现场总线控制系统在生产企业中的应用

文 翁振斌

FCS现场总线控制系统介绍

工业控制系统的发展从DDC计算机集中控制到DCS分散控制系统再到FCS现场总线。FCS控制系统用数字信号取代模拟信号进行信号传输，其控制系统设备、现场仪表设备和控制电缆都发生了改变。FCS系统的核心是FF总线协议。采用双绞线、光缆或无线电方式传输数字信号，减少大量导线。FCS可以将PID控制彻底分散到现场总线设备中。FCS从传感器、变送器到执行器一直是数字信号，这就使我们很容易地处理更复杂、更精确的信号，同时数字通信的差错功能可检出传输中的误码。基于现场总线的FCS是全分散、全数字化、全开放和可互操作的新一代生产过程自动化系统，它将取代现场一对一的4～20mA模拟信号线，给传统的工业自动化控制系统体系结构带来革命性的变化，如图1-1所示。

Deltav现场总线控制系统简介

福建永智设备有限公司是一家以生产丝网印刷设备为主要业务的制造类企业，产线上采用的是Deltav现场总线控制系统。Deltav系统是艾默生过程控制有限公司于1996年推出的FCS现场总线控制系统。它在兼容传统I/O及HART信号的同时，支持面向离散量信息的ASI总线、面向智能电气类的DEVICE和Profibus-DP总线、面向过程控制的FF总线；其中FF总线分为HSE和H1两层。H1层的FF卡件安装于Deltav系统的I/O机架上，可以与其它任意I/O模块或总线模块混合安装，自动识别并可以设置成冗余。

Deltav现场总线控制系统的主要控制回路都采用4～20mA上叠加HART信号的变送器进系统I/O卡件转换数字信号送控制器处理，同传统分散控制系统DCS的控制一样；一些只需显示的、不重要的控制仪表回路才采用FF现场总线系统。该FF系统采用H1 Fieldbus总线下挂横河现场总线仪表、西门子现场总线定位器进入系统现场总线数据接口卡（Fieldbus H1），如图1-2所示。

图1-1 控制系统结构比较图

图1-2 DeltaV系统结构图

安装的AMS智能设备管理系统通过DeltaV系统现有的软硬件和接线，直接与现场的HART设备和基金会现场总线（Ff）设备以在线的方式进行通信和诊断，并将设备的信息导入操作平台，如：Professional Plus Station（工程师站）或Apllicaton Station（应用站）。

Deltav系统中的FF应用

FF是Fieldbus foundation现场总线的简称，是一种全数字式的串行双向通讯系统，可以将各种现场总线设备，如传感器、执行器与控制器等连接起来。它分为H1和H2两级总线。H1采用符合IEC 61158-2标准的现场总线物理层；H2则采用高速以太网为其物理层。H1网段是指从H1接口以下安装在一对终端器之间的电缆、智能设备、与电源调节器的模块的系统组合。

福建永智设备有限公司产线上的FF系统的网络拓扑为树形，各个设备配防短路保护，可以做到互不影响，如下图1-3所示。

H1现场总线以段为单位，一根屏蔽双绞线电缆上完成对多台FF现场仪表的供电和数字通信，如下图1-4所示。H1网段仪表的分配要考虑仪表的功耗、同一控制回路的设备要在一个网段等。现场安装的FF总线设备采用H1总线网段的通信协议。

现场采用8分支和12分支两种现场接线箱给现场FF仪表供电，如下图1-5所示。每四个FF设备共用一个RDO-FB-EX4型四路各自隔离的FF安全栅。要注意现场接线箱的密封防水，避免进水带来的故障。

图1-3 FF树形网络拓扑图

FCS现场总线控制系统存在的问题

FCS控制系统本身是没有什么问题，FSC系统的核心是总线协议，基础是数字智能现场装备，本质是信息处理现场化。目前问题在于：

图1-4 H1网段图

图1-5 12分支现场总线接线箱

1.FF现场总线稳定性不够，其通信抗干扰性会比传统4～20mA的信号要差很多，而且现在最主要的问题是现场FF仪表本身的可靠性也没有传统4～20mA的好，经常会出现FF仪表通讯模块故障的现象（尤其温变比较严重），现场FF仪表的故障率会比传统的仪表高；

2.艾默生主推FF的两个理由：节约成本、现场总线控制，这些都是有前提条件的。节约成本主要是节省电缆，这就要看应用场合，有些场合也不一定能节省出多少电缆，相反，FF仪表的价格会比HART仪表高，故障率也高一些，这一块的成本会高一些；

3.现场总线控制的前提条件是还有供电，从控制系统到现场FJB只有一条总线电缆，一旦故障影响涉及的回路多，对生产影响大，所以出现现场总线控制的情况很少，PTA和PX装置现在FF也只是应用在单纯显示和不重要的控制回路，重要的控制回路还是4～20mA加HART信号；

4.维护FF仪表比HART仪表要求的技能要高。比如更换一台FF仪表，不像HART仪表用475模块设置好参数连上去就可以用。而现场更换FF仪表后，要在FCS软件上对该表做COMMISSION，将该表定义为实际的仪表位号，下载功能块的参数到现场仪表。最好不用475模块在现场仪表更改参数，而是在控制系统进行组态修改，因为FF现场仪表的组态是在控制系统完成再下装到仪表，用475模块改变的参数由于无法上载到系统，无法更新保存到组态数据库，为了保证下次更换表后由系统下装到现场总线仪表的组态是最新的。这也是与常规仪表不同之处。仪表维护工还不太会使用AMS智能设备管理系统对仪表进行日常及预防性维护维修，AMS是针对智能仪表、智能阀门定位器等进行在线组态、调整、校验管理、诊断及数据库事件纪录的系统。如果充分利用AMS智能设备管理系统所有应用软件的优势，那么就能在线获得仪表和阀门的过程信息和诊断信息，同时自动对所有设备的维护信息进行归档。这些需要习惯了传统仪表维护的人员重新学习和适应；

5.影响现场总线故障的主要原因之一来自网段上的干扰，而产生干扰信号的诸多原因中现场总线网段和总线设备的不良安装、屏蔽接地不好是主要原因，因此要求工程安装的质量要高。FSC的基础——数字智能现场设备的技术质量不过关、FF网络通讯的不稳定是限制了FSC发展的瓶颈。

今后FCS的发展改进思路

目前福建永智设备有限公司在采用FCS系统方面，还不是完全的FF总线控制，但随着产线上总线技术的日趋成熟，主要是解决FF仪表通讯不稳定、FF网络通讯可靠性的问题之后，FF设备比HART仪表的优势才会展现，FCS才会得到更好的应用。

要维护好现场总线控制系统FCS对我们技术攻关人员来说需要重新学习，随着对维护的FCS系统的深入了解，今后将借助AMS系统来不断提高我们维护FCS系统的水平，以期适应FCS现场总线控制系统全面应用时代的到来。