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西儀集團有限責任公司 趙建民
摘要：近(jin)年(nian)來(lai)，現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)這(zhe)個(ge)名(ming)詞(ci)被(bei)廣(guang)泛(fan)地(di)應(ying)用(yong)於(yu)各(ge)種(zhong)產(chan)品(pin)和(he)概(gai)念(nian)，閥(fa)門(men)和(he)執(zhi)行(xing)器(qi)也(ye)不(bu)例(li)外(wai)地(di)采(cai)用(yong)了(le)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)技(ji)術(shu)。本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)了(le)閥(fa)門(men)執(zhi)行(xing)器(qi)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)特(te)點(dian)、結構、總線形式和通信協議等。
關鍵詞：現場總線 閥門 執行器 現場總線控製係統
suizhexiandaigongyedefeisufazhan，guochengkongzhijishushoudaolerenmenpubiandezhongshi，yonghuduiguochengkongzhixitongdeyaoqiuyeyuelaiyuegao。xianchangzongxiandeyingyunersheng，zebiaomingkongzhijishudadaoleyigexindeshuiping。tabujinjidadimanzuleguochengkongzhidexuyao，erqiehaijiangduigongyezidonghuayibiaoxingyedailaiyichanggeming。
近(jin)年(nian)來(lai)，在(zai)世(shi)界(jie)工(gong)業(ye)閥(fa)門(men)和(he)執(zhi)行(xing)器(qi)生(sheng)產(chan)製(zhi)造(zao)中(zhong)占(zhan)有(you)主(zhu)導(dao)地(di)位(wei)的(de)專(zhuan)業(ye)化(hua)公(gong)司(si)相(xiang)繼(ji)推(tui)出(chu)各(ge)自(zi)為(wei)閥(fa)門(men)或(huo)執(zhi)行(xing)器(qi)開(kai)發(fa)設(she)計(ji)的(de)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)。其(qi)中(zhong)有(you)美(mei)國(guo)Limitorque公司的DDC-100TM係統、美國Keystone公司的KEYDIG係統和英國Rotork公司的Pakscan
IIE係統。這類係統，無論其係統結構、總線形式和通信協議如何不同，都完全實現了閥門或執行器等現場裝置與上位機的通信和智能化，而且整個係統簡單、可靠、經濟，深受用戶的歡迎。
1、係統特點
閥門執行器現場總線控製係統是根據用戶需要最新發展起來的“FCS”（現場控製係統）。其係統配置和構成靈活多變，具有很強的適用能力。它很好地解決了現場最常見的有關幹擾噪聲、控製距離、接點容量和工作環境等方麵的問題，非常具體地顯示了它在閥門和執行器應用領域內巨大的潛在市場和發展前景。
1.1 節省安裝費用
famenzhixingqixianchangzongxiankongzhixitongyouyujuyoulianghaodexiaozaogongneng，yinci，takeyishiyongdaipingbideshuangjiaoxianhuoshiyonglianjiadewupingbisanxiandianlanjinxingxitongneibudetongxin。zhezhongxitonganzhuangjiandan，touyunsudukuai，feiyongyibanzhiyouchangguikongzhixitongde40%左右。例如，在常規控製係統中，接到每台閥門或執行器上的電纜芯數可達六、七根、十幾根，最多的可達二十二根，而閥門執行器現場總路線控製係統中的所有閥門或執行器的連接隻需要兩根或三根電纜即可完成（除就地供電外）。表1列出了國內外執行器的常規連接和現場總線連接所需的電纜芯數。
1.2 工程容量大
根據使用要求和係統規模，閥門執行器現場總線控製係統允許在10―20公裏的一條通信環路上接入100―250台tai閥fa門men或huo執zhi行xing器qi等deng各ge種zhong類lei型xing的de現xian場chang裝zhuang置zhi。在zai整zheng個ge通tong信xin環huan路lu內nei，不bu設she中zhong繼ji站zhan也ye可ke將jiang信xin息xi或huo數shu據ju傳chuan送song到dao各ge個ge現xian場chang裝zhuang置zhi，同tong時shi還hai不bu限xian製zhi接jie入ru環huan路lu內nei閥fa門men或huo執zhi行xing器qi等deng裝zhuang置zhi之zhi間jian的de距ju離li。
