i3000-156x50（2）.jpg)
數(shù)字革命的巨手，如同藤蔓一樣緊緊抓住了世界，并給這個(gè)世界帶來了難以計(jì)數(shù)的可能性：20年前，在加工制造廠中，要實(shí)現(xiàn)這些被認(rèn)為是不可能的事情。今天，以總線技術(shù)為平臺(tái)，新的煉油廠拔地而起，舊的工廠則獲得升級。 本文將對應(yīng)用總線技術(shù)、構(gòu)建最佳數(shù)字工廠結(jié)構(gòu)的方方面面進(jìn)行深入探討。
數(shù)字通信技術(shù)的產(chǎn)生，大大優(yōu)化了工廠的接線。用戶可以在同一個(gè)線路中安裝多臺(tái)設(shè)備，傳遞多個(gè)信號，這就能夠讓信號在同一個(gè)物理層中的傳輸速度更快。應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，橋架、線槽、終端、輸入輸出卡、減少了安全柵以及控制線路等數(shù)量。由于接線的減少，在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、相關(guān)文件的編制等方面也更加方便了，而回路的檢查和調(diào)試速度則由于數(shù)字結(jié)構(gòu)帶來的自動(dòng)化而大大加快。 總的來說，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用可以使自動(dòng)化項(xiàng)目的工程成本降低30%之多。因?yàn)橐粋€(gè)典型的工廠運(yùn)作通常會(huì)持續(xù)15年或者更久，因此現(xiàn)場總線技術(shù)擁有的一項(xiàng)關(guān)鍵性優(yōu)勢是，它可以提供一個(gè)數(shù)字平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)對于今后技術(shù)和軟件的升級及變化具有極強(qiáng)的兼容性。
圖1 基于EDDL制造的手持式通信工具可用于野外工作。
數(shù)字通信技術(shù)可以提高點(diǎn)到點(diǎn)信號傳遞的精確性和完整性，可以提供更廣泛的傳感器量程，可以避免量程的失配，并且可以獲得例如設(shè)備有效性、故障報(bào)警，以及詳細(xì)的診斷等遠(yuǎn)程設(shè)備的信息，從而更快地解決故障。該技術(shù)還有一個(gè)特征，即可以進(jìn)行設(shè)備固件的無擾在線升級，確保在升級過程中不會(huì)影響運(yùn)行。這些特性使工序變得簡單，使設(shè)備處于更好的工作狀態(tài)，降低了造成停工的風(fēng)險(xiǎn)。正是由于這些特性，數(shù)字工廠結(jié)構(gòu)大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，同時(shí)通過精確的、具有前攝性的維護(hù)計(jì)劃降低了過程的可變性及維護(hù)成本，從而使運(yùn)行收益提高了兩個(gè)百分點(diǎn)。
圖2 智能安全邏輯處理器與HART通信。
過程自動(dòng)化中的總線技術(shù)
過程控制、工廠自動(dòng)化，以及機(jī)器人技術(shù)等等，為控制方面帶來了不同的挑戰(zhàn)， 因此需要不同的總線技術(shù)。 在24種總線技術(shù)中， 過程自動(dòng)化基本上會(huì)用到三種協(xié)議：HART、基金會(huì)現(xiàn)場總線以及PROFIBUS-DP協(xié)議。 在應(yīng)用HART 和基金會(huì)現(xiàn)場總線的現(xiàn)代工廠控制系統(tǒng)中，這幾種協(xié)議得到廣泛的支持，這些系統(tǒng)同時(shí)支持手操器的遠(yuǎn)程使用。
圖3 通過基于EDDL的設(shè)備管理軟件可以訪問信息并減少養(yǎng)護(hù)成本。
基金會(huì)現(xiàn)場總線 H1
在精煉廠和石化工廠的設(shè)備目錄上可能有數(shù)百甚至數(shù)千臺(tái)設(shè)備，由于每條電纜可連接6~8臺(tái)或更多的設(shè)備以求設(shè)備工作能力的最大化，因此布線將大大減少。
基金會(huì)現(xiàn)場總線H1協(xié)議以其獨(dú)特的性能滿足控制方面的要求，非常適合于石化、精煉等行業(yè)。 在常規(guī)過程控制中，如PID和流量測量累計(jì)，要求輸入輸出的采樣過程有準(zhǔn)確的周期， 并且同通信和控制同步。在這里避免混淆、避免延長反應(yīng)時(shí)間、避免由于通信繁忙帶來的不穩(wěn)定性是有必要的。 同樣地，對于非實(shí)時(shí)通信必須有信道隔離，以防止其產(chǎn)生對實(shí)時(shí)通信的干擾。H1協(xié)議還滿足以下總線方面的要求：從控制室到現(xiàn)場之間的遠(yuǎn)距離工作；可以有長的分支以滿足拓?fù)涞撵`活性；支持用于設(shè)備配置和診斷的電子設(shè)備描述語言(EDDL)；實(shí)現(xiàn)即插即可調(diào)試的自動(dòng)尋址功能；總線供電；可在危險(xiǎn)區(qū)域帶電作業(yè)的本安功能。
基金會(huì)現(xiàn)場總線H1所獨(dú)有的IEC-6180402功能塊語言，可以用來制定控制策略。
H1功能塊的執(zhí)行與通信功能的執(zhí)行是同步的，這樣死區(qū)時(shí)間就可以降到最低，并可達(dá)到更佳的控制效果。為了減少網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)荷，還可以選擇在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制。新的快速數(shù)字現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行控制回路的時(shí)間可以達(dá)到250ms，甚至可以滿足最嚴(yán)格的過程技術(shù)要求，所以完全能夠獲得過程認(rèn)證部門的許可。
