阀门执行器现场总线控制系统

　　西仪集团有限责任公司 赵建民

　　 摘要：近年来，现场总线这个名词被广泛地应用于各种产品和概念，阀门和执行器也不例外地采用了现场总线技术。本文介绍了阀门执行器现场总线控制系统的特点、结构、总线形式和通信协议等。

　　 关键词：现场总线 阀门 执行器 现场总线控制系统

　　 随着现代工业的飞速发展，过程控制技术受到了人们普遍的重视，用户对过程控制系统的要求也越来越高。现场总线的应运而生，则表明控制技术达到了一个新的水平。它不仅极大地满足了过程控制的需要，而且还将对工业自动化仪表行业带来一场革命。

　　 近年来，在世界工业阀门和执行器生产制造中占有主导地位的专业化公司相继推出各自为阀门或执行器开发设计的现场总线控制系统。其中有美国Limitorque公司的DDC-100TM系统、美国Keystone公司的KEYDIG系统和英国Rotork公司的Pakscan

　　 IIE系统。这类系统，无论其系统结构、总线形式和通信协议如何不同，都完全实现了阀门或执行器等现场装置与上位机的通信和智能化，而且整个系统简单、可靠、经济，深受用户的欢迎。

　　 1、系统特点

　　 阀门执行器现场总线控制系统是根据用户需要最新发展起来的“FCS”（现场控制系统）。其系统配置和构成灵活多变，具有很强的适用能力。它很好地解决了现场最常见的有关干扰噪声、控制距离、接点容量和工作环境等方面的问题，非常具体地显示了它在阀门和执行器应用领域内巨大的潜在市场和发展前景。

　　 1.1 节省安装费用

　　 阀门执行器现场总线控制系统由于具有良好的消噪功能，因此，它可以使用带屏蔽的双绞线或使用廉价的无屏蔽三线电缆进行系统内部的通信。这种系统安装简单，投运速度快，费用一般只有常规控制系统的40%左右。例如，在常规控制系统中，接到每台阀门或执行器上的电缆芯数可达六、七根、十几根，最多的可达二十二根，而阀门执行器现场总路线控制系统中的所有阀门或执行器的连接只需要两根或三根电缆即可完成（除就地供电外）。表1列出了国内外执行器的常规连接和现场总线连接所需的电缆芯数。

　　 1.2 工程容量大

　　 根据使用要求和系统规模，阀门执行器现场总线控制系统允许在10—20公里的一条通信环路上接入100—250台阀门或执行器等各种类型的现场装置。在整个通信环路内，不设中继站也可将信息或数据传送到各个现场装置，同时还不限制接入环路内阀门或执行器等装置之间的距离。

　　 1.3 高性能

　　 阀门执行器现场总线控制系统功能丰富、性能优良、工作可靠，非常适合在一些特殊场合使用。即使在环境条件特别恶劣的地方，它也能发挥作用，长期安全可靠地工作。如今，各公司的阀门执行器现场总线控制系统都已经经过多年现场运行检验并得到用户的认可，成为名副其实的“FCS”。

　　 1.4 配置齐全

　　 用户可根据过程控制的需要任意提出要求和配置，这种系统既能以主系统也能以予子系统参与过程控制，使用时还可将阀门或执行器等设置成智能化或半智能化单元。其它诸如主控站冗余、紧急操作面板、各种信号的输入输出接口、多站系统和多任务软件等都可以根据需要来配置。

　　 1.5 接口简单

　　 在阀门执行器现场总线控制系统中，系统内部通信接口短距离一般采用RS232，而长距离则采用RS485。同时，各种信号的输入输出接口也都采用插拔连接方式。这就使得系统内部的接线非常简单，仅使用一些标准的常用工具和少量的仪器便可完成。有时，甚至现场操作人员都能熟练地做好这些接线工作。

