成功的无扰 现场总线系统

作者：Ian Verhappen

欢迎访问e展厅 展厅 5 现场总线/工业以太网展厅 主站板卡, 现场总线适配器, ... 随着在全世界范围内现场总线工程项目的数量的继续增加，看来对于每个工程项目设计或者改造安装，已经开始配置使用数字通信技术，或者至少认真的考虑过把数字通信技术作为一个可行的选择。不幸的是，随着这些工程项目而来的是许多工程项目也不得不利用这个技术，从而获得他们投资的利益。同样的，虽然许多工程项目最初一直是成功的，但是许多公司在安装上有困难，他们把责任归咎于这个技术。 许多自动化专业人员和从业者相信：由于现场总线标准的开发商在现场总线上的实际传感器（前端）和人机界面接口（HMI）（后端）安装方面做了比较好的工作，使得这个技术的影响降到最小，所以它们与其他常规的正常技术相比没有区别。但是我们应该对其有更好地认识，特别是当进行设备的样式转换时常常存在困难。 通常最普遍的实际问题是：在工程项目所有阶段（设计、安装以及大部分重要操作），数字通信技术知识很匮乏。知识和理解的匮乏是如何影响到每个工程项目的每个部分的呢？ 许多工程师和设计者认为现在的各种各样的现场总线设备与他们过去使用的设备基本相同，总之，对于传感器或者控制器而言，他们的这个看法是正确的。然而，值得注意的变化是现场总线设备和控制系统其余部分的连接，以及现场总线设备与“网络”上主机及其他设备的通讯。 “网络”之所以重要，是因为在设计过程中它是我们必须要考虑到的发生最大变化的部分。每个装置如：传感器（模拟量输入）、阀或现场虚拟设备VFD（模拟量输出）或触点（离散量输入）或继电器（离散量输出）等都是系统的一部分，他们都不再是孤立的，而是需要与包括其它设备和中央控制器在内的网络中的其他设备进行设备层的通信。 根据安装现场总线的类型和网络(比如 ：令牌网、星形网、总线网、组合网等)的配置情况，增加或减少一个设备而产生的影响将是不同的。以基金会现场总线的配置为例，有多个单个的现场设备连接在一个现场接线盒，它们通过“主电缆”连接到主机。这种配置和工业上多年一直应用的配置非常相似。多个设备连接到一个中央现场接线盒上，然后是一个多芯电缆连接到一个主机，并在适当的I/O卡上终止单个信号。图1所示的传统I/O终端和基金会现场总线终端都阐明了这个安装实际上有什么不同。 请注意图1中没有说明的部分，事实上他们是很重要的。因为现场总线是一个网络，在每个网络的末端都需要一些终端负载来平衡阻抗，以避免“反射”和有关的信号衰减。每个现场总线网络终端的详细资料都是不同的，因此，对设计的每个部分必须给出仔细的考虑。同样，在网络设计过程中，也必须考虑有关网络上每个设备的负载、电压、电流、以及通讯周期时间、抖动和电缆布置等。 如果设计工程师仅仅考虑在传统系统和模拟系统之间的网络差别，在安装过程中他（她）将丢失许多显著降低成本的机会。因为现场总线传感器支持数字通信，所以通过单个的现场装置传送多个过程变量是有可能的（如图2所示）。 比如 ：一个压差传感器不仅能传送压差或流量，还能传送阀前压力读数，而不需要额外的金属线或传感器。比如科里奥利流量计，它甚至有质量流量、温度、粘性等可能的输出。当然，较少的传感器意味着较少的过程连接，因而，也只有较少的潜在泄漏点需要EPA监测和执行。 安装 如果工程设计过程全部完成并备有完善的设计文件，那么现场结构和传统的系统相比没有显著的区别。主要的区别很可能是设备需要的终端类型。区分不同信号电压类型这一良好的习惯做法是可取的。 利用传统的模拟量装置来监控电压、电流和连续性的同时，需要利用专门的工具来监控基础设施支持数字通信的性能。有些情况下，这些工具只能在膝上型电脑中获得，虽然大多数现场总线都有简单的手持式故障排除工具来做初步的系统分析。 