基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的 DCS 應用

(4) 辦公網(wǎng)絡(luò )層

生產(chǎn)網(wǎng)經(jīng)過(guò)防火墻與辦公網(wǎng)共享生產(chǎn)信息和集團網(wǎng)絡(luò )連接實(shí)現集團內信息共享，實(shí)現設備維修管理信息、生產(chǎn)數據、庫存管理等生產(chǎn)資源的調配和管控一體化。

3 現場(chǎng)總線(xiàn)設備在裝置中的應用及項目設計要求

基于工廠(chǎng)管控網(wǎng)技術(shù)的 DeltaV 系統能夠很好地兼容來(lái)自各種現場(chǎng)總線(xiàn)設備。本裝置的智能控制設備如馬達、變頻馬達控制器全部采用 Profibus DP 設備，智能傳感器、變送器等測量?jì)x表、閥門(mén)執行機構則采用FF 現場(chǎng)總線(xiàn)，對于涉及到安全系統的儀表，則全部采用 HART 協(xié)議儀表。以下是項目中的 FF 現場(chǎng)總線(xiàn)設備和 DP 設備的特點(diǎn)及設計應用要求。

3.1 基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)的應用與設計基礎

在碳酸二苯酯裝置改造擴建項目中，對現場(chǎng)總線(xiàn)設備的選用有明確的要求，必須是經(jīng)過(guò)測試的證實(shí)個(gè)體故障發(fā)生時(shí)對整個(gè)段內的其他設備無(wú)影響。該項目采用的 FF 現場(chǎng)總線(xiàn)設備主要有薩姆森(SAMSON)智能執行機構、E + H(Endress + Hauser)、西門(mén)子(Sie-mens)、威卡(WIKA)、泰科(TYCO)等供應商的壓力、液位、溫度、流量變送器，FF 現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段共 220 個(gè)，平均每個(gè)網(wǎng)段掛 5. 3 臺 FF 總線(xiàn)設備。在 FF 現場(chǎng)總線(xiàn)設計、組態(tài)過(guò)程中，嚴格遵守如下規定:

(1)現場(chǎng)總線(xiàn)最大允許長(cháng)度與電纜類(lèi)型、網(wǎng)段的拓撲結構及本質(zhì)安全要求等因素有關(guān)。本項目中 FF現場(chǎng)總線(xiàn)的通信速率采用 31. 25 kbit/s，現場(chǎng)總線(xiàn)電纜采用 18 AWG(A 型)屏蔽電纜，相應的性能參數見(jiàn)表 2。該類(lèi)型的總線(xiàn)電纜在沒(méi)有中繼器時(shí)的最大總長(cháng)度為 1 900 m，分支電纜的長(cháng)度為 30 ～ 120 m。每個(gè)Segment 現場(chǎng)總線(xiàn)電纜總長(cháng)度是所有支線(xiàn)電纜長(cháng)度的總和加上干線(xiàn)電纜長(cháng)度。每個(gè) Segment 現場(chǎng)總線(xiàn)電纜總長(cháng)度要依據總線(xiàn)供電設備的容量，是否采用本安回路、網(wǎng)段總的功率負載、線(xiàn)上壓降等進(jìn)行計算。盡量降低通信負荷，FF 現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段的設計必須滿(mǎn)足:每個(gè)非本安網(wǎng)段(Segment)掛設備數量不超過(guò) 8;每個(gè)本安網(wǎng)段掛接設備不超過(guò) 4 個(gè);其中執行機構最多 2 個(gè)，在沒(méi)有變送器的網(wǎng)段上可掛接 3 個(gè)執行機構;每個(gè)網(wǎng)段上保留 20%的備用量;同一回路的測量、執行器放在同一網(wǎng)段內。

表 2 現場(chǎng)總線(xiàn)電纜性能參數表

(2) 現場(chǎng)總線(xiàn)設備如果安裝在 I 區，總線(xiàn)供電電源要采用有安全柵功能的接線(xiàn)盒?？偩€(xiàn)可以直接給連接在該總線(xiàn)上的低功耗總線(xiàn)設備供電，但是對于一些高功耗的總線(xiàn)設備則需要采用單獨的供電回路。

對于連接在本安現場(chǎng)總線(xiàn)需要總線(xiàn)供電的總線(xiàn)設備，考慮到本質(zhì)安全總線(xiàn)上供電電流的有限性，在設計中要采用低功耗的現場(chǎng)總線(xiàn)設備。

需要采用單獨供電的總線(xiàn)回路中的供電設備要采用特殊的防爆措施進(jìn)行有效地隔離，以保證外部供電電源和總線(xiàn)設備所連接的通信回路完全隔離。外部電源的能量在任何情況下都不允許轉移到本安總線(xiàn)上，以確保單獨供電設備和總線(xiàn)上的所有現場(chǎng)總線(xiàn)設備在危險區的安全使用。

