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數字化的現場總線網絡為現場設備和控制室之間的鴻溝架起橋梁跨越鴻溝
發布時間：2009/6/29 11:34:21 修改時間：2009/6/29 11:34:21 瀏覽次數：2093

　　劍客好象變魔術一樣的舞動寶劍，但是其它人最好僅限于觀賞。換句話說，雖然有些人已經成功的安裝了數字化的現場總線網絡，但是這并不意味著你或者你公司的任何人也可以不經過必要的培訓就做到這一點。
　　那些不參考以前的經驗教訓就一躍而過現場總線鴻溝的人注定將會遭到象這些不愿透露自己姓名的回答者一樣的結局，這些回答者都來自一家基地在美國的重要工程公司。“我們一直不愿意明確指定使用基金會現場總線、HART、PROFIBUS或者其它數字化的現場總線網絡，”第一位工程師說道。“我們已經看過了各種介紹，出席了各種brown bags，但是我們的回答始終是謝謝你，我還是希望再等一等。”
　　他有很充分的理由猶豫不決。“我有一個朋友，他為一家系統集成商工作，這個系統集成商試圖使一個現場總線網絡正常工作。但是經過幾乎兩年的努力，現在他只想把自己所剩無幾的頭發都扯光。也許世界上存在一個魔幻之地，在那里魔術般的接線方式和設備已經被證明可靠、實用，已經被大量使用在先進的數據采集工業應用當中；在那里業主的現場技術員已經能夠理解和維護這些魔術般的接線方式和設備。但是在我們所服務的工業行業，迄今為止我們還不想要它，或者說還不需要它，”我們的第一個回答者下結論說。
　　另一個工程師概括介紹了他們公司對數字化現場總線的看法。他說道：“現場總線從理論上講是非常偉大的，但是由于各種各樣的原因，在實際上現場總線還沒有做到所承諾的事情。某些困難看起來與設計人員和安裝人員的培訓有關，或者說這些人對于現場總線的理解還不夠。另外的問題似乎與系統組態的復雜性有關。總的來說似乎是現場總線系統所能夠帶來的好處被它帶來的麻煩抵消了。”
　　比基于PC的網絡更加復雜
　　把現場總線網絡與PC網絡進行類比。至少你在日常工作的時候也使用一臺PC機，很可能在家里用得更多。如果你有一個家庭的有線或者無線局域網，你也許甚至知道一些關于網絡的知識。但是這不會使你成為一個計算機網絡專家。同樣的，你可能也知道一些關于儀表和控制系統方面的知識。你可能曾經設計或者安裝過一兩個小規模的數字化現場總線儀表網絡。但是這并不意味著你已經是一個數字化現場總線專家。
　　你知道，為了管理一個大規模的辦公室網絡，你的公司至少需要有一個經驗豐富的、高質量的計算機網絡專家小團隊。
　　如果你想要完成從4到20毫安到數字化現場總線的轉變，你也需要一個經驗豐富的、高質量的數字化現場總線專家小團隊。“對于想要完全轉變成數字化系統的人，其過程是一個很大的學習曲線，”Richard McCormick說道，他是位于魁北克省李維斯的Mick自動化的負責人。“對于PC經驗很有限的儀表技術人員來說，這是千真萬確的。”
　　千萬不要僅僅因為現場總線網絡的節點比較少，就錯誤的認為一個數字化現場總線網絡會比一個辦公室網絡更簡單。也許你只有五十臺儀表，但是其它因素甚至可能會使一個小型現場總線網絡象一個擁有數百臺PC機的PC網絡一樣復雜。
　　這些因素包括多種互不兼容的通訊協議、惡劣的安裝條件以及許多個通常是相互競爭多過合作的供應商。“與第一次升級到一個數字化現場總線網絡相關的并不僅僅只有一條巨大的學習曲線；當你需要問題的解決方案時，你還必須對付許多不兼容的設備驅動程序以及許多家供應商，”根據Thomas Tom的觀察。他是總部設在北卡羅來那州Raleigh的Progress Energy公司的主任工程師。
　　在對付多個供應商的時候需要小心。“來自于某個供應商的網絡主干單元也許與來自其它供應商的網絡分支模塊不完全兼容，”Philip Daniels講道。他是位于華盛頓特區的King County廢水處理部門的一名工程師。
