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現場總線技術在電動執行機構中的應用
2015-09-07
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1 現場總線技術簡介 現場總線(HELDBUS)是指現場設備與自動控制裝置之間的數字式、串行、雙向、多點通信的數據總線；現場總線遵循國際統一的協議標準，具有開發、互聯、兼容和互操作性的特性，它使自動化系統的功能更加分散，系統更加簡化，還具有遠方診斷、調試的優點，可以提高自控系統的安全可靠性。 2 電動執行機構的工作原理及使用情況 電動執行機構是過程控制系統中一個十分重要的現場驅動裝置，具有行程控制、力矩保護、手動電動切換操作、遠方及就地控制等功能，可以將上位控制設備和系統(調節器、PLC、DCS)給出的電量指令信號轉化為相應的位移，驅動最終的控制部分如閥門、風門等至系統所要求的位置，以調節和控制流量、風量、溫度、壓力等過程參數，實現系統的過程控制。電動執行機構通常采用模擬量或脈沖量開展方式，系統與執行機構之間采用點對點的連接形式。 現場總線類型中適合過程自動化的主要有三種即FF (基金會現場總線)、PROFIBUS和WORLDFIP。另外，還有不少其它公司的現場總線，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，用于設備級控制系統與分散式I／0的通信；PROFIBUS-PA專為過程自動化設計，可使變送器與執行機構、驅動裝置連接在一根總線上并提供本質安全和總線供電特性；WorldFIP為世界工廠儀表協議(World Factory lnstrument Protoc01)，在儀表行業得到了廣泛的應用。基金會現場總線FF總線是以FISHER-ROSEMOUNT公司為首聯合80家公司制定的ISP協議和以HONEYWELL公司為首聯合歐洲150家公司制定的WORLDFIP協議。 根據電動執行機構的結構和性能要求，執行機構上可使用現場總線。
3電動執行機構上應用現場總線的優勢
(1)．現場使用的輔助設備少。傳統的現場接線極為費時、費力：每臺儀表都必須要有至少7-14根控制線才能將執行機構的參數傳遞到控制系統的控制模板上。由于要對執行機構進行控制，還需要在控制裝置附近安裝轉換控制柜(馬控柜)，用于中途或現場的控制，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換以及輸入輸出模塊，同時減少了大量的信號電纜、節省了相應的電纜槽、配電柜等硬件，降低了費用，而且還便利了現場接線。
(2)可 靠性高。執行機構采用現場總線，其輸出為數字信號。這與傳統的輸出為模擬信號的執行器來比就大不一樣了，不僅減少了信號轉換過程中的損失，增加了抗干擾能 力，而且所傳遞信號的質量也是非常穩定可靠。使用帶現場總線的執行機構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故 障。
(3)操 作維護方便。采用了現場總線的執行機構具有雙向通訊功能，操作人員在控制室既可對現場執行機構進行標定、參數設置、功能組態，還可在線監測裝置的工作情 況，行故障診斷和事故預測、實施狀態維修，不再需要像過去一定要到現場去。由于執行機構時刻處于被監控狀態，因此使用和維護十分方便。
(4)可實現遠程編程、操作、和診斷。當執行機構在現場出現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絡的途徑來進行遠程會診，廠家不必到現場。
4設計電動執行機構現場總線的一般原則及要點
(1)設計電動執行機構現場總線的一般原則。
電動執行機構采用的現場總線必須與系統的總線類型一致。如選用PROFIBUS現場總線控制系統，則電動執行機構中也必須選用相應的PROFIBUS現場總線。如選用PROCESS-NET總線系統，電動執行機構也必須選用能夠滿足該系統的現場總線。不同的現場總線由于標準不同，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備才能相互通訊。 現場總線相對于整個電動執行機構來講是一個部件，因而在設計時要注意和整個系統要融為一個整體。不能發生相互沖突或矛盾。具有現場總線的執行機構比不帶現場總線的執行機構更、更方便。
