FCS技术

FCS技术（共6篇）

FCS技术 篇1

0 引言

为满足市场对煤炭产品的不同需求, 迫切需要对选煤工艺进行技术提升, 相应地对选煤厂自动化控制系统也提出了更高的要求。

开滦集团钱家营矿业分公司在实施钱家营选煤厂选煤工艺过程改造的工程中, 通过对当时国内选煤厂普遍采用的集中型控制系统 (用于生产规模较小的选煤厂) 和分散型控制系统 (多用于大型选煤厂) 的结构进行分析发现, 集中型控制系统和分散型控制系统都是通过信号、控制电缆实现PLC的I/O模块与控制器、执行器、检测装置间的点对点联接的。对于存在大量控制器、执行器、检测装置的应用场合 (如大型选煤厂) , 由此带来的问题是使用大量的PLC I/O模块和大量的信号、控制电缆, 导致硬件设备造价高, 安装、维护工作量大, 以及随信号电缆引入的干扰信号对系统稳定性的影响等诸多问题。因钱家营矿业分公司选煤厂的入选煤质属极难选, 生产工艺复杂, 初步估算, 如要实现对全厂生产工艺系统主要设备的监控, 所需的I/O在8 000点以上, 其中还不包括对主要电动机的电流、缺相、接地的监测。要解决这些问题, 必须引入先进的控制理念和技术。

在深入调研的基础上发现, 目前主要应用于石油化工、机器制造业及楼宇自动化行业的现场总线控制系统 (FCS) 技术, 可以解决大型选煤厂采用传统的PLC控制系统所遇到的问题。

因此, 在钱家营矿业分公司选煤厂控制系统改造时通过应用FCS技术, 取得了良好的效果, 达到了预定的目标。

1 控制系统总体网络规划

在构建钱家营矿业分公司选煤厂FCS网络时, 按照最终实现分公司管控一体化目标规划了3层网络结构, 由信息层网络 (Ethernet) 、控制层网络 (工业Ethernet) 和设备层网络 (Profibus) 组成, 如图1所示。

上层为公司信息管理系统网络, 与互联网相连构成信息层, 选煤厂计算机信息管理系统的服务器下连控制层网络, 上连信息层网络, 实现信息层和控制层间的通信。

选煤厂其它子系统如视频监视系统、DLP大屏幕显示屏也与信息层网络连接。

中间层是控制层, 由监控计算机、控制层网络 (10 M/100 M以太网) 、全厂生产集中控制系统和生产工艺参数闭环控制系统的PLC主机组成。监控计算机作为控制层的人机界面, 实现对全厂生产集中控制系统和工艺参数闭环控制系统的集中监控, 同时又是信息层网络的工作站, 通过信息层网络实现与分公司管理信息系统的数据通信。

底层为设备层, 设备层网络采用Profibus现场总线, 实现PLC主机、I/O站、执行机构、保护装置、检测装置间的通信。

中间层 (控制层) 和底层 (设备层) 就构成了选煤厂的FCS。

2 选煤厂FCS的设计

选煤厂集控FCS结构如图2所示。

2.1 选煤厂FCS构成

选煤厂FCS主要由控制层和设备层组成。

2.1.1 控制层

选煤厂FCS的控制层设备主要由4台监控计算机、9台西门子公司的S7-300、S7-400 PLC主机组成。

控制层设备通过以太网实现通信。为提高控制层通信网络的可靠性, 采用光纤环型以太网构成通信路径的冗余, 并可避免感应雷、电磁干扰对通信的影响。

对PLC站的配置结合各生产系统及相关配电室的空间、平面布置情况, 兼顾合理降低PLC站配置成本的原则进行, 通过多个方案配置对比, 最终确定的PLC站配置如下:

在保留已有的浮选单机自动化系统PLC站的基础上, 全厂新增7个独立的PLC站:原煤系统PLC站、Ⅰ系统PLC站、Ⅱ系统PLC站、密度控制系统PLC站、浮选系统PLC站、压滤 (含事故沉淀池、清水泵房、油库) 系统PLC站和精、中煤仓 (含矸石仓、装车站) PLC站。

考虑到原煤系统在全矿井生产中的重要地位, 要保证矿井的正常生产, 就必须保证原煤系统的可靠运转, 为此原煤系统PLC站采用2套PLC主机组成双机热备配置, 以保证原煤控制系统的连续、可靠运行。

2.1.2 设备层

选煤厂FCS的设备层设备主要有PLC的I/O站、现场总线设备 (如电机综合保护装置、变频器) 和其它常规现场仪表。

(1) I/O站

为减少今后维护费用, 全厂集控系统的I/O模块全部选择西门子支持Profibus现场总线的ET200系列产品, 实际配置21套ET200 I/O站 (控制千余台设备) 。

(2) 电机综合保护装置

电机综合保护装置是选煤厂配电回路中大量配置的设备, 本系统配置了具有现场总线接口的电机综合保护装置。如果采用常规产品, 即使是实现单相电机电流的监测, 所需另外配置电流互感器、电流变送器、I/O站的模拟量输入模块的费用已远远高于选择具有现场总线接口的电机综合保护装置所增加的费用。

此外, 与配置常规的电机综合保护装置相比, 配置具有现场总线接口的电机综合保护装置, 通过现场总线接入设备层网络后, 不但可实现电机电流的监测, 还可获得保护装置动作的原因, 如缺相、过流、过载等, 常规的电机综合保护装置则不能提供这么多的信号输出。