　　“也許一個供應商提供了安裝在主機單元上的本質安全隔離柵，而另一個供應商也許提供了安裝在分支模塊上的安全柵。如果你挑選了錯誤的供應商產品組合，結果會是你的回路上沒有本質安全隔離柵在起作用，”Daniels補充道。
　　“另一個問題是單元的地址。基金會現場總線網絡就像任何其它網絡一樣，其中的各種各樣的組件都必須擁有獨一無二的地址。我們必須為現場設備編寫地址，就像為企業內部網的辦公室網絡編寫地址一樣。另一個給我們帶來麻煩的問題是單獨組件的編程。每一個設備都有獨特的編程要求，同時供應商也并非總能提供正確的設備文檔，”Daniels總結道。
　　因此你如何才能達到要求的速度呢？一個辦法是去雇傭一名對你需要的網絡和你現有的控制系統在設計、安裝和維護方面具有經驗的專家。不過我要說祝你好運！如果你能夠找到這樣一名專家的話。
　　這不像是在PC機的領域。只有很少的可互操作標準，具有長期的可跟蹤記錄資料以及一大群高質量的、具有證書的網絡工程師。相反，你必須處理許多的相互不兼容的技術、相當新的產品，但是只有很少有經驗的專業人員。
　　如果雇傭一個專家實際上是不可能的，那么另一個辦法就是你自己或者你的同事成為專家。這意味著獲得培訓，既可以從設備供應商那里獲得，也可以從專門的服務供應商那里獲得。
　　培訓的挑戰
　　下一步是以正確的方式進行培訓。這里的最終用戶選擇了這種困難的方式。“我們在實現數字化網絡方面的主要挑戰在于更加復雜設備的儀表技術培訓，”Danny Cox報告說，他是位于田納西州Collierville的AOC Resins公司的生產系統總監。Cox的公司使用過基金會現場總線、DeviceNet、AS-i以及HART協議來把現場設備連接到一套愛默生過程管理公司的Delta V控制系統。
　　“我們嘗試進行了供應商培訓，結果完全可以說是一場災難。現在我們找了一家工程公司，他們派人到工廠現場來，為我們提供手把手的培訓。至少對于我們的狀況來說，廠內培訓看起來更加有效，”他總結說。
　　AOC Resins公司必須處理四種不同的網絡以及來自十個不同供應商的儀表設備。把你所有的員工都送去接受十種不同的供應商課程培訓是不現實的。最好是培養一個公司自己的專家，他可以從各家供應商那里學習盡可能多的東西，也可以從網絡機構和其它最終用戶那里學習，然后由他來培訓公司里的其它人員。
　　對于數字化現場總線網絡來說，另一個區別于辦公室網絡的挑戰來自于需要熟悉和了解數字化現場總線網絡的人員數量太多。在一個辦公室里，只有少數的網絡專家了解網絡的詳細情況。但是在一個工廠里，整個自動化部門可能都需要處理現場總線網絡的問題，至少是部分的網絡問題。工程師們需要知道怎樣對網絡進行初始設置。他們還需要確定有些重要儀表的參數，過程控制和信息系統需要這些儀表的信息。他們需要知道怎樣對軟件包進行組態以便接收網絡傳送過來的數據。
　　儀表技術員們需要知道怎樣使用網絡進行遠程校驗。他們必須能夠理解儀表的數據以便進行預防性維護。儀表技術員們必須保存校驗記錄，這樣他們就必須知道怎樣存儲這些數據，在哪里存儲這些數據。
　　如果有些地方出了故障或者在初次安裝后需要作一些改變，工程師和儀表技術員常常需要一起工作來解決問題。
　　因此我們面臨這樣一種狀況，你公司里面的很多人都必須迅速學習了解各種網絡、各種各樣的現場設備以及至少一種控制和信息系統。恰當的培訓是至關重要的，這樣你才能夠預先了解你將會遇到什么樣的情況。你應該多看看和多了解和你類似的其它最終用戶是怎樣在現場總線戰役當中獲勝的。
　　贏得勝利
　　在供應商信息方面的最大問題是他們總是描繪出一幅非常美妙的畫面，因為供應商總是希望推廣自己的網絡。如果你聽信供應商的推薦而采用某一特定的數字化網絡技術，你必然會帶著不能實現的預期開始你的項目。
　　你有兩個途徑來獲知真相。第一個是從其它最終用戶、系統集成商以及工程公司那里了解情況，他們可能已經經歷過你想要作的事情。有一些服務提供商為最終用戶提供實時幫助，安裝來自不同供應商的網絡系統。
