现场总线控制系统评价原则的探讨

摘　要：
　　现场总线控制系统是信息数字化、控制分散化、开放互可操作的新一代工业自动化控制系统。它是信息技术、智能化、数字化、网络化向现场的发展。它和DCS相比结构有明显的改变，技术性能有明显的提高。笔者就如何评价现场总线控制系统提出一些原则供读者讨论参考。
关键字：控制系统、现场总线、评价原则 

　　前言

　　2000年1月4日瓜C宣布现场总线国际标准ICC 61158表决以86％赞同，12%反对的结果获得通过，使十几年无休止的争论终于有了结果。 IEC61158是一个妥协的结果，它包括8个子集：FF-HSE，FF-H1，Profibus，Interbus，P-net，Control-net,Worldfip，Swift-net。但从技术角度来看却有其合理性。现实的控制世界是丰富多彩的，没有一种品种的总线对任何类型工业控制的各个层次都是。IEC标准中不同子集虽然存在市场交叉和竞争，但更多的是性能互补。因此虽然IEC把最终选择留给了用户，但选择并非是无所适从的。

　　1 总线种类的选择

　　基本工业控制可分为连续回路控制、开关量逻辑控制、采集监测3类。大部分实际的工控系统一般都同时包含这3种类型，只不过各类比例不同而已，总线种类选择见表1所列。
各种总线中只有FF-H1将通讯和控制功能下放到现场设备(变送器、阀门等)因此难度，Profibus也能将通讯延伸到现场设备，但控制还是在集中的控制器中完成，其他如 Interbus，Worldfip等则仅仅将通讯延伸到“现场”控制器和“现场”I/O。这有些像开放的DCS控制总线、变送器、阀门等现场设备还是延用今天的产品。不同种类的总线各有所长，也可以被集成在同一系统中以发挥各自长处。

　　2 系统结构和功能分配分析

　　2．1典型FF大系统“苗条”结构(见图1)
　　操作站功能和 DCS没有什么区别，对此评价不再赘述。虽然网关桥路控制器乍看起来像DCS，但它仅主要作网关和桥路控制器用(和其他总线及H1与HI间)，此外也可兼作顺控、批控制以及逻辑控制用，而大量基本连续控制尽可能在现场智能仪表中完成。这不仅能充分发挥现场智能仪表的潜能，也简化了对网关桥路控制器负荷的要求，降低了成本。但最主要的优点还是因为它没有介入基本回路控制，即使它发生故障也不会影响基本控制，从而提高了系统的可靠性。当然，这要求现场智能仪表有很强的计算功能。
　　中小系统可以省去高速总线和网关桥路控制器，使用H1／ISA接口卡，系统变得只有操作站和现场仪表两层。PLC常被用于逻辑控制和常规I/O接口。对于大多数中小系统这种结构可能更可靠、实用、经济。
　　H1总线时序分微周期和监控周期，每个微周期又由受调度通讯和非受调度通讯时间构成。受调度通讯时间内完成本总线上所有设备内功能块执行和设备间功能块链接通讯；非受调度通讯时间内完成部分设备和上位机间信息交换(如操作、组态等)，微周期因设备、功能块、链接数量不同在几百毫秒量级上不等。若干个微周期内总线上所有设备和上位机间信息交换都将扫描一次称监控周期，时间为1-2s。从时间看H1总线相当于DCS扫描周期，主要适合于热工过程控制而不适合于高速机械运动控制。

　　2．2典型Profibus系统结构(见图2（略）)
　　在这个系统中，控制基本上仍然由集中的PLC完成。当然这未必算缺点，因为逻辑控制并不要求分散，所以Profibus主要用于信号传输。它速度极快，每个节点扫描时间10ms。
Profibus-PA是为满足过程控制常遇到的本安防爆要求而设计的，物理层和FF-H1一样符合IEC61158-2，但其他层和Profibus-DP一样。因此现场仪表功能少，控制仍由集中的PLC控制器完成，但扫描速度快。

