摘要：在20世紀90年代中期，一種新興的“智能”現(xiàn)場儀表正在改變著傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)(dcs)用戶的愿景?；饡F(xiàn)場總線的興起深刻影響了工廠的自動化策略，使zui終用戶將控制功能轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場設(shè)備，同時釋放出更高層級的資源實現(xiàn)實時生產(chǎn)控制。
基金會現(xiàn)場總線*遵循iec61158/61784/61804標準，因此這是*一款使用標準和功能模塊(比如模擬輸入、模擬輸出、pid控制以及算數(shù)器、積分器、分路器和定時器)支持將控制策略轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場設(shè)備的解決方案。
現(xiàn)場控制的原理十分簡單。通過在設(shè)備層進行控制，流程控制任務(wù)可以確確實實被分解，系統(tǒng)在h1層級上沒有任何單點失效。如果在人機界面(hmi)中存在功能錯誤，流程的可視性減弱，控制器或者系統(tǒng)中的其他任意元件和控制回路，包括智能現(xiàn)場設(shè)備、執(zhí)行器和定位器以及網(wǎng)絡(luò)，都不會受到影響。在dcs中進行控制的情況當中，現(xiàn)場級控制實際上增加了冗余性。
安裝基金會現(xiàn)場總線的工業(yè)設(shè)施不需要在現(xiàn)場層面上進行批控制和邏輯控制。該項技術(shù)具備主要pid和次要pid(順序)功能，并將進給/前向和超前/滯后控制納入到智能控制閥門定位器/控制器當中。
cif如何工作？
如前所述，基金會現(xiàn)場總線是一項*的數(shù)字總線技術(shù)，讓控制回歸現(xiàn)場成為了可能。這意味著，無論控制室正在發(fā)生什么，只要您擁有現(xiàn)場儀表，可以運行輸出設(shè)備/執(zhí)行器，您就可以繼續(xù)控制您的流程。
基金會技術(shù)的一項重要屬性就是它的功能模塊，它可以承擔一部分“規(guī)劃”的功能(比如通訊和控制是同步進行還是順序進行)。這意味著：1)可以在模擬輸入模塊(ai)執(zhí)行結(jié)束之后，規(guī)劃測量通訊；2)規(guī)劃pid模塊，在測量值到達的時候啟動；3)在pid模塊執(zhí)行結(jié)束之后，規(guī)劃管理變量的通訊；4)在管理變量到達之后，規(guī)模模擬輸出(ao)模塊的執(zhí)行。因此，可以盡量減小停機時間，樣本可以的定期采集，誤差zui小。
基金會技術(shù)幫助zui終用戶將控制功能轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場設(shè)備，同時釋放出更高層級的資源實現(xiàn)實時生產(chǎn)控制。
pid功能模塊使現(xiàn)場控制以及(作為結(jié)果)單環(huán)完整性成為可能。除了將pid功能模塊置于網(wǎng)絡(luò)的一臺設(shè)備之中(通常是ao設(shè)備)，為了優(yōu)化帶寬使用，每一個使用現(xiàn)場控制的現(xiàn)場總線網(wǎng)段都要求網(wǎng)絡(luò)上的至少一臺設(shè)備擔任“連接主機”設(shè)備。這臺設(shè)備假設(shè)此次事件中所有網(wǎng)絡(luò)通訊與控制系統(tǒng)的連接都丟失了。
基金會現(xiàn)場總線和單環(huán)完整性提高了控制回路的可靠度，它同冗余提供的可靠性不盡相同。根據(jù)定義，冗余指的是安裝一臺相似(通常是相同)的設(shè)備具備同樣的功能。就h1接口卡通訊損失這個案例來說，現(xiàn)場總線只要有通訊和電力就會持續(xù)提供控制功能。同時，只要輸入/輸出設(shè)備功能良好，就可以進行可靠的控制而不需要冗余。
使用基金會現(xiàn)場總線解決方案，zui終用戶在設(shè)計工廠自動化架構(gòu)的時候具有很大的靈活性。使用這項技術(shù)的控制系統(tǒng)可以采用非常復雜的控制方案，在控制器或者線纜上執(zhí)行控制功能，也有可能兩者同時發(fā)揮作用。
舉例來說，像艾默生deltav解決方案這類控制系統(tǒng)支持現(xiàn)場控制和主機控制，或者兩者的結(jié)合。該系統(tǒng)可以在控制和cif中配置控制算法，并在同一個環(huán)路中將二者結(jié)合。其控制策略模板還可以與中心控制和cif協(xié)作，自動整定軟件也能夠在現(xiàn)場總線設(shè)備中對pid控制進行整定。除此之外，用戶可以連接功能模塊類型大型數(shù)據(jù)庫，根據(jù)cif的表現(xiàn)實現(xiàn)與現(xiàn)場總線設(shè)備同步。
hse的關(guān)鍵作用
