现场总线技术文献

第9期 综述 　　　1

发展现场总线技术,提高我国过程工业自动化装备水平

陈铁君

中国仪器仪表行业协会　北京市　100011

　　【摘要】文中介绍了国内外FF现场总线技术的发展情况及我国发展FF现场总线技术的政策

措施。

关键词:现场总线　自动化　智能仪表

DevelopingFieldBusTechnologytoImproveOurAutomaticEquipment

ChenTiejun

ChinaInstrumentIndustrySociety,Beijing100011

　　Abstract:ThispaperintroducesthedevelopmentofFFBustechnologybothathomeand,andillustratesthepolicyandmeasureadoptedbyourgovernment.

KeyWords:FieldBus,Automation,IntelligentInstrument

　　现场总线是一种双向串行数字化传输的通讯总线是国际上八十年代末兴起的新技术,实用化。传输,联接方式,;同时由于现场仪表装置的智能化,把部分主控系统的功能直接下放到现场仪表和装置中,强化了现场控制功能,使控制更直接、可靠,且大大减化了主控系统的结构,节省工程设计及施工费用。现场总线技术正推动着整个自动化控制界的一场新技术革命。据有关资料分析,使用现场总线技术和产品,可以平均节省工程造价30%以上。因而,现场总线技术的优越性受到全世界冶金、石化、电力、机械制造、交通、楼宇等自动化技术用户的欢迎。

随着现场总线技术的发展、国际上出现了多种现场总线通讯协议,如:FF、Profibus、WorldFIP、P-net、Devicenet、Controlnet、Lonworks等,各种协议都有其适用的应用领域,符合各种协议的产品,已成功地在各类工业现场应用。

现场总线的特点之一是系统的全开放,以往一个公司的数字化控制系统只对本公司的数字仪表以自已的通讯协议通讯,无法和其它公司产品联网,给用户使用带来不便。制定现场总线通讯协议,可以使不同公司的产品只要符合同一协议,就可以在同一条总线上工作。实现了控制系统的开放,使用户选择不同公司产品组成最佳性能价格比的系统配置带来极大的方便。但是世界上一些工业自动化技术力量较强的大公司为了尽快使用现场总线技术,都各自开发了通讯协议。目前世界上已有几十种不同的协议,其中影响较

收稿日期:2000206210

。为了用户的利益,也为了这一新技术推广应用,国际标准化组织IEC多年来一直致力于制定单一的现场总线标准,IEC提出的标准草案是以FF协议为基础的,但由于各种协议的主导公司出于个自的商业利益,也由于各种总线在不同的工业领域中的应用已使部份用户所接受,所以对制定单一现场总线标准的建议在多次IEC标准化工作会上都没有通过。在1999年12月IEC会议上,投票结果认定FF、Profibus、WorldFIPControlnet、Devicenet、P-net、Swifnet、Interbus等8种协议均为国际标准,承认了目前多种协议并存的局面。IEC现场总线标准并非是8种协议的合订本,而是将每种协议打散,在协议的每一章节上包含有8种协议的有关技术内容。这样一种承认现实的妥协带来的结果是使IEC现场总线标准文本又重又长,失去实用价值,无人过问。8种及8种以外有影响的协议,仍被有实力的大公司在不同领域内推行着。如FF主要用于石化、电力、冶金等连续生产过程控制,Profibus、ControlnetCC-link主要应用于机械制造等断续生产控制,WorldFIP主要用于交通、输变电,Lonworks主要用于楼宇自动化等。多种协议并存的局面在短时间内不会有所改变。

面对多种总线并存的状况,我国的仪器仪表行业,特别是自动化仪表行业,如何选择最适合自己行业特点的现场总线协议,发展高科技产品是非常重要的。我个人认为作为自动化仪表行业的最佳选择是采用FF现场总线技术。

FF现场总线是国际FF基金会(FieldbusFounda2

现场总线技术文献

2

　　　仪表技术与传感器

2000年

tion)在90年代初开发的最新的现场总线技术。FF基

金会是由世界上12家著名的仪表制造商Rosmount、Honeywell、ABB、Foxboro、Smar、日本横河、山武等公司作

为董事的国际组织。世界上有一百多家大型仪表制造厂、研究院所作为FF基金会的会员单位。它是仪表生产企业开发的现场总线协议,无疑最具有仪器仪表行业的特色。它的应用领域也主要是针对石化、电力、冶金、轻纺等连续生产过程控制。FF技术和产品在世界各地已有许多成功的应用范例。在加拿大Alberta省IanVerhappenSurvey化工厂应用927台不同公司的FF现场总线仪表,充分显示了FF协议的可互操性及开放性,是目前最大的现场总线应用工程项目。目前FF有超过800个系统在世界各地成功运行。

