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李  暉

1  現(xiàn)場總線技術(shù)
1.1  現(xiàn)場總線技術(shù)及其特點(diǎn)
“現(xiàn)場總線”名詞的出現(xiàn)，已有十幾年的歷史，在現(xiàn)場總線技術(shù)誕生的初期，它的主要功能是將當(dāng)時(shí)的可編程邏輯控制器（PLC）以一種較簡潔的方式連接起來，后來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，逐步發(fā)展成為連接工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備和控制室系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站點(diǎn)的通信技術(shù)。在過程控制領(lǐng)域內(nèi)，它就是從控制室延伸到現(xiàn)場測量儀表、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)字通信總線。它取代了傳統(tǒng)模擬儀表單一的4~20mA傳輸信號，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備與控制室主控設(shè)備間的雙向、數(shù)字化的多信息交換。
目前國內(nèi)國際的幾種常用的具有影響的現(xiàn)場總線和智能儀表有以下幾種：基金會(huì)現(xiàn)場總線（Foundation Fieldbus）、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART等。
在工業(yè)控制領(lǐng)域，現(xiàn)場總線儀表與常規(guī)的模擬量儀表相比，有其特有的優(yōu)勢，如：現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，一對雙絞線或一條電纜上通常可以掛接多個(gè)設(shè)備，因而可減少安裝的費(fèi)用；現(xiàn)場總線儀表自身能直接執(zhí)行多種控制計(jì)算和報(bào)警功能，進(jìn)一步分散了控制風(fēng)險(xiǎn)；具有數(shù)字通訊和診斷能力，提高了系統(tǒng)的精度和可靠性；通訊標(biāo)準(zhǔn)相對統(tǒng)一，同一條總線上可連接多個(gè)制造商的產(chǎn)品。
1.2  目前現(xiàn)場總線技術(shù)在應(yīng)用中的定位
由于現(xiàn)場總線設(shè)備有以上的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)有基于現(xiàn)場總線儀表的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。雖然由于目前現(xiàn)場總線儀表內(nèi)部功能較為簡單，這種結(jié)構(gòu)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到現(xiàn)有DCS或PLC的控制水平，也不能完成復(fù)雜的順序控制和聯(lián)鎖功能。但有觀點(diǎn)認(rèn)為隨著制造技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，未來以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）將取代現(xiàn)有的DCS和PLC。不過，筆者認(rèn)為任何應(yīng)用于商業(yè)的技術(shù)，都應(yīng)該是以降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量為基礎(chǔ)的，現(xiàn)場總線的技術(shù)發(fā)展也不應(yīng)例外。也許當(dāng)“FCS”的功能達(dá)到目前DCS的控制水平時(shí)，那時(shí)生產(chǎn)制造商的要求已經(jīng)不僅僅局限于這些功能了。因此現(xiàn)場總線儀表在未來控制系統(tǒng)中的主要功能，仍然應(yīng)該是進(jìn)行信息收集，應(yīng)該是信息量更多、速度更快、精度更高的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，而不是進(jìn)行中央數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)中大量信息的處理仍應(yīng)由功能更強(qiáng)大的中央計(jì)算機(jī)來完成，就像現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)中的現(xiàn)場控制站和操作站一樣。
目前現(xiàn)場總線技術(shù)存在的合理性在于，它不僅僅能夠采集生產(chǎn)中的過程數(shù)據(jù)，如溫度、壓力等，還能夠通過網(wǎng)絡(luò)收集各個(gè)儀表自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)，如量程、工作時(shí)間、故障情況等，通過這些數(shù)據(jù)來進(jìn)行設(shè)備遠(yuǎn)程診斷，可以提高設(shè)備維護(hù)的效率，有利于進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。目前已經(jīng)出現(xiàn)了基于現(xiàn)場總線技術(shù)的工廠資源管理系統(tǒng)（PRM，Plant Resource Manager）。
2  工廠資源管理系統(tǒng)
2.1  概述
隨著生產(chǎn)工業(yè)的競爭日趨激烈，產(chǎn)品成本成為競爭的重要因素，維護(hù)成本作為產(chǎn)品成本中的主要部分，也漸漸為生產(chǎn)廠商所關(guān)注，成為成本管理的焦點(diǎn)之一。
目前，F(xiàn)oundation Fieldbus（以下簡稱為FF）和其他現(xiàn)場總線產(chǎn)品已進(jìn)入推廣階段。這些設(shè)備都具有在線獲取現(xiàn)場設(shè)備各種數(shù)據(jù)的能力，這就使得現(xiàn)場設(shè)備的故障預(yù)告和裝置的預(yù)測維護(hù)變成可能。同時(shí)，通過在中央控制室使用檢查計(jì)劃時(shí)間表、檢查備忘錄等一系列預(yù)測維護(hù)工具，不僅能夠大幅度的降低維護(hù)成本，而且能夠增加裝置的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。
YOKOGAWA開發(fā)的基于現(xiàn)場總線技術(shù)的工廠資源管理系統(tǒng)軟件包，是對現(xiàn)場設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)和預(yù)測維護(hù)的一個(gè)很好的嘗試。
PRM系統(tǒng)的特點(diǎn)包括：在線收集并存儲(chǔ)具有數(shù)字交互通訊功能儀表設(shè)備（如FF設(shè)備等）的參數(shù)，并集成了一些預(yù)測維護(hù)的軟件工具；提供了多種設(shè)備分類方式，以及多種設(shè)備維護(hù)信息的管理方式，如檢查計(jì)劃時(shí)間表、檢查備忘錄等；允許維護(hù)人員及時(shí)調(diào)整現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)和相關(guān)信息；并且，可以實(shí)時(shí)的采集針對現(xiàn)場設(shè)備的操作信息，如參數(shù)整定的具體時(shí)間和人員信息等，這些信息也是設(shè)備維護(hù)的重要參數(shù)之一。圖1所示，為PRM維護(hù)信息顯示畫面（設(shè)備詳細(xì)信息畫面和設(shè)備檢查備忘錄畫面）。 

