

    （2) 控制網絡：為了系統的可靠，我們為該系統配置了冗余的控制網絡，其為通信提供了安全性和可靠性。在中控室通過兩個不同的HUB接入位于現場的兩個控制機柜中的兩個不同的HUB，建立了兩條完全獨立的網絡，形成冗余的主副網絡集線器，提高了系統的可靠性。
   
    （3) 控制器：系統中配有兩套DCS控制機柜，每套機柜中裝有一些傳統卡件（AI，AO，DI，DO）和H1卡件。其中為了保證系統的穩定性，AI卡，AO卡和H1卡都是冗余的。一旦主的卡件發生故障，將立刻切換的一直處于備用狀態的副的卡件。控制器為MD+控制器，具有管理所有I/O卡件的控制活動；管理所有的網絡通信功能；管理時間抽樣、報警、趨勢對象；執行控制策略，在100ms內完成從輸入通道取信號，控制策略執行，傳送結果到輸出通道。
每對DCS控制器下冗余H1卡可通過總線方式將現場總線設備信號連接到DCS系統中，連接電纜為屏蔽雙絞線。H1卡下帶有2個port，即兩個干線段（segment），通過P+F安全柵模盒連接現場總線儀表，每個干線段最多帶12臺總線儀表。

    2.3 MCC項目中的現場總線

    2.3.1 MCC項目中的現場總線設計

    基金會現場總線的網段設計可用總線網段設計軟件（Segment Design Tool）自動生成圖紙，下圖2就是MCC項目中的某個網段設計圖紙，由H1卡件連接現場總線的電源，由電源驅動接線盒下連接的各個現場總線儀表。

                       
                               圖2

    利用總線網段設計軟件還可自動分析出網段中的設計是否符合規范，簡化了設計流程，也為項目的設計進度贏得了寶貴的時間。

    每個網段中都會選擇一臺簡單的不帶控制策略的現場總線設備作為鏈路活動調度器（LAS）。LAS的功能可為網段上的設備之間維護中央的，確定性通信調度。通過強迫個設備在其預定的時間周期性傳送數據，它全面提高通信的可靠性。也就是說當整個網段中的某一設備沒有響應鏈路活動調度器的強迫數據消息，鏈路活動調度器將再次發送消息--強迫該設備發布信息。當鏈路活動調度器失效時，會由網段中的備用鏈路活動調度器成為主調度器，接管其功能。這就意味基金會現場總線的設計可以更好地避免系統性能衰減，并進一步增加可靠性。
MCC項目的每個網段還配備了P+F的高級診斷模塊，用來實時地監控每個網段的運行狀況。用戶可以通過分析波形，幫助客戶了解整個網段的健康狀況,對于可能發生的故障有很好的預防作用。

    2.3.2 MCC項目中的現場總線儀表

    MCC項目中采用的儀表有羅斯蒙特壓力變松器（3051S），羅斯蒙特壓力變送器 (848T, 3144P), 還有費希爾閥門和數字閥門定位器等。其中大部分都是現場總線儀表，與常規模擬儀表控制回路不同的是：現場總線儀表的最大特點是它的控制單元在物理位置上可與測量變送單元或操作執行單元合為一體。

    PID功能既可放在變送器，也可放在閥門定位器。MCC項目中我們將所有的控制回路PID功能下放到現場總線設備中執行，提高控制安全性和準確性，縮短了控制周期，同時降低了控制器的運行符合，使得控制器有更多資源可以用于執行先進控制功能。

    MCC項目中有236個溫度點，項目中使用了35臺羅斯蒙特848T多點溫度變送器，這些848T分布在16個H1網段上，實際使用的相關材料，工程調試等費用節省超過50%。848T多點溫度變送器的使用，使得項目實際總儀表臺數較傳統方案降低了15%。

    2.3.3 MCC項目中的現場總線的輔助工具

    由基金會現場總線配合智能設備管理軟件（AMS），為MCC項目在開車階段降低了開車風險。通過使用AMS軟件，用戶可以在控制室直接發現現場設備的安全故障，并提示工程人員及時處理，將近90%的安裝故障在開車前得以及時排除，節省了開車調試時間，項目比原計劃提前了二十幾天就順利開車了。

    3. MCC項目中基金會現場總線應用的幾點問題

    3.1 現場總線噪音問題 

    通常現場總線應用必然涉及到系統噪音問題，由于所有的現場設備完全連接到現場總線的網絡當中，連接處必然使用TAP接頭，這種接頭長期處于現場環境較為惡劣的地方，就會出現網絡噪音的現象，繼而出現設備與網絡連接錯誤的報警，而MCC項目也不例外。所以現場總線對現場的衛生條件，現場的振動條件都有嚴格的要求。接頭每次停機都要進行檢查，但是并不是檢查后就可以完全消除噪音。

    3.2 維修成本較高 

    在MCC項目中我們選用的大多數都是艾默生的儀表，但也有些其它公司的儀表，經常會出現一些故障。在維修中，如果更換一臺儀表都會有很昂貴的費用。減低這種費用就要選擇信譽較好的廠家，使用其設備，如果設備的性能好，對環境適應能力強，同樣可以達到降低生產成本的效果，改善設備運行性能。

    4. 總結

    MCC項目已在2009年6月順利開車試運行。基金會現場總線在整個項目的運用，減少了設備組態及調試時間；回路控制精度得到提高；PID功能下裝到現場設備，真正實現分散控制；現場智能設備的預警功能及時發現并排除設備潛在故障；使用AMS設備管理軟件縮短了開車時間。目前開車一年多以來，沒有發生過大的停車事故，保證了生產裝置的穩定運行，提高了工廠的效益，受到用戶的一致好評。

    目前，基金會現場總線已經成為很多工廠自動化系統的首選。相信在以后的更多工廠自動化系統中，我們可以看到基金會現場總線的身影。

    摘自《自動化博覽》2011年第三期