現(xiàn)場總線證明“數(shù)字是最好的”
歷史上,現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的通信不是對等的,需要用4-20mA電流回路接口。這種廣泛運用的技術(shù)運行良好并允許正確傳輸測量的過程變量,以及有效的閉環(huán)回路控制。
現(xiàn)場總線使用數(shù)字技術(shù)——在技術(shù)上,它是一種用于儀器儀表和其它工廠自動化設(shè)備的數(shù)字化、雙向的多點通信系統(tǒng)-因此它們有足夠的潛力來提高工業(yè)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀器儀表之間的通信。它明顯地簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),相應(yīng)地節(jié)約了現(xiàn)場的布線、控制室的布局、機架編組和安全柵。而且,當使用了數(shù)字式現(xiàn)場儀器儀表時,就能提供大量的數(shù)據(jù);具有高功能微處理器和記憶芯片的智能變送器,用來管理重要的設(shè)備組態(tài)和狀態(tài)信息。把數(shù)據(jù)用于遠程工程策劃和維護自動化系統(tǒng),從而取得更加重要的效益。
以太網(wǎng)允許把辦公室和過程環(huán)境集成于一個全局網(wǎng)絡(luò)。一個高速的基于以太網(wǎng)的寬帶網(wǎng)絡(luò)能輕易地以很快的掃描速率容納幾百臺設(shè)備。很明顯,在理論上,更為簡化的布線節(jié)省了材料和安裝成本。
實際上的限制 實際結(jié)果卻不令人興奮。低速段的設(shè)備數(shù)量受每個段所能支持的現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)量所支配。限制的電流消耗以及周期掃描率使每個段的設(shè)備限制為6-8個。但在實際應(yīng)用所需的低速段的數(shù)量可以很多,因此每個段需要一個連接設(shè)備、供應(yīng)電源、連接器和終端器等等。材料和布線的節(jié)余會比預(yù)想的少,根據(jù)系統(tǒng)拓撲的不同而各不相同。
不同的工業(yè)領(lǐng)域有不同的現(xiàn)場總線以適合它們自身的特殊要求。不少工業(yè)過程是在嚴酷的環(huán)境(存在易燃易爆的危險)下進行的,因此必須遵守嚴格的安裝標準。不同的應(yīng)用中有不同的技術(shù),最普遍的測量和控制方法是本征安全Ex-I(IS) 。有了這種傳統(tǒng)技術(shù),每個發(fā)送到危險環(huán)境中的信號都需要一個IS柵過濾危險電流和電壓高峰。IS柵通常置于設(shè)備區(qū)域的排架上。所需的附加設(shè)備可能很貴。
現(xiàn)場總線I/O連接作成了軟件,消除了成組排列的面板。另外,每個低速段只需要一個IS柵,因而大大減少了IS柵的數(shù)量。更少的材料帶來了很大的節(jié)余。
ABB推出新的智能以太網(wǎng)模塊,使跨越洲際的控制驅(qū)動成為可能,它將驅(qū)動與因特網(wǎng)連接起來。以太網(wǎng)模塊可與任何提供光纖連接的ABB驅(qū)動一起運行,通過標準的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器通信,簡單實時地訪問驅(qū)動。用戶能夠建立虛擬的監(jiān)視室,并配置能上網(wǎng)的電腦,包括簡單的撥號上網(wǎng)。
離線組態(tài)數(shù)字方式的優(yōu)勢在于,整個自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場儀器儀表都能通過系統(tǒng)工程工具進行離線組態(tài)。使用現(xiàn)場總線的優(yōu)勢在投運期間尤其明顯。只要一個工程師就能單獨地處理每個回路的投運,取代了兩個工人(一個在控制室,另一個在現(xiàn)場)。時間和成本的節(jié)約是很顯著的,在一個應(yīng)用系統(tǒng)中,能達到10%—15%。
在加工自動化領(lǐng)域的早期,一個現(xiàn)場設(shè)備與一個控制器連接,有不少這樣的平行操作的獨立回路連接。這種架構(gòu)的主要好處是一個回路中出現(xiàn)的錯誤不會影響其它回路(單回路的完整性)。
之后,分散控制系統(tǒng)將I/O和控制功能集中到更加有力的控制器和I/O模塊中。但是這就犧牲了單回路的完整性;一個部件的出錯能影響到幾個回路,并可能對運行帶來致命的影響,因此昂貴的冗余方案必須結(jié)合到架構(gòu)中。
現(xiàn)場總線恢復(fù)了單回路的完整性。例如,F(xiàn)oundation Fieldbus協(xié)議能夠?qū)⒖刂乒δ芊稚⒌浆F(xiàn)場設(shè)備中。設(shè)備之間的對等通信保證了該功能對于架構(gòu)的其它部分具有自主性?,F(xiàn)在,可將一個控制回路分配給一個低速段,即使在網(wǎng)絡(luò)的其他部分有出錯的情況,保證它仍能繼續(xù)運轉(zhuǎn)。另外,現(xiàn)場總線檢測網(wǎng)絡(luò)元素的狀況。一個部件如有故障能很快地查出并進行報告?,F(xiàn)場設(shè)備可以在線替換,無須切斷電源或中斷正常的網(wǎng)絡(luò)操作。
在一個模擬的架構(gòu)中,如過程的某處出現(xiàn)了一個超限的報警。定位出錯設(shè)備是一個漫長的過程,也許是一個必要的過程中斷。但是現(xiàn)場總線狀態(tài)信號允許操作人員立刻辨識出錯設(shè)備,得到出錯原因的指示并且通過在線替換極大地加速了維修過程。
通常的維修一般在工廠停運期間進行,這是避免閥門的潛在出錯的最好方式。這包括:手工打開并檢查閥門,有許多閥處于正常工作秩序中—這是為安全運行所付出的代價。當安裝完總線后,維護工程師必須訪問內(nèi)部閥門參數(shù),如閥芯的總行程長度、沖擊行程次數(shù)和總運行時間等等。這些參數(shù)都是指示閥門運行性能的數(shù)據(jù),它們能夠暴露出一些性能降低的情況。只在需要時才進行維護。
用于現(xiàn)場總線的高速以太網(wǎng)部件可以大批量生產(chǎn),通常生產(chǎn)穩(wěn)定且有過剩;這就降低了冗余架構(gòu)的成本和對它的需要。批量總開銷(CAPEX)的好處一般在于評估自動化項目中現(xiàn)場總線的投資,典型的引用為節(jié)省25%(雖然實際結(jié)果并非這么具有吸引力)。
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