过程控制的三大装置之FCS

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可编程逻辑控制器PLC/集散控制系统DCS/现场总线控制系统FCS自动化导论自动化装置可编程控制器PLC集散控制系统DCS现场总线控制系统FCS-是当代过程控制的三大支柱工具。PLC美国数字设备公司美国数字设备公司(DEC)1969年研年研制成功了第一台制成功了第一台可可编程序控制器编程序控制器PDP14,由于当时主要,由于当时主要用于顺序控制,只用于顺序控制,只能进行逻辑运算,能进行逻辑运算,故称为可编程序逻故称为可编程序逻辑控制器辑控制器(Programmable Logic Controller,简称简称PLC)。)。DCS美国霍尼威尔公司美国霍尼威尔公司(HONYWELL)1975年研制成功了年研制成功了第一台集散控制系第一台集散控制系统统TDCS-2000,从此,从此诞生了集中诞生了集中分散式分散式控制系统(控制系统(Total Distributed Controll System,简称,简称DCS)。)。FCS美国罗斯蒙特公司美国罗斯蒙特公司(ROSEMOONT)1991年研制成功了年研制成功了第一台现场总线控第一台现场总线控制系统制系统DeltaV,现,现场总线控制系统从场总线控制系统从此诞生了(此诞生了(Fild Bus Controll System,简称简称FCS)。)。目录1.可编程逻辑控制器PLC2.集散控制系统DCS 3.现场总线控制系统FCS3.现场总线控制系统FCS3.1 FCS的定义与产生3.2 FCS的构成与特点3.3 FCS的分类3.4 FCS的应用3.1 FCS的定义与产生3.1.1 定义 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多分支结构的通讯网路。是底层控制网络的最高层次。压力、温度压力、温度流量流量开关量开关量智能阀智能阀PLC监控计算机监控计算机网关网关现场总线现场总线3.1 FCS的定义与产生3.1.2 产生3.1.2.1 仪表控制早期的控制系统是由仪表构成,仪表之间传输的信号为15V或420mA的直流信号,信号的精度较低,传输过程中易受干扰。3.1.2.2计算机控制后来的集中数字控制系统由单片机、计算机和PLC构成,内部传输的是数字信号,克服了仪表中信号精度较低的缺点,提高了抗干扰能力。整个系统的可靠性低,风险高度集中。3.1 FCS的定义与产生3.1.2.3 DCS控制再后来采用分散控制、集中管理的控制系统由DCS构成,在20世纪末期逐步占据了控制的主导地位。因为DCS系统及现场设备相互连接的信号是4-20mA,所以网关通讯程序开发工作量大。而且信号送到控制站需要很多连接线。3.1 FCS的定义与产生3.1.2.4 FCS的控制 现在采用了开放的、可互连的网络技术将现场的各种仪表相互连接,把控制功能彻底下放到现场,降低了安装成本和维护费用。3.1 FCS的定义与产生3.2 FCS的构成与特点3.2.1 构成智能设备和传输介质(较多使用双绞线较多使用双绞线)现场总线接口现场总线接口微处理器微处理器传感器传感器A/D现场节现场节点点工作站工作站现场总线现场总线D/A执执行行器器3.2 FCS的构成与特点3.2.2 特点3.2.2.1 全数字化 将生产管理与生产自动化结合在一起是工业界的追求,FCS的出现才有可能高效、低成本地实现。生产管理的局域网和用于自动控制的现场总线网络连在一起。数字化信号固有的高精度、抗干扰特性提高了控制系统的可靠性。现场总线使自控系统和仪表加入工厂信息网络,成为企业信息网络底层。使企业信息沟通的范围一直延伸到生产现场。3.2 FCS的构成与特点3.2.2.2全分布 各个智能设备有足够的自主性,彼此之间相互通信,各种控制功能可以分散到各种仪表中,从而省略一个中央控制计算机,实现了真正的分布式控制。3.2 FCS的构成与特点3.2.2.3全开放 1999年底现场总线协议已被IEC 批准正式成为国际标准,使现场总线成为一种开放的技术。3.2.2.4双向传输 传统的420mA电流信号,一条线只能传递一路信号。现场智能设备在一条线上既可以向上传递传感器信号,也可以向下传递控制信号。3.2 FCS的构成与特点3.2.2.5节省布线及控制室空间 传统的控制系统每个仪表都需要一条线连到控制室,控制室设有配线架。