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現(xiàn)場總線技術(shù)在電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用
2015-09-07
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1 現(xiàn)場總線技術(shù)簡介 現(xiàn)場總線(HELDBUS)是指現(xiàn)場設(shè)備與自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線；現(xiàn)場總線遵循國際統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，具有開發(fā)、互聯(lián)、兼容和互操作性的特性，它使自動化系統(tǒng)的功能更加分散，系統(tǒng)更加簡化，還具有遠(yuǎn)方診斷、調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，可以提高自控系統(tǒng)的安全可靠性。 2 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理及使用情況 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是過程控制系統(tǒng)中一個十分重要的現(xiàn)場驅(qū)動裝置，具有行程控制、力矩保護(hù)、手動電動切換操作、遠(yuǎn)方及就地控制等功能，可以將上位控制設(shè)備和系統(tǒng)(調(diào)節(jié)器、PLC、DCS)給出的電量指令信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的位移，驅(qū)動最終的控制部分如閥門、風(fēng)門等至系統(tǒng)所要求的位置，以調(diào)節(jié)和控制流量、風(fēng)量、溫度、壓力等過程參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過程控制。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常采用模擬量或脈沖量開展方式，系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間采用點(diǎn)對點(diǎn)的連接形式。 現(xiàn)場總線類型中適合過程自動化的主要有三種即FF (基金會現(xiàn)場總線)、PROFIBUS和WORLDFIP。另外，還有不少其它公司的現(xiàn)場總線，如MODBUS、PROCESS- NET等。PROFIBUS由三個兼容部分組成，PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。其中PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信系統(tǒng)，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I／0的通信；PROFIBUS-PA專為過程自動化設(shè)計(jì)，可使變送器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置連接在一根總線上并提供本質(zhì)安全和總線供電特性；WorldFIP為世界工廠儀表協(xié)議(World Factory lnstrument Protoc01)，在儀表行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用?；饡F(xiàn)場總線FF總線是以FISHER-ROSEMOUNT公司為首聯(lián)合80家公司制定的ISP協(xié)議和以HONEYWELL公司為首聯(lián)合歐洲150家公司制定的WORLDFIP協(xié)議。 根據(jù)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和性能要求，執(zhí)行機(jī)構(gòu)上可使用現(xiàn)場總線。
3電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)上應(yīng)用現(xiàn)場總線的優(yōu)勢
(1)．現(xiàn)場使用的輔助設(shè)備少。傳統(tǒng)的現(xiàn)場接線極為費(fèi)時、費(fèi)力：每臺儀表都必須要有至少7-14根控制線才能將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)傳遞到控制系統(tǒng)的控制模板上。由于要對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，還需要在控制裝置附近安裝轉(zhuǎn)換控制柜(馬控柜)，用于中途或現(xiàn)場的控制，或者提供中途信號。而采用總線通訊方式，即使是在冗余的情況下，也僅需要兩根電纜4根線，且無須任何隔離和轉(zhuǎn)換以及輸入輸出模塊，同時減少了大量的信號電纜、節(jié)省了相應(yīng)的電纜槽、配電柜等硬件，降低了費(fèi)用，而且還便利了現(xiàn)場接線。
(2)可 靠性高。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用現(xiàn)場總線，其輸出為數(shù)字信號。這與傳統(tǒng)的輸出為模擬信號的執(zhí)行器來比就大不一樣了，不僅減少了信號轉(zhuǎn)換過程中的損失，增加了抗干擾能 力，而且所傳遞信號的質(zhì)量也是非常穩(wěn)定可靠。使用帶現(xiàn)場總線的執(zhí)行機(jī)構(gòu)減少了大量的接線工作以及大量的中間過渡裝置，因此也減少了大量的人為錯誤和系統(tǒng)故 障。
