信息詳細內容天津市津達執行器有限公司 劉偉 張中遠
摘要：簡要介紹Profibus過程現場總線技術的特點和在電動執行機構行業應用的優勢以及我公司現場總線型執行機構的性能特點。
關鍵字：Profibus 過程現場總線 FCS DCS 電動執行機構
Profibus過程現場總線技術簡介
隨著微電子技術的快速發展，工業過程控制領域已經歷了巨大的變革。20世紀50年代，隨著基于0－10mA或4－20mA的電流模擬信號的模擬過程控制體系被提出并得到廣泛的應用，標志了電氣自動控制時代的到來，三大控制論的確立奠定了現代控制的基礎，設立控制室、控制功能分離的模式也一直沿用至今；20世紀70年代，隨著數字計算機的介入，產生了“集中控制”的中央控制計算機系統，而信號傳輸系統大部分是依然沿用4－20mA的模擬信號，不久人們也發現了伴隨著“集中控制”，該系統存在易失控、可靠性低的缺點，并很快將其發展為DCS系統（Distributed Control System分布式控制系統）；微處理器的普遍應用和計算機可靠性的提高，使分布式控制系統得到了廣泛的應用，由多臺計算機和一些智能儀表以及智能部件實現的分布式控制是其最主要的特征。隨著微處理器的快速發展和廣泛的應用，數字通信網絡延伸到工業過程現場成為可能，產生了以微處理器為核心，使用集成電路代替常規電子線路，實施信息采集、顯示、處理、傳輸以及優化控制等功能的智能設備。設備之間彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可維護性等都有更高的要求。FCS系統（Fieldbus Control System現場總線控制系統）便應運而生。
目前世界上存在著大約四十余種現場總線，其中最具代表性的現場總線是PROFIBUS(Process Fieldbus)。PROFIBUS是由SIEMENS公司推出的一種開放式現場總線標準，1989年成為德國標準DIN19245，1996年成為歐洲標準EN50170，1999年12月被接受為國際標準IEC61158的一部分。用于工廠自動化系統三級網絡中的底層，即車間級監控和現場設備層數據通信與控制；使用于分散的、具有通訊接口的現場受控設備對底層設備有較高的數據集成和遠程診斷、故障報警及數字化要求的系統。
PROFIBUS遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三層構成：物理層、數據鏈路層和應用層。PROFIBUS-DP使用物理層，數據鏈接層和用戶接口，用于現場層的高速數據傳送。主站周期地讀取從站地輸入信息并周期地向從站發送輸出信息?？偩€循環時間必須要比主站程序循環時間短。此外，PROFIBUS-DP還提供智能化現場設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理及復雜設備在運行中參數的確定。
現場總線控制的執行機構較模擬信號控制的優勢
電動執行機構是工業過程控制系統中的一個末端執行設備，主要作用是將工業過程控制系統發出的數字控制信號轉換成相應的動作，達到控制閥內截流件的位置或其他調節機構位置的目的，廣泛應用于電力、冶金、石化、供熱、水泥、建材、輕紡、食品等行業。
目前工業過程控制系統主要以集散式控制系統為主，電動執行機構普遍采用4～20mA DC模擬信號作為控制信號。然而模擬控制方式所表現出來的抗干擾能力差、設備維護成本高和能源浪費已成為模擬控制系統越來越明顯的缺陷。隨著國際微電子技術的發展，在工業控制系統中，采用精確的數字信號進行控制來取代高誤差的模擬信號控制，已經是未來發展的必然趨勢，其主要特點及優勢如下：
1.信息承載量和信息多樣性的變革
模擬控制執行機構僅依靠于4～20mA模擬信號來傳遞控制與測量信號，模擬信號不但所承載的信息量是有限的
