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FF現場總線——專門為過程控制設計的現場總線

   2013年04月27日 14:01  
  一、前言
  
  從過程測量和控制的發展歷史來看,每一次大的變革往往與信號傳輸方式的改變密切相關。早期的氣動信號發展到4~20mA為主的模擬信號,產生了電動儀表及組裝儀表。這以后,隨著計算機、通信的等技術的發展,在70年代中期,出現了分散控制系統(DCS),真正把計算機技術運用到過程控制領域,實現了自控技術一次大的跨越。
  
  80年代初期,基于HART協議的智能化儀表問世。HART協議采用FSK頻移鍵控技術,其數字信號調制到4~20mA模擬信號上,在實現數字通信的同時,又不干擾模擬信號的傳輸。由于其*的設備描述語言(DDL)和其他技術特色,在HART智能儀表得到了廣泛的接受和應用。
  
  在智能儀表出現以后,人們對數字通信技術在自控領域的應用,產生了極大的興趣。這是因為智能儀表與傳統儀表相比,增加了設備數據庫、自診斷、故障預測等功能,使得儀表的面貌煥然一新。但形成一種能針對過程控制的特點,技術上*,同時又能被各大儀表和控制廠家以及用戶廣泛接受的數字通信的標準,是一個極其復雜的過程。直到1994年6月,現場總線的兩大組織ISP(InteroperableSystemProtocol)和北美WorldFIP(WorldFactoryInstrumentationProtocol)組織正式合并,產生了現場總線基金會(FieldbusFoundation)。
  
  現場總線基金會是由上100多家主要的控制和檢測儀表廠家和zui終用戶組成的非贏利性中立組織。其宗旨是開發適應于過程控制、開放、可相互操作、標準的現場總線。它同時符合制定中的IEC(電工委員會)標準及ISA(美國儀器儀表學會)的SP50標準,在上具有廣泛的代表性。
  
  FF現場總線是一種全數字、串行、雙向通信協議,用于現場設備如變送器、控制閥和控制器等的互聯。現場總線是存在于過程控制儀表間的一個局域網(LAN),以實現網內過程控制的分散化。
  
  FF現場總線zui根本的特點是專門針對工業過程自動化而開發的,在滿足要求苛刻的使用環境、本質安全、危險場合、多變過程以及總線供電等方面,都有完善的措施。由于采用了標準功能塊及DDL設備描述技術,確保不同廠家的產品有很好的可互操作性和互換性。概括的說,在自動化產品從設計、安裝、運行到維護的完整生命周期內,FF現場總線都能給用戶帶來多方面的效益。
  
  二、FF現場總線的模型及技術概貌
  
  FF現場總線符合ISO(標準化組織)定義的OSI(開放系統互聯)的模型。如圖1所示,它主要包括3部分:物理層(PhysicalLayer)、通信"棧"(Stack)和用戶應用層(UserLayer)。
  
  物理層對應OSI的*層,它從通信棧接受報文,并將其轉換成在現場總線通信介質上傳輸的物理信號,反之亦然。
  
  通信棧對應OSI的第二和第七層。第七層,即應用層(AL),對用戶層命令進行編碼和解碼。第二層,即數據鏈路層(DataLinkLayer,DLL),控制通過*層的信息傳輸。DDL還通過確定的集中總線調度器,即所謂的鏈路活動調度器(LinkActiveScheduler,LAS)來管理對現場總線的訪問。LAS用來調度確定信息的傳輸和控制設備之間的數據交換。FF現場總線沒有使用OSI的第三、五和六層。用戶應用層不由OSI模型定義,而是由FF自己定義。
  
  FF現場總線的結構(見圖2)提供了穩定的同步控制,并支持數據的非同步通信,后者用于診斷、生成報告、維護和故障查找。維護任務可在線進行并不干擾同步通信。
  
  FF數據鏈接能力提供了一種增強了的對控制的訪問方法,以及對所有現代數據模型的服務。包括客戶/服務器(Client/Server)、圖2現場總線結構發布/接收(Publisher/Subscriber)和報告分發器(ReportDistributor)。通過擴展尋址和安全數據傳輸的橋接,它同時支持多段網絡。此外,它還提供了更準確的時間分配和多段系統的同步化,在線設備監測和組態,以及在線調度的修改和建立。
  
  1.物理層
  
  物理層根據IEC和ISA批準的標準定義,符合ISAP50.02-1992、IEC1158-2(1993)物理層標準以及FF-81631.25kb/s物理層行為規范。
  