现场总线使多台智能设备串行连接在一条总线上,只需要极少的线进入控制室,节省了大量布线费用。3.2.2.6互操作性 现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作,用户根据产品的性能、价格选用不同厂商的产品,集成在一起,有效地促进了竞争,降低了系统的成本。为用户提供了更灵活的主动权。3.2 FCS的构成与特点3.2.2.7 智能化与自诊断性 现场智能设备具有CPU,能处理各种参数、运行状态及故障信息,能在部件、甚至网络故障的情况下独立工作,大大提高了整个控制系统的可靠性和容错能力。3.2.2.8 通讯线供电 允许现场仪表直接从通讯线上摄取能量,总线供电方式。3.3 FCS的分类3.3.13.3.1 基金会现场总线基金会现场总线 FFFF(Foundation FieldbusFoundation Fieldbus),用于过程自动化领域。用于过程自动化领域。分分为为H1H1和和H2H2两种。两种。H1H1:传输速率传输速率为为31.25kbps31.25kbps,通信,通信距离为距离为1900m1900m,网络结构为总,网络结构为总线线/菊花链菊花链/树型,树型,支持支持总线总线供电、本质供电、本质安全安全防爆、点对点防爆、点对点连接。连接。H2H2:传输速率传输速率为为1Mbps/2.5Mbps1Mbps/2.5Mbps,通信,通信距离为距离为750m/500m750m/500m,网络网络结构结构为为总线,传输总线,传输介质为双绞线介质为双绞线/光缆光缆/无线无线发射,发射,协议为协议为IEC1158-2IEC1158-2标准标准。FF协议结构3.3 FCS的分类 FF提供一个通用结构,把实现控制系统所需的各种功能划分为功能模块,使其公共特征标准化,规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数和块控制图,把它们组成可在某个现场智能设备中执行的应用进程。便于实现不同制造商产品的混合组态与调用。功能块的通用结构是实现开放系统构架的基础,也是实现各种网络功能与自动化功能的基础。3.3 FCS的分类 FF通信技术包括通信模型、通信协议、通信控制器芯片、网络与系统管理等内容。它涉及一系列与网络相关的软硬件,例如通信笺软件、通信接口卡、与计算机的接口卡、各种网关、网桥、中继器等。它是现场总线的核心基础技术之一。3.3 FCS的分类 系统集成技术包括通信系统与控制系统的集成。例如网络通信系统组态、网络拓扑、配线、网络系统管理、控制系统组态、人机接口、系统管理维护等。这是一项综合性技术。3.3 FCS的分类系统测试技术包括通信系统的一致性于互操作性测试技术,总线监听分析技术,系统的功能、性能测试技术等。3.3 FCS的分类3.3.23.3.2 过程总线过程总线 Process Field BusProcess Field Bus广泛广泛应用于制造加工自动化、应用于制造加工自动化、过程自动化和楼宇自动化领域。过程自动化和楼宇自动化领域。ProfibusProfibus的传输速率的传输速率为为9.69.612kbps12kbps,最大传输距离在,最大传输距离在12kbps12kbps时为时为1000m1000m,1.5Mbps1.5Mbps时为时为400m400m,可用中继器延长至,可用中继器延长至10km10km。传输介。传输介质为双绞线质为双绞线/光缆光缆,最多可挂接,最多可挂接127127个站点。支持个站点。支持PROFIBUSPROFIBUS的自控厂商已多达的自控厂商已多达250250家,产品家,产品20002000多种,多种,应用项目应用项目2020万个,万个,安装的节点达安装的节点达250250多万个多万个。3.3 FCS的分类3.3.2.1Profibus三种基本类型制造业自动化PROFIBUS-DP通用性自动化PROFIBUS-FMS过程自动化PROFIBUS-PA通用大范围应用多主通信快速即插即用高效低成本面向应用总线供电本质安全3.3 FCS的分类Profibus-DP(Decentralized Periphery)用于自动控制系统和设备级分散的I/O之间的通信使用Profibus-DP可取代24V或420mA的信号传输Profibus-DP可使用RS485和传输光纤技术。(1)ProfibusDP3.3 FCS的分类Profibus-FMS(Fieldbus Message Specification)用于车间级的通信。