第四章 现场总线控制系统
第四章 现场总线控制系统(FCS)第一节 现场总线控制系统基础现场总线控制系统(FCS)是基于现场总线技术的计算机控制系统，它是集计算机技术、网 络技术和控制技术为一体的先进的计算机控制系统。是一种全分散、全数字、全开放的控制 系统。它适用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化等领域，将逐渐成为计算机控制系统的 主流形式。一、现场总线控制系统的特点根据IEC标准和现场总线基金会的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的 数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线控制系统是在现场总线的基础上发展 起来的，它所带来的改进首先体现在现场通信网络方面，其次在结构、装置、功能等方面也 有优势。概括地说，它具有以下技术特点：(1) FCS 采用的现场总线是一个全数字化的现场通信网络。现场总线是用于过程控制系统 和制造自动化系统中现场设备或现场仪表间互连的数字化通信网络，其传输抗干扰性强，测 量精度高，大大提高了控制系统的性能。(2) FCS的现场总线网络是开放式互连网络。用户可以自由集成不同制造商的通信网络， 通过网络将不同厂商生产的现场设备和功能块设备有机地融合为一体，构成统一的现场总线 控制系统。(3) FCS 的所有现场设备直接通过一对传输线(现场总线)互连。一对传输线互连多台现场 设备，双向传输数据信息，大大减少连线数量，从而降低安装费用，更易于维护，并提高了 可靠性。(4) FCS 普遍采用智能仪表，增强了系统的自治性，系统控制功能更加分散。智能化的现 场设备具有更加完善的功能，包括部分控制功能，从而将较简单的控制任务改由现场设备完 成，使现场设备既有检测、变换功能，又有运算和控制功能，一机多用。这样既节约了成本 又使控制更加安全和可靠。FCS废除了 DCS的I/O单元和控制站，把DCS控制站的功能块 分散到现场设备，实现了彻底的分散控制。二、FCS与DCS的分析比较FCS系统利用现场总线技术，针对现存的DCS的某些不足，改进控制系统的结构，提高 了性能和通用性。传统DCS的主要问题是开放性差，功能分散不够，需要用大量的电缆传递 模拟信号等。但是， DCS 发展了二三十年，已经在许多领域成熟应用，其强大的功能和可靠 性已经得到验证和承认，并且已经占有了相当大的市场。与DCS相比，FCS具有技术上的优 势，但是还处于发展和成熟之中，许多问题还有待解决。当今工业控制领域,DCS和FCS共 存的情况还将维持一段较长的时间。在技术上， FCS 与 DCS 相比，具有以下几点优势：(1) FCS 的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络， 逐层向上直至最高层均为通信网络互连。(2) FCS的系统结构是全分散式，FCS废弃了 DCS的输入输出单元和控制站，由现场设备 或现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，实现彻底 的分散控制。(3) FCS 的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备既可互连也可互换，并可以统一 组态，彻底改变传统 DCS 控制层的封闭性和专用性。(4) FCS 的通信网络为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连， 用户可极其方便地共享网络数据库。(5) FCS 的技术和标准实现了全开放、专利许可要求，可供任何人使用，从总线标准、产 品检验到信息发布全是公开的，面向世界任何一个制造商和用户。另一方面，由于FCS是一种新技术，目前真正意义上的现场总线的统一国际标准尚不具 备，因此FCS与成熟的DCS相比，还存在下列的一些不足。