1.3 高性能
閥門執行器現場總線控製係統功能豐富、性能優良、工gong作zuo可ke靠kao，非fei常chang適shi合he在zai一yi些xie特te殊shu場chang合he使shi用yong。即ji使shi在zai環huan境jing條tiao件jian特te別bie惡e劣lie的de地di方fang，它ta也ye能neng發fa揮hui作zuo用yong，長chang期qi安an全quan可ke靠kao地di工gong作zuo。如ru今jin，各ge公gong司si的de閥fa門men執zhi行xing器qi現xian場chang總zong線xian控kong製zhi係xi統tong都dou已yi經jing經jing過guo多duo年nian現xian場chang運yun行xing檢jian驗yan並bing得de到dao用yong戶hu的de認ren可ke，成cheng為wei名ming副fu其qi實shi的de“FCS”。
1.4 配置齊全
用(yong)戶(hu)可(ke)根(gen)據(ju)過(guo)程(cheng)控(kong)製(zhi)的(de)需(xu)要(yao)任(ren)意(yi)提(ti)出(chu)要(yao)求(qiu)和(he)配(pei)置(zhi)，這(zhe)種(zhong)係(xi)統(tong)既(ji)能(neng)以(yi)主(zhu)係(xi)統(tong)也(ye)能(neng)以(yi)予(yu)子(zi)係(xi)統(tong)參(can)與(yu)過(guo)程(cheng)控(kong)製(zhi)，使(shi)用(yong)時(shi)還(hai)可(ke)將(jiang)閥(fa)門(men)或(huo)執(zhi)行(xing)器(qi)等(deng)設(she)置(zhi)成(cheng)智(zhi)能(neng)化(hua)或(huo)半(ban)智(zhi)能(neng)化(hua)單(dan)元(yuan)。其(qi)它(ta)諸(zhu)如(ru)主(zhu)控(kong)站(zhan)冗(rong)餘(yu)、緊急操作麵板、各種信號的輸入輸出接口、多站係統和多任務軟件等都可以根據需要來配置。
1.5 接口簡單
在閥門執行器現場總線控製係統中，係統內部通信接口短距離一般采用RS232，而長距離則采用RS485。同(tong)時(shi)，各(ge)種(zhong)信(xin)號(hao)的(de)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)接(jie)口(kou)也(ye)都(dou)采(cai)用(yong)插(cha)拔(ba)連(lian)接(jie)方(fang)式(shi)。這(zhe)就(jiu)使(shi)得(de)係(xi)統(tong)內(nei)部(bu)的(de)接(jie)線(xian)非(fei)常(chang)簡(jian)單(dan)，僅(jin)使(shi)用(yong)一(yi)些(xie)標(biao)準(zhun)的(de)常(chang)用(yong)工(gong)具(ju)和(he)少(shao)量(liang)的(de)儀(yi)器(qi)便(bian)可(ke)完(wan)成(cheng)。有(you)時(shi)，甚(shen)至(zhi)現(xian)場(chang)操(cao)作(zuo)人(ren)員(yuan)都(dou)能(neng)熟(shu)練(lian)地(di)做(zuo)好(hao)這(zhe)些(xie)接(jie)線(xian)工(gong)作(zuo)。
2、係統結構
不同的閥門執行器現場總線控製係統在結構上是基本相同的。它們一般是由主控站、通信環路和現場單元（本體為閥門或執行器）組成。係統結構框圖如圖1所示。
2.1 主控站
作為master station
的主控站多采用工業PC機(ji)構(gou)成(cheng)，以(yi)利(li)用(yong)其(qi)鍵(jian)盤(pan)和(he)顯(xian)示(shi)器(qi)對(dui)係(xi)統(tong)的(de)操(cao)作(zuo)方(fang)式(shi)以(yi)及(ji)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi)和(he)監(jian)視(shi)。用(yong)戶(hu)可(ke)根(gen)據(ju)係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)的(de)豐(feng)富(fu)方(fang)便(bian)的(de)軟(ruan)件(jian)包(bao)非(fei)常(chang)容(rong)易(yi)地(di)生(sheng)成(cheng)操(cao)作(zuo)方(fang)式(shi)、係統狀態和控製邏輯的采色了畫麵，並通過鍵盤隨時發出操作命令，設置係統必要的工作參數條件。圖2所示的是DDC-100TM係統和KEYDIG 係統采用工業PC機構成的一種主控站。
主控站也有特殊設計的盤裝式結構，例如Pakscan IIE