在中国FF技术和产品尚不成熟的情况下,目前主要是国外公司在中国推广FF技术及产品。美国Ros2monot公司,巴西的Smar,他们分别在陕西兴平化肥厂、FF显特点。它的公开性体现在协议的开发、修改是由成员单位组成专门的班子集体完成,其任何一条语句的编写均是经过3个以上成员单位共同完成,所有的技术成果均是基金会成员共有,而不是像某些现场总线协议被一家大公司垄断。在协议的一致性测试上可见其公正性。FF基金会为保证各公司开发的协议通讯软件的一致性,要求必须通过FF基金会的一致性测试。测试机构全世界只设一家,测试机构既不设在FF成员较多的美国,也不设在日本,而是委托德国的佛朗和费实验室对世界各地不同公司开发的通讯协议进行一致性测试。公开性、公正性应避免了任何技术上的偏见,保证了FF技术的科学性。FF技术是集体智慧的结晶,保证了技术上的先进性。FF技术还是一个不断发展的新技术,FF基金会1998年组成集体开发班子,经过两年多的努力,完成了FF100M高以太网(HSE)通讯协议的开发,新的FF现场总线可以直接联接PLC及远程I/O,并通过I/O连接现场仪表,使FF现场总线可以同时用于连续及非连续生产过程控制。大大扩大了现场总线技术的应用领域。

为了在中国仪器仪表行业发展现场总线技术,开发现场总线仪表产品,国家计委将“现场总线智能仪表开发研究”列为九五国家重点科技攻关项目,项目编号为“97-755”。仪器仪表行业主要企业、研究所西安仪表集团公司、上海自动化仪表集团公司、四联集团公司、开封仪表厂、吴忠仪表厂、上海自动化仪表研究所、重庆工业自动化仪表研究所、沈阳仪器仪表工艺研究

所、北京华控技术公司等参与了攻关工作。该项目主

要内容是FF现场总线通讯协议软件、通讯模板及温度、压力、流量等FF协议现场仪表,电动、气动执行器等二十余个基型品种。目前攻关工作已近尾声,由北京华控技术公司、西安仪表集团公司、上海自动化仪表集团公司、四联集团公司、上海工业自动化仪表研究所、重庆工业自动化仪表研究所组成的“九五”攻关联合开发中心开发的FF现场总线通讯协议,现已完成开发工作,并已顺利通过了FF基金会指定的测试机构德国佛朗和费实验室的一致性测试。这将是一套有中国自己版权的FF协议通讯软件,在世界上也只有6家公司有这种软件的版权。因此该软件的开发成功标志着我国在FF。,将我国自主版权的,现有十余种仪表联成实际FF控制,另有十余种仪表组成实际演示系统参加了在北京举行的“2000年国际现场总线交流会暨展览会”,整个攻关项目予计在今年下半年接受国家验收,攻关工作取得的成绩,使我国自动化仪表行业实现了从模拟仪表到数字仪表直到现场总线智能化仪表的飞跃,在技术上达到当代国际水平,这些成绩的取得是和国家的支持,国家计委、科技部、国家机械工业局的精心组织及各攻关单位领导及全体攻关人员的努力分不开的,但这些成果仍是技术上的突破,大都是基型品种样机。今后还要在工艺、工装、质量管理等方面进行大量的工作,才有可能实现商品化批量生产,满足用户的需求。

发展中国的现场总线技术,除了新技术新产品开发之外,另一项工作是推广应用工作。推广包括两个方面:一是将现有的攻关成果推广到全国自动化仪表行业,使全国大大小小的自动化仪表生产厂都有独立生产现场总线智能仪表及开发现场总线新产品的能力,到那时,才能真正完成我国自动化仪表行业由模拟仪表到现场总线智能仪表的新技术革命;二是向用户的推广应用工作,现场总线是一种新技术,用户有一个认识过程,需要我们向用户做大量的宣传、示范工作,才能逐渐打开国产现场总线产品的市场,只有广泛的应用,用实践证明现场总线给用户带来的实际效益,才能形成大量的市场需求。

为了引进国际先进的现场总线技术,加强现场总线新技术新产品的推广应用工作,在国家机械工业局、中国仪器仪表行业协会及国际FF基金会的支持下,在1997年4月成立了中国仪器仪表行业协会现场总

(下转第9页)

