主頁 > 技術文章 > 智能傳感器、現(xiàn)場總線與FCS 2024-10-18

智能傳感器、現(xiàn)場總線與FCS

一、引言：
以現(xiàn)場總線為基礎的全數(shù)字控制系統(tǒng)將現(xiàn)有的模擬信號電纜用高容量的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡代替，從而大大減輕現(xiàn)場信號電纜連接的費用和工作量，提高信號的傳輸效率。實際上現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)就是以現(xiàn)場總線技術為核心，以基于現(xiàn)場總線的智能I/O或智能傳感器、智能儀表為控制主體、以計算機為監(jiān)控指揮中心的系統(tǒng)編程、組態(tài)、維護、監(jiān)控等功能為一體的工作平臺。
二、智能傳感器的性能特點：
一般的傳感器只能作為敏感元件，須配上變換儀表來檢測物理量、化學量等的變化。隨著微電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了智能儀表。智能儀表采用超大規(guī)模集成電路，利用嵌入軟件協(xié)調內部操作，在完成輸入信號的非線性補償、零點錯誤、溫度補償、故障診斷等基礎上，還可完成對工業(yè)過程的控制，使控制系統(tǒng)的功能進一步分散。智能傳感器集成了傳感器、智能儀表全部功能及部分控制功能，具有很高的線性度和低的溫度漂移，降低了系統(tǒng)的復雜性、簡化了系統(tǒng)結構。特點如下：
1、一定程度的人工智能是硬件與軟件的結合體，可實現(xiàn)學習功能，更能體現(xiàn)儀表在控制系統(tǒng)中的作用�？梢愿鶕�(jù)不同的測量要求，選擇合適的方案，并能對信息進行綜合處理，對系統(tǒng)狀態(tài)進行預測。
2、多敏感功能將原來分散的、各自獨立的單敏傳感器集成為具有多敏感功能的傳感器，能同時測量多種物理量和化學量，全面反映被測量的綜合信息。
3、精度高、測量范圍寬隨時檢測出被測量的變化對檢測元件特性的影響，并完成各種運算，其輸出信號更為精確，同時其量程比可達100：1，最高達400：1，可用一個智能傳感器應付很寬的測量范圍，特別適用于要求量程比大的控制場合。
4、通信功能可采用標準化總線接口，進行信息交換，這是智能傳感器的關鍵標志之一。
智能傳感器的出現(xiàn)將復雜信號由集中型處理變成分散型處理，即可以保證數(shù)據(jù)處理的質量，提高抗干擾性能。同時又降低系統(tǒng)的成本。它使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多變量檢測發(fā)展，使傳感器由被動進行信號轉換向主動控制和主動進行信息處理方向發(fā)展，并使傳感器由孤立的元件向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化發(fā)展。
三、現(xiàn)場總線的體系結構與特點
根據(jù)IEC/ISA定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支的通信網(wǎng)絡。它是用于過程自動化最底層的現(xiàn)場設備以及現(xiàn)場儀表的互連網(wǎng)絡，是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡和控制系統(tǒng)的集成�，F(xiàn)場總線將當今網(wǎng)絡通信與管理的概念帶入控制領域，代表了今后自動化控制體系結構發(fā)展的一種方向。
現(xiàn)場總線是以ISO的OSI模型為基本框架的，并根據(jù)實際需要進行簡化了的體系結構系統(tǒng)，它一般主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層、用戶層。
物理層向上連接數(shù)據(jù)鏈路層，向下連接介質。物理層規(guī)定了傳輸介質(雙絞線、無線和光纖)、傳輸速率、傳輸距離、信號類型等。在發(fā)送期間，物理層編碼并調制來自數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)流。在接收期間，它用來自媒介的合適的控制信息將收到的數(shù)據(jù)信息解調和解碼并送給鏈路層；數(shù)據(jù)鏈路層負責執(zhí)行總線通信規(guī)則，處理差錯檢測、仲裁、調度等。應用層為最終用戶的應用提供一個簡單接口，它定義了如何讀、寫、解釋和執(zhí)行一條信息或命令。用戶層實際上是一些數(shù)據(jù)或信息查詢的應用軟件，它規(guī)定了標準的功能塊、對象字典和設備描述等一些應用程序，給用戶一個直觀簡單的使用界面。
