因為現(xiàn)場總線技術(shù)具有很多常規(guī)儀表所不能替代的優(yōu)點，隨著用戶對設(shè)備管理信息的要求越來越高，現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)勢不可擋，現(xiàn)場總線技術(shù)必將在今后幾年得到廣泛應(yīng)用。但是，現(xiàn)場總線技術(shù)在國內(nèi)尚處于應(yīng)用初期，人們可現(xiàn)場總線的了解還很少，如何在工程中應(yīng)用更是知之甚少。本文詳細(xì)闡述了基金會現(xiàn)場總線(FF)在南海石化項目的應(yīng)用情況，供廣大讀者參考。
現(xiàn)場總線技術(shù)自從上世紀(jì)80年代以來，在石油、化工、汽車、食品等許多行業(yè)得到廣泛地應(yīng)用，但由于電力行業(yè)控制對象的危險性和重要性，所以在電力行業(yè)應(yīng)用還沒有得到推廣。現(xiàn)場總線技術(shù)具有許多傳統(tǒng)的控制技術(shù)無法比擬的優(yōu)點，是未來控制技術(shù)的發(fā)展方向。目前，有許多現(xiàn)場總線協(xié)議，如Foundation Feildbus(FF)、Profibus、WorldFIP、ControlNet、lnterBus、P-net等，南海石化項目統(tǒng)一采用基金會現(xiàn)場總線技術(shù)(FF)。為減少工程造價，減少以后的運(yùn)行維護(hù)工作量，項目要求盡最大的可能采用現(xiàn)場總線的應(yīng)用。
現(xiàn)場總線技術(shù)是一種全數(shù)字、串行、雙向的通訊系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)將傳感器、執(zhí)行器與控制器等“現(xiàn)場”設(shè)備互相連接起來。典型的現(xiàn)場總線安裝就是提供一個現(xiàn)場設(shè)備到主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接，這個連接是雙向的、串行通訊連接。這種連接是用一對線將多個現(xiàn)場設(shè)備并聯(lián)在一起，這與傳統(tǒng)的4～20mA設(shè)備用單獨的不同對線連接每一個設(shè)備到DCS系統(tǒng)有非常大的區(qū)別。下圖展示了這點不同：
每個從主機(jī)系統(tǒng)到現(xiàn)場的部分就是一個段(Segment)，一段就是結(jié)束于終端電陰的H1總線的一部分。每一段由干線和分枝組成。干線就是連接主機(jī)系統(tǒng)(DCS)到現(xiàn)場的主線(Homerun)。分枝就是并行連接現(xiàn)場設(shè)備如變送器、控制閥的支線。接線盒用于干線和分枝的連接。一個供電電源通過連接到干線為所有在這個現(xiàn)場總線段上的現(xiàn)場總線設(shè)備供電。
1.0 南海石化項目現(xiàn)場總線系統(tǒng)構(gòu)成
南海石化項目DCS控制系統(tǒng)選用橫河(Yokogawa)CS3000系統(tǒng)，CS3000系統(tǒng)提供了現(xiàn)場總線控制站(FCS)，F(xiàn)CS運(yùn)行和監(jiān)視現(xiàn)場總線設(shè)備的現(xiàn)場總線功能塊。FCS提供現(xiàn)場總線通訊模件(ALF111)用于現(xiàn)場總線設(shè)備的通訊控制。另外DCS控制系統(tǒng)還提供全廠資源(PRM)功能，這個功能是一個設(shè)備管理系統(tǒng)。它將運(yùn)行相關(guān)的長期數(shù)據(jù)儲存。PRM高效地處理現(xiàn)場總線設(shè)備的管理和維護(hù)工作。PRM還處理HART協(xié)議的設(shè)備管理和維護(hù)。現(xiàn)場總線系統(tǒng)構(gòu)成見下圖：
2.0 南海石化項目現(xiàn)場總線系統(tǒng)工程設(shè)計要求
現(xiàn)場總線設(shè)計過程本身與傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計類似，但是傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計中設(shè)備的布置和電纜表主要考慮接線柜的設(shè)計，DCS設(shè)計依據(jù)于I/O清單和工藝運(yùn)行程序，不考慮電纜表或設(shè)備和接線盒的布置。而現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)計要考慮現(xiàn)場側(cè)的詳細(xì)設(shè)計。例如現(xiàn)場總線段的設(shè)計影響DCS系統(tǒng)的設(shè)計，DCS系統(tǒng)的設(shè)計依賴于設(shè)備的布置、電纜的設(shè)計。
2.1 現(xiàn)場總線應(yīng)用原則