工業(yè)企業(yè)采用現(xiàn)場控制的一個主要因素是現(xiàn)場總線基金會完成了高速以太網(wǎng)(hse)規(guī)范。基金會現(xiàn)場總線的數(shù)字設(shè)備和雙向通訊技術(shù)已經(jīng)存在了30年，那時候*臺dcs和可編程邏輯控制(plc)系統(tǒng)可能還沒有開發(fā)完成。
基金會現(xiàn)場總線簡化了hse連接設(shè)備現(xiàn)場的控制分配工作，在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)當中，hse連接設(shè)備是將h1現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)集成到高速以太網(wǎng)主干網(wǎng)的關(guān)鍵。
它的功能相當于hse和h1通道之間的“橋梁”，將現(xiàn)場設(shè)備和其他主站彼此連接起來，因此它是集成系統(tǒng)通訊，直接i/o連接和控制應(yīng)用的必要元素。
單一hse連接設(shè)備可以連接四個h1現(xiàn)場總線網(wǎng)段，每個網(wǎng)段上搭配zui多16臺設(shè)備(也就是每臺連接設(shè)備zui多連接64臺設(shè)備)。另外，每臺連接設(shè)備都可以裝備超過300個功能模塊，執(zhí)行或者更加復雜的控制功能。
在hse連接設(shè)備中定位控制功能，可以統(tǒng)一控制室與現(xiàn)場的控制結(jié)構(gòu)。連接設(shè)備的位置可以與通訊店聚合的流程非常接近。這種方法也將任何監(jiān)控損失的影響降到了zui低。單個設(shè)備的失效只會影響整體控制功能的一部分。
自動化zui終用戶可以通過連接設(shè)備利用hse來實施控制系統(tǒng)。這些設(shè)備設(shè)計連接h1網(wǎng)段，采用單一或者冗余配置。將hse作為主干網(wǎng)，可以在整個工廠內(nèi)部部署連接設(shè)備。它還可以節(jié)約連接h1網(wǎng)段到控制室的線纜的成本。
在現(xiàn)場設(shè)備中使用基金會現(xiàn)場總線備份連接主動規(guī)劃期(las)，同時在hse總線和監(jiān)控設(shè)備中加入冗余，可以保證高度的系統(tǒng)完整性。現(xiàn)場儀表可以通過注冊現(xiàn)場總線設(shè)備提供的輸入標準設(shè)備描述(dd)和功能文件(cf)進行集成。
基金會現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)充分利用hse，提供了一個真正聯(lián)網(wǎng)的解決方案，允許流程擁有者可以設(shè)計同時反映流程功能和地理要求的總體控制架構(gòu)。這與那種直接連接單獨h1網(wǎng)段和控制器的系統(tǒng)設(shè)計不同。除此之外，基于hse的解決方案可以面向關(guān)鍵應(yīng)用為現(xiàn)場環(huán)境增加冗余功能，在控制器硬件失效的少數(shù)時刻也可以保證現(xiàn)場控制可見。
實施帶有hse的現(xiàn)場控制其中一個zui主要的原因，就是消除了同步方面的問題，同時它也緩解了中央控制器的負擔。使用其他的解決方案，你必須使用一臺控制器控制一個設(shè)備網(wǎng)段，然后再轉(zhuǎn)向另外一個網(wǎng)段，因此會造成讓人無法接受的延遲。
工業(yè)專家的考量
為了撰寫這篇文章，本文的作者向的自動化行業(yè)工業(yè)商和zui終用戶咨詢他們對于基金會技術(shù)現(xiàn)場控制的看法，以及這項技術(shù)將會如何影響工廠運營表現(xiàn)和項目生命周期成本。
marcospeluso是艾默生過程管理公司的一位技術(shù)專家，他相信現(xiàn)場控制解決方案。“cif可以作為控制個體回路，也可以作為dcs控制方案的一部分，”peluso說：“dcs可以發(fā)送設(shè)置點或者計算變量給監(jiān)管回路。點或者計算變量給監(jiān)管回路。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備中的功能模塊，cif提供了級聯(lián)、優(yōu)先、分割、交叉等不同的控制策略。
他接著說道：“cif控制表現(xiàn)要優(yōu)于dcs中的控制。因為現(xiàn)場總線中的控制嚴格按照計劃執(zhí)行，變量升級和zui終的控制元素激活都是按照非常的時間間隔進行的。使用i/o卡的dcs控制缺乏同步性，不能保證相同間隔周期。比如說，pid控制計算積分和差分，假設(shè)升級通常是指在相同的周期內(nèi)進行的，如果存在差異，變異就會增加。”
“在使用cif的時候，zui終用戶需要選擇高質(zhì)量的設(shè)備和輔助設(shè)備，特征和性能可以滿足它們的目標。計劃周密執(zhí)行良好的安裝工作，可以降低維護成本、增加流程工作時間，從而帶來良好的，”peluso總結(jié)道。
