崔瑶1 董旭辰2
1中国核电工程有限公司 北京 100840；2中核控制系统工程有限公司 北京 100840
摘要：传统的DCS控制系统以及4~20mA单向传输模拟信号制有着众多缺陷。本文在分析现场总线关键技术的基础上，根据核化工特点，基于智能仪表技术提出了一种传统信号制与基金会现场总线（FF）相结合的控制系统集成方法，提出了控制系统方案设想。
关键词：基金会现场总线（FF）；智能仪表；全数字化；双向通信；DCS；HART；
1 引言
传统的DCS控制系统中，现场仪表以4~20mA模拟信号制与控制器单向通信，现场仪表的状态、故障信息等无法反馈到控制室；所有的控制策略全部由各控制器完成，风险分散不彻底；不同生产厂商的都有各自的硬软件构成自己的产品体系，彼此封锁，不借助网关等接口难以实现系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。
现场总线智能控制系统突破了传统DCS系统的结构形式，采用智能现场设备，把DCS中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，智能仪表与智能阀门定位器通过现场总线直接通信并完成控制，实现了彻底的分散控制，极大减少DCS的入口“瓶颈”现场，避免了信号堵塞。而经过智能仪表预处理的数据通过现场总线汇集到主机上，进行更高级的处理（主要是系统组态、优化、管理、诊断、容错等）。各个智能仪表通过公开规范的通信标准连接成了可以互相沟通信息，共同完成控制任务的网络系统和控制系统，更好的体现了“信息集中，控制分散”的功能，提高了信号传输的准确性、实时性、快速性。
核化工自动化有着一定的特殊性，其最大的特点之一是具有很强的放射性，由于智能仪表具备故障信息、远程诊断、远程组态等功能，在控制室就可以了解现场仪表的各种信息，所以可以最大程度的避免工作人员频繁出入放射性区域巡检仪表带来的辐照，充分体现以人为本的理念。但是，正是由于核化工的特殊性，对于一些特殊的参数的检测尚没有合适的智能仪表，全部使用现场总线技术是不现实的。因此，现场总线技术与传统4~20mA传输技术的有机结合，是构成核化工领域控制系统的新方法。本文提出了一种基金会现场总线（FF）与传统控制方式相混合的过程控制智能控制系统，给出了该系统的集成原理和实现方法，及系统的方案设想。
2 智能控制系统关键技术
2.1 基金会现场总线（FF）
FF总线由低速（FF-H1）和高速（FF-HSE，High Speed Ethernet）组成。低速H1部分采用符合IEC61158-2标准的现场总线物理层；HSE则采用高速以太网物理层。FF-H1主要用于过程工业（连续控制）的自动化，非常符合核化工工艺流程的控制，传输速率为31.25kbps，通信距离可达1900m（与传输介质有关，可加中继器延长）。FF总线的低速部分FF-H1是参考了ISO/OSI模型，共使用了7层协议中的3层：1、2和7层，即物理层、数据链路层和应用层，并增加了第8层用户层。
FF-H1具有适用于过程自动化的以下特点：位同步全数字化传输方式；支持总线供电；支持本质安全；令牌总线访问机制。
2.2 智能仪表
智能仪表采用超大规模集成电路，利用嵌入软件协调内部操作，在完成输入信号的非线性补偿、零点错误、温度补偿、故障诊断等基础上，还可完成对工业过程的控制，使控制系统的功能进一步分散。智能传感器集成了传感器、智能仪表全部功能及部分控制功能，具有很高的线性度和低的温度漂移，降低了系统的复杂性、简化了系统结构。特点如下：
1.操作自动化。仪表的整个测量过程如量程选择、数据的采集、传输与处理等都用微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。
2.具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断等，甚至能自动检测出故障的部位以及故障的原因，极大地方便了仪器的维护。
3.具有数据处理功能，能对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理。
4.通信功能可采用标准化总线接口，进行信息交换，这是智能传感器的关键标志之一。
5.具有友好的人机对话能力，操作更加方便直观。
智能传感器的出现将复杂信号由集中型处理变成分散型处理，即可以保证数据处理的质量，提高抗干扰性能。同时又降低系统的成本。它使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多变量检测发展，使传感器由被动进行信号转换向主动控制和主动进行信息处理方向发展，并使传感器由孤立的元件向系统化、网络化发展。