(2)設計電動執行機構現場總線的要點。
現場總線電動執行機構的設計要點是功能控制版，通訊接口板，系統軟件等幾個重要內容的設計。功能控制板是整個機構的核心。完成好它的設計將直接關系到現場總線功能的最終實現和使用。對應不同的現場總線標準，功能控制板也不一樣，PROFIBUS現場總線中最重要的是ASIC SPC-3(一種專用集成電路)。
通訊接口板是設計現場總線的又一個關鍵。不同的現場總線要采用不同的通訊控制卡，如果是PROFIBUS現場總線，就必須采用能夠與PROFIBUS總線進行通訊的通訊卡。如果選用MODBUS卡，則相對應的現場總線就必須是MODBUS現場總線。用戶在執行器中根據要求插入不同的通訊控制卡，執行器就能與支持該通訊協議的PLC、DCS等控制裝置一起構成不同的總線系統。
除了接口板外，相對應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。
總線系統必須采用專用的軟件功能模塊來完成人--機對話。SIEMENS公司在執行器上采用的是SIMATIC S7-400系統中的SIPPOS5軟件。SDA公司的AS執行器上采用的是SMARTMANAGER軟件。
5帶現場總線的電動執行機構的應用
(1)總線的主控制單元與設備之間的連接 在總線控制下，一個環路中的所有執行器被一根屏蔽雙絞線串聯起來，所有控制及反饋信息均通過這根雙絞線進行傳輸，完全取代傳統的十四線制。當需要增加執行器時，只需一根雙絞線和上級控制裝置(PLC或集散控制系統DCS)的一個串口，并不需要對每個執行器都單獨使用一根多芯電纜，更不需要增加PLC大量的I／0接口。
(2)現場總線的保護
對于傳統的總線控制系統而言，出現線路故障是非常致命的。在執行器上設計總線系統時要注意采用具有強大保障功能的冗余結構。兩根屏蔽的雙絞線--一進一出用于單通道操作，每根電纜中的兩根線互為冗余，實現雙通道操作，如果其中一根線路出現故障--斷開、短路、接地等系統要能夠及時地啟動保護系統，保證整個大系統的正常運行；
當 執行器或執行器所控制的設備出現問題時，系統要能夠及時地給予識別，并將該執行器的各項參數反饋給主控裝置，或者將該節點從整個系統中脫開，以維持整個系 統的穩定。由于總線系統自身具有的自診斷功能，當使用總線控制時，可以限度地縮短檢修時間，提高檢修質量，降低檢修費用。當出現一些在現場無法解決的 難題時，還可以通過總線接口來進行遠程通信實施遠程技術支持。
(3)現場總線供電的質量保證。由于總線系統對環境要求比較高，因此在使用時要保持供電電源的質量、確保總線供電的可靠。
6結束語
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行機構也要能夠不斷適應這種情況。只有不斷適應現場總線控制系統FCS(Fieldbus Control System)的要求，電動執行機構才能更好地發揮其應有的優勢
3電動執行機構上應用現場總線的優勢
(1)．現場使用的輔助設備少。傳統的現場接線極為費時、費力：每臺儀表都必須要有至少7-14根控制線才能將執行機構的參數傳遞到控制系統的控制模板上。由于要對執行機構進行控制，還需要在控制裝置附近安裝轉換控制柜(馬控柜)，用于中途或現場的控制，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換以及輸入輸出模塊，同時減少了大量的信號電纜、節省了相應的電纜槽、配電柜等硬件，降低了費用，而且還便利了現場接線。
(2)可 靠性高。執行機構采用現場總線，其輸出為數字信號。這與傳統的輸出為模擬信號的執行器來比就大不一樣了，不僅減少了信號轉換過程中的損失，增加了抗干擾能 力，而且所傳遞信號的質量也是非常穩定可靠。使用帶現場總線的執行機構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故 障。