  FF現場總線采用曼徹斯特雙向L(Manchester-Biphase-L)技術編碼。
  
  FF現場總線包括H1和H2兩種(見圖3),H1的技術規范已*確定,H2采用100Mb/s高速以太網技術,預計在1999年發布其技術規范。
  
  H1通信速率為31.25kb/s,它適合于溫度、流量及物位測量應用。其設備直接由總線供電,也能在原有的4~20mA設備線路上運行。H1能以總線供電方式支持本質安全(IS),因此應在安全區域的電源和危險區域的本質安全設備之間加上本質安全柵。
  
  H1的信號波形如圖4所示,發送設備以31.25kb/s的速率將+10mA的電流信號傳送給一個50Ω的等效負載,產生一個調制在直流電源電壓上的1V的峰-峰(P-P)電壓信號。直流電壓的范圍為9~32V,但在本安應用中,允許的電壓范圍由安全柵額定值而定。
  
  H2的技術規范尚未*確定,本文暫不涉及。
  
  2.通信棧
  
  結合圖2,下面概要分析通信棧各層的工作。
  
  a.數據鏈路層(DLL)
  
  DLL位于第二層,主要控制報文在現場總線的傳輸,它通過LAS來管理對總線的訪問。DLL是現有IEC/ISADLL的一個子集。
  
  DLL定義了3種設備類型,即不可成為LAS的基本設備、可成為LAS的主設備以及能將現場總線聯成更大網絡的網橋。
  
  LAS將實時過程數據與后臺MMI(人機界面)、下裝等報文分開處理。在總線上,只有一個現行的LAS負責管理總線,它具有總線上所有設備的清單,設備在得到LAS的允許后,才能向總線上發送傳輸包。
  
  總線上的通信分為兩類:受調度/周期通信(Scheduled/Cyclic)和非調度/非周期(Unscheduled/Acyclic)通信。
  
  對受調度通信來說,LAS有一份傳輸時間表,該表對所有需要周期性傳輸的設備中所有數據緩沖器起作用。當設備緩沖區的數據發送時刻到來時,LAS向該設備發送一個強制數據(CompelData,CD)。一旦收到CD,該設備即向現場總線上所有設備發廣播或"發布"數據。所有被組態為接收數據的設備稱之為接收方(Subscriber)。
  
  受調度通信常用于現場總線設備間,將控制回路的數據進行有規律、周期性的傳輸。
  
  非調度通信使得現場總線上所有設備在調度報文傳送之間都有機會發送非調度報文。LAS通過發布一個傳輸令牌(PassToken,PT)給一設備。當該設備接收到PT時,它就允許使用現場總線并發送報文。非調度通信通常用來傳輸報警事件、維護/診斷信息、顯示信息、趨勢、組態等信息。
  
  b.現場總線訪問子層(FAS)
  
  FAS利用DLL的調度和非調度特點,為報文子層(FMS)提供服務。其服務類型包括3類:
  
  (1)客戶/服務器型:用于設備間排隊、非調度、用戶初始化、一對一的通信。它常用于操作員產生的請求,如定值修改、報警確認和設備的上載和下載等。
  
  (2)報告分發型:用于隊列化、非調度、用戶初始化、一對多的通信。一般用于現場總線設備發送報警通知給操作員控制臺。
  
  (3)發布/接收型:用于緩沖式(即網絡中只保留數據的版本)、一對多的通信。它常被用于周期性、用戶功能塊的輸入和輸出,如過程變量(PV)和原始輸出(OUT)等。
  
  c.現場總線報文子層(FMS)
  
  FMS通信服務為用戶應用提供了一種標準的方法。借助它,各功能塊就能通過該總線進行通信。它描述了通信服務,報文格式和用戶建立報文所必需的協議行為。針對不同的對象類型,定義了相應的FMS通信服務。
  
  3.用戶應用程序模塊
  
  FF模塊分下述3類。
  
  a.資源塊(ResourceBlock)
  
  描述設備的特性,如名稱、制造商與系列號等,每臺設備只有一個資源塊。
  
  b.功能塊(FunctionBlock)
  
  它通過控制系統行為,其輸入和輸出可通過現場總線相連。每個功能塊的執行被地調度。在一個用戶應用中可有多個功能塊。FF定義了標準的功能塊集,如AI、AO、PID等。
  
  在現場設備中,通過建立功能塊,可以實現預計的功能。如一臺壓力變送器可包含一個AI,一臺控制閥可包含一個PID和AO塊。這樣,由變送器和控制閥就可構成一個完整的控制回路。
  
  c.轉換器塊(TransducerBlock)
  
  它把功能塊從讀傳感器和命令輸出與硬件的本地輸入/輸出功能分開。它們還包含日期和傳感器類型等信息。
  
  4.系統管理(SystemManagement)
  