(3) 变频器

变频器能够提供可选的通信模件, 通过通信, 可在不增加I/O站的I/O模块的情况下, 获得变频器的许多参数, 并可实现对变频器输出频率的控制。

选煤厂FCS的设备层网络采用Profibus现场总线, 实现PLC主机、PLC I/O站、现场总线设备间的通信。在设备层网络中, PLC I/O站和现场总线设备处于同等地位:负责向PLC主机发送数据、执行PLC主机的的指令。其它常规仪表及被控设备则通过线缆接入I/O站。

有必要指出的是, 目前有些PLC厂家生产的主机和I/O模块间是通过现场总线实现通信的, PLC与现场设备间的联系都是通过PLC的I/O模块实现的。在这样的控制系统中, 现场总线只是属于PLC内部的网络, 并不和现场仪表间存在直接联系, 这样的控制系统仍然是传统的控制系统。因此, 控制系统中使用了现场总线只是构成FCS必要但非充分条件。换言之, 不能简单地把一个存在现场总线的控制系统就叫做FCS, 现场总线+现场总线仪表才是构成FCS的充要条件。

2.2 选煤厂FCS特点

选煤厂控制系统采用FCS结构, 使得网络体系结构简单, 提高了选煤工艺过程控制的实时性和系统精度, 稳定了产品质量, 具有以下特点:

(1) 数字化通信取代4～20 mA模拟信号:采用总线仪表, 可以减少D/A、A/D变换的环节, 使系统的变换精度得到较大提高, 同时控制系统节省了大量的器材、PLC I/O资源和信号电缆, 提高了信息的实时性和系统的性价比;

(2) 计算机网络通信通过现场总线延伸至现场:集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体;

(3) 采用光纤环型以太网:环网构成通信路径的冗余, 环网开路时仍可保证网络通信不受影响;采用光纤介质, 消除感应雷、电磁干扰对通信的影响;

(4) 选煤厂FCS可连接任何厂家具备相同总线标准的分布式从站级设备, 便于系统扩展、升级。

(5) 将复杂信号由集中处理变成分散处理, 既可保证数据处理的质量和速度、提高抗干扰性能, 同时又降低了系统成本。

3 实施效果

(1) 系统可靠性高:

选煤厂FCS自2003年初投入运行以来, 运行稳定、可靠。

(2) 系统操作简单、方便:

在选煤厂FCS系统下, 操作员只需通过点击鼠标器, 即可完成各工艺过程的转换和控制操作。

(3) 系统扩容简单:

增加相关设施, 只需用相关网卡连接。

(4) 产品质量和回收率得到提高:

采用FCS, 系统控制精度高、实时性强、工艺参数控制稳定, 有效地提高了产品质量和回收率, 精煤批合格率由原来的93.5%提高到98.8%, 精煤综合回收率提高了7.86%。年创经济效益1 000万元以上。

(5) 减人增效:

选煤厂FCS自动化程度的提高, 为减人提效打下了坚实基础, 年节省人工费用300万元左右。

(6) 节省系统投资:

现场总线使得接线端子、隔离器、变换器、电缆等投入大大减少, 一次性节省采购、安装费用100万元以上。

4 结语

作为近年来新出现的控制系统, FCS在钱家营矿业分公司选煤厂的成功应用, 验证了其技术上的高可靠性、实时性、开放性、节约投资、易于扩展重构等特点, 有望成为新一代主流控制系统, 在选煤乃至全煤炭行业具有示范和推广价值。

本文介绍的是采用Profibus现场总线构成的FCS, 实际上可以构成FCS的现场总线有多种类型, 选择哪种现场总线构成FCS要视具体情况综合考虑。

摘要：针对大型选煤厂生产集中控制和单机自动化系统中存在的PLC规模庞大、控制器、执行器、检测装置与PLC间采用大量电缆联接、系统造价高、安装、维护工作量大等诸多问题, 设计了一种现场总线控制系统 (FCS) , 详细介绍了FCS的网络结构、系统构成和系统特点。该系统已在开滦 (集团) 钱家营矿业分公司选煤厂技术改造中成功应用, 解决了传统PLC控制系统存在的问题, 满足了现代化大型选煤厂对控制系统的要求。

关键词：选煤厂,控制系统,现场总线,FCS

参考文献

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[3]邬宽明.现场总线技术应用选编 (2) [M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004.

浅议DCS与FCS控制系统 篇2

1 集散控制系统

集散控制系统DCS (Distributed Control System) 又称为分布式计算机控制系统, 是是以微处理器为核心, 实现地理上和功能上相对分散的控制系统, 它通过数据通道把各个分散点的信息集中起来, 进行集中的监视和操作, 具有事故分析、性能计算、历史数据存储、分析、各种报表生成、打印等功能, 目前已经在国内外得到非常广泛的应用。在DCS系统中, 测量变送、执行器一般由模拟仪表来完成, 他们与控制室的监控计算机共同构成控制系统, 是模拟和数字混合系统, 可实现高级复杂规律的控制。

DCS的技术特点: (1) 控制功能强, 可实现复杂的控制规律, 如串级、前馈、解耦、自适应、最优和非线性控制等, 也可实现顺序控制。 (2) 系统可靠性高。 (3) 采用CRT操作站有良好的人机交互接口。 (4) 软硬件采用模块化积木式结构。 (5) 系统容易开发。 (6) 用组态软件, 编程简单, 操作方便。 (7) 具有良好的性价比。

