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西儀集團有限責任公司 趙建民
摘要：近年來，現場總線這個名詞被廣泛地應用于各種產品和概念，閥門和執行器也不例外地采用了現場總線技術。本文介紹了閥門執行器現場總線控制系統的特點、結構、總線形式和通信協議等。
關鍵詞：現場總線 閥門 執行器 現場總線控制系統
隨著現代工業的飛速發展，過程控制技術受到了人們普遍的重視，用戶對過程控制系統的要求也越來越高。現場總線的應運而生，則表明控制技術達到了一個新的水平。它不僅極大地滿足了過程控制的需要，而且還將對工業自動化儀表行業帶來一場革命。
近年來，在世界工業閥門和執行器生產制造中占有主導地位的專業化公司相繼推出各自為閥門或執行器開發設計的現場總線控制系統。其中有美國Limitorque公司的DDC-100TM系統、美國Keystone公司的KEYDIG系統和英國Rotork公司的Pakscan
IIE系統。這類系統，無論其系統結構、總線形式和通信協議如何不同，都完全實現了閥門或執行器等現場裝置與上位機的通信和智能化，而且整個系統簡單、可靠、經濟，深受用戶的歡迎。
1、系統特點
閥門執行器現場總線控制系統是根據用戶需要最新發展起來的“FCS”（現場控制系統）。其系統配置和構成靈活多變，具有很強的適用能力。它很好地解決了現場最常見的有關干擾噪聲、控制距離、接點容量和工作環境等方面的問題，非常具體地顯示了它在閥門和執行器應用領域內巨大的潛在市場和發展前景。
1.1 節省安裝費用
閥門執行器現場總線控制系統由于具有良好的消噪功能，因此，它可以使用帶屏蔽的雙絞線或使用廉價的無屏蔽三線電纜進行系統內部的通信。這種系統安裝簡單，投運速度快，費用一般只有常規控制系統的40%左右。例如，在常規控制系統中，接到每臺閥門或執行器上的電纜芯數可達六、七根、十幾根，最多的可達二十二根，而閥門執行器現場總路線控制系統中的所有閥門或執行器的連接只需要兩根或三根電纜即可完成（除就地供電外）。表1列出了國內外執行器的常規連接和現場總線連接所需的電纜芯數。
1.2 工程容量大
根據使用要求和系統規模，閥門執行器現場總線控制系統允許在10—20公里的一條通信環路上接入100—250臺閥門或執行器等各種類型的現場裝置。在整個通信環路內，不設中繼站也可將信息或數據傳送到各個現場裝置，同時還不限制接入環路內閥門或執行器等裝置之間的距離。
1.3 高性能
閥門執行器現場總線控制系統功能豐富、性能優良、工作可靠，非常適合在一些特殊場合使用。即使在環境條件特別惡劣的地方，它也能發揮作用，長期安全可靠地工作。如今，各公司的閥門執行器現場總線控制系統都已經經過多年現場運行檢驗并得到用戶的認可，成為名副其實的“FCS”。
1.4 配置齊全
用戶可根據過程控制的需要任意提出要求和配置，這種系統既能以主系統也能以予子系統參與過程控制，使用時還可將閥門或執行器等設置成智能化或半智能化單元。其它諸如主控站冗余、緊急操作面板、各種信號的輸入輸出接口、多站系統和多任務軟件等都可以根據需要來配置。
1.5 接口簡單
在閥門執行器現場總線控制系統中，系統內部通信接口短距離一般采用RS232，而長距離則采用RS485。同時，各種信號的輸入輸出接口也都采用插拔連接方式。這就使得系統內部的接線非常簡單，僅使用一些標準的常用工具和少量的儀器便可完成。有時，甚至現場操作人員都能熟練地做好這些接線工作。
2、系統結構
不同的閥門執行器現場總線控制系統在結構上是基本相同的。它們一般是由主控站、通信環路和現場單元（本體為閥門或執行器）組成。系統結構框圖如圖1所示。
2.1 主控站
作為master station