  為了使控制系統正常工作,功能塊必須按的時間間隔和正確的順序執行。
  
  系統管理使現場總線上的功能塊的執行和功能塊參數的通信同步起來;它還處理其他重要的系統特性,如對所有設備的日期時間發布,設備地址的自動分配,以及參數名或位號(Tag)的搜尋等。
  
  5.設備描述(DeviceDescription)
  
  為保證FF設備的可互操作性,除了保證功能塊參數和行為定義外,還采用了設備描述技術。DD類似于PC機中用來與操作打印機的驅動程序。只要有設備的DD,任何與現場總線兼容的控制系統或主機就可操作該設備。
  
  FF為所有標準功能塊和轉換器塊提供DD。供應商通常根據標準的DD制定"加長"DD,從而向設備中加入供應商特定的特性,如標定和診斷程序等。
  
  6.系統組態(SystemConfiguration)
  
  它分為如下兩個階段。
  
  a.系統設計
  
  它與目前的分散控制系統(DCS)設計很類似,但也有一些不同之處。
  
  首先是物理接線,從4~20mA模擬點對點變為多臺設備聯到一根電纜的數字總線聯線。每臺FF的設備都必須有*的物理設備位號和一個相應的網絡地址。


  
  其次,FF系統能將一些控制和輸入/輸出子系統功能分散到現場總線設備中,從而可減少所需控制器和遠程I/O的數量。
  
  b.系統組態
  
  系統設計和儀表選擇后,按照控制策略,連接設備功能塊的輸入和輸出,即可實現組態,如圖7所示。如果有一臺設備是鏈路主設備,即可組態一個獨立的控制回路,這使得在沒有組態設備或中心控制臺的情況下,回路也可連續運行。
  
  三、FF現場總線拓撲結構及常用部件特性
  
  1.FF現場總線拓撲結構
  
  FF現場總線的拓撲結構較靈活,如圖8所示,通常包括點到點型、帶分支的總線型、菊花鏈型(DaisyChain)和樹型。同時,這幾種結構還可組合在一起構成混合型結構。其中,帶分支的總線型和樹型在工程中使用較多。
  
  a.帶分支的總線型(BuswithSpur)
  
  在這種結構中,現場總線設備通過一段稱為支線的電纜連接到總線段上。支線的長度從1m到120m之間,長度小于1m的支線被看作是一個接頭(Splice)。它適應于設備物理分布比較分散、設備密度較低以及新安裝等應用場合。分支上的設備拆裝對其他設備無影響。
  
  b.樹型(Tree)
  
  在一個現場總線段上的設備都是以獨立的雙絞線連接到公共的接線盒、端子、儀表板或I/O卡。它適用于現場總線局部集中、密度高以及把現有設備升級到現場總線等應用場合。使用這種拓撲結構,必須考慮到支線的zui長長度。
  
  2.常用部件特性
  
  a.電纜
  
  多種類型的電纜可用于現場總線。
  
  表1所列是IEC/ISA物理層標準中的電纜類型。其中A型電纜是符合IEC/ISA物理層一致性測試的電纜。替代A型電纜的是B型電纜,它通常用于工廠的新建和改造項目中,在那里,多條現場總線在同一個區域中運行。C型和D型電纜一般不推薦采用。
  
  b.終端器
  
  它是安裝在傳輸線的每個末端或附近的阻抗匹配模塊,每個現場總線段需要安裝兩只。其作用是防止信號失真和衰減。
  
  c.電源
  
  按照FF物理層行規規范,電源將被設計成以下3種類型:
  
  (1)131型。非本安電源,是為本安防爆柵供電而設計的,其輸出電壓取決于防爆柵功率(額定值)。
  
  (2)132型。非本安電源,不用于本安防爆柵供電。輸出電壓zui大值為32VDC。
  
  (3)133型。本安電源,符合推薦的本安參數。
  
  為了保證現場總線的正常運行,電源的阻抗必須與網絡匹配。無論是內置或外置的現場總線電源,這個網絡都是電阻/電感網絡。

  
  四、FF在美國Monsato的現場試驗
  
  1995年11月,FF在MonsatoChocolateBayou工廠進行了現場Beta試驗。參加試驗的廠家包括Fisher-Rosemount、Honeywell、Foxboro、Micro-Motion、Yokogawa、Smar、E+H等,試驗的主機采用費希爾-羅斯蒙特的PROVOX系統。試驗的主要內容包括通信調度、報警和在線功能塊等。
  