橫河電機公司無線及現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)技術(shù)咨詢顧問amitajmeri也發(fā)表了自己對于cif的看法。他說道：“使用cif難以實施復雜的回路，因此開始要首先使用簡單和級聯(lián)回路，確定您希望在何處應(yīng)用pid控制功能模塊。如果您的dcs在每個周期內(nèi)可以實現(xiàn)控制器到現(xiàn)場總線i/o卡的同步數(shù)據(jù)傳輸，您就會看到同樣的績效改善，這與您是否使用cif或是在dcs中進行控制沒有關(guān)系。如果有dcs外部的人員使用現(xiàn)場設(shè)備，cif可以把pid控制參數(shù)傳輸給他們，因此需要特別安全保護才能確保未經(jīng)*的人員不會接觸到相關(guān)的信息。一旦確定了運營步驟，數(shù)據(jù)安全并不會成為問題。
比如在發(fā)電廠中的一些更快的流程，可以從現(xiàn)場控制中獲得更多的收益。
ajmeri對于那些考慮使用cif的zui終用戶也有著一些建議：“要檢查一下您的dcs供應(yīng)商，看看他們是否已經(jīng)實現(xiàn)基金會現(xiàn)場總線i/o掃描的同步。另外，還需要注意所有的pid模塊參數(shù)以及pid模塊的默認配置，因為每個供應(yīng)商給的配置可能都不一樣，”他說道：“除此之外，要保證pid模塊數(shù)據(jù)安全的實施步驟和*數(shù)據(jù)接入的管理，創(chuàng)新cif設(shè)備的設(shè)備替換流程。當然，培訓也非常重要。”
abb公司營銷支持davehuffman評論道：“有一些分析指出，使用h1las的純粹循環(huán)控制比那些針對特定困難回路設(shè)計的集中式控制設(shè)計效果更好。但是基本上，我有點懷疑如果所有者實現(xiàn)對回路進行適當整定的話，無論pid功能置于何處，今天運行的絕大多數(shù)控制回路的控制質(zhì)量基本都是相同的。”
“考慮hse，可以通過將控制轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場設(shè)備獲取控制器資源。如果控制功能可以在現(xiàn)場設(shè)備中完成，zui終用戶就不再需要為任何通訊或者系統(tǒng)負載添加控制器。”
huffman補充道：“工業(yè)企業(yè)的工程師需要按照設(shè)計的方式使用技術(shù)，這樣才能充分發(fā)揮基金會現(xiàn)場總線的優(yōu)勢。只是把它看成一個i/o系統(tǒng)沒什實施帶有現(xiàn)場控制功能的基金會現(xiàn)場總線還可以減少與布線、電源、面板空間和冗余硬件相關(guān)的成本。，通過減少硬件，實際的可能失效點也更少，因此提高了系統(tǒng)的可靠性。類似的，設(shè)備之間連接數(shù)量的減少也讓系統(tǒng)更加可靠。
基于cif的流程可靠性與有效性的提升，可以大幅減少意料之外事故的發(fā)生。工廠的工作時間延長對于企業(yè)的利潤有著正面的影響，同時還可以加強控制的度，促使操作員減少原料和能源的使用，增加產(chǎn)出并改善zui終產(chǎn)品的質(zhì)量。
選擇正確的應(yīng)用
在某些應(yīng)用中實施現(xiàn)場控制可以比傳統(tǒng)的儀表或者主站控制效率更高。這是因為在現(xiàn)場的控制可以獨立于主站控制系統(tǒng)運行，循環(huán)周期只有四分之一秒。典型的dsc對i/o掃描的周期死五分之一秒。周期越短、測量越，意味著運行更接近系統(tǒng)的物理局限，因此在不需要購買大型設(shè)備的前提下就會增加產(chǎn)出。
在典型的工業(yè)運營中，更快的流程可以從現(xiàn)場控制中獲得的收益越多。如果流程有意整定對控制器慢速響應(yīng)，或者由于亞擺率和飽和限制了快速響應(yīng)，一些情況下現(xiàn)場級控制的優(yōu)勢也會打很多折扣。還有很多特別的回路需要非?？斓牟蓸铀俣?，但是需要的傳感器和執(zhí)行器不符合現(xiàn)場總線的要求。
cif策略尤其有效的應(yīng)用包括壓縮機反浪涌控制、多流和壓力回路以及一些快速的溫度、ph值、位置和速度回路。發(fā)電行業(yè)，包括核電，一直以來都是基金會現(xiàn)場總線的一類主要應(yīng)用，在典型的發(fā)電廠當中有很多重要的壓力和流回路，對于總體性能有著重要影響，可以決定發(fā)電廠能以多快的速度處理負載變化或者提升流程效率。
結(jié)論
對于今天的自動化zui終用戶，可以從實施帶有現(xiàn)場控制的基金會技術(shù)解決方案中獲取巨大的收益。首先，cif可以提供單環(huán)的完整性，因此減少了控制策略失效導致流程工廠部分或者整體停機發(fā)生的概率。其次，cif不僅降低了現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的通訊量，還減少了流程自動化系統(tǒng)控制的負載。zui后，cif通過減少設(shè)備安裝量和試車成本，提供預防性維護工作需要的信息，減少了整體自動化系統(tǒng)的生命周期成本。