2 现场总线控制系统

现场总线控制系统FCS (Field Bus Control System) 是基于现场总线技术的控制系统。现场总线是用于现场仪表与控制系统之间的一种分散、全数字化、智能、双向互联、多变量、多点、多站的通信网络系统。

FCS控制系统的优点主要体现在以下几方面。

(1) FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站, 把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表, 从而构成虚拟控制站, 彻底地实现了分散控制。

(2) FCS通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量, 这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表, 与其配套的还有安全栅。

(3) FCS则采取一对多双向传输信号, 采用的数字信号精度高、可靠性强, 设备也始终处于操作员的远程监控和可控状态, 用户可以自由按需选择不同品牌种类的设备互联, 智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能, 而且控制功能分散到各个智能仪表中去。

(4) 现场总线仪表既有检测、变换和补偿功能, 又有控制和运算功能。

(5) 现场总线为开放式互联网络, 既可以与同层网络互联, 也可与不同层网络互联, 还可以实现网络数据库的共享。

(6) 数字信号的精确性是现场总线的又一个优点, 数字信号比4m A~20m A模拟信号分辨率高。

(7) 现场总线技术都可以实现对现场设备的状态、参数等进行远程访问, 采用设备描述, 实现设备的互操作和综合运用, 现场总线技术在线修改仪表参数, 检测过程变量和诊断信息减少像一般仪表被动式作业维护的弊端, 能够通过错误信息快速查找出故障源和隐患, 并且能够减少日常维护工作量。

3 自动控制系统的发展趋势

从现代市场的认可度和技术的成熟度来说, 传统的DCS由于传统方式的控制系统理论上比较成熟, 在实际应用中具有稳定可靠、价格适中的特点, 所以此种类型的控制系统牢牢地把握市场的大局, 仍继续占据主导地位。

但是DCS通常是一对一单独传送信号, 其所采用的模拟信号精度低, 易受干扰, 位于操作室的操作员对模拟仪表往往难以调整参数和预测故障, 处于“失控”状态, 很多的仪表厂商自定标准, 互换性差, 仪表的功能也较单一, 难以满足现代的要求, 而且几乎所有的控制功能都位于控制站中。

而以现场总线为代表的新一代控制系统是连接了智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统, 体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点, 使自控设备与系统步入了信息网络的行列, 为其应用开拓了更为广阔的领域;一对双绞线上可挂接多个控制设备, 大大节省了安装费用和维护开销;提高了系统的可靠性;为用户提供了更为灵活的系统集成主动权, 而这些正是DCS的缺点。

受技术发展的推动和商业利益的驱使, 新型的技术将不断地应用到新一代的控制系统中去, 具有H A R T协议、F F、Profibus DP、CAN和其他种类的总线技术仪表在过去几年得到比较好的发展, 智能变送器、智能流量计、智能液位计等类型的智能测量仪表已经广泛地应用于生产过程中, 并得到了用户的好评, 因此以现场总线为代表的新一代控制系统F C S将得到较大的发展。

参考文献

[1]李忠良.PLC以及DCS、FCS的发展概况和比较分析[J].电力职业技术学刊, 2009 (4) :10～12.

FCS技术 篇3

现场总线控制系统 (Fieldbus Control System, FCS) 采用开放的、具有相互操作性的现场总线技术, 将现场各个控制器和仪表及仪表设备互联, 构成现场总线控制系统, 同时将控制功能彻底下放到现场, 降低了安装成本和维修费用[1,2]。

本文通过基于FCS的嵌入式Web服务器车载终端, 对包括作业机具状态、对象等涉及农业装备作业环境参数进行在线监控、预警和远程发布。所构建的系统为一个包含作业机具状态在线检测和远程监控于一体的集成系统。

1 嵌入式Web服务器车载终端

嵌入式Web服务器车载终端由硬件和软件2个部分组成。

1.1 硬件设计

硬件包括数据采集电路与嵌入式网关, 其结构如图1所示[3,4]。

车载终端根据用户功能需求, 包括封装数据采集模块、卫星定位模块、电源模块、控制及接口单元、天线、彩色液晶屏等, 实现对农业装备的定位、导航, 作业数据、图像、声频、视频采集与传输。封装成型的嵌入式农机车载终端如图2所示, 搭配显示信息终端的设备组合如图3所示。

1.2 软件设计

本文设计了一个简易Web服务器, 实现了Web服务器的基本功能, 包括页面请求与响应、HTML文件解析和数据传送, 工作流程如图4所示。客户发送请求 (GET filename HTTP/version) , Web服务器发送应答 (HTTP/version status-code status-message) [5,6]。

用户浏览器端与服务器端建立socket连接后, 用户通过在浏览器端单击一个链接的形式获取网页, 即发送一个命令请求, 服务器端利用GET命令接受请求、读取请求, 并打印输出相关数据信息。

2 上位机软件

上位机软件设计包含上位机服务器设计和用户端软件设计。在Visual Basic 6.0开发环境下, 基于C/S (Client/Server) 架构对上位机软件进行设计。其服务器软件应用数据库软件SQL Server 2005, 监听端口并接收无线模块收到的作业参数, 进行信息存储, 达到对机具环境监测实时动态信息接收、处理和存储[7]。客户端软件的作用在于实现用户对机具作业环境实时监测信息和历史数据的远程查看, 并能实现特定范围内的参数预警, 框图如图5所示。