  如圖9所示,它是一個鍋爐冷卻液回收系統,在該過程中安裝了相應的現場總線測量和控制設備。
  
  如圖10所示,現場總線區域分為區域1和2兩個部分,通過H1總線,相關的功能塊鏈接成特定的測量和控制回路。
  
  如圖11所示,在這里,主機只承擔組態和監控的任務,而基本的測量和控制功能由現場的設備完成。
  
  這次現場測試驗證了關鍵性技術,展示了不同廠家的產品在同一個系統中的互可操作性。當然,它只是一套測試系統,在試驗完成不久便拆除了。
  
  在這以后,1996年10月美國的ISA展覽上,FF展示了業已完成和得到認圖11現場總線應用的控制策略
  
  證的現場總線技術,37家廠家的70多臺FF設備和8個控制系統通過13段現場總線連接在一起運行。
  
  五、費希爾-羅斯蒙特一體化現場總線方案
  
  自FF現場總線問世以來,PlantWeb工廠管控網結構就給過程管理帶來了一場深刻的變革,它融合了智能化現場設備、標準的和規模可變的平臺技術以及集成的模塊化軟件,為提高過程性能提供了更有效、用戶能承受的方法。在比傳統的以DCS為中心的方案綜合價格更低的基礎上,PlantWeb提供了更多的功能。
  
  費希爾-羅斯蒙特公司進一步推出了一體化的現場總線方案,即PlantWeb-Builder,如圖12所示。它主要包括:
  
  (1)FF測量和分析儀表。如3051壓力變送器、3244MV溫度變送器、5300質量流量計8800A渦街流量計、4081pH計等。
  
  (2)帶有數字控制器的FF閥門和執行器。如DVC5000F閥門控制器和ELQ系列閥門執行器等。
  
  (3)具有一體化管理能力(內置AMS設備管理軟件)、規模可變控制系統DeltaV。
  
  (4)其他需要的設備,如電源、防護設備和接線盒。
  
  (5)工程實施的。
  
  PlantWebBuilder不僅兌現了FF現場總線的技術承諾,并且增加了一些新的功能,主要體現在:
  
  a.實現在任意地點的控制
  
  采用FF技術,現場設備能夠不依賴控制系統來執行控制算法,使得PID控制能夠下裝到現場設備中。
  
  PlantWebBuilder*的任意地點的控制能提供更多的
  
  功能,這是因為在該方案中,在現場設備中采用的通用的功能塊與DeltaV控制系統中的*一致。基于設備的控制具有改進控制響應、減少死區時間等優點;它同時能減輕控制系統的負載,以使控制系統能執行像批處理和檢測控制等功能。
  
  b.內置的AMS設備管理軟件
  
  在該方案中,內值得AMS管理軟件使用戶能方便地在一臺PC機或工作站前檢查接線和組態設備,在實際應用中,用戶反映可節省安裝費用達30%以上。同時,可以用AMS軟件的診斷功能去檢查設備,在問題尚未嚴重前發出報警信號,或在技術人員去現場檢查前,在控制室就可確認故障,從而減少設備停運時間;并且使得現場變送器和閥門的工作狀態始終保持*,提高了過程的一致性和可用率。
  
  c.一體化方案風險更小,靈活性更強
  
  考慮到用戶在zui初應用FF現場總線技術時可能會遇到一些困難,因此一體化方案使得用戶能更快地使用FF現場總線技術。該方案中德現場總線產品不僅在實驗室得到過測試,并且在現場也接受過驗證。
  
  需要強調的是,盡管PlantWebBuilder地FF一體化方案是完整的,但它同時也是開放的,即所有獲得了FF可互操作性測試標簽的產品,以及符合OPC標準的應用軟件都可集成到該方案中;并且,通過OPC、Modbus、4~20mA、HART以及離散的I/O還可以把用戶現有的設備和系統集成在一起。
  
  六、應用實例
  
  1.世界*套投入商業運行的FF現場總線系統
  
  1997年4月15日,在加拿大的FortSaskatchewan的一家大型化工廠,*套FF現場總線系統投入了商業運行。該系統包括96臺FF3051壓力變送器,分成6個現場總線區域,一套DeltaV控制系統,并且通過OPC技術與工廠現存DCS系統進行通信。據用戶記錄,與傳統安裝方式相比,整個項目節省投資約30%。4位儀表工程師僅用了5h就完成了所有變送器的安裝和開車。在安裝上采用了現場安裝的控制器和I/O卡件。在系統順利投運后,該用戶在第二階段將變送器增加到576臺,并將部分控制下裝到現場儀表完成,如圖13所示。
  