　　首先讓我們聽聽來自一個最終用戶的介紹。當Richard McCormick還在Ultramar公司的時候，該公司在一個底層裝置上實施了一個基金會現場總線（FF）項目。工程師通過現場總線接口模件把現場儀表連接到一套Honey-Well Expersion PKS（www.honeywell.com）自動化系統上。“我們使用霍尼維爾公司的資產管理軟件采集來自于Expersion系統的FF數據。我認為這些軟件是必須的，如果你想要完全開發FF的功能。因為通過FF儀表有如此豐富的數據可資利用，在把這些數據呈現給儀表技術員之前，你需要一種軟件對它們進行去粗取精的處理。這個軟件能夠向儀表技術員提供從不同儀表供應商的內建診斷程序獲得的公用的故障源信息，這能夠大大簡化儀表技術員的工作，”McCormick建議說。
　　現在讓我們聽聽來自供應商的建議，他使用過許多不同類型的現場總線技術并且對推廣某一種技術不感興趣。“某些最困難的問題會在開車階段出現，一般是由不正確的安裝造成的，”Desmond Ho說道。他是位于中國上海的MooreHawke公司的現場總線應用顧問。
　　“在很多情況下是網段的終端器沒有設置好。所有的現場總線網段都需要合適的終端器來防止不受控制的信號反射造成通訊錯誤。而很多分包商很少注意終端器，甚至把它們完全給忘記了，或者是不管哪里的到處安裝終端器。這兩種方式都會使網段無法正常操作。通常，對中間接線盒和現場保護箱進行逐個檢查是唯一解決終端器位置錯誤的辦法，這會給調試過程帶來巨大的延誤，”Ho繼續道。
　　“這個問題其實可以在開始的時候就避免的，只要選擇新型的帶有自動網段終端器的連接設備就可以了，例如我們公司的設備連接器。自動化網段終端器完全消除了這類設置太多終端器或是終端器設置不足的問題，對網段的調試工作有很大幫助。如果使用了多個現場設備連接器，永遠是在最遠端設備上的自動終端器被自動激活。如果這根線被斷開了，自動終端器也會自動隨著網段而變化，”Ho總結道。
　　ARC Advisory Group的研究總監Wil Chin為我們提出了一些如何處理來自多個供應商的通訊協議的很有價值的建議。“對于終端用戶來說，最好的辦法就是挑選一個具有多協議處理能力的供應商。作為一個備選項，在工廠升級的時候也可以考慮FDT技術，特別是當你的目標是設計一套全廠范圍的資產管理系統的時候。”
　　正確應對問題的好處
　　一旦AOC Resins公司解決了怎樣對人員進行培訓的問題，他們就開始感覺到隨之帶來的好處。“數字化數據的主要優點在于在線儀表的健康狀況監視以及多變量信息的通訊能力。最好的例子就是我們的科里奧利流量計驅動增益監測。如果一個增益超過了限值，我們可以假定這臺流量計里有氣體，同時把第一測量切換到負載單元。我們還可以用一種類似的方法來識別雷達液位計沒有被鎖定在一個目標上，只要觀察信號的強度就可以知道了。這樣可以防止冒罐。”Cox說道。
　　防止了一次冒罐以及與之相關的溢流、停車和清掃工作，這些好處很大程度上證明了數字化現場總線系統的優勢。
　　Mick自動化公司的McCormick說其它重要的優勢還有：分散化的控制、簡單的接線、降低了實施費用、測量精確度更高以及預防性維護能力。
　　“過程工廠現在能夠獲得歷史數據用于過程分析、過程改進以及實時生產管理，”Dan Miklovic說道，他是Gartner公司的制造研究副總裁。“工廠還能夠使用仿真技術來組態軟件傳感器，以及由此避免安裝和維護在爆炸危險區域的硬件傳感器。”
　　現場總線帶來的這些好處是否值得付出金錢和承擔風險呢？這是你必須作出的判斷。你必須確保在分析的時候已經把所有的花費和好處都考慮在內，并且保證你的信息都來自于立場公正的信息來源。
　　什么使數字化現場總線的實施困難重重？
　　工業界缺乏大量的專家
　　標準太多
　　經常需要協調多種網絡和多個供應商
