现场总线控制系统及其在化学品氧化铝生产中的应用

周加贵

中国铝业公司，北京 100082

1 现场总线控制系统的发展

现场总线控制系统（Fieldbus Control System, FCS）是20世纪80年代后期发展起来的，90年代走向实用化，仅有几十年的历史 。在有些行业，FCS是伴随着可编程控制器（Programmable Logic Controller, PLC）发展起来的；而在另一些行业，FCS又是伴随着集散控制系统（Distributed Control System, DCS）发展而来的，所以FCS与PLC及DCS之间存在千丝万缕的联系。

目前，FCS的发展势头非常迅猛，正成为世界上最实用的新型控制系统。FCS是当前自动化控制技术发展的方向和热点，FCS的出现，将是自动化领域的一个里程碑，必将开创自动化控制领域的新时代。

2 现场总线控制系统的特点

现场总线控制系统（FCS）是基于现场总线（FieldBus）的控制系统，是一代全数字化、全分散、全开放和可互操作的过程自动化控制系统。现场总线是现场总线控制系统（FCS）的基础和关键。

现场总线是连接如传感器、执行器和控制器等测量和控制设备的全数字、双向、串行通信网络。现场总线有四个主要特征：以数字信号完全替代4～20mA模拟信号；控制、报警、趋势和其他功能可以完全分部在现场设备中；多厂家设备具有互操作性；系统完全开放。当今不少国家的自动化公司投入了巨大的人力、物力、财力全方位地进行技术研究和应用研究，所以目前现场总线的标准不一，种类较多，如Ecelon公司的Lonworks，Bosch公司的CAN，施耐德公司的Modbus，西门子公司Siemens的ProfiBus，Phenix Contact公司的InterBus，Fisher-Rosemount公司的FF，Rosemount公司的HART等，有40余种各具特色的现场总线，国际标准也有12种之多。2001年，中国将FF、ProfiBus、HART等立项为行业标准，其中ProfiBus标准中文本已于2001年11月批准为中国的行业标准，编号JB/T 10308.3-2001。

在传统的控制系统中，现场级设备与控制器之间连接采用一对一所谓I/O接线方式传递4-20mA或24VDC信号。现场总线是采用数字式通信方式取代设备级的4-20mA（模拟量信号/24VDC 开关量信号），使用一根电缆连接所有现场设备，从而降低了硬件成本，更加方便于安装、调试、组态和维护。FCS具有对环境具有很强的适应性，能组成局域网，甚至可与internet相通。

3 FCS、PLC、DCS的比较

目前，DCS在传统的闭环控制基础上，具有了很强的顺序控制功能；而PLC，在传统的顺序控制基础上，闭环控制处理能力大大提高，而且两者都能组成大型控制系统，DCS与PLC的应用领域，已有很大的交叉和重叠，而且它们现在也都能支持现场总线技术。

FCS、DCS与PLC，虽然目前正在相互融合，但是，它们的区别也很明显：

1）DCS系统庞大，它的控制器功能强大而完善，在整个系统中占据核心地位，它的总线系统是系统的基础和保证，通常都采用冗余设计，系统整体投资大而且要一步到位。PLC系统一般都是中小系统，一般作为一个控制站使用。数字智能现场装置是FCS的基础，它能执行控制、诊断和通讯等功能。FCS的信息处理现场化，使得控制器的功能和重要性大大减弱，因此，FCS系统投资少而分散，可以根据需要灵活配置，边用边改、边投运；

2）DCS和PLC系统是相对封闭的系统，各公司产品基本不兼容。FCS系统是开放式系统，只要协议相同，不同公司的产品都可以连入现场总线，系统集成的可扩充性和兼容行都非常好；

3）FCS的基础是现场数字智能仪表装置，本质是信息处理现场化，可以将PID闭环控制功能装入变送器或执行器中，目前控制周期可以从DCS的每秒2～5次提高到FCS的每秒10～20次，从而显著了改善了控制器调节性能；

