現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設計與應用

0 引言

生產(chǎn)過程控制在經(jīng)歷了自動控制、集中控制與分散控制之后，隨著控制技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)以及網(wǎng)絡技術(shù)的快速發(fā)展，上世紀八十年代出現(xiàn)的基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)在近幾年內(nèi)日趨完善?，F(xiàn)場總線技術(shù)自推廣以來，已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)應用于冶金、汽車制造、石油化工等許多領(lǐng)域。

1 現(xiàn)場總線技術(shù)簡介

現(xiàn)場總線是一種連接智能儀表和自動化系統(tǒng)間雙向和多支路的數(shù)字通訊系統(tǒng)。它應用于過程控制的現(xiàn)場設備的局域網(wǎng)，并通過此網(wǎng)絡建立起一種具有控制現(xiàn)場智能設備能力的系統(tǒng)。

現(xiàn)場總線技術(shù)在經(jīng)歷了群雄并起，分散割據(jù)的初始階段后，盡管已經(jīng)有一定范圍的磋商合并，但至今尚未形成完整統(tǒng)一的國際標準。目前已開發(fā)出的現(xiàn)場總線有：P-Net，Device Net，Swift Net，Interbus，Modbus，Word FIP，Long-Works 等;但其中應用最廣泛的有：FF，Profibus，HART和CAN。本文主要闡述了BAYER涂料項目中的FF總線的應用情況。

1.1 FF現(xiàn)場總線特點

基金會現(xiàn)場總線有兩種通訊速率形式，分別為H1和H2，其中H1的傳輸速率為31.25Kbps，通訊距離能達到1.9km，支持總線供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境，H2的傳輸速率為1Mbps和2.5Mbps兩種，通訊距離為750m和500m。FF總線網(wǎng)絡通過商用交換機或路由器就可以連接到 INTERNET上，只要擁有相應的客戶端軟件和相應的權(quán)限，用戶在任何地方都可以通過INTERNET對生產(chǎn)過程進行遠程系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)試和故障診斷。

1.2 FF的拓撲結(jié)構(gòu)

FF總線采用單點型、總線型、樹型和菊花鏈型等四種結(jié)構(gòu)，其中總線型采用一種主干電纜，再分出多根分支電纜，每根分支電纜上接一臺現(xiàn)場設備;樹型是主干電纜上，一個端點分出多個分支;菊花鏈型是只有主干電纜，即現(xiàn)場設備都接在主干電纜上。在實際應用中這四種結(jié)構(gòu)

可混合使用。如圖1所示。

圖1 拓撲圖

2 FF總線在BAYER涂料項目的應用

2.1 FF總線控制系統(tǒng)選型

FF總線控制系統(tǒng)選型除了從系統(tǒng)的開放性、有效性、安全性、可靠性、可用性及維護性等原則來考慮，還需要從實用性等方面，同時更主要的是根據(jù)實際項目的工藝特點，在滿足工藝要求的原則下來考慮。本項目結(jié)合該項目的工藝特點及要求，采用的是EMERSON的DeltaV控制系統(tǒng)。另外，由于FF總線裝置目前投入費用比較高，因此本項目主要在模擬量信號中應用現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，主要儀表包括兩線制、四線制變送器和閥門定位器等，對于開關(guān)量信號和用于ESD的信號則沒有采用FF現(xiàn)場總線。

2.2 FF現(xiàn)場儀表選型

在FF總線儀表的設計與選型方面，由于現(xiàn)場總線儀表的控制功能是在現(xiàn)場實現(xiàn)，因此現(xiàn)場總線儀表與常規(guī)儀表的選型設計有所區(qū)別，其原因是：

1)現(xiàn)場總線儀表的功能由儀表所帶功能模塊決定。同類型被測變量的變送器如果所帶的功能模塊不同，所具有的功能也不同。因此，在現(xiàn)場總線儀表選型設計時，應根據(jù)不同的應用場合選用帶有不同功能模塊的FF儀表。

2)現(xiàn)場總線儀表的版本不同，其所帶的功能模塊的類型和數(shù)量也不同。這是現(xiàn)場總線儀表選型時需要注意的問題。通常，在常規(guī)儀表選型時，不必考慮儀表的版本。因此，現(xiàn)場總線儀表選型設計時，應該考慮儀表版本的影響。