(1) 由于现场总线标准本身尚在发展中，从而给产品的开发和测试带来难度。这在一定程 度上造成产品开发商多、生产商少，产品品种单一而且价格昂贵。虽然IEC已经确定了 8种总线作为标准，但是仍然让设备生产商和用户无所适从，只有 真正意义上的现场总线标准确立，FCS才可以走向成熟。现阶段，在某些场合中FCS还无法提供DCS已有的控制功能。由于软硬件水平的限 制，其功能块的功能还不是很强，品种也不够齐全；用现场仪表还只能组成一般的控制回路 如单回路、串级、比例控制等，对于复杂的、先进的控制算法还无法在仪表中实现，对于单 回路内有多输入、多输出的情况缺乏较好的解决方案。(3)目前FCS成功应用于各行业的实例不多，难以评估实际应用效果。而DCS已经长期 稳定可靠地运行于许多工业现场，其市场优势是FCS无法比拟的。总的来说，FCS的这些劣势都是在实施推广过程中遇到的问题，但是FCS在技术上的优 势已经得到大家的承认，FCS还是今后最有前途的控制系统。由于以上这些原因， FCS 取代 DCS 将是一个逐渐的过程。在这一过程中，会出现一些过 渡型的系统结构，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系统。用户将现场总线设备连接 到独立的现场总线网络服务器，服务器配有DCS中连接操作站的上层网络接口，与操作站直 接通信。在 DCS 的软件系统中可增添相应的通信与管理软件。这样不需要对原有控制系统作 结构上的重大变动。三、现场总线控制系统的结构FCS 是一个两级系统，即工作站级和现场级。与 DCS 相比，其单独的控制级已经不存在，控制功能被分散到智能化的现场仪表中更彻 底地实现了控制分散，从而提高了控制的可靠性和性能。以现场总线基金会(FF)的标准为例，基于FF现场总线标准构成的FCS系统结构如图4 1 所示，其中 H2 为高速总线， H1 为低速总线。XW卵|車半J . “撫枠R堆怕讯1:昨站J.卡姑HI图 4 1a r:氓坊刊施优址捕冋达理曲FF现场总线控制系统结构智能化现场设备和现场总线是组成FCS的两个重要部分。现场级由现场总线智能化设备 组成，现场总线智能化设备以现场总线技术为基础，以微处理器为核心，以数字化通信为传 输方式，并根据实际情况内置各种控制算法模块，从而完成数据采集、回路控制功能，实现 控制功能的彻底分散。系统可对之进行校验、组态、测试，实施设备管理，从而改善系统的 可靠性。工作站级位于控制室，其中，工程师工作站用于组态操作、系统仿真和调试，操作员工 作站用于工艺操作和系统监视报警、报表打印等，维护员工作站用于掌握现场设备的详细信 息、查找和确认故障、进行预测性维护。现场总线协议控制服务器是FCS的通信控制器，它连接现场总线网络和工作站的局域网， 完成现场设备和工作站之间的通信。网桥用于连接高速总线H2和低速总线H1。FCS 用现场总线在控制现场建立一条高可靠性的数据通信线路，实现各现场智能化设备 之间及其与主控机之间的数据通信，把单个分散的现场设备变成网络节点。现场智能设备中 的数据处理有助于减轻主控站的工作负担，使大量信息处理就地化，减少了现场设备与主控 站之间的信息往返，降低了对网络数据通信容量的要求。经过现场设备预处理的数据通过现 场总线汇集到主机上，进行更高级的处理(主要是系统组态、优化、管理、诊断、容错等)，使 系统由面到点，再由点到面，对被控对象进行分析判断，提高了系统的可靠性和容错能力。 这样， FCS 把各现场设备连接成了可以互通信息，共同完成控制任务的网络型控制系统，更 好地体现了 DCS系统“信息集中，控制分散啲设计理念，提高了信号传输的准确性、实时性 和快速性。四、现场总线控制系统的基本设备人们把现场总线的节点设备称为现场设备或现场仪表，节点设备的名称及功能随所应用 的企业而定。不同的现场总线标准构成的FCS，具体的设备可能不同，但是在FCS最基本的 框架下，基本设备是相似的。以现场总线基金会(FF)的FCS为例，用于过程自动化构成FCS的基本设备如下：(1)变送器。