圖4 數(shù)字自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
HART協(xié)議
在同一根雙線上面，HART協(xié)議采用數(shù)字通信和4~20mA技術(shù)相結(jié)合的方式來連接單個(gè)設(shè)備，這種方式還可以用作純粹的多分支數(shù)字總線。
HART協(xié)議支持的設(shè)備類型范圍幾乎與基金會(huì)現(xiàn)場總線相同。此外，HART還用于安全儀表系統(tǒng)的變送器和閥門定位器。
PROFIBUS-DP協(xié)議
PROFIBUS-DP協(xié)議用于幾種不同的組態(tài)，并采用RS485接口。請注意，離散式接近開關(guān)、線圈和其他簡單的開關(guān)設(shè)備并不使用PROFIBUS來連接。 然而，PROFIBUS上的遠(yuǎn)程I/O子系統(tǒng)會(huì)通過傳統(tǒng)的線路來連接離散式的信號。
圖5 數(shù)字自動(dòng)化系統(tǒng)控制器配有接口卡以適應(yīng)不同類型的總線技術(shù)。
專有協(xié)議
雖然HART采用4~20mA的通信技術(shù)取代了大多數(shù)煉油廠和石化工廠專有智能協(xié)議，部分工廠仍然擁有使用專有協(xié)議的儀表。 有些工廠幾年前購買了使用專用協(xié)議輸入卡的DCS，需要繼續(xù)向相同的DCS供應(yīng)商購買變送器以便維持互操作性。 由于選擇受到了限制，只能購買價(jià)格昂貴的備件進(jìn)行日后維護(hù)。PROFIBUS-DP使這個(gè)問題迎韌而解，因?yàn)樗褂昧碎_放的標(biāo)準(zhǔn)化的通信方式?，F(xiàn)在的工廠越來越傾向于標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)，他們會(huì)將基于標(biāo)準(zhǔn)化多路轉(zhuǎn)換器或無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)備管理系統(tǒng)接入DCS系統(tǒng)中，而繞過DCS輸入卡中的專用協(xié)議。多路轉(zhuǎn)換器應(yīng)用HART通信，直接訪問來自于智能數(shù)字儀表的重要診斷信息。
總線技術(shù)的承諾
雖然對于現(xiàn)場總線而言布線成本的降低是首要的，來自于設(shè)備管理軟件的維護(hù)保養(yǎng)成本的節(jié)省也是十分可觀的。
利用軟件可以進(jìn)行過程儀表的識(shí)別、信息訪問、遠(yuǎn)程診斷以及性能分析。 此外，操作統(tǒng)計(jì)、記錄審查、標(biāo)定的記錄和整理、文件的訪問、設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測，以及維護(hù)和服務(wù)記錄等也在該軟件的功能范圍之內(nèi)。
為了確保充分發(fā)揮設(shè)備管理軟件的作用，它必須與操作人員工作站的軟件緊密整合。操作人員可以方便地點(diǎn)擊屏幕上的問題設(shè)備或設(shè)備報(bào)警，以打開該設(shè)備頁面，檢查設(shè)備的健康狀況。同樣重要的是，設(shè)備管理軟件必須整合到日常的工作流程中。
基于IEC 61804-3標(biāo)準(zhǔn)的EDDL技術(shù)也非常重要，因?yàn)樗情_放式標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。 EDDL是HART、基金會(huì)現(xiàn)場總線和PROFIBUS協(xié)議的必要組成部分，這是因?yàn)樗苁垢鞣N工廠現(xiàn)場設(shè)備在同一個(gè)軟件中顯示出來。設(shè)備的每種版本都配備一個(gè)EDDL文件，該文件同軟件進(jìn)行通信，以確定如何獲得設(shè)備內(nèi)的信息并將信息以用戶友好的界面顯示出來。 關(guān)鍵在于，EDDL文件是放置在壓縮文本內(nèi)的， 不在編程語言內(nèi)， 這樣在將新設(shè)備集成到控制系統(tǒng)中時(shí)，就不必安裝可能給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來風(fēng)險(xiǎn)的新軟件了。
數(shù)字工廠結(jié)構(gòu)
數(shù)字工廠結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)場儀器儀表及設(shè)備的智能，通過將準(zhǔn)確、有用的信息及時(shí)傳達(dá)給操作和維護(hù)人員，從而改進(jìn)過程和工廠的效率。
由于各種設(shè)備都使用不同的協(xié)議來傳遞其獨(dú)特的功能（表1），我們要將工廠中不同的總線技術(shù)有效整合起來，發(fā)揮數(shù)字工廠的最大優(yōu)勢。所以控制系統(tǒng)必須具有整合所有協(xié)議的能力。
更少的方案。 具體來說，工程師站的軟件必須支持各種現(xiàn)場總線的組態(tài)，而不是一個(gè)采用獨(dú)立軟件的復(fù)雜方案。
應(yīng)用最好的現(xiàn)代技術(shù)并采用最好的操作規(guī)程，裝備有完全集成的數(shù)字工廠結(jié)構(gòu)的工廠將在每一個(gè)工程階段獲得非凡的速度和效率。后續(xù)操作將提供更好的改進(jìn)。對于過程制造商來說， 開放的標(biāo)準(zhǔn)化的基金會(huì)現(xiàn)場總線和補(bǔ)充的總線技術(shù)為實(shí)現(xiàn)以上這些優(yōu)勢起到了至關(guān)重要的作用。
關(guān)注本刊微信訂閱號