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　　* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ? 1999 – 2009 Fieldbus Foundation * 基金会现场总线“控制在现场”概述 基金会现场总线（FF）通信模型简介 用户层 基于 IEC 61804 H1 网段 H1 网段 不同网断上的设备 FF HSE FF H1 + HSE 网络概览 OPC Server 链接设备 Linking Device 链接设备 Linking Device 操作员站 工程师站 AMS/AO DCS 控制器 基于Ethernet 的控制网络 H1 网段 Function Blocks 功能块 功能块是参数、算法和事件的完整组合，由外部事件驱动功能块的执行，通过算法将输入参数转换为输出参数， 不同的功能块组合成用户所需的控制策略，实现应用系统的控制功能，功能块的输入输出参数可以跨网段实现连接。 设备中的功能块取决于所选设备的类型 单一设备可以有多个功能块，如 AI, AO, PID 等 控制在现场 （Control In Field） FF 定义 10个标准功能块(Part 2) 11个先进功能块 (Part 3) 8个高级功能块 (Part 3) 4个多输入/多输出功能块 (Part 4) 柔性功能块 (Part 5) FF 功能块 驻留在实际设备中 制造商可以增强功能块 制造商可以创建用户化功能块 简介 过去几年来基金会现场总线技术的采用迅猛发展 现场总线产品及服务的整个市场份额正快速地发展接近10亿美金 大多数最终用户采用总线技术以进行内部诊断与工厂的资产管理 截至目前, 还没有关于现场总线控制在现场(CIF)的商业价值主张的研究 全面的测试现在显示CIF支持单回路完整性与真正在流程工厂内进行分布式控制 背景 ARC顾问集团最新的白皮书, 论题是“The Business Value Proposition of Control in the Field,” 详细介绍了基金会现场总线控制在现场的运作与经济收益 ARC是位于美国马萨诸塞州戴达城的制造业领先的研究与咨询机构 背景 (Cont’d) ARC以工厂卓越运营的整体自动化架构为例描述了基金会总线功能块结构及其他一些特性 控制在现场是基金会现场总线技术的一项关键要素, 增强了许多应用以及控制回路的流程完整性 内嵌控制功能的现场总线设备具备高可用性并促使渐进式向单一回路完整性发展 背景 (Cont’d) 正如ARC所报道, 基金会现场总线在三个关键领域提供商业价值 技术概览 基金会现场总线技术的控制在现场是流程完整性的一个关键部分 技术概览 (Cont’d) 基金会现场总线的CIF策略可以使过程工厂操作中确定性的干扰具有高级响应 技术概览 (Cont’d) 通过CIF, 自动化功能线上层的故障不会影响到现场 如果HMI发生故障且失去了流程可视性, 控制回路与网络仍不受影响 证据显示基金会现场总线控制在现场的功能比传统的模拟控制的可靠性高3倍 技术概览(Cont’d) 控制在现场也减少了设备之间的连接量 – 提升可靠性与可用性 最终用户在实施工厂自动化策略时拥有极大的灵活性 控制器可以更好地去处理高级的功能例如先进控制与优化, 模拟, 资产管理, 历史数据收集等. 技术概览 (Cont’d) 由于控制回路的读取-执行-写入周期更快的取样速率及更短的反应时间, 控制在现场改善了回路性能 快速流程回路的性能改善具有重要意义 流量, 压力与温度回路 pH 回路 阀位与速度回路 由于流程工厂中控制回路的综合交互作用, 低速回路的性能也得到改善 第三方评估 ARC白皮书引用了Industrial Systems and Control Ltd. (ISC)的文章“Control in the Field: Analysis of Performance Benefits” ISC正在对现场总线控制在现场的功能收益进行一系列的研究 仿真检验了计时与顺控条件下两者的区别: 一个是采用了控制在现场的总线系统, 一个是将控制放在主机(DCS)的总线系统 高保真的仿真确立了典型的反应时间与采样速率限制了控制性能 第三方评估 (Cont’d) 仿真采用一个离散时间PI控制器, 分三种取样速率与延迟的组合配置 使用多种工艺动态 – 从一种理想状态的液体流量回路到渐进式低速具有较长滞后的流程应用 测试也介绍了存在于实际工厂数据中的一种确定性的扰动 以两个主要标尺评估CIF的性能: 设定点更改与渐近扰动的反应速度 由于确定性的扰动产生的流程输出量的标准偏差 第三方评估 (Cont’d) ISC利用同一个PID回路点调谐闭环回路稳定性以比较CIF与DCS 特定的测试案例包括: 理想的控制在现场 DCS中的快速控制 (与总线的宏周期同步) DCS中的快速控制 (与总线的宏周期异步) 采用多种不同的工艺动态进行测试 测试结果 ISC发现在典型的快速流程应用中, 相比DCS的控制, 控制在现场能提供改进的性能 在非常快速和中速的流程应用中, CIF对阶跃响应和抗干扰具有优异的性能表现 记录显示反应时间的提升达到10-30%, 另外抗干扰能力提升了20% 测试结果 (Cont’d) 测试结果(Cont’d) 典型应用 – 制浆造纸 在造纸的湿部, 流量回路常常受到不同的干扰, 比如更换纸种的时候 湿部回路能影响纸机本身对其主控回路干扰的减小 纸机回路有很长的滞后时间因此仅有有限的反应能力 在流程湿部使用CIP技术能够减少干部的流程变化 典型应用 – 发电 压力与流量回路影响整个电厂的性能并且能决定对负荷变化时的反应速度 实现某些高度繁杂的控制算法以应对过程参数的大范围变化 针对蒸汽温度与蒸汽/给水压力回路以及燃气轮机的燃料供给, CIF能提供更优化的性能 反应速度的提高也有助于锅炉燃烧的控制 典型应用 – 压缩机控制 在接近喘振线的范围内运行压缩机能带来经济收益并且改进可靠性与安全性 安全裕度与防喘振压力控制器所经受的干扰以及它所能反应的速度有直接关系 控制在现场能发挥出专业的压缩机控制性能的潜能 面向压缩机防喘控制的CIF能达到325-460毫秒的宏周期时间 效益总结 控制在现场给予基金会现场总线用户以下关键性能收益: 改善控制回路性能 提升可靠性与可用性 改进回路完整性 减少DCS/PLC与网络的负载 更少的CAPEX与安装成本 减少OPEX 效益总结 (Cont’d) Shell Global Solutions International (SGSI) 曾做过控制在现场的深度评估 SGSI 报道: “SGSI推荐在简单的与 串级回路上使用基金会现场总线的控制在现场技术, 不适用于复杂回路. SGSI确认其主要收益是减小过程控制器的负载, 减小网络流量, 每个网段上可有更多回路, 以及更快速的回路响应时间.” 结论 ARC白皮书指出控制在现场的性能改进必须最终与商业价值主张链接 – 在工厂内执行任何新技术的价值尺度 除了控制性能的收益外, 其他的商业收益包括: 减少产品的变化性 加快种类的变更速度 减少启动时间 谢谢 * * 基金会现场总线FF（Fieldbuse Foundation）以IS0/OSI开放系统互联模式为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。基金会现场总线的主要技术内容包括FF通信协议、用于完成开放互联模式中第2-7层通信协议的通信栈、用于描述设备特性、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典、用于实现测量、控制、工程量转换等功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。 * * ? 1999 – 2009 Fieldbus Foundation *

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