　　2．3功能分配分析(图略)
　　　　
　　从上面两种现场总线控制系统的结构、功能分布、扫描速度的区别，我们仿佛还是感到，DCS和PLC的争论在继续。虽然我们不能说哪个，但我们也不难分析哪种系统更适合于自己的被控对象。现场总线的“数字传输和开放互操作”两大特性都被实现了，但在“控制分散”这点上不同类型的控制有所不同。在连续控制应用中如能发挥这一特点，将获得节省控制设备、减少层次、分散控制风险的利益。
　　从这点看，原有DCS加现场总线接口的方案是不理想的，因为这将失去现场总线的一些灵魂性的特点和优点。

　　3 冗余

　　从被控对象看，十分重要的(价值、安全)对象或很长的连续流程，考虑控制设备一定程度的冗余；从控制设备看，风险高度集中的环节应考虑冗余。因此大型发电、石化控制系统都选择冗余的DCS，如电源、通讯、CPU和 I／O卡冗余。随着控制设备自身可靠性的提高，一些孤立的小装置也常采用不冗余或仅电源、CPU冗余的PLC以节省投资。
　　现场总线控制系统在冗余思想上，是采用风险分散隔离的方法来替代 DCS热备的方法。FF-H1现场总线将控制分散到现场仪表，从而也将集中的风险分散，也就省去了冗余的CPU，降低了成本。H1总线上设备数量不多，电缆不考虑冗余。但供电和接口也是风险集中点，一定要冗余。HSE高速总线通常要冗余配置。

　　4 现场智能设备

　　现场总线智能仪表有很强的控制功能，它们已不仅是传统的现场仪表，而是系统不可分割的一部分。因此现场总线控制系统的评价一定不能离开现场智能仪表，除测量传感器和执行元件与原来一样外，对现场仪表评价新开列的项目如表2所列。

　　5 开放性

　　由于DCS改用PC机和Win NT。使操作站层基本实现了开放，但DCS专有的控制网络和控制器是不会开放的。现场总线的目标是使控制层也开放，其间仅作为信号传输用的一类现场总线的任务较简单，因此标准也易统一，从而达到这一水平的开放互操作性也较容易。由于FF现场总线将控制和通讯都分散到各仪表，因此标准统一也困难，这也是FF进展较慢的技术原因之一。FF对现场仪表进行通讯一致性和互可操作性测试，这为系统控制层达到开放性提供了必要条件。但FF不对主系统进行互可操作性测试，因此用户还要注意主系统是否有能读懂其他供货商提交的DO(设备描述)文件的能力。
 
 

OPC(OLE forProcess Control)是时下非常流行的技术，它将进一步加强系统上层开放的能力，使不同的“第三方”软件和控制设备更容易“无缝”地集成。

　　6 兼容性

　　目前4-20mA设备和DCS／PLC仍是市场上的主流产品，在过渡时期，现场总线控制系统应对原有技术有较好的兼容性在系统级应具有常用网络间的网关能力，如ETH总线、RS-232／总线、LSA／总线等。在设备级应具有DI/DO/总线、4-20mA／总线、3-15psi／总线转换接口。转换器可安装在控制室(IP20防护等级)或在现场(IP65，本安隔爆)。这些转换接口的作用就是将变量纳人现场总线功能块应用中，以使系统的构筑变得更加灵活、方便。

　　7 价格

　　现场总线的主要优点之一就是给用户带来经济上的利益。但要注意两点：经济上的节省是体现在设计、建设、维护的全过程，即使是建设费用也包括设备、材料、施工三项费用，而绝不仅仅只是设备费：现场总线的节省不能误解为“便宜货”，它首先是高性能的系统，因此理解为“用同样的或较少的钱买到更好的东西”更恰当。现场总线控制系统的软件含量比DCS更大，因此它今后降价的余地更大。但在它发展的初期就要求它过低的价格是正的，也是不利于技术进步的。

　　8 结论

　　综上所述，笔者提出对现场总线控制系统的主要评价原则如下，供大家商榷。
　　1)根据应用对象选择适用的现场总线种类；
　　2)分析系统结构和功能分配是否能尽可能发挥现场总线技术的全部优点；
　　3)分析系统的开放性、安全冗余性能；
　　4)分析现场总线现场设备的性能；
　　5)分析系统的兼容性；
　　6)总体测算价格；
　　7)现场总线技术应用业绩。 电磁流量计 压力变送器 测温枪