的主控站就是這種結構。在它的控製麵板上，裝有監視環路工作狀態的液晶顯示器、設置係統參數和數據的鍵盤以及顯示係統運行和報警信息的指示燈。通過控製麵板，可完成係統環路波特率、xianchangdanyuandizhiheshujuchuanshudengcanshudeshezhi。ciwai，wanyizhukongzhanshikonghuoxitonggongzuobuzhengchang，caozuorenyuankeshiyongjianpanzhijiekongzhifamenhuozhixingqi。erdangxitongyudaoyiwaiqingkuangshi，kongzhimianbanshanghaiyouyingjianniugongcaozuorenyuanjinjiguanbixitongzhongzuizhongyaodefamenyuguandao。tu3為采用冗餘化安裝和工作的Paskcan
IIE 係統的盤裝式主控站。它可在主控站發生故障後50ms自動切換到備用主控站，從而確保係統仍能安全可靠地運行。
2.2 通信環路
如ru前qian所suo述shu，一yi般ban工gong業ye現xian場chang中zhong的de閥fa門men或huo執zhi行xing器qi與yu控kong製zhi室shi之zhi間jian傳chuan輸shu信xin號hao所suo需xu的de接jie線xian非fei常chang複fu雜za，安an裝zhuang與yu維wei修xiu都dou很hen困kun難nan，費fei用yong也ye很hen高gao。而er閥fa門men執zhi行xing器qi現xian場chang總zong線xian控kong製zhi係xi統tong中zhong使shi用yong的de兩liang線xian或huo三san線xian電dian纜lan既ji安an裝zhuang簡jian單dan、維修方便、工作效率高，又成本低、節(jie)省(sheng)費(fei)用(yong)。特(te)別(bie)是(shi)係(xi)統(tong)中(zhong)所(suo)有(you)閥(fa)門(men)或(huo)執(zhi)行(xing)器(qi)用(yong)這(zhe)種(zhong)電(dian)纜(lan)一(yi)台(tai)一(yi)台(tai)串(chuan)接(jie)起(qi)來(lai)後(hou)形(xing)成(cheng)一(yi)條(tiao)閉(bi)合(he)的(de)環(huan)路(lu)時(shi)，每(mei)台(tai)閥(fa)門(men)或(huo)執(zhi)行(xing)器(qi)都(dou)能(neng)從(cong)環(huan)路(lu)的(de)兩(liang)個(ge)方(fang)向(xiang)與(yu)主(zhu)控(kong)站(zhan)進(jin)行(xing)信(xin)息(xi)和(he)數(shu)據(ju)的(de)交(jiao)換(huan)，相(xiang)當(dang)又(you)給(gei)係(xi)統(tong)增(zeng)加(jia)了(le)一(yi)條(tiao)冗(rong)餘(yu)通(tong)信(xin)路(lu)徑(jing)。
係xi統tong運yun行xing期qi間jian，除chu了le正zheng常chang的de工gong作zuo之zhi外wai，環huan路lu電dian纜lan不bu停ting地di被bei掃sao描miao查zha詢xun，以yi確que定ding其qi是shi否fou完wan整zheng。若ruo通tong訊xun環huan路lu完wan整zheng無wu損sun，主zhu控kong站zhan將jiang依yi過guo程cheng控kong製zhi的de需xu要yao通tong過guo環huan路lu電dian纜lan向xiang現xian場chang單dan元yuan發fa送song控kong製zhi命ming令ling，同tong時shi接jie受shou現xian場chang單dan元yuan發fa回hui的de工gong作zuo狀zhuang態tai信xin息xi。當dang然ran，所suo有you現xian場chang單dan元yuan都dou已yi預yu先xian設she置zhi好hao了le地di址zhi並bing隨sui時shi準zhun備bei接jie受shou命ming令ling和he接jie受shou查zha詢xun。一yi般ban情qing況kuang下xia，主zhu控kong站zhan要yao發fa數shu次ci命ming令ling。每mei發fa一yi次ci命ming令ling，都dou要yao接jie收shou到dao被bei詢xun址zhi現xian場chang單dan元yuan的de應ying答da一yi次ci。否fou則ze，係xi統tong將jiang按an環huan路lu故gu障zhang進jin行xing處chu理li。現xian場chang單dan元yuan的de應ying答da時shi間jian則ze由you現xian場chang單dan元yuan的de數shu量liang以yi及ji環huan路lu距ju離li所suo決jue定ding。
通信環路一旦斷開，在環路斷點一側的現場單元將會自動地形成各自一側完整的環路，繼續保持主控站與所有現場單元之間的通信。圖4為幾種常見的環路故障。圖5則是係統正常工作時和環路斷開後兩種方式的工作原理示意圖。
環路斷開後，主控站首先通過端口
