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现场总线与工厂资源管理系统
jiang_0514 发表于 2009/4/13 12:36:50 815 查看 1 回复 [上一主题] [下一主题]
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1 现场总线技术
1.1 现场总线技术及其特点
“现场总线”名词的出现，已有十几年的历史，在现场总线技术诞生的初期，它的主要功能是将当时的可编程逻辑控制器（PLC）以一种较简洁的方式连接起来，后来随着计算机技术和网络技术的发展，逐步发展成为连接工业现场设备和控制室系统的全数字、双向、多站点的通信技术。在过程控制领域内，它就是从控制室延伸到现场测量仪表、变送器和执行机构的数字通信总线。它取代了传统模拟仪表单一的4~20mA传输信号，实现了现场设备与控制室主控设备间的双向、数字化的多信息交换。
目前国内国际的几种常用的具有影响的现场总线和智能仪表有以下几种：基金会现场总线（Foundation Fieldbus）、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART等。
在工业控制领域，现场总线仪表与常规的模拟量仪表相比，有其特有的优势，如：现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可以挂接多个设备，因而可减少安装的费用；现场总线仪表自身能直接执行多种控制计算和报警功能，进一步分散了控制风险；具有数字通讯和诊断能力，提高了系统的精度和可靠性；通讯标准相对统一，同一条总线上可连接多个制造商的产品。
1.2 目前现场总线技术在应用中的定位
由于现场总线设备有以上的优点，目前已经有基于现场总线仪表的现场网络应用到实际生产中。虽然由于目前现场总线仪表内部功能较为简单，这种结构还远远不能达到现有DCS或PLC的控制水平，也不能完成复杂的顺序控制和联锁功能。但有观点认为随着制造技术和通讯技术的发展，未来以现场总线为基础的现场总线控制系统（FCS）将取代现有的DCS和PLC。不过，笔者认为任何应用于商业的技术，都应该是以降低生产成本、提高产品质量为基础的，现场总线的技术发展也不应例外。也许当“FCS”的功能达到目前DCS的控制水平时，那时生产制造商的要求已经不仅仅局限于这些功能了。因此现场总线仪表在未来控制系统中的主要功能，仍然应该是进行信息收集，应该是信息量更多、速度更快、精度更高的数据收集系统，而不是进行中央数据处理，系统中大量信息的处理仍应由功能更强大的中央计算机来完成，就像现有的DCS系统中的现场控制站和操作站一样。
目前现场总线技术存在的合理性在于，它不仅仅能够采集生产中的过程数据，如温度、压力等，还能够通过网络收集各个仪表自身的状态数据，如量程、工作时间、故障情况等，通过这些数据来进行设备远程诊断，可以提高设备维护的效率，有利于进一步降低生产成本。目前已经出现了基于现场总线技术的工厂资源管理系统（PRM，Plant Resource Manager）。
2 工厂资源管理系统
2.1 概述
随着生产工业的竞争日趋激烈，产品成本成为竞争的重要因素，维护成本作为产品成本中的主要部分，也渐渐为生产厂商所关注，成为成本管理的焦点之一。
目前，Foundation Fieldbus（以下简称为FF）和其他现场总线产品已进入推广阶段。这些设备都具有在线获取现场设备各种数据的能力，这就使得现场设备的故障预告和装置的预测维护变成可能。同时，通过在中央控制室使用检查计划时间表、检查备忘录等一系列预测维护工具，不仅能够大幅度的降低维护成本，而且能够增加装置的实际运行时间，提高生产效率。
YOKOGAWA开发的基于现场总线技术的工厂资源管理系统软件包，是对现场设备远程维护和预测维护的一个很好的尝试。
PRM系统的特点包括：在线收集并存储具有数字交互通讯功能仪表设备（如FF设备等）的参数，并集成了一些预测维护的软件工具；提供了多种设备分类方式，以及多种设备维护信息的管理方式，如检查计划时间表、检查备忘录等；允许维护人员及时调整现场设备的参数和相关信息；并且，可以实时的采集针对现场设备的操作信息，如参数整定的具体时间和人员信息等，这些信息也是设备维护的重要参数之一。图1所示，为PRM维护信息显示画面（设备详细信息画面和设备检查备忘录画面）。
图1 设备信息维护画面
2.2 工厂资源管理系统在生产中的位置
工厂资源管理系统的信息来源是位于生产第一线的具有数字通讯能力的智能设备，如现场总线设备等；它的信息处理中心和远程维护终端既可以位于中央控制室，为现场维护人员提供设备的第一手资料，也可以位于生产厂的各个相关的管理部门，如生产管理部门、采购部门等。
如图2所示为PRM在生产管理中的位置。PRM服务器是信息管理和处理中心；PRM客户终端就如同DCS的操作站是生产操作人员的操作平台一样，是维护人员和设备管理人员的维护管理信息平台。
图2 PRM在工厂中的位置
2.3 功能和特点
PRM采用客户/服务器结构。这就允许客户随着系统的扩展和现场设备的增加，随时添加计算机终端作为PRM客户端。同时客户端计算机和服务器通过以太网连接，使得维护终端不再局限于工厂的内部。PRM用来存贮维护信息和设备信息的数据库采用Oracle公司的产品，是一个可以24小时连续运行的大型数据库。