(3) 網(wǎng)段拓樸結構，項目設計中現場(chǎng)總線(xiàn)設備的現場(chǎng)安裝位置按所屬單元分布比較集中，適合采用樹(shù)形拓撲結構。樹(shù)型拓撲網(wǎng)絡(luò )結構是由多個(gè)智能設備與公共接線(xiàn)箱連接的多條獨立現場(chǎng)總線(xiàn)支線(xiàn)組合而成的結構，支線(xiàn)電纜只能從公共接線(xiàn)盒中即干線(xiàn)電纜引出，不能從其他支線(xiàn)電纜引出，以確?？偩€(xiàn)的可靠性要求?？偩€(xiàn)電纜的連接要保證支線(xiàn)電纜的屏蔽線(xiàn)絕緣一定要做好，各段總線(xiàn)的干線(xiàn)電纜的屏蔽線(xiàn)必須在機柜側的接地端子上接地，電纜對地絕緣良好，這一點(diǎn)對 FF 總線(xiàn)設備的正常使用非常重要;另外，在接線(xiàn)盒的各分支上增加防短路保護功能以確保通信信號不受干擾。樹(shù)型拓樸結構如圖 2 所示。

圖 2 樹(shù)型拓樸結構

3.2 Profibus DP 總線(xiàn)的應用及設計基礎

項目中所有的轉動(dòng)設備控制均采用 SIEMENS 的Profibus DP 總線(xiàn)智能設備 SIMOCODE 馬達控制器和VFD - G120、VFD - G150 變頻馬達控制器，這種方案大大地增強了 DCS 對現場(chǎng)馬達控制的操作與監控，在

項目設計時(shí)，主要遵循以下幾點(diǎn)要求:

(1) 現場(chǎng)馬達的控制設備采用的 SIMOCODE 控制模塊安裝在馬達控制中心(MCC)的機柜內，每一個(gè)MCC 機柜都設計一個(gè) DP 中繼器和一排終端集線(xiàn)器，在每個(gè)段上的最后一個(gè)總線(xiàn)設備都安裝終端電阻，根據 DP 設備網(wǎng)絡(luò )圖，同一個(gè)網(wǎng)段上的 MCC 機柜通過(guò)中繼器連接到一起，與本網(wǎng)段上的 DP 通信卡連接。每個(gè) MCC 柜內的中繼器用來(lái)分開(kāi)子網(wǎng)段，當一個(gè)子網(wǎng)段發(fā)生故障時(shí)不會(huì )影響同一個(gè) DP 卡上的其他的子網(wǎng)段。

(2) DCS 對馬達控制信號如啟動(dòng)/停止信號、變頻器的轉速信號及轉速設定值、馬達的運行信號、電流過(guò)載及其他故障信號、功率信號等都由 Profibus 通信實(shí)現。但對于由 DCS 緊急停止馬達的控制，則由 DCS的 DO 輸出，通過(guò)硬接線(xiàn)到 MCC 柜實(shí)現。

(3) 依據設計要求，現場(chǎng)要求安裝啟動(dòng)/停止操作柱及遠程和就地選擇開(kāi)關(guān)，當開(kāi)關(guān)撥到就地控制時(shí)，馬達啟動(dòng)只能在現場(chǎng)啟動(dòng)，當撥至遠程控制位時(shí)，由DCS 啟動(dòng)。而停止馬達不受開(kāi)關(guān)位置限制，就地和DCS 都可以在任何時(shí)候停止馬達的運行，該方案大大提高了馬達控制的靈活性和安全性。通過(guò)編程，可以實(shí)現 DCS 遠程自動(dòng)啟動(dòng)馬達，而當出現緊急故障時(shí)，根據當時(shí)的情況既可以通過(guò)現場(chǎng)操作柱也可以通過(guò)DCS 發(fā)出停止馬達命令。

(4)DP 數據傳輸速率設置為 500 kbit / s，在不使用中繼器的情況下一個(gè)網(wǎng)段的最大傳輸距離是400 m。在通信過(guò)程中阻抗不連續和阻抗不匹配都會(huì )導致信號反射，導致通信質(zhì)量和通信距離的降低。為了消除在通信電纜中的信號反射，確?？偩€(xiàn)上的設備無(wú)差錯的運行，必須確保接線(xiàn)質(zhì)量，嚴格設置每個(gè)物理網(wǎng)段中的各個(gè)節點(diǎn)設備的終端電阻，如圖3，網(wǎng)段中間站點(diǎn)的終端電阻要打到 OFF 位置，網(wǎng)段兩頭的終端電阻要打到ON 的位置。