　　惡劣的安裝條件
　　需要處理大量的數據
　　很多使用者都必須學習怎樣利用網絡
　　供應商總是推薦他們自己的網絡，而不是針對項目實施當中的困難對客戶提出警告
　　怎樣迅速掌握信息
　　在你的公司里指定一個或者多個人，使之成為專家
　　培養自己的內部專家，由他來培訓公司里的其它人員
　　確保操作人員盡早使用技術，經常使用技術
　　尋找和參加供應商的立場公正的介紹會
　　與其它有類似項目經驗的終端用戶討論
　　任命一個獨立于各家供應商的系統集成商
　　你將從中得到什么？
　　降低了安裝費用
　　加快了調試速度
　　實現遠程儀表維護
　　獲得更多的儀表數據
　　使用多變量儀表更加方便
　　更高的測量精度
　　具備分散控制能力
　　PROFINET集成現場總線系統
　　終端用戶必須經常處理自己工廠里邊的多種現場總線網絡。這使得網絡設計、安裝和維護變得更加復雜。
　　剛好是所需要的淀粉數量
　　Jeff Mueller是位于北卡羅來那州索爾茲伯里的國民淀粉和化學公司電子材料分部的工程經理。他的公司使用profibus pa和profibus dp來連接現場設備與一套西門子PCS7系統。
　　國民淀粉公司采用現場總線通訊來監視壓力、流量、液位、電導率、pH值和重量測量儀表。“大多數儀表供應商現在都能夠提供profibus作為一種通訊可選項，或者為你提供一塊卡板來把自己的儀表改造為profibus通訊。這有助于維持一個開放的供應商列表，使我們保持工廠歷來的儀表設備標準，”Mueller說道。
　　Mueller給我們提出了一些很好的關于設計和安裝的建議：
　　1．確保你的儀表供應商擁有與profibus通訊的GSD文件；
　　2．獲得每個供應商的最大需要電流數值（mA），這樣你就可以設計最優化的profibus連接順序布置方案；
　　3．選擇電磁閥執行機構可以使用小于7.5mV電壓的自動控制閥門，這樣你就可以使用本質安全的輸出卡件，不再需要配置單獨的安全柵；
　　4．與你的電氣/儀表安裝承包商密切合作，確保他們理解profibus可以減少安裝時間及費用的優點；
　　5．每個DP/PA儀表組（5到7個模擬儀表）使用一根電纜，配置5到7個終端；
　　6．在安裝完成以后，請系統集成商或者工廠的控制工程師重新打開每一個T型連接器下游的分支，為小組里的每一個后繼儀表分配地址；
　　7．每個儀表都應該在線組態，而不是在現場組態。
　　國民淀粉公司獲得的好處還包括降低了安裝費用以及可以遠程接入儀表。“profibus消耗的安裝費用更少，因為我們只用一根電纜連接5到7臺儀表。這是保證總電流低于85毫安，同時維持本質安全情況下所允許的最大儀表數量，”Mueller說道。
　　“每臺儀表都需要人員去激活/解鎖其軟件通訊、設置DIP開關或者準備接受新的profibus地址。但是經過這些操作以后，剩下的編程工作可以在有空調的舒適的控制室里完成。任何坐在10000加侖火箭推進劑上、在華氏95度的溫度以及濕度95％的環境下為儲罐的液位計編程的人都會非常喜歡現在的方式，”Mueller總結說。
　　HART使油漆保持流動
　　Terry Dave是位于加利福尼亞州Redlands的Meter Maintenance & Controls公司的總裁。他的公司從去年開始在Valspar油漆和涂料工廠實施HART數字化現場總線技術。
　　“組態非常方便，同時還具備從工廠最底層取回關鍵診斷信息的能力，卻不需要與設備進行直接連接。這些特點使我們的信息采集能力達到了全新的水平，”Dave說道。
　　“我們正在使用基于PC的ProSoft組態生成器，這個軟件非常容易使用并且具有很強的通用性。它使我們既可以從PLC獲得信息，也可以使用板載的ProSoft客戶端模件向PLC發送信息。這給我們提供了很大的組態選擇權，”他補充道。
　　雖然HART網絡每個通道總共最多能夠連接15臺設備，設備管理器一般將每個總線限制在十臺設備或者更少，以便提高通訊速率和可靠性。