PRM具有良好的兼容性。它不仅仅支持FF设备，还支持Profibus设备、Modbus设备、HART仪表，同时也能管理常规的4~20mA仪表以及其它的现场设备，如泵等。当然PRM功能的发挥，还是要依靠被管理的现场设备的数字通讯能力。FF设备、Profibus设备能提供令人满意的设备信息，用以提高维护效率。同时，PRM对于那些不具备数字通讯能力的现场设备也能进行管理。这就使维护人员能够对所有的现场设备进行集中管理，便于制定一个针对各种设备的最适合的维护计划。
PRM提供多种的远程维护和预测维护功能，具体如下：
设备的维护信息管理。PRM的设备信息管理方式类似于WINDOWS中的资源管理器，并且可以对现场的设备采用三种分类方式进行管理：以生产装置的工序或工段分类以设备的通讯网络类型分类、以及以用户自定义的设备类型分类。图3所示，为以设备的通讯网络类型分类时的PRM设备管理器。
在PRM设备资源管理器中，对每个设备的各种信息也作了归类。表1列出了PRM可以管理的维护信息种类。这些设备信息都能保存在数据库中，同时也能将具体进行设备维护人员的信息，以及进行维护操作的原因等一同记录在数据库中。
图3 PRM设备资源管理器画面
PRM不仅提供了数据的存储，而且提供了新旧参数的比较功能，在设备参数维护画面中，可以同时显示现有的仪表参数和维护人员设定了的参数，如果两个参数不一致，则以红色突显出来，使得设备参数的修改更加方便和安全。
表1 PRM维护信息分类
(1) 设备诊断和参数整定
? 现场设备诊断功能
设备状态远程监视窗口允许在一个故障发生之后快速的检查设备的状态，减少了现场检查的工作。当设备出现故障时，将产生报警提醒维护人员，同时也能够像查看设备参数一样，观察设备的错误状态信息。这些功能使维护人员能在第一时间获得设备的故障信息，及时分析故障原因、制定相应的对策，以及快速的更换有问题设备，减少因仪表设备故障而导致的生产停顿。
? 现场设备参数调整
PRM针对FF设备集成了远程调校功能。它不仅能对仪表的参数进行显示、比较以及设定，而且还可以将特殊设备的调校方法和顺序记录在“设备描述”中，用以方便维护人员操作。
? 阀门诊断功能
PRM专门针对阀门设计了诊断功能，它通过采集和积累阀门的信息，如使用时间、动作的频度等，用来进行阀门的统计预防维护。统计预防维护不仅仅能提高维护的效率，而且也能通过延长阀门的检修周期来提高工厂的生产效率。同时，积累的信息还能提供给生产操作人员，以寻求更适当的调节方法，提高了阀门的控制精度。在一个生产装置中往往要使用大量的阀门，因此提高阀门的精度将会有助于提高生产的质量和产量。
当然，以上这些功能都需要具有智能通讯功能的现场仪表及阀门来支持，如FF总线仪表等。
(2) 维护检查的记录文档和报表
在维护的过程中，对维护检查工作的结果进行管理，形成一个工作记录，将成为后续工作的一个非常有用的信息源。在PRM中维护人员可以将工作记录写入维护数据库中，使得维护工作记录的便于保存和检索，同时也是预测维护的重要数据之一。
此外，PRM还具有维护工作报告自动生成或协助生成功能。在方便了维护人员的同时，也使得维护工作报告进入数据库进行数字化管理。
(3) 现场设备信息资源共享
PRM允许其它网络（如商务网络）通过与现场总线网络的连接来共享现场设备的信息，当然这种访问需要PRM对访问者的权限进行确认。而且，PRM不仅仅起到现场网络和上位网络的中介作用，而且还能针对不同的需要，将现场信息分类提供。如：将设备参数设定信息提供给生产操作部门；将设备的使用和备件信息提供给采购部门；将设备的诊断信息提供给设备维护部门等等。
通过现场网络、控制网络以及商务网络的相互连接，实现了现场信息的充分共享，使管理人员、决策人员更准确的了解生产的情况，制定更切实的计划和措施，将有助于提高企业的活力。
3 结论和展望
目前，国内大多数生产厂的仪表设备巡检方式，还是依靠仪表人员的经验在现场进行；仪表参数的修改和整定也同样在现场手工完成。对于系统的维护则主要是通过定期的大修来预防和减少生产中设备故障的发生。也许，随着现场总线设备的发展和普及，以及类似PRM的维护系统的出现和改进，传统的维护方式也将随之改变。设备的中央巡检、中央整定将成为基本的操作；通过数据库工具、统计工具对每台关键设备进行预测分析及可靠性评估，将使系统定期的大修成为历史，取而代之的将是针对个别设备的预测维护，大幅度增加装置的有效运行时间，提高企业的生产效率。
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chenwh78 发表于 2009/4/13 12:36:50
A节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。2楼 回复本楼
B节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60％以上。
C节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。
D用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。
E提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。
引用 chenwh78 2009/4/13 12:36:50 发表于2楼的内容
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