3)由于FF總線儀表都是通過FF總線進行通訊的，因此，現(xiàn)場總線儀表的功能模塊所處位置不同，將影響總線上的通信量。合理的選擇FF總線儀表，可以減少通信量。該涂料項目位于防爆區(qū)域二區(qū)內(nèi)，所以本項目FF儀表最終主要選型是EMERSON相應的無火花型FF總線儀表。

2.3 FF現(xiàn)場總線網(wǎng)段(Segment)設計

網(wǎng)段設計結(jié)合管道儀表流程圖、現(xiàn)場總線儀表選型、初步儀表位置圖、電纜長度等對網(wǎng)段進行劃分。在BAYER涂料項目中，考慮了FF現(xiàn)場總線段的電流負載、總線電纜長度、電壓降和FF儀表數(shù)量等。每一個Segment可以掛的FF儀表的最大量受電源容量、設備之間的通訊量、總線可分配的地址、每段電纜的阻抗等因素的影響，BAYER項目整體制定了相關(guān)的規(guī)定，在下面的描述中會有相關(guān)的介紹。

1、總線網(wǎng)段電源模塊

1)FF電源調(diào)制器須進行冗余配置，能夠進行熱插拔。

2)主配電電源，冗余配置，該電源必須對地隔離。

3)電源模塊在故障時，具有報警輸出功能，在DCS中進行監(jiān)控。

2、終端器

在網(wǎng)段的兩端必須設置終端器，分別在FF電源模塊和現(xiàn)場專用端子塊箱。

2.4 現(xiàn)場總線的功能塊設置規(guī)定

由于網(wǎng)段通信速率的限制，在設計時，應關(guān)注FF設備在總線上的通信量和系統(tǒng)對網(wǎng)段執(zhí)行時間的限制。當設計控制策略時，使用現(xiàn)場總線儀表提供的狀態(tài)字節(jié)功能，如故障安全動作、抗積分飽和以及無擾動切換等功能，充分利用總線儀表提供的自身功能，減少網(wǎng)絡的通信量，提高FF總線的工作效率。

本項目中為了限制一個現(xiàn)場總線網(wǎng)段上的通信量，在設計過程中規(guī)定：

1)一個Segment上，控制回路不能超過2個。

2)在變送器上設置模擬輸入塊(AI)，在調(diào)節(jié)閥上設置模擬輸出塊(AO)。

3)對于單回路PID控制，如果在同一個Segment，PID功能模塊設置在執(zhí)行元件上;反之，設置在控制系統(tǒng)的控制器中。

4)串級控制回路，主回路的PID功能塊設置在控制系統(tǒng)的控制器，副回路的PID功能塊設置在執(zhí)行機構(gòu)上。

5)計算和邏輯功能塊及其它功能塊均設置在控制系統(tǒng)的控制器上。

2.5 現(xiàn)場總線配線設計

現(xiàn)場總線配線設計與傳統(tǒng)DCS配線設計不同，傳統(tǒng)的配線方式是：從就地接線箱到DCS接線柜干線電纜，通常采用20對對絞電纜，接線箱可以為20個現(xiàn)場設備提供接線，其中包括20%的備用。而現(xiàn)場總線干線(Homerun)電纜采用2對對絞分屏加總屏電纜，連接兩個段，一對用于第一個H1總線段，另一對用于第二個H1總線段。每個H1總線段可以連接10個現(xiàn)場總線設備?，F(xiàn)場總線設備通過單對屏蔽分枝電纜連接到接線箱。[!--empirenews.page--]

2.5.1 現(xiàn)場總線電纜

現(xiàn)場總線的物理信號、終端、電源、本質(zhì)安全等與常規(guī)儀表不同，兩者使用的電纜必須加以區(qū)別?？晒┑耐ㄓ嵥俾蕿?1.25kb/s的H1現(xiàn)場總線的電纜線類型、規(guī)格、最大長度等如表1所示，應根據(jù)工程需要來選擇電纜。一般首選A型用于新裝置;B型可作為替代品;C型、D型僅用于改造的裝置。

1、電纜的類型

1)干線電纜

在選型設計時，干線電纜通常采用A型對屏總屏多芯電纜，且應有20%-25%的裕量或至少有2芯的備用。

2)分支電纜分支電纜在選型設計時，通常采用A型對屏總屏電纜。

2、長度的限制

一個Segment現(xiàn)場總線電纜的長度為所有支電纜和干線電纜長度之和，對于A型電纜來說，其總長度≤1900m。如表2所示。

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，這個長度要求是保守的?，F(xiàn)場總線的長度是為了限制因長度而引起的電壓降和信號品質(zhì)(如衰減和失真)的影響。為了避免計算每個現(xiàn)場總線段的物理負荷和減少現(xiàn)場總線段設計確認工作，BAYER涂料項目要求每根總線電纜長度(干線加各支線總長度之和)不超過1420米，每個Segment段上不得超過8個FF儀表，分支電纜不超過75米。

