現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在熱工控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

介紹現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及特點(diǎn)，并通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)說(shuō)明了其在熱工控制領(lǐng)域的應(yīng)用。最后說(shuō)明了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的不足，并展望了其發(fā)展前景。

1現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的本質(zhì)含義

現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)儀表和數(shù)字控制系統(tǒng)輸入輸出之間的全數(shù)字化、雙向、多站通信的系統(tǒng)。它將專(zhuān)用微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，采用可進(jìn)行簡(jiǎn)單連接的雙絞線等作為總線，把多個(gè)測(cè)量控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開(kāi)、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1.2現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)相比，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性。

(1)減少硬件數(shù)量和投資：分散在現(xiàn)場(chǎng)的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、測(cè)量、控制、報(bào)警和計(jì)算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的調(diào)節(jié)器，計(jì)算單元等，也不再需要一些信號(hào)調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換等功能單元。

(2)節(jié)省安裝費(fèi)用：一對(duì)雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少。

(3)節(jié)省維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)：現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力；通過(guò)數(shù)字通信將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶(hù)可以查詢(xún)所有設(shè)備的運(yùn)行、診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除。

(4)用戶(hù)具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)：用戶(hù)可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來(lái)集成系統(tǒng)。

(5)提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性：與模擬信號(hào)相比，它從根本上提高了測(cè)量與控制的精確度，減少了傳送誤差，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選取熱工生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的溫度、壓力、流量和液位作為控制對(duì)象，采用基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)。下面分別介紹系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和軟件組態(tài)。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)布置如圖1所示。它主要包括現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)、液位控制臺(tái)、流量控制臺(tái)、壓力控制臺(tái)、溫度控制臺(tái)、上位機(jī)系統(tǒng)和PLC，這是一個(gè)典型的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其開(kāi)放性。它將原來(lái)封閉、專(zhuān)用的系統(tǒng)變成開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。使得不同制造商的產(chǎn)品可以互連，也使得第三方的軟件可以方便地在不同的硬件平臺(tái)上應(yīng)用，從而簡(jiǎn)化了用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。在本系統(tǒng)中，上位機(jī)監(jiān)控軟件就是用美國(guó)Wonderware公司的工控組態(tài)軟件InTouch7.1開(kāi)發(fā)的，下面作簡(jiǎn)要介紹。

2.2軟件組態(tài)

該軟件設(shè)計(jì)要求能夠直觀地展現(xiàn)過(guò)程控制中的各個(gè)狀態(tài)和參數(shù)，并對(duì)一些參數(shù)建立適當(dāng)?shù)膱?bào)警機(jī)制。軟件設(shè)計(jì)的主要畫(huà)面有過(guò)程控制、報(bào)警監(jiān)控、趨勢(shì)畫(huà)面等。

其中，“過(guò)程控制”畫(huà)面如圖2所示。

現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)，給控制領(lǐng)域帶來(lái)了一次革命，將開(kāi)創(chuàng)自動(dòng)化的新紀(jì)元。基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)FCS將取代傳統(tǒng)的DCS。但就目前情況來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展還存在著一些問(wèn)題，需要大家共同努力來(lái)解決。

3.1現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用狀況

隨著大量的現(xiàn)場(chǎng)總線的示范工程和示范工廠的建立，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)度過(guò)了啟蒙宣傳階段，進(jìn)入推廣應(yīng)用期，企業(yè)選用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的條件已逐漸成熟。

首先，不同現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)和廠商的競(jìng)爭(zhēng)為用戶(hù)選擇系統(tǒng)集成提供了條件；其次，一些現(xiàn)場(chǎng)總線，如基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線，PROFIBUS等，已經(jīng)取得了良好的應(yīng)用業(yè)績(jī)，并在特定領(lǐng)域得到廣泛認(rèn)同。

3.2現(xiàn)場(chǎng)總線存在的問(wèn)題

首先，多種標(biāo)準(zhǔn)并存，沒(méi)有一種標(biāo)準(zhǔn)能覆蓋所有的應(yīng)用面；其次，異種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線間缺乏互操作性；再次，現(xiàn)在的應(yīng)用主要是中小型系統(tǒng)，價(jià)格優(yōu)勢(shì)未能體現(xiàn)，顯得比傳統(tǒng)系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)還大；最后，還有安全性問(wèn)題，當(dāng)總線切斷時(shí)，系統(tǒng)可能產(chǎn)生不可預(yù)知的后果。

從上面的介紹和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作可以看出，現(xiàn)場(chǎng)總線在系統(tǒng)控制和管理方面都有著優(yōu)越的性能。因此，可以預(yù)見(jiàn)，不久的將來(lái)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)將成為工業(yè)自動(dòng)化的主流，在這其中，熱工過(guò)程控制可以起著良好的示范作用。