2.2.1 FF协议智能仪表
FF的开放性和可操作性，使不同厂商生产的设备可以协同运作，且丝毫不损失其技术性能，不同制造厂的设备可以连接到同一个网段上并且相互之间可以进行通信，由于不同现场总线仪表的互操作性存在一定的限制，所有选用的现场总线仪表都需要通过互用性的测试（ITK4．01），并获得FF的认证。
基金会现场总线制定了功能块的标准，即功能块标准化的结构、参数、调用和链接方法。功能块是不同公司的软件产品，各厂商制造FF智能仪表的具体程序可以是完全不同的，但是它们的结构、参数、调用和链接方法必须是标准的。诸如模拟输入、模拟输出、PID控制等功能都可以通过使用功能块由现场总线设备完成，由此实现了控制的彻底分散。
- 2.2.2 HART协议智能仪表
HART通信协议是用于智能仪表和控制设备间的一种协议，它使用FSK（频率移相键控）技术，在4～20mA的过程测量模拟信号上叠加了一个幅度为±0.5mA的正弦波调制信号，由于该信号的平均值为0，使得HART通讯不会影响4～20mA模拟信号的平均值，从而使HART通信和4～20mA模拟信号并存而不相互干扰，进而实现了模拟信号和数字信号的互不影响地双向通讯的同步。
与FF协议智能仪表相比较，HART仪表有很多不足之处，它不能在现场完成闭环控制等功能。但是与模拟仪表相比，HART智能仪表具有远程参数设定、远程诊断、易于调试维护和更高精度等优点，其在控制系统与工程诊断中的使用见图4和图5。对于一些特殊类型的工艺参数，如果市面上没有相应的FF智能仪表，可以选择HRAT仪表。
图4 HART在控制系统的应用
图5 HART在工程诊断的应用
3 智能控制系统的集成方法
3.1 核化工工艺流程参数特征
认真分析、研究被测核化工工艺过程参数的特征、范围等，是集成控制系统的关键。认真研究并掌握被测量的性质、量程、精度要求、速度要求和被测量的数量后，编制合理可行的系统框图。工艺过程参数通常有管道、设备、贮槽或脉冲萃取柱的液位、界面、压力、差压、温度、密度、振幅、柱重、密度、成分（包括O2，NOX，CO2，H2）等，在集成控制系统过程中，要充分考虑这些被测参数的基本特征。
3.2 智能控制系统现场控制层的集成
3.2.1 控制器和FF H1通信卡、I/O卡件的集成
通过现场总线基金会2009年第二轮更为严格的主控系统可互操作测试的控制系统有：ABB公司的Industrial IT System 800xA，Emerson公司的Deltav Control System和Yokogawa的SENTUM VP/CS3000 Stardom系统。此外还有Foxboro公司的I/A Series System和Honewell公司的Experion-PKS3000 System等。
控制器是系统的核心，一般应根据测量速度、程序运行速度、I/O点数、测量数据处理要求等来选择控制器。对于一定规模的工程，应选用冗余控制器。
FF H1总线通信卡是连接控制器与H1现场总线上各智能仪表的纽带，H1通信卡应冗余。
对于市面上没有合适的FF智能仪表的参数，或者有特殊考虑的参数控制，可以选择HRAT仪表和传统仪表，此时要选择合适的AI、AO接口卡。对于开关量的测量和控制，也应选择合适点数的DI、DO接口卡。
3.2.2 FF H1总线的拓扑形式选择
现场总线网段拓扑结构主要分成以下几种连接结构方式：点对点拓扑、树形拓扑、分支拓扑（总线型拓扑）、菊花链拓扑以及上述几种方式混合的混合拓扑等。它们的拓扑结构图见图6、图7。
图6 点对点拓扑和树形拓扑
点对点拓扑是一种不经济的方案，不适合采用；菊花链拓扑在运行状态下，如果不中断其他设备的服务，不能从网段上添加或删除设备，不采用。树形、分支型（总线型）和混合型拓扑结构各有其有点，可根据实际需要灵活选择。
图7 分支拓扑和菊花链拓扑
3.2.3 FF H1总线电源
电源用来为现场总线及设备供电。电源很重要，必须冗余。电源容量从以下几方面考虑：
需要满足电流消耗。根据总线上挂接的每台设备的电流消耗情况，附加10mA短路电流，附加20mA电流扩展，计算后要保证电源电流配电能力大于总线总电流。
需要满足电压消耗。根据总线上设备的数量，设备的位置，总线的电阻，计算最远端设备的电压。电源的电压配电能力必须保证最远端设备可以得到9V以上的电压，并保证至少1V的余量。
