引言

隨著科學技術的不斷進步，工業控制系統正向著開放化、數字化、智能化、分布化和網絡化的方向發展。現場總線控制系統FCS即順應了這一發展方向，正替代著傳統的DCS和PLC系統而成為主流的控制系統。另一方面隨著工業以太網技術的日趨成熟，FCS也正逐步向工業以太網統一，形成通用的網絡化控制系統框架。

為順應工業控制發展的需要，沈陽自動化研究所從1997年起開始研究基金會現場總線FFH1，2001年起研究基金會高速以太網FFHSE。迄今為止，我所在研究的基礎上開發了各種H1智能儀表、H1I/O設備、FFH1/HSE網關設備和HSEI/O設備等，以及各種組態軟件、監控軟件和OPCServer等。

作為中國科學院知識創新工程項目《多總線集成的分布式工業控制系統》的示范工程，2003年我們對煉焦制氣廠的粗苯和精苯車間的控制系統進行了改造，在原有模擬設備和手動控制系統的基礎上，應用上位機以及我們自主開發的壓力表、網關和I／O設備等組成典型的FCS系統。該工程體現了現場總線控制系統低成本、易維護、易擴展等特點，還提高了企業的控制和管理水平，充分展示了FCS的優越性。

1、 生產工藝

煉焦制氣是典型的連續生產過程。工藝流程一般如圖1所示。

從焦爐炭化室出來的荒煤氣在冷鼓工段被氨水和冷卻水冷卻后，溫度由700～800?降到25?，由鼓風機送至硫銨工段。在硫銨工段經蒸汽預熱后進入噴淋式飽和器的上段噴淋室，脫除氨和酸霧后送往粗苯工段。在脫苯工段經洗苯塔與洗油逆流接觸，洗滌煤氣中的苯，洗滌后將煤氣送去脫硫工段，再經脫硫工段脫硫后送去氣柜供城市用氣。

我們的FCS涉及到的工藝包括粗苯工段和精苯工段，其中粗苯工段工藝流程包括洗苯系統和脫苯系統，其主要特點是：煤氣經兩步終冷（溫度達到20～25?）和油洗萘后進入3個串聯的洗苯塔洗苯，苯蒸餾采用管式爐加熱（溫度達到180～200?）生產兩種苯，脫苯塔取消分縮器代之以回流泵，脫苯塔側線提取萘溶劑油。精苯工段是對粗苯進行精制，采用連續洗滌、熱油進料、連續精餾的工藝。

可見無論粗苯工段還是精苯工段，都需要對各生產工段的煤氣或蒸氣的壓力、流量和溫度等進行實時采樣，并在允許的范圍內對其進行嚴格控制。因此可以采用FCS實現上述的檢測與控制功能。

2、系統組成

2.1系統結構

①兩臺工控機及兩個控制柜。粗苯車間與精苯車間各一套，分別位于兩樓，之間相隔約200m。工控機作為上位機（Host），控制柜用來安裝網關及各種I／O設備。兩臺 工控機分別通過以太網連接到控制柜中的Hub上，兩個Hub之間通過以太網連接，實現工控機數據共享。

②精苯工段控制柜中安裝4個FFHSEI／O設備，各設備通過以太網連接到Hub上。

③粗苯工段控制柜中安裝一個FFHSE／FFH1網關和3個FFH1I／O設備，網關通過以太網連接到Hub上，I／O設備連接到現場總線集線器上。

④粗苯工段現場安裝4個FFH1壓力變送器，通過安全柵連接到控制柜中的現場總線集線器上，距離約200m。

I／O設備也被稱為分布控制單元，具有AI、AO、DI、DO等多路模擬和數字輸入輸出端口，可以連接各種模擬或數字儀表以及執行器等。各儀表接入I／O要通過安全柵隔離，以實現本質安全。各工段I／O點數為：粗苯工段AI36點，AO6點；精苯工段AI42點。系統結構如圖2所示。