　　 2、系统结构

　　 不同的阀门执行器现场总线控制系统在结构上是基本相同的。它们一般是由主控站、通信环路和现场单元（本体为阀门或执行器）组成。系统结构框图如图1所示。

　　 2.1 主控站

　　 作为master station

　　 的主控站多采用工业PC机构成，以利用其键盘和显示器对系统的操作方式以及工作状态进行控制和监视。用户可根据系统提供的丰富方便的软件包非常容易地生成操作方式、系统状态和控制逻辑的采色了画面，并通过键盘随时发出操作命令，设置系统必要的工作参数条件。图2所示的是DDC-100TM系统和KEYDIG 系统采用工业PC机构成的一种主控站。

　　 主控站也有特殊设计的盘装式结构，例如Pakscan IIE

　　 的主控站就是这种结构。在它的控制面板上，装有监视环路工作状态的液晶显示器、设置系统参数和数据的键盘以及显示系统运行和报警信息的指示灯。通过控制面板，可完成系统环路波特率、现场单元地址和数据传输等参数的设置。此外，万一主控站失控或系统工作不正常，操作人员可使用键盘直接控制阀门或执行器。而当系统遇到意外情况时，控制面板上还有应急按钮供操作人员紧急关闭系统中最重要的阀门与管道。图3为采用冗余化安装和工作的Paskcan

　　 IIE 系统的盘装式主控站。它可在主控站发生故障后50ms自动切换到备用主控站，从而确保系统仍能安全可靠地运行。

　　 2.2 通信环路

　　 如前所述，一般工业现场中的阀门或执行器与控制室之间传输信号所需的接线非常复杂，安装与维修都很困难，费用也很高。而阀门执行器现场总线控制系统中使用的两线或三线电缆既安装简单、维修方便、工作效率高，又成本低、节省费用。特别是系统中所有阀门或执行器用这种电缆一台一台串接起来后形成一条闭合的环路时，每台阀门或执行器都能从环路的两个方向与主控站进行信息和数据的交换，相当又给系统增加了一条冗余通信路径。

　　 系统运行期间，除了正常的工作之外，环路电缆不停地被扫描查询，以确定其是否完整。若通讯环路完整无损，主控站将依过程控制的需要通过环路电缆向现场单元发送控制命令，同时接受现场单元发回的工作状态信息。当然，所有现场单元都已预先设置好了地址并随时准备接受命令和接受查询。一般情况下，主控站要发数次命令。每发一次命令，都要接收到被询址现场单元的应答一次。否则，系统将按环路故障进行处理。现场单元的应答时间则由现场单元的数量以及环路距离所决定。

　　 通信环路一旦断开，在环路断点一侧的现场单元将会自动地形成各自一侧完整的环路，继续保持主控站与所有现场单元之间的通信。图4为几种常见的环路故障。图5则是系统正常工作时和环路断开后两种方式的工作原理示意图。

　　 环路断开后，主控站首先通过端口

　　 A向与其连接的第一台现场单元发送命令，同时接收该现场单元的应答。然后再向第二台现场单元发送命令，同时也接收这台现场单元的应答。这样，发送命令，接收应答，连接现场单元的环路一步步扩大，直到环路断点处不能再继续下去为止。与此同时，主控站也通过端口B向相反方向的现场单元发送命令并接收应答，直到断点前的现场单元。用这种方法，主控站不仅从环路两个方向确定了断点位置，也确定了断点两端现场单元自行构成的返回路径，从而保证所有现场单元与主控站之间的通信工作始终不被中断。

　　 作为环路故障检查的必要手段，主控站一般要重复进行检查。即不断地发出命令，接收应答。在正常情况下，从端口A发出命令，再由端口B接收应答。

　　 2.3 现场单元

　　 阀门执行器现场总线控制系统中的现场单元是根据阀门或执行器的特殊要求专门设计的Smart控制器，结构为单机架装方式或执行器整体方式。但不管是哪种结构方式，它总是和阀门或执行器作为智能化或半智能化的装置来使用的。

　　 通常，半智能化的现场单元仅仅是主控站的一个分散的I/O口。在系统中，它接受主控站的控制命令，对阀门或执行器进行一系列的操作，同时将阀门或执行器上的工作状态和其它信息反馈给主控站，供系统采集、记录、显示和控制使用。