　　Valspar公司使用Micro Motion公司的質量流量計來讀取批量過程當中的流量、溫度和密度信息。他們使用一個診斷屏幕在靜態狀況下接觸這些內部參數。在批量過程當中，系統跟蹤來自儀表的信息，通過洛克維爾軟件公司的RSSQL將其轉換成一個微軟的SQL數據庫，用于趨勢和維護計劃。報警和計量信息通過RS-View進行顯示。
　　“分析計量數據為我們提供了預測機泵變化和計量問題的能力，我們現在不需要在批量過程正在進行的時候到現場去了。我們現在還能夠在設備出問題以前發現有問題的趨勢，”Davis說道。
　　我們發現分析和操作通過HART從儀表里得到的信息為我們帶來了極大的好處。現在我們的任何系統都沒有停機時間，并且我們還發現用這種系統通過HMI來獲取重要信息并不需要專門的技術知識。
　　“Valspar公司已經完全接受了這種技術，他們正在使用這些信息獲得巨大成功。他們現在能夠根據流量來了解過濾器的變化趨勢，并且預測過濾器何時必須進行更換。而不是象以前一樣等到過濾器完全堵塞了再進行更換。這種改變既節省時間又節省金錢，”他總結說。
　　現場總線使125年的老廠重新青春煥發
　　Yves Levesque是位于魁北克Kingsey Falls的Cascades工程和項目公司的技術辦公室主管。他的公司把有125年歷史的Rolland造紙廠升級為基金會現場總線（FF）。
　　這個造紙廠的控制系統非常老舊，大多數是氣動儀表，加上少量4到20毫安的HART設備。“費用很高，需要大量的人工干預，而且工廠正在虧損，”
　　Levesque說道。“隨著最近加元的升值和來自東南亞的有史以來最激烈的競爭，我們需要迅速作出改變才能使工廠不至于被迫關門。”
　　工廠作出決定將其中兩個造紙廠的機械進行自動化改造。“由于考慮對其進行整體的更新，我們把所有氣動儀表都更換成為FF儀表，并且把它們連接到新的DeltaV控制系統。我們還安裝了一些DeviceNet設備來處理數字量I/O，同時把現有的4到20毫安HART設備連接到一個DeltaV的遠程I/O系統” Levesque說道。
　　“我們選擇基金會現場總線的最重要原因是降低電纜的費用。通過把多個儀表連接到一個FF，同時利用遠程I/O的能力把數字量I/O或者4到20毫安HART設備也連接到控制系統，從而大大降低了所需要的電纜數量，” Levesque說道。
　　Levesque宣稱每臺設備大約節省了400美元的調試費用。Cascade公司還在沒有一次大規模停車的情況下完成了升級工作。“我們進行了七次獨立過程的小規模停車，但是整個升級改造期間造紙廠總體上一直保持運轉。”
　　他補充說，“一個很大的好處是我們可以從FF儀表獲得大量的信息。對于模擬信號和HART信號你需要有特殊的卡件和特別的培訓才能做到這樣。而對于FF系統，這些是完全透明的、開放的。我們發現這是一種非常好的工具，可以在很短的時間周期內傳送許多的信息。”
　　最主要的挑戰就是對于基金會現場總線不熟悉。“在Cascade公司沒人有FF的經驗或者以前曾經組態過FF設備。兩個Cascade工程和項目公司的技術人員接受了短期的基金會現場總線培訓課程，然后我們就能夠進行完整的組態工作，所花費的時間與處理模擬設備一樣多，”Levesque說道。
　　“我們確實上過一堂課。當我們安裝現場總線系統時我們在網段上使用了T形連接器，同時我們很快意識到如果使用連接塊或者模塊連接器可能會更好。其中的秘密就在于事先稍微多做一些計劃工作，” Levesque繼續說。
　　“最后的挑戰來自于工廠的人員。他們當中的許多人對于氣動儀表已經有25到30年的經驗，我們擔心他們在學習FF時會遇到困難。但是DeltaV與FF的組合非常的用戶友好，所以他們學習的很快，” Levesque總結道。

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