现场总线在石化工业自控系统中的应用探讨

韩广东

摘 要：介绍了现场总线控制系统的特点、硬件组成和软件组成等，探讨了现场总线技术在石化行业的应用和应用中存在的主要问题。

关键词：现场总线；FCS；过程控制

1 引言

随着自动化技术的飞快发展，近年来自控技术发生了深刻变革，对于石化工业，自动控制系统多年来一直由集散控制系统（DCS）占据主导地位。随着现代工业的不断发展，对自动控制技术提出了更高的要求，过程控制技术的发展速度越来越快，由分离型向共享型发展、模拟型向数字型发展、网络向现场拓展，在发展的过程中，大致经历了5个阶段：人工控制、模拟仪表控制、计算机集中控制、集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）。现场总线技术是这场变革中的最核心技术[1]。

2 FCS的特点

现场总线系统是一种全数字、串行、双向的通讯系统，通过该系统将“现场”设备互相连接起来，包括传感器、执行器与控制器等。典型的现场总线系统就是提供一个现场设备到主机的网络连接，这个连接是双向的、串行通讯连接。现场总线控制系统（FCS）可以在一对电缆上传输多个数字信号[2]，同时又为多个设备提供电源。

现场总线的特点是[3]：

（1）系统的开放性：它可以与任何遵守相同标准的其他设备或系统连接。根据用户自己的设计方案，对不同供应商的产品进行随意的组合。

（2）智能化的现场设备与功能自治：可以将原来在DCS系统中进行的测量，补偿，数据处理，逻辑控制等功能，转移到现场设备中完成，并可以随时诊断设备的运行状态。

（3）系统结构的高度分散性：与原有的DCS集中与分散结合的控制系统相比，现场总线系统是一种全分散性的体系结构。这样就简化了系统，提高了系统的可靠性。

（4）高度的现场适应性：现场总线数据传输的硬接线形式丰富，支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，可以将供电与通信线合并，具有较强的抗干扰能力，并可满足本质安全防爆要求等。

（5）节省投资费用：在一根电缆上可以为多个设备提供数据传输，这样减少了系统设计、安装的工作量，节省了材料费用。

（6）提高了系统精度：现场总线设备具有智能化、数字化的特点，与模拟信号相比，传送误差将大大减少，系统测量与控制的精确显著提高。

3 FCS的系统组成

下面介绍典型的FCS系统的硬件组成。

（1）接口设备。接口设备主要指各种接口卡件，用以连接计算机与现场总线。包括PC机、过程控制接口卡（PCI）、串行接口（BC1）等。

（2）现场总线仪表。在现场总线控制系统下，智能型现场仪表替代了传统DCS系统中的模拟型现场仪表，这里“智能”是指现场变送器除了具有信号变换、补偿等功能外，还具有控制功能，如PID等运算控制功能[4]。

（3）外围设备。外围设备包括电缆、电源、阻抗匹配器、端子、接线盒、安全栅及重发器等辅助设备。

现场总线的软件系统主要包括组态软件、监控软件、设备管理软件等。1）现场总线组态软件。组态软件包括通信组态与控制系统组态。控制组态是指在明确系统控制功能的前提下，设计控制回路的结构，确定控制回路采取的控制方式，最终生成控制回路。通信组态是指明确节点与节点间的通信协议和通信关系。通过系统组态，实现各现场仪表之间、现场仪表与监控计算机之间以及计算机与计算机之间的数据通信。2）常用功能块。功能模块的作用是处理输入和产生输出，每个功能模块都有专门的算法和内部参数，它内置于PCI卡和每台现场总线仪表中。用户可以通过对功能模块进行组态来实现自己的控制策略。3）监控软件。监控软件的主要功能包括：实时数据采集、数据处理、常规控制计算、优化控制、逻辑控制、报警监视、运行参数的画面显示、报表输出和操作与参数修改等。

4 FCS的应用

截至目前，现场总线技术凭借良好的功能和自身的特点，在石化工业自動控制中有了长足的发展。目前流行的现场总线有FF、LonWorks、Profibus、WorldFIP、CAN、HART（过渡协议）等，其中石化行业广泛应用的是FF和HART现场总线系统。

现场总线在实际应用中存在着一些问题。主要有：

（1）价格问题。FCS主要节省了安装和维护费用，但在硬件的价格方面要高于传统的DCS。由于国内人工成本低，所以FCS系统的总体价格要高于DCS。

（2）冗余问题。现场总线系统对冗余的需求不高，原因有二：一是现场总线的智能仪表具有自我诊断功能，当现场仪表出现故障，数据采集或调节回路失灵时，它可以自我发出预警，可以切换到主机进行操作干预。二是现场总线仪表具有自我调节功能，当主机出现故障时，现场仪表可以自主干预而实现自主调节。但在实际生产应用场合，多数用户由于对总线系统信心不足，担心生产的安全，所以特别强调冗余。而目前现场总线国际标准FF的F1和Profibus的PA都没有冗余。当然，现场总线技术可以实现用户冗余要求，但这样一来，会增加总线系统的投资。

（3）安装、调试和运行维护比较复杂。由于现场总线技术是一门新兴的技术，人们对它的结构和操作还不熟悉。尤其是像FF这样的现场总线本身相当复杂，在安装调试过程和运行维护中经常会遇到很多困难。

5 结束语

现场总线技术的兴起，可以实现多种信息的高速传输，使得石化工厂在管理级层面，可以获得更精确、更全面的现场数据，实现真正的集中管理。随着现场总线和现场智能仪表技术的日趋成熟，在生产中将控制节点下放到现场变得实际可行，从而实现了真正的过程分散控制。同时人们对总线技术更加了解，更加熟悉和信任，现场总线技术必将在石化行业的自动控制中应用的越来越广泛。

参考文献：

[1]周明.现场总线控制系统[M].中国电力出版社，2002.

[2]王永华.现场总线技术及应用教程[M].北京：机械工业出版社，2006（12）.

[3]周以琳，张文霞，袁健.基于FF现场总线的监控软件改进设计[J].仪表技术与传感器，2007（02）：28-30.

[4]方晓柯，徐林，王建辉等.DeviceNet现场总线特点分析及节点电路设计[J].仪器仪表学报，2005，26（11）.