常用的有温度、压力、流量、物位和物性分析变送器5 大类，每类又有多个 品种。FCS中的变送器已经超越传统变送器，它既有检测、变换和补偿功能，又具有PID算 法等控制功能。(2) 执行器。常用的执行器有电动、气动两大类，每类又有多个品种。执行器的基本功能 是信号驱动和执行，还内含调节阀输出特性补偿、 PID 控制和运算等功能。另外有阀门特性 自校验和自诊断功能。(3) 服务器和网桥。对于FF现场总线而言，服务器下接HI和H2,上接局域网L厶Nt网 桥上接H2,下接HI。(4) 辅助设备。H1/汽压、H1/电流和电流/H1转换器、安全栅、总线电源、便携式编程 器等等。(5) 监控设备。工程师站供现场总线组态，操作员站供工艺操作与监视，计算机站用于优 化控制和建模。五、现场总线控制系统的设备管理现场总线控制系统的设备管理(AMS： Asset Management Solutions)是指现场总线系统中的 现场智能仪表的管理、操作和维护。自动化仪表的设备管理是现场总线仪表发展引出的新概念。随着工厂越来越严格的质量 标准及法规要求，人们对现场测量和控制设备的要求随之提高，不仅要求现场设备能提供过 程参数的测量信息，还要能提供包括设备自身及过程的某些诊断信息、管理信息等。现场总 线设备管理系统的目的就是充分发挥智能设备各种功能与信息的作用，让它们为提高过程控 制和管理水平服务。通常情况下，现场仪表通过现场总线将其控制信息、运行状态信息等传送到监控计算机， 由安装在计算机内的 AMS 软件完成设备管理功能。设备管理系统所能完成的功能包括：设备 组态管理、故障诊断、调试标定所连设备以及自动维护系统的设备数据库。设备组态管理用于改变设备的单个组态参数；或者将一个现存的组态方案整个地提交给 设备。 AMS 具备一些设备模板，模板中定义了每种特定设备类型的缺省组态参数。用户可以 设置修改这些设备的组态信息。AMS 向用户提供了详细的设备状态信息，如主变量越限、冷启动、组态更改等，甚至还 可以提供设备内部各个芯片的故障信息以及通信故障信息。根据这些信息，维护人员可以方 便快速地排除现场故障。通过查看设备的状态信息可以方便地对设备进行故障诊断。除了修改设备组态参数，如量程上下限、工程单位等之外， AMS 还为用户提供了一些设 备调试的功能。用户可以在控制室的设备管理计算机上完成设备自检、回路测试、设备标定 等工作。AMS 还可用于在线的报警管理来管理设备报警，包括设置报警设备、报警参数、报警级 别等。AMS 的另一特殊功能是记录跟踪。记录跟踪自动地为每台设备生成历史记录，包括设备 组态记录、调试前/调试后记录、诊断信息以及AMS维护记录等。AMS 所提供的设备标定工具可以对每台设备制定特殊的标定计划，以确定一台设备多久 应测试以及允许的精度是多少。此外，AMS中还保存有其他标定信息，诸如：工作序号、测 试者、调试前/调试后数据和测试设备的数据。所有这些数据都被快速准确地收集并置入数 据库。AMS还可提供设备自检和回路测试。只要用户提出了请求，设备自检(Self Test)就由AMS 自动完成，并在完成测试后给用户提交一份测试结果。设备自检是对设备内部各组件进行自 测试。回路测试(Loop Test)则是指AMS强制性地将设备输出锁定为某一确定值，用户通过测 量回路中各点的电流值就能判断回路是否正常工作，以及问题出在什么地方。AMS还具备生成报告、标定管理(Calibration Manager)、趋势报告、过程诊断、阀门链接 诊断(Valve link)、电机诊断等相应功能。标定管理软件可查询需要标定的设备，将标定内容 下装到现场被标定设备，以及将现场设备的标定结果上装到AMS等。AMS 最终可以构成一个全厂现场设备的综合管理系统信息库，并在此基础上实现设备的 可靠性分析以及预测性维护。对于设备管理系统，涉及的信息内容包含以下几个方面。(1) 设备管理系统可以访问的组态参数。除了被测量参数的单位、量程上下限、阻尼HART 仪表位号、最小量程间隔、报警级别、探询地址、设