南海石化項目要求在所有過程控制設(shè)計時最大限度地應(yīng)用現(xiàn)場總線，包括所有的成套設(shè)備。以下典型的過程控制回路需要應(yīng)用現(xiàn)場總線：監(jiān)視回路、簡單的PID回路、串級控制回路、順序控制回路、復(fù)雜控制回路。考慮安全原因，現(xiàn)場總線不可以應(yīng)用于儀表保護(hù)系統(tǒng)(IPS)和消防系統(tǒng)(FGS)。開關(guān)量信號控制不能應(yīng)用現(xiàn)場總線。
2.2 現(xiàn)場總線設(shè)備選型原則
現(xiàn)場總線設(shè)備選型應(yīng)滿足下列條件：
●互可操作性。所有現(xiàn)場總線設(shè)備必須與橫河(Yokogawa)CS3000系統(tǒng)具有完全的互可操作能力，包括與之相關(guān)的先進(jìn)的自診斷功能。
●現(xiàn)場總線功能快。雖然現(xiàn)場總線基金會已經(jīng)定義了標(biāo)準(zhǔn)的功能塊、先進(jìn)的附加功能快。但是，不是所有的這些功能塊都適合應(yīng)用到現(xiàn)場設(shè)備中，有一些功能塊還不能應(yīng)用到現(xiàn)場設(shè)備中，或是還沒有通過現(xiàn)場總線互可操人性試驗。為了簡化現(xiàn)場總線的設(shè)計和設(shè)備采購過程，所有的變送器被指定為AI功能塊，所有的閥門定位器被定義為AO功能塊。
●現(xiàn)場總線設(shè)備的供電?，F(xiàn)場總線設(shè)備可以從現(xiàn)場總線段上(回路供電)，也可以從就地供電(外供電)。總線供電典型的要求12～30mA 電流、9～32V電壓，超過30mA供電電流的設(shè)備沒有特殊情況，不被選用。項目推薦回路供電方式。
●鏈路主設(shè)備?，F(xiàn)場總線設(shè)備不被指定為鏈路主設(shè)備，橫河FCS系統(tǒng)在冗余的HI接口卡內(nèi)提供了工作和備用的鏈路活動調(diào)度器(LAS)功能。
●設(shè)備升級。現(xiàn)場總線設(shè)備內(nèi)部的軟件有一定的版本，現(xiàn)場總線設(shè)備的軟件經(jīng)常改進(jìn)、升級，而硬件不變。為了設(shè)備升級容易，現(xiàn)場總線設(shè)備應(yīng)提供閃存，用于設(shè)備軟件的在線升級，并且記錄設(shè)備的應(yīng)用軟件版本、設(shè)備描述(DD)和公用文件格式(CFF)的版本。
2.3 危險的回路定義和應(yīng)用
在危險性分析(HAZOP)階段要對控制回路的危險程度分級，現(xiàn)場總線分段設(shè)計時要依據(jù)這些分析結(jié)果，危險程度等級應(yīng)在段和回路圖中體現(xiàn)。危險程度分級被分為下列三級：
●第一級
定義：回路控制失敗將導(dǎo)致全廠停車，或損壞沒有備用的重要的設(shè)備。
應(yīng)用：閥門定位器和與它關(guān)聯(lián)的測量儀表應(yīng)位于同一H1段上，這一HI段上不允許有其他控制回路，但可以有其他監(jiān)視儀表。
●第二級
定義：回路控制失敗將導(dǎo)致危險形勢，這種危險通過提醒運(yùn)行員采取行動，可以避免全廠停車?；蛘呋芈房刂剖?dǎo)致全廠停車，但對這種停車，工藝系統(tǒng)允許立刻恢復(fù)。
應(yīng)用：閥門定位器和與它關(guān)聯(lián)的測量儀表應(yīng)位于同一H1段上，這一H1段上不允許有其他級別為1或2的控制回路，但可以有一個級別為3的控制回路或有其他監(jiān)視儀表。
●第三級
定義：回路控制失敗不會導(dǎo)致任何整個工藝單元停車危險，級別為3的閥門可以轉(zhuǎn)到它的失敗位置。
應(yīng)用：同一H1段上可以有2～3個級別為3的控制回路的閥門定位器和與它關(guān)聯(lián)的測量儀表，或其他監(jiān)視儀表。
2.4 控制功能分配
為了簡化現(xiàn)場總線執(zhí)行的過程，所有與控制有關(guān)的功能將在DCS中實現(xiàn)，而不是現(xiàn)場設(shè)備。
2.5 現(xiàn)場總線段分組設(shè)計
為了充分地發(fā)揮現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)點，現(xiàn)場總線段分組設(shè)計時，應(yīng)盡可能地將同一控制回路的儀表分配到同一現(xiàn)場總線段。但為了方便現(xiàn)場總線的執(zhí)行，這一要求不是強(qiáng)制的。
2.6 防爆區(qū)域分級
防爆區(qū)域分級為2區(qū)或安全的，應(yīng)選用無火花型防爆設(shè)備EEx(n)。防暴區(qū)域分級為1區(qū)的，應(yīng)選用隔爆型防爆設(shè)備EEx(d)。防暴區(qū)域分級為0區(qū)的，應(yīng)選用本安型防爆設(shè)備EEx(ia)。
2.7 冗余
