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

介紹現(xiàn)場總線技術(shù)及特點(diǎn)，并通過一個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)說明了其在熱工控制領(lǐng)域的應(yīng)用。最后說明了現(xiàn)場總線技術(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)場總線技術(shù)簡介

1.1現(xiàn)場總線技術(shù)的本質(zhì)含義

現(xiàn)場總線系統(tǒng)是現(xiàn)場儀表和數(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)。它將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，采用可進(jìn)行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個微機(jī)化測量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(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)際需要的自動控制系統(tǒng)。

1.2現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)相比，現(xiàn)場總線系統(tǒng)從設(shè)計、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)場的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、測量、控制、報警和計算功能，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，計算單元等，也不再需要一些信號調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換等功能單元。

(2)節(jié)省安裝費(fèi)用：一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大大減少。

(3)節(jié)省維護(hù)開銷：現(xiàn)場總線設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力；通過數(shù)字通信將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(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)用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)：用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。

(5)提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性：與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的精確度，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)過程中常見的溫度、壓力、流量和液位作為控制對象，采用基于Profibus現(xiàn)場總線的控制系統(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)場總線控制網(wǎng)絡(luò)、液位控制臺、流量控制臺、壓力控制臺、溫度控制臺、上位機(jī)系統(tǒng)和PLC，這是一個典型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)。

現(xiàn)場總線技術(shù)的一個顯著特點(diǎn)是其開放性。它將原來封閉、專用的系統(tǒng)變成開放、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上應(yīng)用，從而簡化了用戶對系統(tǒng)的開發(fā)。在本系統(tǒng)中，上位機(jī)監(jiān)控軟件就是用美國Wonderware公司的工控組態(tài)軟件InTouch7.1開發(fā)的，下面作簡要介紹。

2.2軟件組態(tài)

該軟件設(shè)計要求能夠直觀地展現(xiàn)過程控制中的各個狀態(tài)和參數(shù)，并對一些參數(shù)建立適當(dāng)?shù)膱缶瘷C(jī)制。軟件設(shè)計的主要畫面有過程控制、報警監(jiān)控、趨勢畫面等。

其中，“過程控制”畫面如圖2所示。

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

3.1現(xiàn)場總線的應(yīng)用狀況

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

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

3.2現(xiàn)場總線存在的問題

首先，多種標(biāo)準(zhǔn)并存，沒有一種標(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)，價格優(yōu)勢未能體現(xiàn)，顯得比傳統(tǒng)系統(tǒng)開銷還大；最后，還有安全性問題，當(dāng)總線切斷時，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，不久的將來現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將成為工業(yè)自動化的主流，在這其中，熱工過程控制可以起著良好的示范作用。