基于现场总线控制系统在现场驱动装置中的应用

1 、现场总线技术简介

现场总线(Fieldbus)是指现场设备与自动控制装置之间的数字式、串行、双向、多点通信的数据总线;现场总线遵循国际统一的协议标准，具有开发、互联、兼容和互操作性的特性，它使自动化系统的功能更加分散，系统更加简化，还具有远方诊断、调试的优点，可以提高自控系统的安全可靠性。

2 、电动执行机构的工作原理及使用情况

电动执行机构是过程控制系统中一个十分重要的现场驱动装置，具有行程控制、力矩保护、手动电动切换操作、远方及就地控制等功能，可以将上位控制设备和系统 (调节器、PLC、DCS)给出的电量指令信号转化为相应的位移，驱动最终的控制部分如阀门、风门等至系统所要求的位置，以调节和控制流量、风量、温度、压力等过程参数，实现系统的过程控制。电动执行机构通常采用模拟量或脉冲量开展方式，系统与执行机构之间采用点对点的连接形式。

现场总线类型中适合过程自动化的主要有三种即FF(基金会现场总线)、Profibus和WORLDFIP。另外，还有不少其它公司的现场总线，如Modbus、P-NET等。PROFIBUS由三个兼容部分组成，PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。其中PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信系统，用于设备级控制系统与分散式I/0的通信;PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使变送器与执行机构、驱动装置连接在一根总线上并提供本质安全和总线供电特性;WorldFIP为世界工厂仪表协议(World Factory lnstrument Protoc01)，在仪表行业得到了广泛的应用。基金会现场总线FF总线是以FISHER-ROSEMOUNT公司为首联合80家公司制定的ISP协议和以HONEYWELL公司为首联合欧洲150家公司制定的WORLDFIP协议。

根据电动执行机构的结构和性能要求，执行机构上可使用多种现场总线。

3、 电动执行机构上应用现场总线的优势

(1).现场使用的辅助设备少。传统的现场接线极为费时、费力：每台仪表都必须要有至少7-14根控制线才能将执行机构的参数传递到控制系统的控制模板上。由于要对执行机构进行控制，还需要在控制装置附近安装转换控制柜(马控柜)，用于中途或现场的控制，或者提供中途信号。而采用总线通讯方式，即使是在冗余的情况下，也仅需要两根电缆4根线，且无须任何隔离和转换以及输入输出模块，同时减少了大量的信号电缆、节省了相应的电缆槽、配电柜等硬件，降低了费用，而且还便利了现场接线。

(2)可靠性高。执行机构采用现场总线，其输出为数字信号。这与传统的输出为模拟信号的执行器来比就大不一样了，不仅减少了信号转换过程中的损失，增加了抗干扰能力，而且所传递信号的质量也是非常稳定可靠。使用带现场总线的执行机构减少了大量的接线工作以及大量的中间过渡装置，因此也减少了大量的人为错误和系统故障。

(3)操作维护方便。采用了现场总线的执行机构具有双向通讯功能，操作人员在控制室既可对现场执行机构进行标定、参数设置、功能组态，还可在线监测装置的工作情况，行故障诊断和事故预测、实施状态维修，不再需要像过去一定要到现场去。由于执行机构时刻处于被监控状态，因此使用和维护十分方便。

(4)可实现远程编程、操作、和诊断。当执行机构在现场出现了一些难以解决的问题时，就可以利用装置上带有的通讯接口通过网络的途径来进行远程会诊，厂家不必到现场。

4、 设计电动执行机构现场总线的一般原则及要点

(1)设计电动执行机构现场总线的一般原则。

电动执行机构采用的现场总线必须与系统的总线类型一致。如选用PROFIBUS现场总线控制系统，则电动执行机构中也必须选用相应的PROFIBUS现场总线。如选用PROCESS-NET总线系统，电动执行机构也必须选用能够满足该系统的现场总线。不同的现场总线由于标准不同，不能相互兼容。在使用过程中，只有具有遵循同一总线要求的设备才能相互通讯。

现场总线相对于整个电动执行机构来讲是一个部件，因而在设计时要注意和整个系统要融为一个整体。不能发生相互冲突或矛盾。具有现场总线的执行机构比不带现场总线的执行机构更先进、更方便。

(2)设计电动执行机构现场总线的要点。

现场总线电动执行机构的设计要点是功能控制版，通讯接口板，系统软件等几个重要内容的设计。功能控制板是整个机构的核心。完成好它的设计将直接关系到现场总线功能的最终实现和使用。对应不同的现场总线标准，功能控制板也不一样，PROFIBUS现场总线中最重要的是ASIC SPC-3(一种专用集成电路)。

通讯接口板是设计现场总线的又一个关键。不同的现场总线要采用不同的通讯控制卡，如果是PROFIBUS现场总线，就必须采用能够与PROFIBUS总线进行通讯的通讯卡。如果选用MODBUS卡，则相对应的现场总线就必须是MODBUS现场总线。用户在执行器中根据要求插入不同的通讯控制卡，执行器就能与支持该通讯协议的PLC、DCS等控制装置一起构成不同的总线系统。

除了接口板外，相对应的还有各自不同的接口。 PROFIBUS的接口为RS485串口，PROCESS-NET的接口为RS485、RS232串口。

总线系统必须采用专用的软件功能模块来完成人--机对话。SIEMENS公司在执行器上采用的是SIMATIC S7-400系统中的SIPPOS5软件。SDA公司的AS执行器上采用的是SMARTMANAGER软件。

5、 带现场总线的电动执行机构的应用

(1)总线的主控制单元与设备之间的连接

在总线控制下，一个环路中的所有执行器被一根屏蔽双绞线串联起来，所有控制及反馈信息均通过这根双绞线进行传输，完全取代传统的十四线制。当需要增加执行器时，只需一根双绞线和上级控制装置(PLC或集散控制系统DCS)的一个串口，并不需要对每个执行器都单独使用一根多芯电缆，更不需要增加PLC大量的 I/0接口。

(2)现场总线的保护

对于传统的总线控制系统而言，出现线路故障是非常致命的。在执行器上设计总线系统时要注意采用具有强大保障功能的冗余结构。两根屏蔽的双绞线--一进一出用于单通道操作，每根电缆中的两根线互为冗余，实现双通道操作，如果其中一根线路出现故障--断开、短路、接地等系统要能够及时地启动保护系统，保证整个大系统的正常运行;

当执行器或执行器所控制的设备出现问题时，系统要能够及时地给予识别，并将该执行器的各项参数反馈给主控装置，或者将该节点从整个系统中脱开，以维持整个系统的稳定。由于总线系统自身具有的自诊断功能，当使用总线控制时，可以最大限度地缩短检修时间，提高检修质量，降低检修费用。当出现一些在现场无法解决的难题时，还可以通过总线接口来进行远程通信实施远程技术支持。

(3)现场总线供电的质量保证。由于总线系统对环境要求比较高，因此在使用时要保持供电电源的质量、确保总线供电的可靠。

6、 结束语

随着各种过程控制要求的不断提高，作为用于过程控制的电动执行机构也要能够不断适应这种情况。只有不断适应现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)的要求，电动执行机构才能更好地发挥其应有的优势。

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