A向(xiang)與(yu)其(qi)連(lian)接(jie)的(de)第(di)一(yi)台(tai)現(xian)場(chang)單(dan)元(yuan)發(fa)送(song)命(ming)令(ling)，同(tong)時(shi)接(jie)收(shou)該(gai)現(xian)場(chang)單(dan)元(yuan)的(de)應(ying)答(da)。然(ran)後(hou)再(zai)向(xiang)第(di)二(er)台(tai)現(xian)場(chang)單(dan)元(yuan)發(fa)送(song)命(ming)令(ling)，同(tong)時(shi)也(ye)接(jie)收(shou)這(zhe)台(tai)現(xian)場(chang)單(dan)元(yuan)的(de)應(ying)答(da)。這(zhe)樣(yang)，發(fa)送(song)命(ming)令(ling)，接(jie)收(shou)應(ying)答(da)，連(lian)接(jie)現(xian)場(chang)單(dan)元(yuan)的(de)環(huan)路(lu)一(yi)步(bu)步(bu)擴(kuo)大(da)，直(zhi)到(dao)環(huan)路(lu)斷(duan)點(dian)處(chu)不(bu)能(neng)再(zai)繼(ji)續(xu)下(xia)去(qu)為(wei)止(zhi)。與(yu)此(ci)同(tong)時(shi)，主(zhu)控(kong)站(zhan)也(ye)通(tong)過(guo)端(duan)口(kou)B向xiang相xiang反fan方fang向xiang的de現xian場chang單dan元yuan發fa送song命ming令ling並bing接jie收shou應ying答da，直zhi到dao斷duan點dian前qian的de現xian場chang單dan元yuan。用yong這zhe種zhong方fang法fa，主zhu控kong站zhan不bu僅jin從cong環huan路lu兩liang個ge方fang向xiang確que定ding了le斷duan點dian位wei置zhi，也ye確que定ding了le斷duan點dian兩liang端duan現xian場chang單dan元yuan自zi行xing構gou成cheng的de返fan回hui路lu徑jing，從cong而er保bao證zheng所suo有you現xian場chang單dan元yuan與yu主zhu控kong站zhan之zhi間jian的de通tong信xin工gong作zuo始shi終zhong不bu被bei中zhong斷duan。
作為環路故障檢查的必要手段，主控站一般要重複進行檢查。即不斷地發出命令，接收應答。在正常情況下，從端口A發出命令，再由端口B接收應答。
2.3 現場單元
閥門執行器現場總線控製係統中的現場單元是根據閥門或執行器的特殊要求專門設計的Smartkongzhiqi，jiegouweidanjijiazhuangfangshihuozhixingqizhengtifangshi。danbuguanshinazhongjiegoufangshi，tazongshihefamenhuozhixingqizuoweizhinenghuahuobanzhinenghuadezhuangzhilaishiyongde。
通常，半智能化的現場單元僅僅是主控站的一個分散的I/O口kou。在zai係xi統tong中zhong，它ta接jie受shou主zhu控kong站zhan的de控kong製zhi命ming令ling，對dui閥fa門men或huo執zhi行xing器qi進jin行xing一yi係xi列lie的de操cao作zuo，同tong時shi將jiang閥fa門men或huo執zhi行xing器qi上shang的de工gong作zuo狀zhuang態tai和he其qi它ta信xin息xi反fan饋kui給gei主zhu控kong站zhan，供gong係xi統tong采cai集ji、記錄、顯示和控製使用。
zhinenghuaxianchangdanyuanchukeyuzhukongzhantongguohuanlujinxingxinxiheshujutongxinbinggenjuzhukongzhanminglinggongzuowai，haikedanduyufamenhuozhixingqigouchenghuilu，weigongyeguochengtigongfamendingwei、邏輯控製、批量操作、PID調節以及多回路運行等多種能力，對位置、流量、壓力和液麵進行更為豐富和精確的控製。
無論是智能化還是半智能化的，也無論是架裝式還是整體式的，這些現場單元都具有閥門或執行器操作所需要的特殊功能，其中包括：
過力矩保護-在閥門或執行器發生堵轉或出力超過限定值時，可自動地切斷電源停止運行。
電機過熱保護-電機繞組中埋有熱敏元件，在由於超載使電機過熱時發出信號，然後由保護電路自動切斷電源使電機停轉。
