基于现场总线控制系统的阀门执行器

　　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PakscanIIE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PaskcanIIE 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。