2.2軟件組成每臺工控機上都運行以下軟件：

①Windows2000操作系統；

②自主開發的SIACON-Configurator組態軟件，用來下載控制調度；

③自主開發的SiaView監控軟件，支持網絡分布和OPC標準（作為OPC客戶端），并具有完善的歷史數據管理，可以連接任意數據庫系統；

④SQLServer數據庫，用來記錄檢測點的歷史數據；

⑤自主開發的FFH1和FFHSEOPC服務器，每秒鐘刷新一次，實現設備的實時數據和歷史數據共享以及報警等功能；

⑥HseInit接口軟件，作為HSE協議棧為組態軟件、監控軟件及OPC服務器等上層應用軟件提供的API接口。

由于SiaView和OPC支持網絡分布，所以無論在哪臺工控機上，都可以同時獲得粗苯和精苯的采樣數據，方便地實現兩系統的同時監測與控制。系統所有軟件運行的關系結構如圖3所示。

3、現場總線技術的優越性

粗苯和精苯車間原來的控制系統由各種模擬儀表組成，工人每隔一小時進行一次觀測記錄，根據觀測結果進行手動控制。這種方法人為因素較大，觀測不便，誤差大，更不符合現代工業控制要求。

我們用FCS對其進行改造后，所有的過程變量都在工控機的屏幕上實時顯示，并配有系統工藝流程圖，使得監測點一目了然。使用的監控軟件還可以記錄所有監測點的實時數據和歷史數據，畫出實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線，方便地了解系統即時狀態和把握系統歷史過程。當有數據超出正常范圍時，還能自動發出報警信息。通過組態軟件將控制調度直接下載到網關和I／O設備中，即將控制完全分散到設備中，實現整個系統的自動控制（同時提供運行方式手動、自動的切換）。這樣可以把工人從簡單的記錄中解脫出來，去學習和掌握更先進的控制理論和生產技能，從而提高企業的生產效率。

總之，現場總線系統是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，與現行控制系統相比，具有如下一些固有的技術優勢：

①現場總線用數字信號代替傳統的模擬信號，測量精度高，抗干擾能力強；

②基于總線的現場儀表可以對量程和零點進行遠方設定，具有儀表工作狀態自診斷功能，能進行多參數測量和對環境影響的自動補償；

③現場設備集檢測、轉換、運算和控制功能于一體，既降低了成本，又增加了安全性和可靠性。上位機主要對其進行總體監控、協調、優化和下載控制調度與管理等；

④所有現場設備直接通過一對傳輸線即現場總線連接，減少了連線的數量，易于安裝和維護，節省施工費用、電纜費用、調試和維修成本；

⑤使用FCS還可以減少大量的隔離器、端子柜、I／O卡及I／O端口，并且還減少D／A與A／D變換，節約設備并提高精度；

⑥用工業以太網將企業管理決策層、過程監控層和現場設備層連接起來，實現三層通信的統一，集企業的過程控制與綜合管理于一體。

4 、結束語

現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，適應了工業控制系統向分散化、網絡化、智能化發展的方向。現場總線為生產過程現場控制設備之間及與更高控制管理層網絡之間建立了聯系，徹底打破了自動化系統的信息孤島。

我們設計的現場總線控制系統是國內首次全部采用自主開發的FFH1現場設備、FFHSE現場設備和FFH1／HSE網關設備等，對發展我國工業自動化高技術產業及打破國外現場總線技術壁壘具有重要意義。該系統在煉焦制氣廠粗苯和精苯車間的應用，作為中國科學院知識創新工程項目《多總線集成的分布式工業控制系統》的示范工程，解決的關鍵技術包括：

①現場總線控制系統設計、施工、安裝與調試技術；

②傳統的4～20mA儀表與FFH1儀表、FFH1I／O設備和FFHSEI／O設備等不同系統之間的集成技術；

③FFH1／FFHSE網關的應用技術。該工程起到了非常好的示范效果，得到了專家們的一致好評，并且為用戶取得了良好的經濟效益，同時說明現場總線控制系統的推廣應用前景廣闊。

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