圖1  設(shè)備信息維護(hù)畫面

2.2  工廠資源管理系統(tǒng)在生產(chǎn)中的位置
工廠資源管理系統(tǒng)的信息來源是位于生產(chǎn)第一線的具有數(shù)字通訊能力的智能設(shè)備，如現(xiàn)場總線設(shè)備等；它的信息處理中心和遠(yuǎn)程維護(hù)終端既可以位于中央控制室，為現(xiàn)場維護(hù)人員提供設(shè)備的第一手資料，也可以位于生產(chǎn)廠的各個(gè)相關(guān)的管理部門，如生產(chǎn)管理部門、采購部門等。
如圖2所示為PRM在生產(chǎn)管理中的位置。PRM服務(wù)器是信息管理和處理中心；PRM客戶終端就如同DCS的操作站是生產(chǎn)操作人員的操作平臺(tái)一樣，是維護(hù)人員和設(shè)備管理人員的維護(hù)管理信息平臺(tái)。 

圖2  PRM在工廠中的位置

2.3  功能和特點(diǎn)
PRM采用客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。這就允許客戶隨著系統(tǒng)的擴(kuò)展和現(xiàn)場設(shè)備的增加，隨時(shí)添加計(jì)算機(jī)終端作為PRM客戶端。同時(shí)客戶端計(jì)算機(jī)和服務(wù)器通過以太網(wǎng)連接，使得維護(hù)終端不再局限于工廠的內(nèi)部。PRM用來存貯維護(hù)信息和設(shè)備信息的數(shù)據(jù)庫采用Oracle公司的產(chǎn)品，是一個(gè)可以24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行的大型數(shù)據(jù)庫。
PRM具有良好的兼容性。它不僅僅支持FF設(shè)備，還支持Profibus設(shè)備、Modbus設(shè)備、HART儀表，同時(shí)也能管理常規(guī)的4~20mA儀表以及其它的現(xiàn)場設(shè)備，如泵等。當(dāng)然PRM功能的發(fā)揮，還是要依靠被管理的現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字通訊能力。FF設(shè)備、Profibus設(shè)備能提供令人滿意的設(shè)備信息，用以提高維護(hù)效率。同時(shí)，PRM對于那些不具備數(shù)字通訊能力的現(xiàn)場設(shè)備也能進(jìn)行管理。這就使維護(hù)人員能夠?qū)λ械默F(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行集中管理，便于制定一個(gè)針對各種設(shè)備的最適合的維護(hù)計(jì)劃。
PRM提供多種的遠(yuǎn)程維護(hù)和預(yù)測維護(hù)功能，具體如下：
設(shè)備的維護(hù)信息管理。PRM的設(shè)備信息管理方式類似于WINDOWS中的資源管理器，并且可以對現(xiàn)場的設(shè)備采用三種分類方式進(jìn)行管理：以生產(chǎn)裝置的工序或工段分類以設(shè)備的通訊網(wǎng)絡(luò)類型分類、以及以用戶自定義的設(shè)備類型分類。圖3所示，為以設(shè)備的通訊網(wǎng)絡(luò)類型分類時(shí)的PRM設(shè)備管理器。
在PRM設(shè)備資源管理器中，對每個(gè)設(shè)備的各種信息也作了歸類。表1列出了PRM可以管理的維護(hù)信息種類。這些設(shè)備信息都能保存在數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)也能將具體進(jìn)行設(shè)備維護(hù)人員的信息，以及進(jìn)行維護(hù)操作的原因等一同記錄在數(shù)據(jù)庫中。 

圖3  PRM設(shè)備資源管理器畫面

PRM不僅提供了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，而且提供了新舊參數(shù)的比較功能，在設(shè)備參數(shù)維護(hù)畫面中，可以同時(shí)顯示現(xiàn)有的儀表參數(shù)和維護(hù)人員設(shè)定了的參數(shù)，如果兩個(gè)參數(shù)不一致，則以紅色突顯出來，使得設(shè)備參數(shù)的修改更加方便和安全。

