數(shù)字革命的巨手，如同藤蔓一樣緊緊抓住了世界，并給這個世界帶來了難以計數(shù)的可能性：二十年前，在加工制造廠中，要實現(xiàn)這些被認是為不可能的事情。今天，以總線技術(shù)為平臺，新的煉油廠拔地而起，舊的工廠則獲得升級。 該文將對應用總線技術(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。您可以在同一個線路中安裝多臺設(shè)備，傳遞多個信號，這就能夠讓信號在同一個物理層中的傳輸速度更快。應用現(xiàn)場總線技術(shù)，橋架、線槽、終端、輸入輸出卡、安全柵以及控制線路等數(shù)量都減少了。由于接線的減少，在圖紙設(shè)計、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)帶來的自動化而大大加快。 總的來說，數(shù)字技術(shù)的應用可以使自動化項目的工程成本降低30%之多。 因為一個典型的工廠運作通常會持續(xù)15年或者更久，因此現(xiàn)場總線技術(shù)擁有的一項關(guān)鍵性優(yōu)勢是，它可以提供一個數(shù)字平臺，這個平臺對于今后技術(shù)和軟件的升級及變化具有極強的兼容性。
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)可以提高點到點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、故障報警，以及詳細的診斷等遠程設(shè)備的信息，從而更快地解決故障。該技術(shù)還有一個特征，即可以進行設(shè)備固件的無擾在線升級，確保在升級過程中不會影響運行。 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險。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，同時通過精確的、具有前攝性的維護計劃降低了過程的可變性及維護成本，從而使運行收益提高兩個百分點。
過程自動化中的總線技術(shù)
過程控制、工廠自動化，以及機器人技術(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， 過程自動化基本上會用到 三種協(xié)議：HART、基金會現(xiàn)場總線以及PROFIBUS-DP協(xié)議。 在應用HART 和基金會現(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)同時支持手操器的遠程使用。
基金會現(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)千臺設(shè)備，由于每條電纜可連接6至8臺或更多的設(shè)備以求設(shè)備工作能力的最大化，因此布線將大大減少。
基金會現(xiàn)場總線H1協(xié)議以其獨特的性能滿足控制方面的要求，是石化和精煉行業(yè)以及許多其它行業(yè)的不二之選。 在常規(guī)過程控制中，如PID和流量測量累計，要求輸入輸出的采樣過程有準確的周期， 并且同通信和控制同步。在這里避免混淆、避免延長反應時間、避免由于通訊繁忙帶來的不穩(wěn)定性是有必要的。 同樣地，對于非實時通信必須有信道隔離，以防止其產(chǎn)生對實時通信的干擾。H1協(xié)議還滿足以下總線方面的要求：從控制室到現(xiàn)場之間的遠距離工作；可以有長的分支以滿足拓撲的靈活性；支持用于設(shè)備配置和診斷的電子設(shè)備描述語言(EDDL)；實現(xiàn)即插即可調(diào)試的自動尋址功能；總線供電；可在危險區(qū)域帶電作業(yè)的本安功能。
基金會現(xiàn)場總線H1所獨有的IEC-6180402功能塊語言，可以用來制定控制策略。
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協(xié)議名稱 |
基金會現(xiàn)場總線H1 |
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距離 |
1.9 km或者使用中繼器可達9.5 km |
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每個網(wǎng)段的可掛接設(shè)備 |
32 (理論上), 8-16 (實際應用) |
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總線供電 |
是 |
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本安 |
是 |
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通訊速率 |
31.25 kbit/s |
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分支長度 |
max 120 m |
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每個總線上的設(shè)備 |
240 (理論上), 8-16 (實際) |
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通訊關(guān)系 |
周期性的發(fā)布訂閱，點到點的主從方式，報警發(fā)布 |
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數(shù)據(jù) |
循環(huán)的 IO與非循環(huán)的設(shè)備數(shù)據(jù) |
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EDDL 支持 |
是 |
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自動分配地址 |
是 |
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其他 |
根據(jù)模塊和參數(shù)組織數(shù)據(jù) |
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設(shè)備類型 |
溫度,壓力, 液位,流量, 密度,和電導計 and 濃度變送器
電導, pH/ORP, 電阻, 融氧, 和氧分析
機械健康監(jiān)控
閥門定位器, 電動執(zhí)行機構(gòu),離散開關(guān),開關(guān)閥
信號轉(zhuǎn)換器 |
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)時間就可以降到最低，并可達到更佳的控制效果。為了減少網(wǎng)絡(luò)通訊負荷，還可以選擇在現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)控制。新的快速數(shù)字現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行控制回路的時間可以達到250ms，甚至可以滿足最嚴格的過程技術(shù)要求，所以完全能夠獲得過程認證部門的許可。
HART協(xié)議
在同一根雙線上面，HART協(xié)議采用數(shù)字通訊和4-20mA技術(shù)相結(jié)合的方式來連接單個設(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)備類型范圍幾乎跟基金會現(xiàn)場總線相同。 另外，HART還用于安全儀表系統(tǒng)的變送器和閥門定位器。
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協(xié)議名稱 |
HART |
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距離 |
3 km |
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每個網(wǎng)段掛接設(shè)備 |
15 (可以), 1 (通常) |
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總線供電 |
是 |
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本安 |
是 |
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通訊速率 |
1.2 kbit/s |
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分支長度 |
N/A |
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每個總線掛接設(shè)備 |
15 (可以), 1 (通常) |
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通訊關(guān)系 |
主從輪詢 |
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數(shù)據(jù) |
通常僅有非周期數(shù)據(jù) |
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EDDL 支持 |
是 |
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否 |
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其他 |
基于命令 |
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設(shè)備類型 |
溫度,壓力, 液位,流量, 密度,和電導計 和 濃度變送器電導, pH/ORP, 電阻, 融氧, 和氧分析
閥門定位器 |
圖2： 智能安全邏輯處理器與HART通訊
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，離散式近接開關(guān)、線圈和其它簡單的開關(guān)設(shè)備并不使用PROFIBUS來連接。 然而，PROFIBUS上的遠程I/O子系統(tǒng)會通過傳統(tǒng)的線路來連接離散式的信號。
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協(xié)議名稱 |
PROFIBUS-DP |
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距離 |
1.2 km at 93.75 bit/s or below, 100 m at 3 Mbit/s 或更高 |
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每個網(wǎng)段掛接設(shè)備 |
32 |
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總線供電 |
否 |
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本安 |
否 |
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通訊速率 |
9.6/19.2/45.45/93.75/187.5/500 kbit/s or 1.5/3/6/12 Mbit/s |
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分支長度 |
在1.5 Mbit/s速度分支最大 6.6 米或更短 |
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Devices per bus |
126 (理論上) |
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通訊關(guān)系 |
非計劃同步的主從方式數(shù)據(jù)輪詢 |
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數(shù)據(jù) |
周期性的 IO數(shù)據(jù)與非周期設(shè)備數(shù)據(jù) |
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EDDL 支持 |
是 |
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自動分配地址 |
否 |
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其他 |
由插槽和索引組織數(shù)據(jù) |
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設(shè)備類型 |
遠程 I/O,稱重儀, 馬達驅(qū)動,馬達啟動器, 電流斷路器,電動執(zhí)行機構(gòu)和，多孔電磁閥 |
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