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第9期 传感器技术 　　　9

传感器具有良好的重复性、可靠性。满量程精度小于

2%。经过油田采油现场初步试用进一步证实了其性能满足石油测井需要。

从实验中发现,在低流速情况下,PTCR流速传感器表现出较高的灵敏度,如图6所示,为某一温度下PTCR差动放大器输出电压随流速变化情况。随着流

间,可以发展PTCR流速传感器在流体脉动速度测量方面的应用。在井口数据处理系统中,加强滤波,增加滑动平均值滤波的参加数据个数,可滤除脉动成分,获得稳定的平均流速。另外,在实验过程中还发现,对于流体的不均匀温度分布,由于PTCR和温度补偿传感器的时间常数略微不同,表现出短暂的补偿不同步。在改进PTC流速传感器时,应选取适当时间常数的PTCR和温度补偿元件,使二者达到匹配。

速增大,灵敏度逐渐降低。以热耗散原理分析,这是由于,流速增大,阻体温度降低,能量耗散较大,阻体温度变化逐渐变小的缘故

。

4　结束语

利用PTCR自热效应研制的油井注入液体流速传感器,在低流速、高粘度液体流速测量方面表现出了优良的性能。在流速范围0～40cm/s,工作温度范围为50～60℃,,井下800～1200m工作时,%,温度偏高、环境压力偏大等,对三次采油生产有重要价值。

参

考

文

献

1　徐开先、叶济民.热敏电阻器.北京:机械工业出版社,1981.2　莫以豪、李标荣、周国良.半导体陶瓷及其敏感元件.上海:上海科学技术出版社,1983.3　朱德忠.热物理测量技术.北京:清华大学出版社,1990.4　周作元、李荣先.温度与流体参数测量基础.北京:清华大学出版社,

1986.5　SawaguchiT,etc.OriginofappearanceofPTCRpropertiesinBi-Sr-Ti-Osystem.MaterialsTranscctions,1999;37(3):426-9.6　李华等.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京:北京航空航天大学出版社,1993.

图6　流速与PTCR差动放大器输出电压关系曲线

在实验中也发现,PTCR流速传感器具有较快速

的响应,这在一定程度上,增加了对流体的脉动和流场的不稳定的敏感性。缩短PTCR流速传感器的响应时(上接第2页)

线(FF)专业委员会(简称CFFC),CFFC现有会员单位150多个,主要的自动化仪表生产企业、研究院所均是其会员单位,其中清华大学、浙江大学、中科院北京自动化所、沈阳自动化研究所及行业内西安仪表集团公司、上海自动化集团公司、四联集团公司三大仪表集团,上海工业自动化仪表研究所、重庆工业自动化仪表研究所、沈阳仪器仪表工艺研究所等30多个单位作为常务理事单位。CFFC是国际FF基金会的集体会员,和国际FF基金会及其主要董事单位Rosmount公司、Smar公司、日本山武公司等保持良好的关系,CFFC从他们那里获得FF技术资料及FF技术发展最新动态,并传送给CFFC会员单位。CFFC成立以来在各政府部门之间,从振兴我国仪器仪表工业的角度,介绍推荐FF现场总线技术,并协助政府部门制定我国现场总线技术发展规划,为国家确立“九五”现场总线攻关任务起了一定作用。在1998年12月CFFC成功地举办了“FF技术交流和展览会”,出版了“FF技术概要”“FF本质安全防爆技术指南”“FF现场布线指南”

等资料。最近CFFC做为主要参与组织者,成功地在

北京举办了“2000年国际现场总线技术交流会暨展览会”。CFFC通过一系列的宣传、推广活动,不断推动着我国自动化仪表行业现场总线新技术革命的浪潮。希望CFFC今后要继续发挥好国内外FF现场总线技术桥梁的作用,不断将FF最新技术及产品引进到中国,把国外著名公司的FF产品介绍给用户,使广大用户在实际应用FF产品过程中,体会到FF技术的优越性。为将来国产FF仪表产品顺利进入市场打开道路。同时希望大力开展国内“九五”攻关成果向全国自动化仪表生产企业的推广工作。中国仪器仪表行业协会也将全力支持CFFC的工作。

现场总线技术给我国自动化仪表行业产品的更新换代带来了机遇。我们一定要抓住机遇,尽快实现我国自动化仪表行业从模拟到数字化、智能化、网络化的转变,提高我国工业自动化装备水平,为四化建设做出更大的贡献。使我国不仅是一个自动化仪表应用的大国,同时也成为自动化仪表制造业的强国。