隨著對(duì)過程控制系統(tǒng)安全性要求的不斷提高，現(xiàn)場(chǎng)總線控制方案正逐漸取代傳統(tǒng)控制方案，成為越來越多工程的常規(guī)控制手段之一。作為重要控制終端之一的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)也要不斷適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)變化的需求。文章通過一工程實(shí)例，概述如何選取適合項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)總線方案，保證系統(tǒng)安全、可靠、高效運(yùn)行。

1、現(xiàn)場(chǎng)總線簡介

　　計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展給自動(dòng)控制領(lǐng)域帶來了巨大進(jìn)步�，F(xiàn)場(chǎng)總線概念于1982年首先由歐洲提出，到1999年國際電工委員會(huì)制定出了IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線國際標(biāo)準(zhǔn)�，F(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)是當(dāng)前控制領(lǐng)域里發(fā)展十分迅速并逐漸成熟的一門技術(shù)，它使用全數(shù)字化的傳輸技術(shù)取代傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)儀表一對(duì)一的4~20mA電流信號(hào)連接技術(shù)，給自動(dòng)控制技術(shù)帶來了全新的觀念，其發(fā)展的結(jié)果必將是取代DCS系統(tǒng)孤立、開放程度低的現(xiàn)狀，建立起不依賴任何廠商的開放式控制系統(tǒng)，并建立統(tǒng)一的工廠底層信息網(wǎng)絡(luò)，任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備均可即插即用并與之連接進(jìn)行信息交換和操作，實(shí)現(xiàn)完全的分散式控制系統(tǒng)。根據(jù)IEC61158標(biāo)準(zhǔn)，有8種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線成為國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線。Profibus、DeviceNet、FoundationFieldbus等都是符合國際標(biāo)準(zhǔn)的主流現(xiàn)場(chǎng)總線。

2、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)

　　石油化工行業(yè)的過程控制是連續(xù)的，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是將各種標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)，如開、關(guān)、停信號(hào)及閥門開度模擬量信號(hào)(0/4~20mA，0~10V，0~5V等)和數(shù)字量信號(hào)，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的輸出動(dòng)作位移�，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在接收到傳感器的流量或壓力或溫度信號(hào)后，根據(jù)工藝要求，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收到聯(lián)鎖指令及位置信號(hào)后，經(jīng)功率控制模塊或伺服放大模塊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行走到相應(yīng)位置，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在整個(gè)控制系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，它的好壞，將直接影響著過程控制工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量、安全、環(huán)境保護(hù)、能源消耗等。

　　由于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有多個(gè)控制輸入/輸出信號(hào)，需要約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。而采用現(xiàn)場(chǎng)總線，一個(gè)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)的多芯電纜。當(dāng)需要增加執(zhí)行器時(shí)，只需一根雙絞線和上級(jí)控制裝置的一個(gè)串口，并不需要對(duì)每個(gè)執(zhí)行器都單獨(dú)增加多芯電纜，更不需要增加系統(tǒng)大量的I/O接口，可大大節(jié)約投資。

　　采用現(xiàn)場(chǎng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)裝置的工作情況、運(yùn)行故障診斷和事故預(yù)測(cè)、實(shí)施狀態(tài)維修，可以最大限度地縮短檢修時(shí)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(chǎng)無法解決的難題時(shí)，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，不再需要像過去一定要到現(xiàn)場(chǎng)去。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)刻處于被監(jiān)控狀態(tài)，因此使用和維護(hù)十分方便。

　　此外，現(xiàn)場(chǎng)總線輸出為數(shù)字信號(hào)，比起傳統(tǒng)模擬式傳輸，不僅減少了信號(hào)在傳輸過程中的失真，且增加了抗干擾能力，傳輸信號(hào)穩(wěn)定、可靠。

3、工程實(shí)例概況

　　中油惠印石化倉儲(chǔ)基地為中國石油天然氣股份有限公司廣東銷售分公司在廣東惠州市大亞灣經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的一級(jí)成品油商業(yè)儲(chǔ)備庫，主要功能是為中國石油成品油銷售提供倉儲(chǔ)。項(xiàng)目新建共6臺(tái)30，000m3/罐的成品油儲(chǔ)罐，已于2011年春節(jié)前通過整體驗(yàn)收。

　　該項(xiàng)目采用雙重?zé)醾銹LC系統(tǒng)，CPU、電源、通訊模塊等1∶1冗余。項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)一期共使用電動(dòng)閘閥46臺(tái)，以后將擴(kuò)展到72臺(tái)。考慮到安裝維護(hù)及日后擴(kuò)展的便捷性，選擇帶現(xiàn)場(chǎng)總線的智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

4、總線方案選取

　　實(shí)例項(xiàng)目選取某國外知名品牌的智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該產(chǎn)品默認(rèn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器(MasterStation)運(yùn)行內(nèi)部總線協(xié)議并組建雙線環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以RS485(Modbus協(xié)議)接口與PLC通訊(見圖1)。該結(jié)構(gòu)下所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過2根2芯屏蔽雙絞線為媒介串接成環(huán)形，且雙線環(huán)網(wǎng)具有雙向傳輸通訊特性，即總線信號(hào)可經(jīng)控制器A端口發(fā)出，按執(zhí)行機(jī)構(gòu)物理連接順序1#，2#，...N-1#，N#巡檢，再由B端口接收;也可以反向由B端口發(fā)出，按順序N#，N-1#，...2#，1#巡檢，由A端口接收。當(dāng)控制環(huán)路中某一執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障時(shí)，故障點(diǎn)從控制鏈路上自動(dòng)脫離，控制器信號(hào)可同時(shí)從A端口及B端口發(fā)出，保證控制鏈路在不受故障影響下繼續(xù)運(yùn)行;當(dāng)故障閥門維護(hù)完畢可重新掛上網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)恢復(fù)常態(tài)運(yùn)行。