(3)操 作維護(hù)方便。采用了現(xiàn)場總線的執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有雙向通訊功能，操作人員在控制室既可對現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定、參數(shù)設(shè)置、功能組態(tài)，還可在線監(jiān)測裝置的工作情 況，行故障診斷和事故預(yù)測、實(shí)施狀態(tài)維修，不再需要像過去一定要到現(xiàn)場去。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)時刻處于被監(jiān)控狀態(tài)，因此使用和維護(hù)十分方便。
(4)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程、操作、和診斷。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在現(xiàn)場出現(xiàn)了一些難以解決的問題時，就可以利用裝置上帶有的通訊接口通過網(wǎng)絡(luò)的途徑來進(jìn)行遠(yuǎn)程會診，廠家不必到現(xiàn)場。
4設(shè)計(jì)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)現(xiàn)場總線的一般原則及要點(diǎn)
(1)設(shè)計(jì)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)現(xiàn)場總線的一般原則。
電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的現(xiàn)場總線必須與系統(tǒng)的總線類型一致。如選用PROFIBUS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，則電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中也必須選用相應(yīng)的PROFIBUS現(xiàn)場總線。如選用PROCESS-NET總線系統(tǒng)，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)也必須選用能夠滿足該系統(tǒng)的現(xiàn)場總線。不同的現(xiàn)場總線由于標(biāo)準(zhǔn)不同，不能相互兼容。在使用過程中，只有具有遵循同一總線要求的設(shè)備才能相互通訊。 現(xiàn)場總線相對于整個電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)來講是一個部件，因而在設(shè)計(jì)時要注意和整個系統(tǒng)要融為一個整體。不能發(fā)生相互沖突或矛盾。具有現(xiàn)場總線的執(zhí)行機(jī)構(gòu)比不帶現(xiàn)場總線的執(zhí)行機(jī)構(gòu)更、更方便。
(2)設(shè)計(jì)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)現(xiàn)場總線的要點(diǎn)。
現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是功能控制版，通訊接口板，系統(tǒng)軟件等幾個重要內(nèi)容的設(shè)計(jì)。功能控制板是整個機(jī)構(gòu)的核心。完成好它的設(shè)計(jì)將直接關(guān)系到現(xiàn)場總線功能的最終實(shí)現(xiàn)和使用。對應(yīng)不同的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，功能控制板也不一樣，PROFIBUS現(xiàn)場總線中最重要的是ASIC SPC-3(一種專用集成電路)。
通訊接口板是設(shè)計(jì)現(xiàn)場總線的又一個關(guān)鍵。不同的現(xiàn)場總線要采用不同的通訊控制卡，如果是PROFIBUS現(xiàn)場總線，就必須采用能夠與PROFIBUS總線進(jìn)行通訊的通訊卡。如果選用MODBUS卡，則相對應(yīng)的現(xiàn)場總線就必須是MODBUS現(xiàn)場總線。用戶在執(zhí)行器中根據(jù)要求插入不同的通訊控制卡，執(zhí)行器就能與支持該通訊協(xié)議的PLC、DCS等控制裝置一起構(gòu)成不同的總線系統(tǒng)。
除了接口板外，相對應(yīng)的還有各自不同的接口。
PROFIBUS的接口為RS485串口，PROCESS-NET的接口為RS485、RS232串口。
總線系統(tǒng)必須采用專用的軟件功能模塊來完成人--機(jī)對話。SIEMENS公司在執(zhí)行器上采用的是SIMATIC S7-400系統(tǒng)中的SIPPOS5軟件。SDA公司的AS執(zhí)行器上采用的是SMARTMANAGER軟件。
5帶現(xiàn)場總線的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用
(1)總線的主控制單元與設(shè)備之間的連接 在總線控制下，一個環(huán)路中的所有執(zhí)行器被一根屏蔽雙絞線串聯(lián)起來，所有控制及反饋信息均通過這根雙絞線進(jìn)行傳輸，完全取代傳統(tǒng)的十四線制。當(dāng)需要增加執(zhí)行器時，只需一根雙絞線和上級控制裝置(PLC或集散控制系統(tǒng)DCS)的一個串口，并不需要對每個執(zhí)行器都單獨(dú)使用一根多芯電纜，更不需要增加PLC大量的I／0接口。
(2)現(xiàn)場總線的保護(hù)