(3)操 作維護方便。采用了現場總線的執行機構具有雙向通訊功能，操作人員在控制室既可對現場執行機構進行標定、參數設置、功能組態，還可在線監測裝置的工作情 況，行故障診斷和事故預測、實施狀態維修，不再需要像過去一定要到現場去。由于執行機構時刻處于被監控狀態，因此使用和維護十分方便。
(4)可實現遠程編程、操作、和診斷。當執行機構在現場出現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絡的途徑來進行遠程會診，廠家不必到現場。
4設計電動執行機構現場總線的一般原則及要點
(1)設計電動執行機構現場總線的一般原則。
電動執行機構采用的現場總線必須與系統的總線類型一致。如選用PROFIBUS現場總線控制系統，則電動執行機構中也必須選用相應的PROFIBUS現場總線。如選用PROCESS-NET總線系統，電動執行機構也必須選用能夠滿足該系統的現場總線。不同的現場總線由于標準不同，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備才能相互通訊。 現場總線相對于整個電動執行機構來講是一個部件，因而在設計時要注意和整個系統要融為一個整體。不能發生相互沖突或矛盾。具有現場總線的執行機構比不帶現場總線的執行機構更、更方便。
(2)設計電動執行機構現場總線的要點。
現場總線電動執行機構的設計要點是功能控制版，通訊接口板，系統軟件等幾個重要內容的設計。功能控制板是整個機構的核心。完成好它的設計將直接關系到現場總線功能的最終實現和使用。對應不同的現場總線標準，功能控制板也不一樣，PROFIBUS現場總線中最重要的是ASIC SPC-3(一種專用集成電路)。
通訊接口板是設計現場總線的又一個關鍵。不同的現場總線要采用不同的通訊控制卡，如果是PROFIBUS現場總線，就必須采用能夠與PROFIBUS總線進行通訊的通訊卡。如果選用MODBUS卡，則相對應的現場總線就必須是MODBUS現場總線。用戶在執行器中根據要求插入不同的通訊控制卡，執行器就能與支持該通訊協議的PLC、DCS等控制裝置一起構成不同的總線系統。
除了接口板外，相對應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。
總線系統必須采用專用的軟件功能模塊來完成人--機對話。SIEMENS公司在執行器上采用的是SIMATIC S7-400系統中的SIPPOS5軟件。SDA公司的AS執行器上采用的是SMARTMANAGER軟件。
5帶現場總線的電動執行機構的應用
(1)總線的主控制單元與設備之間的連接 在總線控制下，一個環路中的所有執行器被一根屏蔽雙絞線串聯起來，所有控制及反饋信息均通過這根雙絞線進行傳輸，完全取代傳統的十四線制。當需要增加執行器時，只需一根雙絞線和上級控制裝置(PLC或集散控制系統DCS)的一個串口，并不需要對每個執行器都單獨使用一根多芯電纜，更不需要增加PLC大量的I／0接口。
(2)現場總線的保護
對于傳統的總線控制系統而言，出現線路故障是非常致命的。在執行器上設計總線系統時要注意采用具有強大保障功能的冗余結構。兩根屏蔽的雙絞線--一進一出用于單通道操作，每根電纜中的兩根線互為冗余，實現雙通道操作，如果其中一根線路出現故障--斷開、短路、接地等系統要能夠及時地啟動保護系統，保證整個大系統的正常運行；
當 執行器或執行器所控制的設備出現問題時，系統要能夠及時地給予識別，并將該執行器的各項參數反饋給主控裝置，或者將該節點從整個系統中脫開，以維持整個系 統的穩定。由于總線系統自身具有的自診斷功能，當使用總線控制時，可以限度地縮短檢修時間，提高檢修質量，降低檢修費用。當出現一些在現場無法解決的 難題時，還可以通過總線接口來進行遠程通信實施遠程技術支持。
(3)現場總線供電的質量保證。由于總線系統對環境要求比較高，因此在使用時要保持供電電源的質量、確保總線供電的可靠。
6結束語
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行機構也要能夠不斷適應這種情況。只有不斷適應現場總線控制系統FCS(Fieldbus Control System)的要求，電動執行機構才能更好地發揮其應有的優勢
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