表1  PRM維護(hù)信息分類

(1)  設(shè)備診斷和參數(shù)整定
•  現(xiàn)場設(shè)備診斷功能
設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視窗口允許在一個(gè)故障發(fā)生之后快速的檢查設(shè)備的狀態(tài)，減少了現(xiàn)場檢查的工作。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，將產(chǎn)生報(bào)警提醒維護(hù)人員，同時(shí)也能夠像查看設(shè)備參數(shù)一樣，觀察設(shè)備的錯(cuò)誤狀態(tài)信息。這些功能使維護(hù)人員能在第一時(shí)間獲得設(shè)備的故障信息，及時(shí)分析故障原因、制定相應(yīng)的對策，以及快速的更換有問題設(shè)備，減少因儀表設(shè)備故障而導(dǎo)致的生產(chǎn)停頓。
•  現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)調(diào)整
PRM針對FF設(shè)備集成了遠(yuǎn)程調(diào)校功能。它不僅能對儀表的參數(shù)進(jìn)行顯示、比較以及設(shè)定，而且還可以將特殊設(shè)備的調(diào)校方法和順序記錄在“設(shè)備描述”中，用以方便維護(hù)人員操作。
•  閥門診斷功能
PRM專門針對閥門設(shè)計(jì)了診斷功能，它通過采集和積累閥門的信息，如使用時(shí)間、動(dòng)作的頻度等，用來進(jìn)行閥門的統(tǒng)計(jì)預(yù)防維護(hù)。統(tǒng)計(jì)預(yù)防維護(hù)不僅僅能提高維護(hù)的效率，而且也能通過延長閥門的檢修周期來提高工廠的生產(chǎn)效率。同時(shí)，積累的信息還能提供給生產(chǎn)操作人員，以尋求更適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)方法，提高了閥門的控制精度。在一個(gè)生產(chǎn)裝置中往往要使用大量的閥門，因此提高閥門的精度將會(huì)有助于提高生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量。
當(dāng)然，以上這些功能都需要具有智能通訊功能的現(xiàn)場儀表及閥門來支持，如FF總線儀表等。
(2)  維護(hù)檢查的記錄文檔和報(bào)表
在維護(hù)的過程中，對維護(hù)檢查工作的結(jié)果進(jìn)行管理，形成一個(gè)工作記錄，將成為后續(xù)工作的一個(gè)非常有用的信息源。在PRM中維護(hù)人員可以將工作記錄寫入維護(hù)數(shù)據(jù)庫中，使得維護(hù)工作記錄的便于保存和檢索，同時(shí)也是預(yù)測維護(hù)的重要數(shù)據(jù)之一。
此外，PRM還具有維護(hù)工作報(bào)告自動(dòng)生成或協(xié)助生成功能。在方便了維護(hù)人員的同時(shí)，也使得維護(hù)工作報(bào)告進(jìn)入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)字化管理。
(3)  現(xiàn)場設(shè)備信息資源共享
PRM允許其它網(wǎng)絡(luò)（如商務(wù)網(wǎng)絡(luò)）通過與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的連接來共享現(xiàn)場設(shè)備的信息，當(dāng)然這種訪問需要PRM對訪問者的權(quán)限進(jìn)行確認(rèn)。而且，PRM不僅僅起到現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)和上位網(wǎng)絡(luò)的中介作用，而且還能針對不同的需要，將現(xiàn)場信息分類提供。如：將設(shè)備參數(shù)設(shè)定信息提供給生產(chǎn)操作部門；將設(shè)備的使用和備件信息提供給采購部門；將設(shè)備的診斷信息提供給設(shè)備維護(hù)部門等等。
通過現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)以及商務(wù)網(wǎng)絡(luò)的相互連接，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場信息的充分共享，使管理人員、決策人員更準(zhǔn)確的了解生產(chǎn)的情況，制定更切實(shí)的計(jì)劃和措施，將有助于提高企業(yè)的活力。
3  結(jié)論和展望
目前，國內(nèi)大多數(shù)生產(chǎn)廠的儀表設(shè)備巡檢方式，還是依靠儀表人員的經(jīng)驗(yàn)在現(xiàn)場進(jìn)行；儀表參數(shù)的修改和整定也同樣在現(xiàn)場手工完成。對于系統(tǒng)的維護(hù)則主要是通過定期的大修來預(yù)防和減少生產(chǎn)中設(shè)備故障的發(fā)生。也許，隨著現(xiàn)場總線設(shè)備的發(fā)展和普及，以及類似PRM的維護(hù)系統(tǒng)的出現(xiàn)和改進(jìn)，傳統(tǒng)的維護(hù)方式也將隨之改變。設(shè)備的中央巡檢、中央整定將成為基本的操作；通過數(shù)據(jù)庫工具、統(tǒng)計(jì)工具對每臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行預(yù)測分析及可靠性評估，將使系統(tǒng)定期的大修成為歷史，取而代之的將是針對個(gè)別設(shè)備的預(yù)測維護(hù)，大幅度增加裝置的有效運(yùn)行時(shí)間，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。