對于傳統(tǒng)的總線控制系統(tǒng)而言，出現(xiàn)線路故障是非常致命的。在執(zhí)行器上設(shè)計(jì)總線系統(tǒng)時要注意采用具有強(qiáng)大保障功能的冗余結(jié)構(gòu)。兩根屏蔽的雙絞線--一進(jìn)一出用于單通道操作，每根電纜中的兩根線互為冗余，實(shí)現(xiàn)雙通道操作，如果其中一根線路出現(xiàn)故障--斷開、短路、接地等系統(tǒng)要能夠及時地啟動保護(hù)系統(tǒng)，保證整個大系統(tǒng)的正常運(yùn)行；
當(dāng) 執(zhí)行器或執(zhí)行器所控制的設(shè)備出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)要能夠及時地給予識別，并將該執(zhí)行器的各項(xiàng)參數(shù)反饋給主控裝置，或者將該節(jié)點(diǎn)從整個系統(tǒng)中脫開，以維持整個系 統(tǒng)的穩(wěn)定。由于總線系統(tǒng)自身具有的自診斷功能，當(dāng)使用總線控制時，可以限度地縮短檢修時間，提高檢修質(zhì)量，降低檢修費(fèi)用。當(dāng)出現(xiàn)一些在現(xiàn)場無法解決的 難題時，還可以通過總線接口來進(jìn)行遠(yuǎn)程通信實(shí)施遠(yuǎn)程技術(shù)支持。
(3)現(xiàn)場總線供電的質(zhì)量保證。由于總線系統(tǒng)對環(huán)境要求比較高，因此在使用時要保持供電電源的質(zhì)量、確保總線供電的可靠。
6結(jié)束語
隨著各種過程控制要求的不斷提高，作為用于過程控制的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)也要能夠不斷適應(yīng)這種情況。只有不斷適應(yīng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)的要求，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)才能更好地發(fā)揮其應(yīng)有的優(yōu)勢
3電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)上應(yīng)用現(xiàn)場總線的優(yōu)勢
(1)．現(xiàn)場使用的輔助設(shè)備少。傳統(tǒng)的現(xiàn)場接線極為費(fèi)時、費(fèi)力：每臺儀表都必須要有至少7-14根控制線才能將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)傳遞到控制系統(tǒng)的控制模板上。由于要對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，還需要在控制裝置附近安裝轉(zhuǎn)換控制柜(馬控柜)，用于中途或現(xiàn)場的控制，或者提供中途信號。而采用總線通訊方式，即使是在冗余的情況下，也僅需要兩根電纜4根線，且無須任何隔離和轉(zhuǎn)換以及輸入輸出模塊，同時減少了大量的信號電纜、節(jié)省了相應(yīng)的電纜槽、配電柜等硬件，降低了費(fèi)用，而且還便利了現(xiàn)場接線。
(2)可 靠性高。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用現(xiàn)場總線，其輸出為數(shù)字信號。這與傳統(tǒng)的輸出為模擬信號的執(zhí)行器來比就大不一樣了，不僅減少了信號轉(zhuǎn)換過程中的損失，增加了抗干擾能 力，而且所傳遞信號的質(zhì)量也是非常穩(wěn)定可靠。使用帶現(xiàn)場總線的執(zhí)行機(jī)構(gòu)減少了大量的接線工作以及大量的中間過渡裝置，因此也減少了大量的人為錯誤和系統(tǒng)故 障。
(3)操 作維護(hù)方便。采用了現(xiàn)場總線的執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有雙向通訊功能，操作人員在控制室既可對現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定、參數(shù)設(shè)置、功能組態(tài)，還可在線監(jiān)測裝置的工作情 況，行故障診斷和事故預(yù)測、實(shí)施狀態(tài)維修，不再需要像過去一定要到現(xiàn)場去。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)時刻處于被監(jiān)控狀態(tài)，因此使用和維護(hù)十分方便。
(4)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程、操作、和診斷。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在現(xiàn)場出現(xiàn)了一些難以解決的問題時，就可以利用裝置上帶有的通訊接口通過網(wǎng)絡(luò)的途徑來進(jìn)行遠(yuǎn)程會診，廠家不必到現(xiàn)場。
4設(shè)計(jì)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)現(xiàn)場總線的一般原則及要點(diǎn)
(1)設(shè)計(jì)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)現(xiàn)場總線的一般原則。