的主控站多采用工業PC機構成，以利用其鍵盤和顯示器對系統的操作方式以及工作狀態進行控制和監視。用戶可根據系統提供的豐富方便的軟件包非常容易地生成操作方式、系統狀態和控制邏輯的采色了畫面，并通過鍵盤隨時發出操作命令，設置系統必要的工作參數條件。圖2所示的是DDC-100TM系統和KEYDIG 系統采用工業PC機構成的一種主控站。
主控站也有特殊設計的盤裝式結構，例如Pakscan IIE
的主控站就是這種結構。在它的控制面板上，裝有監視環路工作狀態的液晶顯示器、設置系統參數和數據的鍵盤以及顯示系統運行和報警信息的指示燈。通過控制面板，可完成系統環路波特率、現場單元地址和數據傳輸等參數的設置。此外，萬一主控站失控或系統工作不正常，操作人員可使用鍵盤直接控制閥門或執行器。而當系統遇到意外情況時，控制面板上還有應急按鈕供操作人員緊急關閉系統中最重要的閥門與管道。圖3為采用冗余化安裝和工作的Paskcan
IIE 系統的盤裝式主控站。它可在主控站發生故障后50ms自動切換到備用主控站，從而確保系統仍能安全可靠地運行。
2.2 通信環路
如前所述，一般工業現場中的閥門或執行器與控制室之間傳輸信號所需的接線非常復雜，安裝與維修都很困難，費用也很高。而閥門執行器現場總線控制系統中使用的兩線或三線電纜既安裝簡單、維修方便、工作效率高，又成本低、節省費用。特別是系統中所有閥門或執行器用這種電纜一臺一臺串接起來后形成一條閉合的環路時，每臺閥門或執行器都能從環路的兩個方向與主控站進行信息和數據的交換，相當又給系統增加了一條冗余通信路徑。
系統運行期間，除了正常的工作之外，環路電纜不停地被掃描查詢，以確定其是否完整。若通訊環路完整無損，主控站將依過程控制的需要通過環路電纜向現場單元發送控制命令，同時接受現場單元發回的工作狀態信息。當然，所有現場單元都已預先設置好了地址并隨時準備接受命令和接受查詢。一般情況下，主控站要發數次命令。每發一次命令，都要接收到被詢址現場單元的應答一次。否則，系統將按環路故障進行處理。現場單元的應答時間則由現場單元的數量以及環路距離所決定。
通信環路一旦斷開，在環路斷點一側的現場單元將會自動地形成各自一側完整的環路，繼續保持主控站與所有現場單元之間的通信。圖4為幾種常見的環路故障。圖5則是系統正常工作時和環路斷開后兩種方式的工作原理示意圖。
環路斷開后，主控站首先通過端口
A向與其連接的第一臺現場單元發送命令，同時接收該現場單元的應答。然后再向第二臺現場單元發送命令，同時也接收這臺現場單元的應答。這樣，發送命令，接收應答，連接現場單元的環路一步步擴大，直到環路斷點處不能再繼續下去為止。與此同時，主控站也通過端口B向相反方向的現場單元發送命令并接收應答，直到斷點前的現場單元。用這種方法，主控站不僅從環路兩個方向確定了斷點位置，也確定了斷點兩端現場單元自行構成的返回路徑，從而保證所有現場單元與主控站之間的通信工作始終不被中斷。
作為環路故障檢查的必要手段，主控站一般要重復進行檢查。即不斷地發出命令，接收應答。在正常情況下，從端口A發出命令，再由端口B接收應答。
2.3 現場單元
閥門執行器現場總線控制系統中的現場單元是根據閥門或執行器的特殊要求專門設計的Smart控制器，結構為單機架裝方式或執行器整體方式。但不管是哪種結構方式，它總是和閥門或執行器作為智能化或半智能化的裝置來使用的。
通常，半智能化的現場單元僅僅是主控站的一個分散的I/O口。在系統中，它接受主控站的控制命令，對閥門或執行器進行一系列的操作，同時將閥門或執行器上的工作狀態和其它信息反饋給主控站，供系統采集、記錄、顯示和控制使用。