3 上位机服务器数据库和软件

3.1 数据库构建

上位机服务器端程序主要用来存储农机作业监测数据, 系统采用SQL Server2005作为存储采集数据的服务器, 在管理器中创建系统数据库TeayardDB, 根据系统需求, 数据库存表结构主要包括用户表myuser、预警信号设置表Set Alert、最新采集数据表New Data和历史采集数据表History Data。其中用户信息表结构如表1所示, 用来存储操作人员的用户名称User_ID和密码User_PASS。预警信号设置表Set Alert如表2所示, 用来存储客户端设置的预警信号, 当监测参数达到临界点时, 发生预警信号。最新采集数据表New Data及历史采集数据表History Data结构如表3所示, 分别用于存储当前采集的最新数据及历史数据, 如发动机转速、冷取水温度、液压缸压强等[8]。

3.2 上位机服务器软件设计

在Visual Basic 6.0开发环境下开发服务器通程序, 主要功能是对端口进行监听, 读取无线模块接收的数据, 并将监测数据存储到数据库中相应的表中, 上位机服务器软件包括系统登录和服务器两个窗口。

(1) 在Visual Basic 6.0环境下, 应用系统自带ADODB控件建立与数据库Teayard DB的连接, 服务器登录界面用于验证用户的合法性, 设置有用户名称和密码登录。

登录成功建立与数据库的联接:

(2) 服务器主窗口。服务器通过MSComm控件建立串口通信, 进行各监测控制节点的采集数据, 并存储到数据库表中, 当登录用户名、密码输入正确, 进入服务器主窗口服务器主窗口。

MSComm控件的的属性定义如下:

4 结语

通过基于FCS的嵌入式Web服务器车载终端, 实现了作业机具状态、对象等涉及农业装备作业环境参数进行在线监控、预警和远程发布。

下一步工作将以此为基础, 集成视频传输、导航功能, 建立农业装备远程呼叫中心, 开发远程故障管理和决策软件, 借助移动互联网技术和云计算、云服务技术, 实现面向研发、生产、销售、服务商、持有者和单位、机手的全方位用户覆盖。

摘要：通过基于FCS的嵌入式Web服务器车载终端, 对包括作业机具状态、对象等涉及农业装备作业环境参数进行在线监控、预警和远程发布。开发了嵌入式Web服务器车载终端, 构建了系统数据库, 设计了上位机服务器设计和用户端软件。所构建的系统为一个包含作业机具状态在线检测和远程监控于一体的集成系统。

关键词：农业装备,远程监控,现场总线控制系统 (FCS)

参考文献

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FCS技术 篇4

FCS (Fieldbus Control System) 是以现场总线为基础贯穿于生产现场, 在测量、执行机构 (过程控制现场仪表) 和控制设备 (控制室操作站) 之间实现双向、串行、多节点数字通信的控制系统。实质上它是将DCS、PLC控制系统的远程分散在现场的控制器 (控制站) 和I/O的现场总线功能延伸到现场的测量控制仪表、执行器。现场总线控制系统主要由现场总线仪表 (智能仪表) 、控制器、现场总线线路、监控组态计算机组成, 具有全数字化、全分布、双向传输自诊断、节省布线及控制空间、多功能仪表、智能化与自治性、开放性等特点。现场总线系统的本质特征是使用有现场总线通信能力的智能现场仪表设备, 这些可通信智能现场仪表设备所构成的网络站点, 不仅具有竖向 (与系统) 通信也具有横向 (节点之间) 通信的能力。

1 现场总线的技术特点

现场总线技术以数字信号取代模拟信号, 在3C (Computer计算机、Control控制、Commcenication通信) 技术的基础上, 大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用, 许多控制功能从控制室移至现场设备。现场总线技术不仅是一种通信技术, 它实际上融人了智能化仪表、计算机网络和开放系统互连 (OSI) 等技术的精粹。

1.1 开放性

由于DCS的不彻底的开放性, 不同厂家的产品不能互换、互联、限制了用户的选择范围。而FCS具有开放性, 系统的通信协议一致公开, 各不同厂家的设备之间可实现信息交换, 通过现场总线可组成开放互连系统。开放系统把系统集成的权利交给了用户, 用户可按自己的需要和条件把来自不同供应商的产品组成系统。

1.2 智能化与自治性

FCS系统具有高度的分散性, 这就要求现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性, 它可以由现场设备组成自治的控制回路, 将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成, 仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能, 并可随时诊断设备的运行状态, 从而减少了由于控制站故障的原因而引起的机组停运、设备损坏的事故发生。从根本上改善了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统的不足。

1.3 控制系统的高精度

DCS系统的信息全都是二进制或模拟信号形成的, 必须有D/A与A/D转换。而FCS系统是全数字化, 免去了D/A与A/D变换, 高集成化高性能, 使精度可以从±0.5%提高到±0.1%。

2 现场总线的优点

所有这些特点使得以现场总线技术为基础的现场总线控制系统 (FCS) 相对于传统DCS系统具有巨大的优越性。

2.1 节省投资

FCS系统由于信息处理现场化, 能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能, 因而可减少变送器的数量, 不再需要单独的控制器、计算单元等, 也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线, 与DCS系统相比, 可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜, 同时也节省了I/O装置及装置室的空间与占地面积, 有专家认为可以节省60%。FCS系统还可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等, 同时也节省了设计、安装和维护费用, 有专家认为可以节省66%。