電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的現(xiàn)場總線必須與系統(tǒng)的總線類型一致。如選用PROFIBUS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，則電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中也必須選用相應(yīng)的PROFIBUS現(xiàn)場總線。如選用PROCESS-NET總線系統(tǒng)，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)也必須選用能夠滿足該系統(tǒng)的現(xiàn)場總線。不同的現(xiàn)場總線由于標(biāo)準(zhǔn)不同，不能相互兼容。在使用過程中，只有具有遵循同一總線要求的設(shè)備才能相互通訊。 現(xiàn)場總線相對于整個電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)來講是一個部件，因而在設(shè)計(jì)時要注意和整個系統(tǒng)要融為一個整體。不能發(fā)生相互沖突或矛盾。具有現(xiàn)場總線的執(zhí)行機(jī)構(gòu)比不帶現(xiàn)場總線的執(zhí)行機(jī)構(gòu)更、更方便。
(2)設(shè)計(jì)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)現(xiàn)場總線的要點(diǎn)。
現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是功能控制版，通訊接口板，系統(tǒng)軟件等幾個重要內(nèi)容的設(shè)計(jì)。功能控制板是整個機(jī)構(gòu)的核心。完成好它的設(shè)計(jì)將直接關(guān)系到現(xiàn)場總線功能的最終實(shí)現(xiàn)和使用。對應(yīng)不同的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，功能控制板也不一樣，PROFIBUS現(xiàn)場總線中最重要的是ASIC SPC-3(一種專用集成電路)。
通訊接口板是設(shè)計(jì)現(xiàn)場總線的又一個關(guān)鍵。不同的現(xiàn)場總線要采用不同的通訊控制卡，如果是PROFIBUS現(xiàn)場總線，就必須采用能夠與PROFIBUS總線進(jìn)行通訊的通訊卡。如果選用MODBUS卡，則相對應(yīng)的現(xiàn)場總線就必須是MODBUS現(xiàn)場總線。用戶在執(zhí)行器中根據(jù)要求插入不同的通訊控制卡，執(zhí)行器就能與支持該通訊協(xié)議的PLC、DCS等控制裝置一起構(gòu)成不同的總線系統(tǒng)。
除了接口板外，相對應(yīng)的還有各自不同的接口。
PROFIBUS的接口為RS485串口，PROCESS-NET的接口為RS485、RS232串口。
總線系統(tǒng)必須采用專用的軟件功能模塊來完成人--機(jī)對話。SIEMENS公司在執(zhí)行器上采用的是SIMATIC S7-400系統(tǒng)中的SIPPOS5軟件。SDA公司的AS執(zhí)行器上采用的是SMARTMANAGER軟件。
5帶現(xiàn)場總線的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用
(1)總線的主控制單元與設(shè)備之間的連接 在總線控制下，一個環(huán)路中的所有執(zhí)行器被一根屏蔽雙絞線串聯(lián)起來，所有控制及反饋信息均通過這根雙絞線進(jìn)行傳輸，完全取代傳統(tǒng)的十四線制。當(dāng)需要增加執(zhí)行器時，只需一根雙絞線和上級控制裝置(PLC或集散控制系統(tǒng)DCS)的一個串口，并不需要對每個執(zhí)行器都單獨(dú)使用一根多芯電纜，更不需要增加PLC大量的I／0接口。
(2)現(xiàn)場總線的保護(hù)
對于傳統(tǒng)的總線控制系統(tǒng)而言，出現(xiàn)線路故障是非常致命的。在執(zhí)行器上設(shè)計(jì)總線系統(tǒng)時要注意采用具有強(qiáng)大保障功能的冗余結(jié)構(gòu)。兩根屏蔽的雙絞線--一進(jìn)一出用于單通道操作，每根電纜中的兩根線互為冗余，實(shí)現(xiàn)雙通道操作，如果其中一根線路出現(xiàn)故障--斷開、短路、接地等系統(tǒng)要能夠及時地啟動保護(hù)系統(tǒng)，保證整個大系統(tǒng)的正常運(yùn)行；
當(dāng) 執(zhí)行器或執(zhí)行器所控制的設(shè)備出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)要能夠及時地給予識別，并將該執(zhí)行器的各項(xiàng)參數(shù)反饋給主控裝置，或者將該節(jié)點(diǎn)從整個系統(tǒng)中脫開，以維持整個系 統(tǒng)的穩(wěn)定。由于總線系統(tǒng)自身具有的自診斷功能，當(dāng)使用總線控制時，可以限度地縮短檢修時間，提高檢修質(zhì)量，降低檢修費(fèi)用。當(dāng)出現(xiàn)一些在現(xiàn)場無法解決的 難題時，還可以通過總線接口來進(jìn)行遠(yuǎn)程通信實(shí)施遠(yuǎn)程技術(shù)支持。
(3)現(xiàn)場總線供電的質(zhì)量保證。由于總線系統(tǒng)對環(huán)境要求比較高，因此在使用時要保持供電電源的質(zhì)量、確保總線供電的可靠。
6結(jié)束語
隨著各種過程控制要求的不斷提高，作為用于過程控制的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)也要能夠不斷適應(yīng)這種情況。只有不斷適應(yīng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)的要求，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)才能更好地發(fā)揮其應(yīng)有的優(yōu)勢
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