　　然而，此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要額外增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器(MasterStation)，且控制器沒有備用接口連接PLC冗余通訊模塊，沒有充分利用雙重?zé)醾湎到y(tǒng)的冗余性。要達(dá)到完全冗余則需要增加兩套MasterStation，將大大增加項(xiàng)目成本。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線相對(duì)于整個(gè)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來講是一個(gè)部件，即通訊接口卡。不同的現(xiàn)場(chǎng)總線要采用不同的通訊控制卡，如果是Modbus或Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，就必須分別采用能夠與Modbus或Profibus總線進(jìn)行通訊的通訊卡，不同的現(xiàn)場(chǎng)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。

　　Profibus系統(tǒng)有三種總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：RS485(Profibus-DP)連接、符合IEC1158-2(Profibus-PA)連接、以及光纖連接。RS485連接是一個(gè)兩端有有源終端的線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，稱為RS485總線段，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信，分主、從站結(jié)構(gòu)。主站向從站以令牌傳遞方式訪問，通訊距離100~1200m，傳輸速率介于9.6kbit/s~12Mbit/s。兩個(gè)總線站之間的最大傳輸距離與設(shè)定速率有關(guān)。Profibus-PA為底層通訊協(xié)議，專為自動(dòng)化過程而設(shè)，可連接現(xiàn)場(chǎng)各傳感器、變送器等。Profibus-PA具有樹狀、鏈狀、星形、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳輸速率為31.25kbit/s。特殊情況下，Profibus還可以選擇采用光纖連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 雙線環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　結(jié)合實(shí)例項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)情況，各電動(dòng)閥之間距離不超過200m，且最近點(diǎn)與控制室距離不超過150m。每個(gè)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可通過加裝總線通訊板使之等同于一個(gè)從站結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可通過PLC作主站，向各從站發(fā)出巡檢信號(hào)，且此方案比增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器(MasterStation)更經(jīng)濟(jì)，也不會(huì)增加施工難度。因此設(shè)計(jì)最終放棄選擇增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器并組建雙線環(huán)網(wǎng)的方案，改而選擇Profibus-DP結(jié)構(gòu)。

　　Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)冗余性能(見表1)將直接影響該網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性以及日后維護(hù)的便捷性�？紤]到項(xiàng)目使用雙重?zé)醾湫蚉LC系統(tǒng)，結(jié)合儲(chǔ)備油庫的戰(zhàn)略定位，設(shè)計(jì)最終選擇采用方案4的雙總線冗余結(jié)構(gòu)，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用冗余通訊卡與PLC端作冗余連接。并將傳輸速率設(shè)定為1.5Mbit/s。

5、雙總線方案描述

　　雙總線回路與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的聯(lián)接方式見圖2。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的冗余通訊接口卡安裝后掛于Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)上，每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在總線中都獲分配唯一地址，對(duì)PLC發(fā)出的控制信號(hào)做出響應(yīng)。通訊電纜可采用專用總線電纜或全屏蔽雙絞線，在所有應(yīng)用中具有易安裝、易維護(hù)、低成本和高效率的優(yōu)點(diǎn)。總線A與總線B分別從互相冗余的主PLCA和從PLCB的通訊模塊中引出，兩路總線電纜分別按物理連接順序與每一執(zhí)行機(jī)構(gòu)串接，最終止于總線終端電阻。形成一對(duì)平行的雙總線回路。因?yàn)槊颗_(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都是同時(shí)連接兩條通訊回路，由此構(gòu)成了一個(gè)冗余的通信線路。

圖2 雙總線冗余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　正常工作時(shí)，設(shè)定其中一PLC為主處理器和主熱備通訊模塊，另一PLC為從處理器和從熱備通訊模塊，并保持與主處理器的實(shí)時(shí)同步�？偩�信號(hào)沿工作鏈路的通訊模塊端口傳輸，當(dāng)有一處線路或執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)巡檢異常并通知主處理器故障位置，使該處故障線路從系統(tǒng)上脫離，同時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)切換至熱備處理器工作，使總線信號(hào)沿另一鏈路傳輸，此時(shí)主、從處理器互換，故障所在鏈路切換為從處理鏈路，從而實(shí)現(xiàn)可靠的冗余功能。當(dāng)故障修復(fù)后設(shè)備重新掛上系統(tǒng)，重新開啟熱備功能。

　　當(dāng)主處理器發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)視處理器工作狀態(tài)的主熱備通訊模塊迅速將自己的內(nèi)部接點(diǎn)斷開，而從熱備通訊模塊迅速閉合自己的內(nèi)部接點(diǎn)，從而完成移交對(duì)網(wǎng)絡(luò)和I/O框架控制權(quán)的過程，使原來的從處理器和從熱備通訊模塊轉(zhuǎn)變?yōu)橹魈幚砥骱椭鳠醾渫ㄓ嵞�塊。當(dāng)處理器故障修復(fù)后重新掛上系統(tǒng)，并成為從處理器繼續(xù)工作。

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(dòng)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(FieldbusControlSystem)的要求，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)才能更好地發(fā)揮其應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)。

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