2.2 节省安装费用

现场总线系统的接线十分简单, 由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备, 因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少, 连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时, 无需增设新的电缆, 可就近连接在原有的电缆上, 既节省了投资, 也减少了设计、安装的工作量。

2.3 节省维护开销

由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力, 并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室, 用户可以查询所有设备的运行, 诊断维护信息, 以便早期分析故障原因并迅速排除。同时由于系统结构简化, 连线简单而减少了维护工作量。

2.4 用户具有高度的系统集成主动权

用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来达到最佳的系统, 集成FCS系统可以将PID闭环控制功能装入变送器或执行器中, 缩短了控制周期, 目前可以从DCS的2～5次/s, 提高到FCS的10～20次/s, 从而改善调节性能。避免因选择了某一品牌的产品而限制了设备的选择范围, 不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展, 使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。

2.5 远方诊断、维护和组态

DCS系统可以控制和监视工艺全过程, 对自身进行诊断、维护和组态。但是, 由于其自身的致命弱点, 其I/O信号采用传统的模拟量信号, 无法在DCS工程师站上对现场仪表 (含变送器、执行器等) 进行远方诊断、维护和组态。FCS系统采用全数字化技术, 数字智能现场装置发送多变量信息, 而不仅仅是单变量信息, 并且还具备检测信息差错的功能。FCS系统采用双向数字通信现场总线信号制。因此, 它可以对现场装置 (含变送器、执行器等) 进行远方诊断、维护和组态。FCS系统这点优越性是DCS系统无法比拟的。

3 现场总线的发展现状

虽然现场总线将是DCS发展的一个重要方向, 现场总线技术理论上讲有着众多优点, 但用户并不希望对他们现有的仪表系统做大的改动。目前在现场总线的发展的初期, 大多数用户更倾向于对他们现有的仪表系统进行逐步的增添和替换。DCS系统及其仪表的消失或完全被取代, 对于费用或人力而言也都是不合理的。另一方面, 目前现场总线国际标准共有12种之多。众多标准的并存, 对大公司来讲好像皆大欢喜, 但谁的产品也不可能覆盖所有的应用层面。面对众多标准, 面对大公司的技术封锁, 众多中小仪表制造业的无所适从或干脆不从, 造成现场总线仪表品种单一且价格严重离谱。一些用量虽少但生产现场决不可少的特种仪表品种空白, 造成设计选型、用户选择、维护的极大困难。

众多现场总线标准无疑就是无标准。我们呼唤尽快拆除篱笆统一标准, 打破市场垄断, 使所有符合统一标准的各类仪表都可以互连互通, 仪表生产企业也能腾出更多精力去开发更可靠、更贴近市场的总线产品, 形成百花齐放的仪表市场, 用户选型、使用中的种种困惑和烦恼自然会迎刃而解, 从而大大推进工业生产力的发展。

摘要：介绍现场总线系统的技术含义、技术特点和技术优势;对现场总线控制系统 (FCS) 与集散控制系统 (DCS) 的优缺点进行了分析比较;对现场总线线控制系统的发展现状提出了新的要求。

关键词：现场总线,开放性,智能化,自治性,高精度

参考文献

FCS技术 篇5

1.1 现场总线控制系统[1]

FCS继承并发展了PLC和DCS的功能,它用开放的具有可互操作的现场总线将现场各控制器及仪表设备互连,构成现场总线控制系统,同时控制功能彻底下放到现场,构成一种彻底的分布式控制体系。其网络拓扑可为总线型、星型、环型等任意结构,通信介质不受限制,可用双绞线、电力线、无线、红外线等。现场总线控制系统结构体系如图1所示。

FCS的基础是现场总线仅继承了DCS分级、分层化的拓扑结构,强化了DCS分散控制的思想,还具有开放性、互操作性和彻底的分散性特点。另外,FCS还具有全数字、高精度、多变量测量传输、分散度高、控制品质好、信息量大等特点。

1.2 水泥生产工艺

目前整个水泥生产线的工艺流程可简要分为:①原料燃料破碎及预均化;②生料制备及均化;③预热分解;④水泥熟料的烧成;⑤水泥粉磨和包装。为了对系统进行有效的实时控制,按照大系统递阶控制的原理,将整个控制系统按工艺流程划分为3大系统,即原料制备系统、回转窑烧成系统和水泥制备系统,如图2所示。主要设备有:原料给料机、风机、水泥煅烧用回转窑、立磨机、水泥制备用钢球磨,其他的还有篦冷机、预热器、分解炉、辊压机及各种调节阀、变频器和众多的智能检测仪表。

水泥生产的原料来自于原料配料站,在控制系统中要求对其喂料量进行较为准确的控制,因为喂料量的多少直接关系着水泥厂每天水泥的日产量。从原料配料站出来的原料要经过原料磨的粉碎,然后送入均化库中进行均化。经过均化的原料送入窑中进行煅烧,而水泥质量的好坏主要在于原料在窑中的煅烧情况,所以对窑中的温度和窑的转速都要进行良好的控制。煅烧完的水泥经冷却后送入熟料库,等待粉碎包装外运。

1.3 水泥生产线系统结构体系

水泥生产线监控管理系统主要根据生产的工艺过程控制要求对整个生产线进行监视和控制。本系统采用3层的网络拓扑结构,即现场设备层、过程控制层和操作管理层。水泥生产线系统结构框图如图3所示。