智能化現場單元除可與主控站通過環路進行信息和數據通信并根據主控站命令工作外，還可單獨與閥門或執行器構成回路，為工業過程提供閥門定位、邏輯控制、批量操作、PID調節以及多回路運行等多種能力，對位置、流量、壓力和液面進行更為豐富和精確的控制。
無論是智能化還是半智能化的，也無論是架裝式還是整體式的，這些現場單元都具有閥門或執行器操作所需要的特殊功能，其中包括：
過力矩保護-在閥門或執行器發生堵轉或出力超過限定值時，可自動地切斷電源停止運行。
電機過熱保護-電機繞組中埋有熱敏元件，在由于超載使電機過熱時發出信號，然后由保護電路自動切斷電源使電機停轉。
斷信號保護-無論是在輸入信號還是位置信號消失或超量程時，執行器都可自動地轉入事先預置的安全工作狀態，或由閉環控制轉入開環控制。信號正常后，執行器可自動恢復到原來的工作狀態。
遙控與本機手操-通過按紐進行閥門的“開”、“關”、“停”操作和緊急關閉操作。
故障顯示和報警-通過自診斷，可在萬一發生故障或工作不正常時自動發出聲光報警信號并及時顯示故障內容。
由于是在惡劣的現場環境條件下使用，現場單元均采用了高可靠性器件、表面封裝技術、堅固的雙層密封外殼，特殊的軟硬件抗干擾技術等措施來保證其能長期安全可靠地工作。
3、總線形式和通信協議
在閥門執行器現場總線控制系統中，維持系統高效而有秩序工作的是系統通信所使用的各種現場總線協議。
在國際性現場總線標準沒有完全統一之前，閥門或執行器專業公司出于自身的利益，開發了各自的現場總線控制系統。這些系統有共同之處，也有不同之處。同時，系統所使用的總線形式和通信協議有相同的也有不同的。Limitorque的DDC-100TM系統使用的總線技術是Inter
公司的Bitbus。這是一種總線串行接口，物理層基于RS485，通道以IBM公司研制的SDLC協議為基礎。它不僅在DDC-100TM系統中與環路上自家的裝置兼容，通過專用接口，還可與Honeywell
Foxboro Taylor 等其它公司的DCS和PLC 兼容，使用起來非常得心應手。
Keystone 公司的KEYDIG 系統采用的是Valvbus
總線。它的通信是通過RS232、RS485標準接口和Modus或Ascll協議完成的。除此之外，Valvbus
使用了一種專利信號波形，從而形成一種高強的數字載波，使得該系統抗干擾能力極強，不必對所用的電纜類型進行限制。
Rotork公司的Pakscan
IIE系統使用的是Modbus總線協議。這是一種為在2400波特的額定信號速率下高速和可靠通信而設計的總線協議。在這個信號速率下，傳輸一個指令到現場單元的時間是27ms，掃描一個具有240臺現場單元的環路需要1.9秒。有60臺現場單元的現場總線環路用0.4秒就可掃描完畢。
此外，目前還有一些廠家正在開發或生產采用Hart和FF總線協議的閥門、電氣轉換器和執行器。我國在“九五”期間也組織開發了Hart和FF協議儀表產品，其中就有執行器。
盡管有各自的特點和優點，盡管其局域網和標準規格不一，但無論哪種總線協議，都是用于現場儀表與控制系統之間進行全數字化、雙向和多站通信工作的，而且從總體上看，還都是靠軟硬件來實現的。上述幾種系統所使用的總線協議實現的一般方法是，較低層的具體功能和任務要求主要由硬件實現，而高層則主要由軟件來實現。
迄今為止，閥門執行器現場總線控制系統的應用歷史不過是短短的幾年時間。它一出現，就徹底改變了閥門或執行器的控制和維護方法，并解決了長期因擾過程控制系統的閥門或執行器的接線、調試和維修問題。這使我們看到，它不僅改變了傳統的控制系統結構，還必將對過程控制領域產生巨大而深遠的影響。
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