操作运行 因为现场总线将网络扩展到装置，而且这些装置与主机进行数据通信，这样便形成了一个丰富的数据环境（如图3所示）。几乎所有的现场总线系统都有一些与网络上的每个设备相关的诊断或测量信号的特性。运行和维护人员必须决定如何处理这些附加的数据，必须掌握控制系统是如何处理不同警报的。 在基金会现场总线早期应用中，控制系统厂商无法区分一个报警是因为网络上的装置失效引起的，还是由于系统控制器的失效引起的。二者都被看作是系统级的报警信号，因为两者都是在网络上发生的，因此，它们都是系统级的报警。然而，由于报警的严重性，取消装置报警是不可能的，结果系统级发生的任何报警，如因为流量传送计失效将被报警掩盖。 不幸地是，许多人并未意识到：系统级报警并不代表一定是系统发生故障，有可能是因为系统中的某一设备故障。而操作者认为现场总线工作不正常，因为他们常常收到总线的报警。实际上现场总线工作正常，报警预告的是装置的失效。 具有讽刺意义的是 ：当最初的模拟装置被替换并除去服务时，你会发现受阻的脉冲线不能被清除，进行现场总线的安装时不得不应用新的支线。幸运的是：在以上提到的故障中，安装现场总线传感器的设备维护技术人员认识到了传感器的数量，并能正确的推断出正在受阻的脉冲线。于是他们将脉冲线清洁干净，报警消除。 维护 因为现场总线系统是网络系统，它必须与运行的网络进行通信，最重要的应用变化是维修人员必须在装置和网络在线时才能工作。如果装置不在线，将不能提供动力和通讯，也不能为维护人员提供他们所需要的诊断问题和解决问题的信息。这样便要求在进行设计时就必须考虑现场装置必须是在线的，而且外壳是开放式的。 在操作程序中的另外一个主要变化是：如果现场上的一个设备有变化，它将“自动”通知主机，并能识别和标记出“不匹配”，或根据配置，不接受这个变化。在一些例子里，范围的变化等将由应用工程师执行，并将这些信息由控制系统传送到设备以保证数据的一致性。 幸运的是：通过提供多种不同诊断性能（根据现场总线的级别），现场总线系统将弥补日益增长的操作复杂性。如果适当的利用，这样的诊断性能可以支持一个可预测的基于维护的系统，要胜于一个按时的设定系统或其他更糟的状况。总之，一个预测性维护系统带来的是全面的操作成本的节约。 培训 每个支持这些现场总线的组织都提供培训课程，至少能提供这个技术的介绍，连同通过他们的网络地址交付的在线小型指南一起作为幻灯片介绍或者可下载的手册。另外，也有许多协会提供有关现场总线技术的培训，他们中的一些还被支持的现场总线组织授予证明的。 一个可供选择的办法是参加由主机系统供应商提供的培训，特别是如果你有一个便利条件，也就是说你和卖主有一个长期的培训协议。依靠指定制造商的培训课程的问题是：也许他们介绍的观点是偏向于他们系统的技术特性，观点也比较有局限性，但是还是胜于整个开放式现场总线技术选择的平衡观点。 通讯 比如以上记述的流量传送计的事件指出：对一个特定的现场总线工程，要预防麻烦发生，能采取的最重要的措施是通信，通信内容包括以下方面： ◆ 由于进行现场总线安装会发生变化。发生的变化必须使受影响团体中的每个人都知道,包括操作人员、应用工程师、控制工程师、维护人员和过程工程师。 ◆ 发生的变化对工作流程的影响。 ◆ 为以上提到的受影响团队中的每个人提供的可用的附加说明。 现场总线和数字网络正快速成为许多设备的自动化基础设施的一个主要部分，不仅作为“绿色现场”安装，并且作为流程中更新或改进的部分。因此，重要的是自动化专业人员要对这些系统的工作原理有深层的理解，运行中的变化及时地传送给其他人，并知道适时地得到专家的帮助对取得最好的结果是非常重要的。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/24/2005)