斷信號保護-無(wu)論(lun)是(shi)在(zai)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)還(hai)是(shi)位(wei)置(zhi)信(xin)號(hao)消(xiao)失(shi)或(huo)超(chao)量(liang)程(cheng)時(shi)，執(zhi)行(xing)器(qi)都(dou)可(ke)自(zi)動(dong)地(di)轉(zhuan)入(ru)事(shi)先(xian)預(yu)置(zhi)的(de)安(an)全(quan)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)，或(huo)由(you)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)轉(zhuan)入(ru)開(kai)環(huan)控(kong)製(zhi)。信(xin)號(hao)正(zheng)常(chang)後(hou)，執(zhi)行(xing)器(qi)可(ke)自(zi)動(dong)恢(hui)複(fu)到(dao)原(yuan)來(lai)的(de)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)。
遙控與本機手操-通過按紐進行閥門的“開”、“關”、“停”操作和緊急關閉操作。
故障顯示和報警-通過自診斷，可在萬一發生故障或工作不正常時自動發出聲光報警信號並及時顯示故障內容。
由於是在惡劣的現場環境條件下使用，現場單元均采用了高可靠性器件、表麵封裝技術、堅固的雙層密封外殼，特殊的軟硬件抗幹擾技術等措施來保證其能長期安全可靠地工作。
3、總線形式和通信協議
在閥門執行器現場總線控製係統中，維持係統高效而有秩序工作的是係統通信所使用的各種現場總線協議。
zaiguojixingxianchangzongxianbiaozhunmeiyouwanquantongyizhiqian，famenhuozhixingqizhuanyegongsichuyuzishendeliyi，kaifalegezidexianchangzongxiankongzhixitong。zhexiexitongyougongtongzhichu，yeyoubutongzhichu。tongshi，xitongsuoshiyongdezongxianxingshihetongxinxieyiyouxiangtongdeyeyoubutongde。Limitorque的DDC-100TM係統使用的總線技術是Inter
公司的Bitbus。這是一種總線串行接口，物理層基於RS485，通道以IBM公司研製的SDLC協議為基礎。它不僅在DDC-100TM係統中與環路上自家的裝置兼容，通過專用接口，還可與Honeywell
Foxboro Taylor 等其它公司的DCS和PLC 兼容，使用起來非常得心應手。
Keystone 公司的KEYDIG 係統采用的是Valvbus
總線。它的通信是通過RS232、RS485標準接口和Modus或Ascll協議完成的。除此之外，Valvbus
使用了一種專利信號波形，從而形成一種高強的數字載波，使得該係統抗幹擾能力極強，不必對所用的電纜類型進行限製。
Rotork公司的Pakscan
IIE係統使用的是Modbus總線協議。這是一種為在2400波特的額定信號速率下高速和可靠通信而設計的總線協議。在這個信號速率下，傳輸一個指令到現場單元的時間是27ms，掃描一個具有240台現場單元的環路需要1.9秒。有60台現場單元的現場總線環路用0.4秒就可掃描完畢。
此外，目前還有一些廠家正在開發或生產采用Hart和FF總線協議的閥門、電氣轉換器和執行器。我國在“九五”期間也組織開發了Hart和FF協議儀表產品，其中就有執行器。
盡管有各自的特點和優點，盡管其局域網和標準規格不一，但無論哪種總線協議，都是用於現場儀表與控製係統之間進行全數字化、雙(shuang)向(xiang)和(he)多(duo)站(zhan)通(tong)信(xin)工(gong)作(zuo)的(de)，而(er)且(qie)從(cong)總(zong)體(ti)上(shang)看(kan)，還(hai)都(dou)是(shi)靠(kao)軟(ruan)硬(ying)件(jian)來(lai)實(shi)現(xian)的(de)。上(shang)述(shu)幾(ji)種(zhong)係(xi)統(tong)所(suo)使(shi)用(yong)的(de)總(zong)線(xian)協(xie)議(yi)實(shi)現(xian)的(de)一(yi)般(ban)方(fang)法(fa)是(shi)，較(jiao)低(di)層(ceng)的(de)具(ju)體(ti)功(gong)能(neng)和(he)任(ren)務(wu)要(yao)求(qiu)主(zhu)要(yao)由(you)硬(ying)件(jian)實(shi)現(xian)，而(er)高(gao)層(ceng)則(ze)主(zhu)要(yao)由(you)軟(ruan)件(jian)來(lai)實(shi)現(xian)。
qijinweizhi，famenzhixingqixianchangzongxiankongzhixitongdeyingyonglishibuguoshiduanduandejinianshijian。tayichuxian，jiuchedigaibianlefamenhuozhixingqidekongzhiheweihufangfa，bingjiejuelechangqiyinraoguochengkongzhixitongdefamenhuozhixingqidejiexian、調試和維修問題。這使我們看到，它不僅改變了傳統的控製係統結構，還必將對過程控製領域產生巨大而深遠的影響。
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