过程自动化现场总线在化工过程中的应用

1 系统概述

    化学工业是我国国民经济的重要组成部分，它的发展关系到国计民生，而且与国民经济的其他部门有密切的联系，是农业、国防、轻纺和交通运输等工业部门发展中不可缺少的基础工业之一。由于现代化工生产向复杂化、大型化、高速化和自动化发展，而且具有高温、高压、易燃、易爆及有毒的特点，为保证生产稳定、可靠、安全地运行，相应地对化工过程的参数检测和自动控制提出了更严格、更准确的要求。一个化工厂中，检测点多达几千甚至几万个，控制回路也有几百个，为了能够正确地把生产过程控制在最佳的工况下运行，减少原料和动力的消耗，降低生产成本，实现优质高产，又能够保证生产安全，防止事故发生和扩大，达到延长设备使用寿命；提高设备利用率，同时还要减轻劳动强度，改善劳动力，本控制系统中采用了基于 FF 总线和 ASI 现场总线的过程自动化冗余控制系统。FF 总线功能强大 , 支持本安装系统 , 实时性好 , 总线供电 , 但如果主设备失效将使整个网络瘫痪 , 总线虽然性能突出 , 成本却较高 , 协议也复杂 , 主要应用于流程控制领域。打破了常规的一次仪表配常规显示仪表、一次仪表与 DCS 或 PLC 配套传统应用，大量节省人力物力。与传统的 DCS 或PLC 系统相比，现场总线技术更具有开放性、互连性、互操作性、扩展性以及丰富的软、硬件资源。

2 基于过程自动化现场总线的系统结构及特点

    2.1 系统结构

图 1 系统结构图

    2.2 系统的组成及特点

    系统主要由以下几部分组成：

    （1）操作员及工程师站：主要完成过程参数的监视、报警、趋势分析以及操作等功能。

    （2）网络电缆：用于现场设备与HMI 的信息交换介质 , 采用双绞线。

    （3）现场总线接口：用于连接过程自动化现场总线和 HMI，一种 PCI 卡，插在 HMI 的 PCI 插槽内。

    （4）终端器：用在网络的每个末端的阻抗匹配器 , 每条总线段需要 2 个终端器 , 终端器用于防止信号失真和衰减。

    （5）中继器：用于扩展过程自动化现场总线网络，该网络上的任意 2 台设备间最多可使用 4 台中继器。它是一台有源的总线或非总线供电设备，工作在物理层。

    （6）总线电源：为现场总线供电。

    （7）现场总线设备：现场总线设备主要指现场总线仪表，它们全部并联到过程自动化现场总线上，作为该网的智能节点，每台现场总线仪表均是以微处理器为基础的智能化仪表，内置了许多软件功能模块。每台现场总线仪表内置的功能模块包括：模拟量输入、模拟量输出、PID 运算、输入选择、算术运算、累计、特征化和输出选择等功能。用户可以通过组态软件对这些功能模块进行灵活连接来实现自己的控制策略。现场总线除具有一对 N 结构、互换性、互操作性、控制功能分散、互连网络、维护方便等优点外，还具有如下特点：

    （1）网络体系结构简单其结构模型一般仅有 4 层，这种简化的体系结构具有设计灵活，执行直观，价格低廉，性能良好等优点，同时还保证了通信的速度。

    （2）综合自动化功能把现场智能设备分别作为一个网络节点，通过现场总线来实现各节点之间、节点与管理层之间的信息传递与沟通，易于实现各种复杂的综合自动化功能。

    （3）容错能力强现场总线通过使用检错、自校验、监督定时、屏蔽逻辑等故障检测方法，大大提高了系统的容错能力。

    （4）提高了系统的抗干扰能力和测控精度现场智能设备可以就近处理信号并采用数字通信方式与主控系统交换信息，不仅具有较强的抗干扰能力，而且其精度和可靠性也得到了很大的提高。由此可见，和传统的 DCS 和 PLC 控制系统不同，所有现场仪表都是网络上的一个节点，每一个节点都是一个智能设备。在现场总线控制系统中，以微处理器为基础的现场仪表已不再是传统意义上的变送或执行单元，而是同时起着数据采集、控制、计算、报警、诊断、执行和通信的作用，每台仪表均有自己的地址与网络上的其它仪表进行区分。所有现场仪表均可采用总线供电方式。在危险场所还可使用现场总线安全栅。

结语

    过程自动化现场总线是一种用于智能现场设备和自动化系统的开放式、数字化、多节点的通信技术。它用数字信号完全取代了传统的 4~20mA 信号，实现了现场的管理与控制的统一；使一些基本过程控制，报警和计算功能分布在现场完成；可使设备增加非控制信息，如：诊断信息等 . 实现了开放性与互操作性，它不仅仅是一种通信技术，实际是智能化仪表，计算机网络和开放系统结构等技术的集成。连接在现场总线网络上的智能现场设备都具有数字通信能力，各种智能现场设备共享信道，可以进行数据和信息交换，协调工作，组成一个现场控制系统，该控制系统以成功用于某化工厂，实践表明运行良好。