而且只限于“控制信號”的傳輸。現場總線型執行機構采用PROFIBUS現場總線技術，運用數字信號進行傳輸。不
可以傳輸無限量的控制信息，而且控制信號、數據信息、預警反饋信息等多種數據都可以清除的區分開來。這是
種本質的創新，從根本上解決了4～20mA在傳輸量和傳輸多樣性上的瓶頸問題。
2.數字信號傳輸精度高、抗干擾能力強
模擬信號基于4～20mA在傳輸過程中，由于受到外界環境、傳輸距離等諸多因素的干擾，導致信號傳輸上存在誤差，抗干擾一直是模擬信號傳輸中的一個重點問題。
現場總線型執行機構在信號的傳輸過程中采用CRC、WDT等多種校驗、保護功能，在傳輸過程中利用簡單的抗干擾措施便可實現很高的精度。
?。常到y的可靠性和可維護性高
模擬信號控制的執行機構由于其內部的控制系統與上位儀表或DCS系統之間，只能通過一組輸入控制線、一組輸出反饋線和一組報警開關量信號線。本身不具備自我檢測功能，控制室的工作人員只能不了解設備的正常工作狀態，對設備的一些潛在危機一無所知。所以設備的偶然性故障導致的生產事故時常發生。
現場總線型執行機構采用先進的智能控制系統，經典的智能算法和模糊控制算法使執行機構不僅可以穩定可靠的運行，提高了本身的穩定性，而且工作人員還可以通過其預警反饋信號來了解現場設備的工作狀況，對設備的使用時間、零部件使用狀況、更換狀況等有著非常清楚的掌握。從而提高了整個系統的可靠性和可維護性。
?。矗嬲饬x的實現遠程控制
模擬信號控制執行機構要改變其工作狀態參數，工作人員必須到現場進行設置，如果到一些高空、高溫和高危險
境中調試電動執行機構，對于現場操作者來說是一項耗時費力，甚至危險的工作。然而模擬信號控制的執行機構
法解決這一問題。
現場總線型執行機構則有自己獨立的智能控制系統，通過兩根電纜線，工作人員完全可以在控制室里輕松對設備工作狀態參數進行隨意修改，實現真正的遠程控制。
5.安裝簡便、維護費用低
每一臺模擬控制執行機構都要相應的配以一組模擬輸入信號線、一組模擬輸出信號線和一組或幾組的故障報警
線，總計十幾條信號線要與上位儀表或主控制系統相連。可想而知光電纜數量就相當龐大，更何況還要進行架設
安裝、調試、維修等工作。
現場總線型執行機構采用一對N結構：一對傳輸線，N臺設備，雙向傳輸多個信號。這種結構使得接線、I/O卡
和隔離器數量大幅減少，安裝工程周期短，維護容易，至少節省40%的各種器件、調試、維護等費用。并且如果需
增加新的現場總線型執行機構，只須并行掛接到電纜上，而無須架設新的電纜。
現場總線型執行機構的發展現狀
目前，國外SIPOS、ROTORK等已擁有自己的現場總線控制的執行機構，國內現場總線型執行機構起步較晚，且多采用在其原有的產品的控制部分增加一個現場總線信號轉換模塊，控制信號仍是經過了多次的模擬到數字、數字到模擬的轉換，所以并不屬于真正意義上的總線型產品。國內的絕大多數廠家使用的PROFIBUS-DP智能從站產品都是進口產品，如何自行開發穩定可靠的國產PROFIBUS-DP智能從站是一個亟待解決的問題。
我公司的現場總線型電動執行機構經過全體設計人員兩年多的設計研發，已于2008年初成功面世，至今已在幾十個現場穩定運行，得到了用戶一致的肯定和好評。本產品的核心技術已累計申請國家專利5項，本項目的研發被科技部認定為科技型中小企業創新項目，受到了國家和地方財政的資金扶植。
總之，現場總線技術代表著當前工業控制系統的最高水平，現場總線執行器具有廣闊的市場前景，它的發展和應用必將給工業過程控制領域帶來革命性的變化，我公司也將抓住機遇，盡最大努力給用戶提供高精度、高可靠性、高性價比的產品，我們堅信隨著本產品的進一步應用，在給公司帶來豐厚收益的同時，也將會在一定程度上推動國內現場總線技術的發展，使我國的工業過程控制技術得到高效、高速的發展。