Profibus-FMS可使用RS485和光纤传输技术。(2)Profibus-FMS3.3 FCS的分类Profibus-PA(Process Automation)用于过程自动化它可使传感器和执行器接在一根共用的总线上,可应用于本质安全领域根据IEC611582国际标准,Profibus-PA可用双电缆总线供电技术进行数据通信,数据传输采用扩展的Profibus-DP协议和描述现场设备的PA行规,使用电缆耦合器,Profibus-PA装置能很方便的连接到Profibus-DP网络。(3)Profibus-PA3.3 FCS的分类3.3.2.2Profibus通信方式 PROFIBUS的通信为主从式。主站决定了总线的数据通信,当主站获得总线控制权(令牌)时,可以主动发送信息,不需要外界请求。从站只能对接收的信息进行确认或在主站发出请求后向主站发送 主站间的通信采用逻辑令牌控制方式所有的主站构成一个逻辑令牌环,令牌传递程序保证每个主站在确定的时间得到总线存取权(令牌),以确保在任何时刻只有一个站点发送数据3.3 FCS的分类令牌是一种实报文(实令牌)。令牌环是所有主站的组织链,按照主站的地址构成逻辑环,令牌在规定的时间按地址的升序依次在各主站间传递,令牌循环一周的时间事先规定,各主站持有令牌的时间取决于令牌配置的循环时间。主从站间采用主从通信方式。拥有令牌的主站可与从站通信,向从站发送或索取信息。3.3 FCS的分类3.3.3 3.3.3 LonWorksLonWorks LonWorks技术是采用神经元芯片技术是采用神经元芯片(Neuron Chip)技术,在技术,在ISO的的OSI七层协议上实现的网络控制技术,采用面向对七层协议上实现的网络控制技术,采用面向对象的编程方法,使用网络变量或显式消息进行相互通信象的编程方法,使用网络变量或显式消息进行相互通信。传输速率为速率为300bps300bps1.5Mbps1.5Mbps不等不等,传输距离为传输距离为2700m,2700m,通信通信介质为介质为双绞线双绞线/同轴电缆同轴电缆/光纤光纤/射频射频/红外线红外线/电力线电力线等。等。3.3 FCS的分类3.3.4WorldFIP 具有具有单一的总线,可用于过程控制及离散控制单一的总线,可用于过程控制及离散控制,没有没有任何网桥或网关;低速与高速部分的任何网桥或网关;低速与高速部分的衔接衔接使用使用软件的软件的办法解决;有办法解决;有较完整的较完整的系列产品,系列产品,可以和互联网连接。可以和互联网连接。3.3 FCS的分类3.3.53.3.5控制器控制器局域网局域网 CANCAN(Controller Controller area network area network)是德国是德国BoschBosch公司于公司于19831983年为汽车应用而开发的。信号传输采用短帧结构,年为汽车应用而开发的。信号传输采用短帧结构,每一帧的有效字节数为个,因而传输时间短,受干每一帧的有效字节数为个,因而传输时间短,受干扰的概率低扰的概率低广泛广泛应用在应用在汽车制造业以及航空工业汽车制造业以及航空工业中。中。通讯通讯介质为双绞线介质为双绞线/同轴电缆同轴电缆/光纤。光纤。通讯距离与波特率有关,最大通讯距离可达通讯距离与波特率有关,最大通讯距离可达 10km10km,最,最大通讯波特率可达大通讯波特率可达1Mbps1Mbps。CANCAN总线仲裁采用总线仲裁采用1111位标识和非破坏性逐位仲裁总线结位标识和非破坏性逐位仲裁总线结构机制。构机制。CANCAN总线采用了多主竞争式总线结构,具有多总线采用了多主竞争式总线结构,具有多主站运行和分散仲裁的串行总线主站运行和分散仲裁的串行总线。3.3 FCS的分类DeviceNet DeviceNet 协议协议ISOISO应用层应用层 (第七层)(第七层)CANCAN协议协议ISOISO数据层数据层 (第二层)(第二层)物理层物理层ISOISO物理层物理层 (第一层)(第一层)传输介质传输介质ISOISO介质介质 (0 0层)层)3.3.6 DeviceNet DeviceNet 是是CAN 的应用层协议的一种。的应用层协议的一种。CAN 的应的应用层协议是在现有的底层协议物理层和数据链路层之用层协议是在现有的底层协议物理层和数据链路层之上实现的高层协议,是在上实现的高层协议,是在CAN 规范的基础上发展起来规范的基础上发展起来的应用层。