由于总线长度未知，挂接设备情况未知，设备分布未知，此处假定一种情况估算如下：假设H1网段设备10台，网络长度1000m，每台设备电流15mA，并继续假设10台设备均处于总线最远端（最恶劣），此时总电流消耗情况为10×15=150mA，加上前述10mA短路电流，20mA电流扩展，共180mA；电缆分布电阻22欧姆/千米，总线路压降为44欧姆/千米×0.18A×1000千米=7.92V，加上1V的余量为8.92V，所以最终配电电压至少为8.92+9=17.92V。
3.2.4 FF H1总线挂接智能仪表的数目与传输距离
H1总线的主要特性参数见表1。
由表1可看出，对于最常见的总线供电、非本安的情况，每条H1总线挂接智能仪表数目最大为12台，但考虑到数据通信量，网段风险，备用容量等，应有所减少。主干、分支电缆传输距离之和最大为1900m，分支电缆最大长度为120m。
3.3 智能控制系统过程监控层的集成
现场控制层将来自现场一线的信息送到控制室，置入实时数据库，进行高等控制（一般控制策略已在现场完成）与优化计算、集中显示、远程诊断、资产管理等工作，这是智能控制系统的过程监控层。
现场控制层的各控制器与过程监控层的各站通过传送速度较快的网络进行通信。FF的高速部分HSE传送速率为100Mbps，可以满足通信要求，但是目前HSE尚处于发展与完善阶段，距离大规模应用尚需一段时间。而工业以太网应用成熟、稳定、可靠，因此选择工业以太网实现两者通信。
过程监控层操作站操作系统一般为Windows系统，在操作系统上运行相应的软件即可完成与现场控制层的交互。
3.4 智能控制系统生产管理层的集成
在现代化工厂中，随着工厂综合自动化系统的发展，要把企业经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故障诊断、现场控制紧密联系在一起，进行综合信息处理。
但是由此引出一个问题：规模较大的工厂，控制系统一般都不是单一厂家生产的，目前各大厂商的产品各有各的协议与规范，也就是数据格式各不相同，因此甲公司送给乙公司的信息，乙公司固然可以收到，但却不能解读。形象化来讲，如果甲给乙送来的“信件”是“中文”，而乙却只懂“英文”而不懂“中文”。而企业信息网建立的前提就是不同厂家生产的DCS、PLC等之间的互通信。
OPC技术很好的解决了生产装置异构导致的通信困难，使得不同厂家的DCS、PLC通信变得畅通无阻。图8采用OPC技术解决了异构生产装置通信问题。
图8 利用OPC技术解决异构生产装置通信问题
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4 智能控制系统方案设想
智能控制系统采用EMERSON公司DeltaV Control System搭建，具有技术先进、功能强大、兼容性好等特点，体现着仪表控制系统发展趋势。整个智能控制系统结构图见图8，系统集成方案如下：
5.现场控制层
选用冗余DeltaV控制器。要作用是执行复杂控制策略、先进控制功能和管理I/O子系统与控制网络的通讯。
仪表选型方面，尽可能的选用FF智能仪表，如果没有合适的FF智能仪表则选用HART智能仪表，否则选用传统4~20mA仪表。一般控制策略尽量下放至现场仪表（阀门定位器）。
根据仪表选型，选用相应数量的H1通信卡（H1卡冗余，每条网段平均挂接10台FF智能仪表），HART模块和传统I/O卡件。
根据3.2.3中总线电源调节器的计算，选用MTL公司的MTL5995总线电源，该电源配电为电流350mA，电压19V。
6.过程监控层
使用工业以太网为过程监控层与现场控制层通信网络。
根据控制点数，选择合适数量的操作站。
根据智能仪表选型情况（包括FF和HART仪表）选则智能设备管理站。
选择OPC数据工作站。
7.生产管理层
选择OPC服务器。
选择硬件防火墙。
8 结束语
本文将现场总线技术与传统4~20mA传输技术相结合，提出了一种适合核化工特点的智能控制系统，给出了集成原理和实现方法，并提出了该系统的方案设想。但在实际项目设计中尚未有应用，由于核化工自动化的特殊性，其可行性和稳定性也有待进一步考虑。
图9 智能控制系统结构图
参考文献：
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论文作者:崔瑶1,董旭辰2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/30
标签：控制系统论文; 拓扑论文; 总线论文; 现场论文; 智能仪表论文; 智能论文; 通信论文; 《防护工程》2018年第15期论文;