現(xiàn)場總線除具有一對N結構、互換性、互操作性、控制功能分散、互連網(wǎng)絡、維護方便等優(yōu)點外，還具有如下特點：
1、網(wǎng)絡體系結構簡單其結構模型一般僅有4層，這種簡化的體系結構具有設計靈活，執(zhí)行直觀，價格低廉，性能良好等優(yōu)點，同時還保證了通信的速度。
2、綜合自動化功能把現(xiàn)場智能設備分別作為一個網(wǎng)絡節(jié)點，通過現(xiàn)場總線來實現(xiàn)各節(jié)點之間、節(jié)點與管理層之間的信息傳遞與溝通，易于實現(xiàn)各種復雜的綜合自動化功能。
3、容錯能力強現(xiàn)場總線通過使用檢錯、自校驗、監(jiān)督定時、屏蔽邏輯等故障檢測方法，大大提高了系統(tǒng)的容錯能力。
4、提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和測控精度現(xiàn)場智能設備可以就近處理信號并采用數(shù)字通信方式與主控系統(tǒng)交換信息，不僅具有較強的抗干擾能力，而且其精度和可靠性也得到了很大的提高。
現(xiàn)場總線的這些特點，不僅保證了它完全可以適應目前工業(yè)界對數(shù)字通信和傳統(tǒng)控制的要求，而且使它具有不同層次的復雜控制與先進控制、優(yōu)化控制功能成為可能。
四、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）
隨著復雜過程工業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)過程控制對大量現(xiàn)場信號的采集、傳遞和數(shù)據(jù)轉換以及對精度、可靠性、管控一體化都提出了更新、更高的要求�，F(xiàn)有的DCS已不能滿足這些要求；況且現(xiàn)有的DCS具有諸如控制不能徹底分散、故障相對集中、系統(tǒng)不徹底開放、成本較高等缺點。于是通過數(shù)字通信技術、傳感器技術和微處理器技術的融合，把傳統(tǒng)的數(shù)字信號和模擬信號的混合系統(tǒng)變成全數(shù)字信號系統(tǒng)，從而產(chǎn)生了新一代的控制系統(tǒng)FCS。
1、智能傳感器和現(xiàn)場總線是組成FCS的兩個重要部分
FCS用現(xiàn)場總線在控制現(xiàn)場建立一條高可靠性的數(shù)據(jù)通信線路，實現(xiàn)各智能傳感器之間及智能傳感器與主控機之間的數(shù)據(jù)通信，把單個分散的智能傳感器變成網(wǎng)絡節(jié)點。智能傳感器中的數(shù)據(jù)處理有助于減輕主控站的工作負擔，使大量信息處理就地化，減少了現(xiàn)場儀表與主控站之間的信息往返，降低了對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信容量的要求。經(jīng)過智能傳感器預處理的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線匯集到主機上，進行更高級的處理(主要是系統(tǒng)組態(tài)、優(yōu)化、管理、診斷、容錯等)，使系統(tǒng)由面到點，再由點到面，對被控對象進行分析判斷，提高了系統(tǒng)的可靠性和容偌能力。這樣FCS把各個智能傳感器連接成了可以互相溝通信息，共同完成控制任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，能更好地體現(xiàn)DCS中的"信息集中，控制分散"的功能，提高了信號傳輸?shù)臏蚀_性、實時性和快速性。
以現(xiàn)場總線技術為基礎，以微處理器為核心，以數(shù)字化通信為傳輸方式的現(xiàn)場總線智能傳感器與一般智能傳感器相比，需有以下功能：
