現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的設計與應用

0 引言

生產(chǎn)過(guò)程控制在經(jīng)歷了自動(dòng)控制、集中控制與分散控制之后，隨著(zhù)控制技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的快速發(fā)展，上世紀八十年代出現的基于現場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統在近幾年內日趨完善?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)自推廣以來(lái)，已經(jīng)在全世界范圍內應用于冶金、汽車(chē)制造、石油化工等許多領(lǐng)域。

1 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)簡(jiǎn)介

現場(chǎng)總線(xiàn)是一種連接智能儀表和自動(dòng)化系統間雙向和多支路的數字通訊系統。它應用于過(guò)程控制的現場(chǎng)設備的局域網(wǎng)，并通過(guò)此網(wǎng)絡(luò )建立起一種具有控制現場(chǎng)智能設備能力的系統。

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在經(jīng)歷了群雄并起，分散割據的初始階段后，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一的國際標準。目前已開(kāi)發(fā)出的現場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)的應用情況。

1.1 FF現場(chǎng)總線(xiàn)特點(diǎn)

基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通過(guò)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(hù)端軟件和相應的權限，用戶(hù)在任何地方都可以通過(guò)INTERNET對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行遠程系統組態(tài)、調試和故障診斷。

1.2 FF的拓撲結構

FF總線(xiàn)采用單點(diǎn)型、總線(xiàn)型、樹(shù)型和菊花鏈型等四種結構，其中總線(xiàn)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場(chǎng)設備;樹(shù)型是主干電纜上，一個(gè)端點(diǎn)分出多個(gè)分支;菊花鏈型是只有主干電纜，即現場(chǎng)設備都接在主干電纜上。在實(shí)際應用中這四種結構

可混合使用。如圖1所示。

圖1 拓撲圖

2 FF總線(xiàn)在BAYER涂料項目的應用

2.1 FF總線(xiàn)控制系統選型

FF總線(xiàn)控制系統選型除了從系統的開(kāi)放性、有效性、安全性、可靠性、可用性及維護性等原則來(lái)考慮，還需要從實(shí)用性等方面，同時(shí)更主要的是根據實(shí)際項目的工藝特點(diǎn)，在滿(mǎn)足工藝要求的原則下來(lái)考慮。本項目結合該項目的工藝特點(diǎn)及要求，采用的是EMERSON的DeltaV控制系統。另外，由于FF總線(xiàn)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場(chǎng)總線(xiàn)結構，主要儀表包括兩線(xiàn)制、四線(xiàn)制變送器和閥門(mén)定位器等，對于開(kāi)關(guān)量信號和用于ESD的信號則沒(méi)有采用FF現場(chǎng)總線(xiàn)。

2.2 FF現場(chǎng)儀表選型

在FF總線(xiàn)儀表的設計與選型方面，由于現場(chǎng)總線(xiàn)儀表的控制功能是在現場(chǎng)實(shí)現，因此現場(chǎng)總線(xiàn)儀表與常規儀表的選型設計有所區別，其原因是：

1)現場(chǎng)總線(xiàn)儀表的功能由儀表所帶功能模塊決定。同類(lèi)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，在現場(chǎng)總線(xiàn)儀表選型設計時(shí)，應根據不同的應用場(chǎng)合選用帶有不同功能模塊的FF儀表。

2)現場(chǎng)總線(xiàn)儀表的版本不同，其所帶的功能模塊的類(lèi)型和數量也不同。這是現場(chǎng)總線(xiàn)儀表選型時(shí)需要注意的問(wèn)題。通常，在常規儀表選型時(shí)，不必考慮儀表的版本。因此，現場(chǎng)總線(xiàn)儀表選型設計時(shí)，應該考慮儀表版本的影響。

3)由于FF總線(xiàn)儀表都是通過(guò)FF總線(xiàn)進(jìn)行通訊的，因此，現場(chǎng)總線(xiàn)儀表的功能模塊所處位置不同，將影響總線(xiàn)上的通信量。合理的選擇FF總線(xiàn)儀表，可以減少通信量。該涂料項目位于防爆區域二區內，所以本項目FF儀表最終主要選型是EMERSON相應的無(wú)火花型FF總線(xiàn)儀表。

2.3 FF現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段(Segment)設計

網(wǎng)段設計結合管道儀表流程圖、現場(chǎng)總線(xiàn)儀表選型、初步儀表位置圖、電纜長(cháng)度等對網(wǎng)段進(jìn)行劃分。在BAYER涂料項目中，考慮了FF現場(chǎng)總線(xiàn)段的電流負載、總線(xiàn)電纜長(cháng)度、電壓降和FF儀表數量等。每一個(gè)Segment可以?huà)斓腇F儀表的最大量受電源容量、設備之間的通訊量、總線(xiàn)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)的規定，在下面的描述中會(huì )有相關(guān)的介紹。

1、總線(xiàn)網(wǎng)段電源模塊

1)FF電源調制器須進(jìn)行冗余配置，能夠進(jìn)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(shí)，具有報警輸出功能，在DCS中進(jìn)行監控。

2、終端器

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

2.4 現場(chǎng)總線(xiàn)的功能塊設置規定

由于網(wǎng)段通信速率的限制，在設計時(shí)，應關(guān)注FF設備在總線(xiàn)上的通信量和系統對網(wǎng)段執行時(shí)間的限制。當設計控制策略時(shí)，使用現場(chǎng)總線(xiàn)儀表提供的狀態(tài)字節功能，如故障安全動(dòng)作、抗積分飽和以及無(wú)擾動(dòng)切換等功能，充分利用總線(xiàn)儀表提供的自身功能，減少網(wǎng)絡(luò )的通信量，提高FF總線(xiàn)的工作效率。

本項目中為了限制一個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段上的通信量，在設計過(guò)程中規定：

1)一個(gè)Segment上，控制回路不能超過(guò)2個(gè)。

2)在變送器上設置模擬輸入塊(AI)，在調節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(gè)Segment，PID功能模塊設置在執行元件上;反之，設置在控制系統的控制器中。

4)串級控制回路，主回路的PID功能塊設置在控制系統的控制器，副回路的PID功能塊設置在執行機構上。

5)計算和邏輯功能塊及其它功能塊均設置在控制系統的控制器上。

2.5 現場(chǎng)總線(xiàn)配線(xiàn)設計

現場(chǎng)總線(xiàn)配線(xiàn)設計與傳統DCS配線(xiàn)設計不同，傳統的配線(xiàn)方式是：從就地接線(xiàn)箱到DCS接線(xiàn)柜干線(xiàn)電纜，通常采用20對對絞電纜，接線(xiàn)箱可以為20個(gè)現場(chǎng)設備提供接線(xiàn)，其中包括20%的備用。而現場(chǎng)總線(xiàn)干線(xiàn)(Homerun)電纜采用2對對絞分屏加總屏電纜，連接兩個(gè)段，一對用于第一個(gè)H1總線(xiàn)段，另一對用于第二個(gè)H1總線(xiàn)段。每個(gè)H1總線(xiàn)段可以連接10個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)設備?，F場(chǎng)總線(xiàn)設備通過(guò)單對屏蔽分枝電纜連接到接線(xiàn)箱。