的应用层。3.3 FCS的分类3.4 FCS的应用FF在浙江玻璃股份有限公司长兴工厂的应用3.4.1 项目介绍一条800T/D生产线建成投产。主要生产419mm的汽车玻璃和幕墙玻璃。总投资为4亿元人民币,其电气仪表设备的投入为4000万元。3.4 FCS的应用3.4.2 自控系统的配置DeltaV 9.3系统规模1400DST大规模采用总线系统设备FFDPModbusAMS 智能设备管理软件3.4 FCS的应用3.4.3 现场仪表的概况Rosemount罗斯蒙特变送器848T多点温度变送器Fisher费希尔阀门和总线型数字阀门定位器(DVC)MicroMotion 高准质量流量计3.4 FCS的应用3.4.4面临的问题玻璃窑炉附近温度可达到90摄氏度,平时维护人员很难接近现场的仪表对其进行检查与维护。期望能有智能的并且稳定的技术能够协助减少的设备维护。3.4 FCS的应用3.4.5选择FF的原因FF可以稳定工作在恶劣的环境中大大减少现场维护,DCS画面可以显示设备故障状态,减少现场解决故障的时间。节省电缆数量,降低工程施工的复杂程度和材料费用,单台仪表的多点测量,减少了仪表台件数。3.4.6 FF的优势3.4.6.1每个总线网段平均挂接10台仪表。减少了电缆用量的总数。在温度测量过程中充分利用了总线仪表的多变量的特性,窑炉的236个温度监控使用了35台艾默生的848T多点温度变送器。最多的一个网段接了7台848T仪表。该网段有56个温度测量点,一个网段就可以节省将近50多根电缆和40测温仪表。经济效益显著。3.4 FCS的应用3.4.6.2使用FF总线后,减少了控制部件和控制机柜的数量,比如标准机柜只使用了两个,从而减少了机房的面积。由于一条总线网段,连接10台FF现场变送器和阀门定位器。所以现场与中控室的连接电缆也大大减少,进中控室的主槽板,仅使用500X200槽板。不仅减少了材料成本,而且减少了安装工作量,节省了安装时间。3.4 FCS的应用3.4.6.3使用FF总线仪表,在控制室就可以利用DCS的画面完成绝大部分的调试。在开车阶段,采用AMS智能仪表管理软件对现场仪表进行调试和诊断。随时可以发现现场仪表的安装过程中存在的问题。例如热电阻和热电偶接线错误等。这样我们可以实现零故障开车的。日常维护也需要充分利用总线的自诊断功能,强化电子巡检。3.4 FCS的应用3.4.6.4FF的技术使现场仪表全部具有控制功能。将所有的PID控制模块全部下装到阀门定位器中,现场测量仪表与调节阀直接通讯,构成控制回路。大大降低了控制器的负荷,由于每个回路都有各自的运算能力,因此将所有回路的刷新速度都设置到200毫秒左右,缩短了控制周期,提高了控制精度。却没有增加控制器的负荷。3.4 FCS的应用3.4.7 使用经验3.4.7.1现场的接线施工的质量对于总线通讯质量要求非常重要。总线电缆与动力电缆不能放在同一个桥架槽板内,这样会干扰仪表通讯,出现通讯故障。一定要做到总线电缆的屏蔽线单端接地。工程中保证不错误接地,通讯电缆的外皮也要防止被磨破。目前存在着工程安装人员的平均知识层次不高,需要厂商强化在安装及维护方面的培训知识。.3.4 FCS的应用3.4.7.2在FF总线系统中,FF总线仪表选型是系统中的重要一环。不仅仅需要有总线基金会的互操作认证,而且需要DCS厂商测试过的列表。总线仪表的各种控制运算功能的确认,不是每个厂商的仪表都有相同的运算功能,一定要确认仪表的所有支持的控制功能。3.4 FCS的应用3.4.8投资分析3.4.8.1系统投资:由于FF总线仪表的数量减少,故其系统投资与常规DCS系统的系统投资略有增加。3.4.8.2变送器投资:到目前为止,总线仪表比常规的HART仪表单件价格要高,但如果考虑到多变量传输等方式,实际总价格要比常规的HART仪表成本低。每个网段的实际仪表台件数对整个项目的成本有较大的影响。最好充分利用网段的通讯能力。选择平均810个仪表为合适。系统投用后,运营成本大大减小。3.4 FCS的应用3.4.9总结FF经过了十多年的发展,到目前已经进入了成熟应用的阶段。通过长兴项目证明,在玻璃行业应用没有问题。由于FF项目与常规项目有所不同,对于施工方法及维护理念存在差异,所以对工程及维护人员的培训非常重要。3.4 FCS的应用
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