4）FCS与DCS和PLC相比，可以省去数量惊人的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，可以大大减少使用的电缆及敷设电缆用的桥架等，节省了I/O装置及装置室的空间与占地面积，同时也节省了设计、安装和维护费用。

4 现场总线控制系统在化学品氧化铝生产中的应用

FCS作为一个新型的控制系统，目前完全的FCS系统比较少，但是，正如前面讲的DCS、PLC和FCS相互融合一样，带有现场总线的DCS和PLC系统，却是越来越多。目前，我公司使用的30多套和利时公司的DCS系统全部使用现场总线结构，而且还有多套带有现场总线连接现场控制箱的DCS和PLC系统，现简单介绍3套系统。

4.1 氧化铝焙烧工序DCS系统

该系统是HONEYWELL公司的S9000系列小型DCS系统，建于1997年，从德国鲁齐公司全套引进。该系统采用Phenix Contact公司的InterBus现场总线，连接现场9个BC箱，最后与控制室的S9000控制器相连。该系统有10多个控制回路，6000多个I/O点，控制氧化铝焙烧的整个过程。该系统布线与传统布线方式相比，简捷快速，省时省力，大幅节约费用。

4.2 4A沸石生产工序OK压滤机PLC系统

该系统是Seimense公司的S7-300 PLC系统，采用Seimense的ProfiBus现场总线，建于2003年。如图3所示，该系统用现场总线连接4个现场控制箱，其中MP370是彩色触摸屏，Slave4和Slave5是在CPU控制箱内的I/O单元。该系统通过现场的MP370触摸屏，进行操作、控制和状态显示，实现了OK压滤机的进料、油压推动挤压、水压推动挤压、吹风、排料的全自动全过程控制，大幅提高了4A沸石产品的产品质量的稳定性和可靠性。

图3 OK压滤机ProfiBus现场总线示意图

4.3 种分玛瑙生产线DCS系统变频器控制

该系统采用和利时公司的Holisys系统，其中用30台变频器控制玛瑙级氢氧化铝产品现场的泵和搅拌器等主要设备。整个系统如图4所示，变频器采用ABB的ACS800系列，通过适配器模块RPBA-01连接，组成Profbus总线进行数据通讯，和利时公司 Holisys DCS系统控制变频器的启动与停止、频率的设定，接受变频器反馈的运行、报警、故障等运行状态，以及速度实际值和电流实际值等信息。

图4 种分玛瑙生产线DCS变频器控制现场总线示意图

5 结论

过程控制系统的发展在经历了基气动单元组合仪表系统（QDZ）、电动单元组合仪表系统(DDZ)、计算机直接数字控制系统(DDC)、可编程逻辑控制器（PLC）、集散控制系统（DCS）后和数据采集与监视控制系统（SCADA）后，将朝着现场总线控制系统（FCS）的方向发展。FCS将为控制数字化和管理信息化提供广阔的空间。近年来，现场总线技术在中国铝业山东分公司的应用逐渐普及，充分体现了现场总线系统具有安装维护方便、设计组态简单、节约投资费用等诸多优点。山东分公司多年现场总线技术实践表明，现场总线技术及现场总线控制系统，代表了今后自动化仪表和控制领域的发展方向，是工业自动化控制领域里的一场革命。

[1]张志学，等.以太网与现场总线.工业控制计算机，14(7)，2001.

[2]魏彬彬.现场总线控制系统的现状与未来.交通与计算机，2001(19).

[3]ProfiBus 专业委员会秘书处.现场总线PROFIBUS 技术简介.培训材料，2004.

[4]赵天洪.现场总线与控制系统.电力系统自动化，24(13)，2000.

[5]魏彬彬.现场总线控制系统的现状与未来.交通与计算机，2001(19).

[6]鲁明休，罗安.化工过程控制系统，2006.