共用一條總線傳遞信息，具有多種計算、數(shù)據(jù)處理及控制功能，從而減少主機的負擔。取代4-20mA模擬信號傳輸，實現(xiàn)傳輸信號的數(shù)字化，增強信號的抗干擾能力。采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡化協(xié)議，成為FCS的節(jié)點，實現(xiàn)傳感器與執(zhí)行器之間信息交換。系統(tǒng)可對之進行校驗、組態(tài)、測試，從而改善系統(tǒng)的可靠性。接口標準化，具有"即插即用"特性。
現(xiàn)場總線智能傳感器是未來工業(yè)過程控制系統(tǒng)的主流儀表，它與現(xiàn)場總線組成FCS的兩個重要部分，將對傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結構和方法帶來革命性的變化。但現(xiàn)場總線國際標準的制定卻進展緩慢，現(xiàn)場總線標準不統(tǒng)一影響了現(xiàn)場總線智能傳感器的應用。
從世界范圍看，已流行的幾種現(xiàn)場總線都有各自的優(yōu)點、各具特色，難以統(tǒng)一到某一種現(xiàn)場總線標準上，其原因是多方面的。首先是技術的原因，現(xiàn)有各種現(xiàn)場總線都具有各自的協(xié)議規(guī)范和行業(yè)標準，要統(tǒng)一存在許多技術難題。其次是商業(yè)利益，各現(xiàn)場總線與其背后的開發(fā)公司息息相關，各企業(yè)為今后占有更多的市場份額，都希望在現(xiàn)場總線的國際標準中采用自己的技術。再次是組織上的原因，現(xiàn)場總線的標準化必須有一個統(tǒng)一的國際性組織來完成。然而，多年來，用戶迫切需要現(xiàn)場總線有一個統(tǒng)一的國際標準，以實現(xiàn)現(xiàn)場設備的互操作性和互換性。在這種情況下，產(chǎn)生了FF(Foundation Fieldbus--基金會現(xiàn)場總線)，F(xiàn)F的宗旨就是開發(fā)一種統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準，并推動現(xiàn)場總線的應用。目前，F(xiàn)F包括了世界上95%的儀表及控制系統(tǒng)制造商，已制定了低速H1標準(31．25kb/s)，高速H2標準正在制定中�，F(xiàn)場總線統(tǒng)一標準曲最終制定必將全面推進FCS的應用，使用戶在實現(xiàn)控制策賂和系統(tǒng)開發(fā)方面發(fā)生巨大的變化。
2、FCS對DCS的影響
傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)由各種工作站通過局域網(wǎng)絡連接而成，操作站和信息管理站完成系統(tǒng)的組態(tài)、監(jiān)控和運行管理，現(xiàn)場測控站則完成生產(chǎn)過程信息的采集和控制。DCS的主要問題是開放性差，分散不夠，需要用大量的電纜傳遞信號。FCS則突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡的封閉系統(tǒng)來實現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于開放、通用標準化的解決方案，把集散系統(tǒng)結構變成了新型全分布式結構，把DCS控制站中基本且可獨立的功能塊徹底下放到現(xiàn)場智能儀表中去，從而構成虛擬控制站，更好地體現(xiàn)了DCS思想的精華。
實際上，工業(yè)過程控制的發(fā)展大體分氣動儀表控制-電動儀表控制-計算機集中控制-DCS幾個階段，電動儀表控制以電2型表為主，基本上是簡單閉環(huán)控制，其最大特點是危險性完全分散在各單回路上，最大弱點是難于實現(xiàn)復雜控制、先進控制及優(yōu)化控制。為此，60年代出現(xiàn)計算機集中控制，結果可以實現(xiàn)復雜控制、先進控制及優(yōu)化控制，然而危險性集中未能繼承電Ⅲ型系統(tǒng)的危險性完全分散的特點；從而70年代出現(xiàn)DCS系統(tǒng)，綜合前兩種優(yōu)點，即實現(xiàn)復雜等控制，又把危險性分散在各控制器上，但還不能徹底分散，且不能完全開放。80年代韌提出即能繼承DCS全部功能，并使系統(tǒng)完全開放，又能實現(xiàn)危險性徹底分散在各回路中去(與電皿型系統(tǒng)一樣)的系統(tǒng)--FCS．由于FCS具有明顯優(yōu)于DCS的特點，F(xiàn)CS必將代替DCS。