2.5.2 現(xiàn)場總線接線箱

由于該項目位于防爆區(qū)域2區(qū)內(nèi)，且該現(xiàn)場空氣比較潮濕，根據(jù)上述工況，采用防爆電纜密封接頭，接線箱選用增安型(EExe)接線箱，該接線箱的總線端子塊有短路保護功能，保證一個支路短路時而不影響其他支路，并且使得儀表維護人員在控制室內(nèi)便可知道短路故障點。總線終端器在接線箱內(nèi)安裝時，應帶相應標記，防止被意外拆除。

按照BAYER對該項目的要求，每個FF接線箱最多接8臺FF儀表，就該涂料項目而言，最后經(jīng)過統(tǒng)計，平均每個接線箱接6臺FF儀表。

2.6 FF總線在本項目應用中的問題及原因

在該項目調(diào)試及開車過程中，控制回路能夠在滿足工藝要求的狀態(tài)下穩(wěn)定運行。同時在調(diào)試中也遇到一些問題，這些問題及主要原因歸納如下：

1、部分儀表控制室內(nèi)沒有信號：現(xiàn)場儀表與屏蔽層沒有絕緣，對信號造成干擾：選用多芯電纜時，不同網(wǎng)段的屏蔽線互連而造成的通訊干擾。

2、總線設備丟失：供電斷路、接線端子松動，在調(diào)換設備后，未進行重新調(diào)試;設備本身問題，如絕緣差、總線信號太弱等;現(xiàn)場總線設備的儀表版本與DCS主機系統(tǒng)版本不一致造成的。

2.7 總結(jié)FF現(xiàn)場總線的優(yōu)缺點

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)而言，具有很多優(yōu)點，但也存在缺點，現(xiàn)將其優(yōu)缺點歸納如下：

1、FF現(xiàn)場總線的優(yōu)點

1)提供了更豐富的信息，降低維修費用。

2)信號受干擾小，傳輸速度快。

3)總線系統(tǒng)的擴展非常方便。

4)總線系統(tǒng)大大減輕了工作站的運算負擔。

5)節(jié)約了施工材料。

2、FF現(xiàn)場總線的缺點

1)施工要求較高，對主干電纜和分支電纜的長度都有要求。

2)對維護設施的要求相應提高，如攜帶到現(xiàn)場的電動維護設備有一定的防爆要求，甚至對于臨時給接線箱開孔都要拿到裝置外進行，例如：在本涂料項目中，訂貨的接線箱開孔少了，需要臨時開孔，按照現(xiàn)場要求，不能在裝置內(nèi)進行，只能拿到廠區(qū)外開孔。

3)當一個網(wǎng)段出現(xiàn)故障后，特別是儀表短路后，由于維護人員無法直觀判斷是哪臺儀表發(fā)生故障，所以必須檢查該網(wǎng)段的所有儀表。

4)在工程設計方面，要求同一回路的設備盡量分配在同一個網(wǎng)段中，而當工程較大時，可能同一回路的設備不一定在同一平面或區(qū)域，這也可能會對現(xiàn)場儀表配線圖的繪制帶來一定的困難。

5)現(xiàn)有的防爆規(guī)定限制了總線長度和總線上所掛設備的數(shù)量，也就限制了現(xiàn)場總線節(jié)省電纜，節(jié)省施工材料的優(yōu)點的發(fā)揮。

3 結(jié)束語

從該項目的執(zhí)行情況來看，在現(xiàn)場總線控制技術(shù)的設計和應用中取得了優(yōu)異的成果，并積累了豐富的工程設計經(jīng)驗，為今后現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在石油化工領(lǐng)域的推廣、應用和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。另外，在設計施工過程中，要嚴格按照現(xiàn)場總線基金會系統(tǒng)工程指南的要求設計、施工、安裝、檢查驗收和調(diào)試，并在項目的實施過程中不斷地關(guān)注每個階段的工作，檢查并糾正工作中的錯誤，從而確?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)能成功投運。