　　 智能化现场单元除可与主控站通过环路进行信息和数据通信并根据主控站命令工作外，还可单独与阀门或执行器构成回路，为工业过程提供阀门定位、逻辑控制、批量操作、PID调节以及多回路运行等多种能力，对位置、流量、压力和液面进行更为丰富和精确的控制。

　　 无论是智能化还是半智能化的，也无论是架装式还是整体式的，这些现场单元都具有阀门或执行器操作所需要的特殊功能，其中包括：

　　 过力矩保护-在阀门或执行器发生堵转或出力超过限定值时，可自动地切断电源停止运行。

　　 电机过热保护-电机绕组中埋有热敏元件，在由于超载使电机过热时发出信号，然后由保护电路自动切断电源使电机停转。

　　 断信号保护-无论是在输入信号还是位置信号消失或超量程时，执行器都可自动地转入事先预置的安全工作状态，或由闭环控制转入开环控制。信号正常后，执行器可自动恢复到原来的工作状态。

　　 遥控与本机手操-通过按纽进行阀门的“开”、“关”、“停”操作和紧急关闭操作。

　　 故障显示和报警-通过自诊断，可在万一发生故障或工作不正常时自动发出声光报警信号并及时显示故障内容。

　　 由于是在恶劣的现场环境条件下使用，现场单元均采用了高可靠性器件、表面封装技术、坚固的双层密封外壳，特殊的软硬件抗干扰技术等措施来保证其能长期安全可靠地工作。

　　 3、总线形式和通信协议

　　 在阀门执行器现场总线控制系统中，维持系统高效而有秩序工作的是系统通信所使用的各种现场总线协议。

　　 在国际性现场总线标准没有完全统一之前，阀门或执行器专业公司出于自身的利益，开发了各自的现场总线控制系统。这些系统有共同之处，也有不同之处。同时，系统所使用的总线形式和通信协议有相同的也有不同的。Limitorque的DDC-100TM系统使用的总线技术是Inter

　　 公司的Bitbus。这是一种总线串行接口，物理层基于RS485，通道以IBM公司研制的SDLC协议为基础。它不仅在DDC-100TM系统中与环路上自家的装置兼容，通过专用接口，还可与Honeywell

　　 Foxboro Taylor 等其它公司的DCS和PLC 兼容，使用起来非常得心应手。

　　 Keystone 公司的KEYDIG 系统采用的是Valvbus

　　 总线。它的通信是通过RS232、RS485标准接口和Modus或Ascll协议完成的。除此之外，Valvbus

　　 使用了一种专利信号波形，从而形成一种高强的数字载波，使得该系统抗干扰能力极强，不必对所用的电缆类型进行限制。

　　 Rotork公司的Pakscan

　　 IIE系统使用的是Modbus总线协议。这是一种为在2400波特的额定信号速率下高速和可靠通信而设计的总线协议。在这个信号速率下，传输一个指令到现场单元的时间是27ms，扫描一个具有240台现场单元的环路需要1.9秒。有60台现场单元的现场总线环路用0.4秒就可扫描完毕。

　　 此外，目前还有一些厂家正在开发或生产采用Hart和FF总线协议的阀门、电气转换器和执行器。我国在“九五”期间也组织开发了Hart和FF协议仪表产品，其中就有执行器。

　　 尽管有各自的特点和优点，尽管其局域网和标准规格不一，但无论哪种总线协议，都是用于现场仪表与控制系统之间进行全数字化、双向和多站通信工作的，而且从总体上看，还都是靠软硬件来实现的。上述几种系统所使用的总线协议实现的一般方法是，较低层的具体功能和任务要求主要由硬件实现，而高层则主要由软件来实现。

　　 迄今为止，阀门执行器现场总线控制系统的应用历史不过是短短的几年时间。它一出现，就彻底改变了阀门或执行器的控制和维护方法，并解决了长期因扰过程控制系统的阀门或执行器的接线、调试和维修问题。这使我们看到，它不仅改变了传统的控制系统结构，还必将对过程控制领域产生巨大而深远的影响。