然而在目前，在我國絕大部分過程工業(yè)都以DCS作為主流控制系統(tǒng)，電皿型儀表作為主導儀表；加上因認識上的原因和現(xiàn)場總線智能儀表尚為非主導產(chǎn)品，暫不能大量普及FCS。單從利用現(xiàn)有資源角度，DCS系統(tǒng)的消失或完全被取代，短期內也是不合理的，應立足于現(xiàn)有DCS，充分挖掘現(xiàn)有設備的潛力(如可以在DCS與FCS之間安裝網(wǎng)關，以實現(xiàn)信息的傳遞)，使即有投資又不至于浪費。另外，DCS是一個不斷發(fā)展的控制系統(tǒng)，它必然采用現(xiàn)場總線技術對自身進行改造，使DCS能與現(xiàn)場總線智能傳感器(智能儀表)和局部FCS連接起來。目前一段時期所有這些情況造成FCS與DCS共存的局面。據(jù)估計，用10年左右的時間才能真正過渡到FCS的主導地位。
五、現(xiàn)場總線企業(yè)網(wǎng)
現(xiàn)場總線作為今后控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，以其所具有的開放性，網(wǎng)絡化等優(yōu)點，使它與Intrenet的結合成為可能。企業(yè)內部網(wǎng)絡系統(tǒng)Intranet-Interconnect Networks)就是二者結合的產(chǎn)物。Intranet作為Internet技術在企業(yè)內部的應用，為企業(yè)內部管理和信息交流提供了一個完善的技術方案，它已成為連接企業(yè)內部各部門交流信息的重要設施。伴隨著Intranet的逐漸深入企業(yè)，未來的企業(yè)信息管理模式將是一種分布式的基于現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡的管理模式。Intranet出現(xiàn)后，各企業(yè)相互共享信息的Extranet(企業(yè)外連網(wǎng))也應運而生。這樣從單一的生產(chǎn)過程到全企業(yè)各個生產(chǎn)過程的統(tǒng)一管理控制，再到與企業(yè)有關的外部信息的共享，網(wǎng)絡技術被大大地拓展了。
因為Intranet采用的是Internet技術，有很好的開放性，支持多種網(wǎng)絡協(xié)議和標準，因此在組建Intranet時完全可以在企業(yè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡環(huán)境下實現(xiàn)。由現(xiàn)場總線技術與Intranet結合構成的分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)將高度分散的工業(yè)現(xiàn)場前端的智能型傳感器、變送器、執(zhí)行器等智能儀表通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡連接到控制機或管理機構成局域網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。這種分布式的局域網(wǎng)絡系統(tǒng)，可節(jié)省大量的傳輸線，增強整個系統(tǒng)的可擴充性，具有較長的傳輸距離和較強的抗干擾能力，可實現(xiàn)無上位機的全分布式無主工作，為工業(yè)控制和企業(yè)管理決策帶來了一種全新的解決方案。同時，將現(xiàn)場總線技術和Intranet技術的結合，也大大促進了控制技術的發(fā)展和加快了信息時代的步伐。
使用現(xiàn)場總線企業(yè)網(wǎng)，給企業(yè)的管理與控制帶來了很多好處：首先，通過企業(yè)網(wǎng)，加強了企業(yè)內部及內部與外部之間的信息共享，提高了資源的利用率。其次，將企業(yè)的有關信息發(fā)布在Intranet上，用電子文件代替書面文件，節(jié)省了人力，提高了工作效率。再次，Intranet采用Internet的技術，使開發(fā)工具易于得到，軟件的開發(fā)周期短，而且可以直接利用Intrenet的一些優(yōu)秀的軟件，節(jié)省了開發(fā)費用。最后，使用現(xiàn)場總線企業(yè)網(wǎng)能夠更容易地實現(xiàn)工業(yè)過程管理決策與控制的一體化--CIPS(計算機集成過程系統(tǒng))。

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