隨著對(duì)過(guò)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(lái)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(guò)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(jiǎn)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(lái)了巨大進(jìn)步。現(xiàn)場(chǎng)總線概念于1982年首先由歐洲提出，到1999年國(guó)際電工委員會(huì)制定出了IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。現(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(lái)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線。Profibus、DeviceNet、FoundationFieldbus等都是符合國(guó)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(guò)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。現(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(guò)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(lái)，所有控制及反饋信息均通過(guò)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(wú)法解決的難題時(shí)，還可以通過(guò)總線接口來(lái)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(guò)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(guò)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(cāng)儲(chǔ)基地為中國(guó)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(kù)，主要功能是為中國(guó)石油成品油銷售提供倉(cāng)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(guò)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(guó)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)200m，且最近點(diǎn)與控制室距離不超過(guò)150m。每個(gè)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可通過(guò)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(guò)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。考慮到項(xiàng)目使用雙重?zé)醾湫蚉LC系統(tǒng)，結(jié)合儲(chǔ)備油庫(kù)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。總線信號(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(guò)程，使原來(lái)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(yǔ)

　　隨著各種過(guò)程控制要求的不斷提高，作為用于過(guò)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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