现场设备层采用带有Profibus-DP现场总线接口的PLC作为现场主控制器,用现场总线与各测量控制设备相连,完成数据采集以及现场控制等任务。过程控制层主要是以太网交换机和通信处理站,用现场总线连接。通信处理站担当通信调度,完成数据传输的任务。操作管理层采用西门子组态软件WinCC做监控,完成整个系统的组态和维护、现场设备的操作和监控显示等任务。

2系统软、硬件设计

2.1 系统硬件设计

根据工艺要求,该FCS系统是以工控机为上位机,以PLC控制器为下位机,以控制仪表等设备为现场控制单元的3级分布式控制系统。

2.1.1 现场控制层

现场控制层的作用是通过对现场I/O信号的采集、运算和逻辑顺控处理,经现场控制层网络将相关数据送入控制处理机,实现生产过程的顺序和逻辑控制。

根据实际操作和生产工艺流程的需要,本项目拟设置采用PLC的3个现场控制站,对于设备较为集中又远离现场的控制站设置由远程I/O通信电缆连接,这样能节省其间电缆,提高运行可靠性。每个从站都是一个独立的控制模块,可完成故障诊断、数据采集及设备控制等任务,能在主站或传输线路发生故障时自动进入本地自控状态,从而不会使整个生产过程陷入瘫痪。

水泥生产线系统各个部分的状态相互关联密切,对网络的实时性、可靠性要求较高。在综合考虑性价比后,决定选用西门子公司的S7-300PLC。为保证系统安全与可靠运行,设置两套供电系统,相互热备,各主要设备也在现场设有手动和急停开关,同时对计算机用电与设备用电做了很好的隔离。

2.1.2 操作管理层

操作管理层主要由操作员站(OS)及工程师站(ES)组成,其作用是实现生产过程的集中操作和统一管理。根据实际需要设置l台工程师站、2台操作站,主要承担整个系统的组态、维护以及现场设备的监控和操作等功能。通过监控系统和生产过程,进行运算、诊断和故障处理,并通过操作站界面显示,实现控制方案,生成系统数据库、用户画面和报表等。

操作员能够通过操作员站对过程参数变化、实时趋势、历史趋势和报警情况进行实时观察,实现设备启停、回路操作和参数设置等;还能通过CRT显示的整个系统状态和故障信息来更直观地了解现场设备工作状态,方便其快捷有效地下达控制指令和修改参数。

工程师站安装WinCC组态软件,使用以太网与过程站及其他设备进行通信,通过操作站调出过程组态画面进行操作方案组态、过程流程图组态、趋势画面及各种报表组态等。实现了FCS系统硬件编辑、现场过程站编程、现场总线智能仪表组态、操作员站组态一体化等功能,具有实时反应快、可靠性高和适应恶劣的工业现场环境等特点。

2.2 系统软件设计

该控制系统的软件设计分为两部分:上位机系统组态和下位机PLC控制软件设计。整个系统过程控制软件包括:过程数据输入/输出、顺序控制调节、历史数据记录、过程画面显示和管理、报警信息管理、生产记录报表的管理和打印、参数列表显示及人机接口控制等。其中在现场控制站实现过程数据的输入输出、连续控制调节和顺序控制;集中操作监视层则通过组态软件完成过程画面的显示和报警记录打印等。

2.2.1 上位机系统组态

由系统集中监视操作层的功能及其硬件结构,采用WinCC对上位机软件进行系统组态。WinCC是一个集成的人机界面(MHI)和监控管理系统,它提供了适用于工业的图形显示、消息归档及报表的功能模板,并以高性能的过程耦合、快速画面更新等功能使其具有高度的实用性。各种PLC的驱动软件WinCC都能提供,在STEP7中配置的变量表也能与WinCC连接直接使用,这样PLC与上位计算机连接变得很容易。由WinCC软件组态开发的计算机监控软件功能及画面组成如图4所示。

在每个界面下方有数个自定义软件,运行时只要按下相应的功能键便可显示。工程师站软件主要负责PLC数据采集、PLC命令发布、数据库管理以及向操作员站发送实时数据等。操作员站软件则包括了所有对生产过程进行操作的功能,操作员通过监控画面、标准操作显示和报警显示等,可以高效地控制所属区域。另外,系统还为部分动画连接的图形对象设置了访问权限,如为对系统影响较大的参数设定画面设定访问权限,这样就只有高级工程技术人员才能对此操作,这对于保障水泥生产线系统的正常工作具有重要意义。

2.2.2 下位机PLC控制站软件设计

在本水泥生产自动化控制系统中,现场控制站软件主要由模块初始化程序、A/D、D/A、系统逻辑控制、回路控制程序和通信程序组成。西门子S7-300PLC作为Profibus-DP网络主站,通过Profibus-DP网络,完成电气传动点的速度设定、速度调整以及工作运行状态监视等功能。S7-300PLC内置了MPI和DP通信接口,MPI接口和加装了通信处理器的上位机可以构成MPI网络,而DP接口则可以使PLC接上Profibus现场总线网络;在总线传输方式上,Profibus-DP现场总线采用带屏蔽的铜芯双绞线作为传输介质。