  2.美國阿拉斯加WestSakARCO油田
  
  該油田位于美國石油資源豐富的北部地區,該地區自然條件十分惡劣,溫度為-50oF~+70oF。在建設該油田時,受到了很大的資金限制。用戶在參觀了1996年ISA展覽后決定采用FF現場總線技術,并選擇了一體化的現場總線方案。
  
  該項目包括29臺油井,DeltaV控制系統采用了6塊H1現場總線接口卡,配備了69臺FF3051壓力變送器,38臺FFEI-O-MaticELQ800執行器以及內置的AMS管理軟件。1997年11月開始安裝,同年12月26日投產運行。取得了很好的經濟效益。
  
  據統計,與傳統DCS方案相比,WestSak油田采用FF現場總線的初步節省情況如下:
  
  (1)減少接線端子84%;
  
  (2)減少I/O卡件數量93%;
  
  (3)減少控制儀表面板空間70%;
  
  (4)減少室內接線98%;
  
  (5)由于遠程診斷減少維護量50~80%;
  
  (6)擴展油田所需組態時間減少90%;
  
  (7)節省電纜費用69%。
  
  除了這些效益明顯的節省外,在維護管理方面,由于采用內置的AMS管理軟件,使得技術人員在控制室就能對現場設備的狀態及故障進行診斷,大大減少了不必要的現場巡檢,這在冬季嚴寒的ARCO油田意義尤其重大。
  
  3.FF現場總線系統在中國的發展
  
  1998年8月,費希爾-羅斯蒙特公司與西安國家電力研究院以及西安交通大學簽署了中國*套電力行業FF現場總線應用合同。該項目用于火電廠大型輪機的高精度熱力試驗。包括DeltaV控制系統、AMS管理軟件、120多臺FF壓力和溫度變送器等。
  
  配合機組檢修,該系統從1999年4月23日到5月22日,對河北張家口電廠300MW汽輪機進行了熱力試驗。在20多天的試驗過程種DeltaV現場總線控制系統沒有出現任何故障和異常現象,而且在可靠性、高精度、安裝和組態靈活簡便、設備快速診斷等許多方面充分顯示了它的*性。
  
  今年3月31日,費希爾-羅斯蒙特與清華大學自動化系合作建立的現場總線系統集成實驗室正式開通。該系統是國內運行的*套通過FF認證的儀表和系統,它包括一套DeltaV控制系統,AMS設備管理系統,FF3051壓力變送器,FF3244MV多參數溫度變送器以及FFDVC5000智能閥門等設備。清華大學現場總線集成實驗室將費希爾-羅斯蒙特一體化的FF系統作為其重要組成部分,與其他現場總線網段、局域網、Internet等互聯為一體,將現場實時運行的狀態和數據送入綜合數據網絡,為開展企業網絡信息集成以及遠程控制技術的實驗研究提供了良好的條件。
  
  迄今為止,費希爾-羅斯蒙特公司已有數套FF控制系統在中國投入運行,同時已簽訂了數十套FF控制系統合同,其中包括寧夏大元煉油化工公司、蘇州碳黑廠、唐山水泥廠、陜西興平化工廠、廣州石化煉油廠、吉林化纖、云南江川磷肥廠等用戶。
  
  七、結束語
  
  在企業信息系統中,現場總線是連接現場智能設備的底層控制網絡。傳統儀表通信大多采用電流、電壓的模擬信號進行,控制系統采用封閉的分散系統,現場設備之間以及系統與企業綜合信息系統的信息交換十分困難。而現場總線一方面實現了在工廠現場自動化設備之間多點的數字通信,并可以完成部分傳統上只能由控制系統執行的控制任務。另一方面,它作為現場底層開放的網絡,溝通了現場設備與上層信息系統的,不僅能完成測量和控制任務,還能提供豐富的設備管理信息,從而提高企業自動化水平和管理水平。與傳統的DCS結構比較,它具有明顯的技術優勢。
  
  與其他現場總線相比,基金會現場總線的設計、開發都是圍繞著過程工業的特點進行的,在開放性、可互操作性、系統結構的分散性、*的功能塊技術、通信執行的同步化以及對苛刻的現場環境的適應性(如本質安全,電纜安裝和總線供電)等方面,都能更好地滿足過程自動化的需要。
  
  在國內,中國儀器儀表行業協會現場總線專業委員會(CFFC)是基金會現場總線的集團會員,負責FF現場總線技術的支持和推廣。1998年12月在北京成功舉辦了FF現場總線的展覽和技術交流,吸引了自動化行業大批專業人士的參與。1993年3月,在北京又成立了FF基金會現場總線zui終用戶協會,這標志著FF技術的應用在中國進入了一個全新的階段。

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