逻辑控制部分的功能是控制设备的启停及相关故障处理。生产线上所有设备集中控制运行方式分为连锁控制和单机控制,连锁运行方式即指顺序启动和停止。在正常生产过程中,设备处在集中控制的连锁模式,电机和各种阀按程序进行启停控制,当紧急事故出现时可以全线停车,以保证人身和设备的安全。根据水泥厂的生产工艺,编制若干控制回路。

3系统应用效果

本系统功能较强,投入运行以来,设备运行正常,维护、检修工作量减少,大大降低了维护检修费用;能准确测量仓泵的料位,使运行人员能准确掌握仓泵的运行状态;对除尘器灰斗的操作也可以根据有效信号进行处理,提高了回转窑、磨机及仓泵等设备的运行效率,降低了设备的损耗及能源的浪费;大大提高了水泥生产和管理的自动化水平,保证了整个系统按工艺要求正常运行,达到了预期效果。另外,其在线组态和友好的人机界面,使整个系统更形象直观,易于操作,保证了现场运行的可靠安全性,在水泥自动化生产线中具有较高的推广价值。

参考文献

[1]刘俊强,袁世鹰.基于现场总线技术的DCS在水泥熟料生产线中的应用[J].工业控制计算机,2008(4):15-16.

[2]张明光,张晓英.水泥熟料生产过程DCS控制系统[J].计算机测量与控制,2003(9):676-677.

[3]廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

FCS技术 篇6

目前, 在连续型流程生产自动控制 (PA) 或习惯称之为工业过程控制中, 有三大控制系统, 即PLC, DCS和FCS。它们各自的基本特点如下。

1.1 DCS

1) 分散控制系统DCS与集散控制系统TDCS是集4C (Communication, Computer, Control, CRT) 技术于一身的监控技术。2) 从上到下的树状拓扑大系统, 其中通信 (Communication) 是关键。3) PID在中断站中, 中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。4) 是树状拓扑和并行连续的链路结构, 也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。5) 模拟信号, A/D-D/A、带微处理器的混合。6) 一台仪表一对线接到I/O, 由控制站挂到局域网LAN。7) DCS是控制 (工程师站) 、操作 (操作员站) 、现场仪表 (现场测控站) 的3级结构。8) 缺点是成本高, 各公司产品不能互换, 不能互操作, 大DCS系统各家是不同的。9) 用于大规模的连续过程控制, 如石化等。10) 制造商:Bailey (美) 、Foxboro (美) 、ABB (瑞士) 、Hartmann&Braun (德) 、Yokogawa (日) 、Honewell (美国) 、Taylor (美) 等。

1.2 PLC

1) 从开关量控制发展到顺序控制、运送处理, 是从下往上的。2) 连续PID控制等多功能, PID在中断站中。3) 可用一台PC机为主站, 多台同型PLC为从站。4) 也可一台PLC为主站, 多台同型PLC为从站, 构成PLC网络。这比用PC机作主站方便之处是:有用户编程时, 不必知道通信协议, 只要按说明书格式写就行。5) PLC网格既可作为独立DCS/TDCS, 也可作为DCS/TDCS的子系统。6) 大系统同DCS/TDCS, 如TDC 3000, CENTUMCS, WDPFI, MOD 300。7) PLC网络如Siemens公司的SINEC-L1, SINEC-H 1, S4, S5, S6, S7等, GE公司的GENET, 三菱公司的MELSEC-NET, MELSEC-NET/MINI。8) 主要用于工业过程中的顺序控制, 新型PLC也兼有闭环控制功能。9) 制造商:GOULD (美) , AB (美) , GE (美) , OMRON (日) , MITSUBISHI (日) , Siemens (德) 等。

1.3 FCS

1) 基本任务是:本质 (本征) 安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。2) 全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。3) 用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、PID与控制中心, 取代每台仪器两根线。4) 在总线上PID与仪器、仪表、控制装置都是平等的。5) 多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统。6) 是互联的、双向的、开放的取代单向的、封闭的。7) 用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。8) 由现场电脑操纵, 还可挂到上位机, 接同一总线的上一级计算机。9) 局域网, 可与internet相通。10) 改变传统的信号标准、通信标准和系统标准入企业管理网。11) 制造商:美Honeywell, Smar, Fisher-Rosemount, AB/Rockwell, Elsag-Bailey, Foxboro, Yamatake, 日Yokogawa, 欧Siemens, GEC-Alsthom, Schneider, procesData, ABB等。

2 三大控制系统之间的差异

2.1 差异要点

DCS系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络, 因此, 数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。数据公路的媒体可以是:一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。为保证通信的完整, 大部分DCS厂家都能提供冗余数据。为了保证系统的安全性, 使用了复杂的通信规约和检错技术。

FCS的关键要点有三点:

1) FCS系统的核心是总线协议, 即总线标准。为了使现场总线满足可互操作性要求, 使其成为真正的开放系统, 在IEC国际标准, 现场总线通讯协议模型的用户层中, 就明确规定用户层具有装置描述功能。为了实现互操作, 每个现场总线装置都用装置DD来描述。DD能够认为是装置的一个驱动器, 它包括所有必要的参数描述和主站所需的操作步骤。由于DD包括描述装置通信所需的所有信息, 并且与主站无关, 所以可以使现场装置实现真正的互操作性。开放的现场总线控制系统的互操作性, 就一个特定类型的现场总线而言, 只要遵循该类型现场总线的总线协议, 对其产品是开放的, 并具有互操作性。2) FCS系统的基础是数字智能现场装置。数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑, 是基础, 道理很简单, FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。如果现场装置不遵循统一的总线协议, 即相关的通讯规约, 不具备数字通信功能, 那么所谓双向数字通信只是一句空话, 也不能称之为现场总线控制系统。再一点, 现场总线的一大特点就是要增加现场一级控制功能。3) FCS系统的本质是信息处理现场化。对于一个控制系统, 无论是采用DCS还是采用现场总线, 系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上, 采用现场总线后, 可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没有减少, 甚至增加了, 而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力, 另一方面要让大量信息在现场就地完成处理, 减少现场与控制机房之间的信息往返。可以说现场总线的本质就是信息处理的现场化。减少信息往返是网络设计和系统组态的一条重要原则。减少信息往返常常可带来改善系统响应时间的好处。

2.2 典型系统比较

通过使用现场总线, 用户可以大量减少现场接线, 用单个现场仪表可实现多变量通信, 不同制造厂生产的装置间可以完全互操作, 增加现场一级的控制功能, 系统集成大大简化, 并且维护十分简便。

2.3 设计、投资及使用

比较的前提是DCS系统与典型的、理想的FCS系统进行比较。为什么要做如此的假设。作为DCS系统发展到今天, 开发初期提出的技术要求却已满足并得到了完善, 目前的状况是进一步提高, 因此也就不存在典型、理想的说法。而作为FCS系统, 20世纪90年代刚进入实用化, 作为开发初期的技术要求:兼容开放, 双向数字通信、数字智能现场装置、高速总线等, 目前还不理想有待完善。这种状态与现场总线国际标准的制定不能说没有关系。过去的十多年, 各总线组织都忙于制定标准, 开发产品, 占领更多的市场, 目的就是要挤身于国际标准, 合法的占领更大的市场。现在有关国际标准的争战已告一段落, 各大公司组织都已意识到, 要真正占领市场, 就得完善系统及相关产品。

2.4 PLC的发展

PLC于20世纪60年代末期在美国首先出现, 目的是用来取代继电器, 执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能, 建立柔性程序控制系统。1976年正式命名, 并给予定义:PLC是一种数字控制专用电子计算机, 它使用了可编程序存储器储存指令, 执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能, 并通过模拟和数字输入、输出等组件, 控制各种机械或工作程序。经过30多年的发展, PLC已十分成熟与完善, 并开发了模拟量闭环控制功能。PLC在FCS系统中的地位似乎已被确定并无多少争论。PLC作为一个站挂在高速总线上, 充分发挥PLC在处理开关量方面的优势。另外, 火力发电厂辅助车间, 例如补给水处理车间、循环水车间、除灰除渣车间、输煤车间等, 在这些车间的工艺过程多以顺序控制为主。PLC对于顺序控制有其独特的优势。编者以为, 辅助车间的控制系统应以遵循现场总线通讯协议的PLC或能与FCS进行通讯交换信息的PLC为优选对象。

3 系统的发展运用

自1973年提出第一台以微处理器为基础的控制器以来, 它逐步完善, 并最终形成功能齐全、安全可靠的数字式分散控制系统DCS。它的性能大大优于以往任何一种控制系统, 可以满足工厂DAS, MCS, SCS和APS各系统的各种要求, 目前还可以通过工业以太网建立管理层网络, 以满足工厂呼声越来越高的加强管理的要求。

但是, 自从有了FCS, 并于20世纪90年代走向实用化以来, 不断有如下论点在公开刊物上发表, 即:“从现在起, 新的现场总线控制系统FCS将逐步取代传统的DCS”“当调节功能下放到现场去以后, 传统的DCS就没有存在的必要而会自动消失”“今后十年, 传统的4mA～20mA模拟信号制将逐步被双向数字通信现场总线信号制所取代, 模拟与数字的分散型控制系统DCS将更新换代为全数字现场总线控制系统FCS”……这些论点归纳为一句话:FCS将取代DCS, DCS从此将消亡。

上述论点皆出自于权威专家之口, 确实不无道理。双向数字通信现场总线信号制以及由它而产生的巨大的推动力, 加速现场装置与控制仪表的变革, 开发出越来越多的功能完善的数字智能现场装置。再则, FCS是由DCS以及PLC发展而来, 它保留了DCS的特点, 或者说FCS吸收了DCS多年开发研究以及现场实践的经验, 当然也包括教训。由此而得出结论, “FCS将取代DCS”, 似乎也是顺理成章之事。

同时我们也应看到, DCS系统发展也近30年, 在工厂的应用如此广泛。

4 结语

目前的DCS与新型的PLC, 由于多年的开发研究, 在各自保留自身原有的特点外, 又相互补充, 形成新的系统, 现在的DCS已不是当初的DCS, 同样如此, 新型的PLC也不是开发初期的PLC。我们说是DCS取代了PLC或者说是PLC取代了DCS, 显然都是不合适的。

摘要：论述了DCS, PLC, FCS三大控制系统的基本特点, 分析了三大控制系统之间的差异, 指出FCS与PLC及DCS间既存在联系, 又存在着本质的差异, 应正确看待三大系统在工业过程控制中各自的作用。

关键词：控制系统,基本特点,差异

参考文献

[1]熊新民.自动控制原理与系统[M].武汉:武汉大学出版社, 2003:7.

[2]王银锁.过程控制系统[M].北京:百科知识, 2009:1.