在主機(jī)系統(tǒng)橫河CS3000和系統(tǒng)內(nèi)配備下列冗余：DCS的30分種UPS備用電池電源冗余、DCS系統(tǒng)控制器電源模件冗余、DCS系統(tǒng)控制器(FCU)冗余、現(xiàn)場總線H1通訊模件ALF111(每兩個卡件供4個現(xiàn)場總線段服務(wù))冗余、現(xiàn)場總線電源和調(diào)節(jié)器冗余。
2.8 在H1總線上的物理設(shè)備要求
根據(jù)現(xiàn)場總線規(guī)范要求，每個現(xiàn)場總線段上最多可以連接32個現(xiàn)場總線設(shè)備。但實踐證明，每個現(xiàn)場總線段上連接16個現(xiàn)場總線設(shè)備是切實可行的。為了最小程度降低現(xiàn)場總線設(shè)計影響，例如現(xiàn)場總線確認(rèn)和調(diào)試相關(guān)的問題，南海石化項目要求，每個現(xiàn)場總線段上最多可以連接10個現(xiàn)場總線設(shè)備，同時要考慮回路的危險分級要求。
2.9 現(xiàn)場總線段備用設(shè)計要求
每個現(xiàn)場總線段上最多可以連接10個現(xiàn)場總線設(shè)備，包括20%備用容量，所以實際設(shè)計時，每個現(xiàn)場總線段上最多只可以連接8個現(xiàn)場總線設(shè)備。特殊情況下，超過8個現(xiàn)場總線設(shè)備時，要對現(xiàn)場總線段設(shè)計進(jìn)行驗證。
2.10 現(xiàn)場總線段執(zhí)行時間要求
所有現(xiàn)場總線段執(zhí)行時間為1000毫秒。其中預(yù)定的通訊時間為700毫秒，非預(yù)定的通訊時間為300毫秒。功能塊的執(zhí)行和通訊時間不能超過最大允許時間，以確保滿足最大的現(xiàn)場總段線負(fù)荷要求。通訊模件ALF111與各功能通訊時間不超過40毫秒，AI功能模塊最大執(zhí)行時間不超過100毫秒，AO功能模功最大執(zhí)行時間不超過130毫秒，PID功能模塊最大執(zhí)行時間不超過160毫秒。任何超過要求的執(zhí)行時間都不允許。
2.11現(xiàn)場總線段接線設(shè)計要求
現(xiàn)場總線段接線設(shè)計與傳統(tǒng)的DCS接線設(shè)計不同。見下圖。傳統(tǒng)的接線方式是：從就地接線盒到DCS接線柜干線電纜，通常采用20對對絞電纜，接線盒可以為20個現(xiàn)場設(shè)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(shè)備。現(xiàn)場總線設(shè)備通過單對屏蔽分枝電纜連接到接線盒。
現(xiàn)場總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場總線是一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它有五種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點到點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，帶支線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也叫雞爪型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，南海項目要求采用樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)場總線段通過干線電纜把現(xiàn)場公用接線盒連接一DCS接線柜(MDF)，就地的現(xiàn)場總線設(shè)備再用獨立的雙絞一連接到接線盒。這樣如果某個設(shè)備故障，不會影響到其他設(shè)備的運(yùn)行。如下圖示：
其他任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用要慎用。
現(xiàn)場總線電纜類型要求。為了得到最好的現(xiàn)場總線特性，現(xiàn)場總線電纜應(yīng)采用特殊設(shè)計的專用的分屏加總屏的對絞線，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)的物理層要求典型的現(xiàn)場總線電纜應(yīng)具有下列特點：
線徑——18AWG(0.8mm2)，
屏蔽覆蓋率——90%
最大哀減率——在39KHZ頻率下為3db/km，
最大容抗——150pF/m，
特性阻抗——D 31.25KHZ頻率下為1000hms±20%，
最大直流電阻——220hms/km，
但是對于標(biāo)準(zhǔn)的儀表電纜橋架來說，這種特殊設(shè)計的電纜應(yīng)用的益處不是十分明顯，所以為降傴工程造價，南海石化項目使用普通的分屏加總屏的對絞線電纜為現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)計。干線電纜(homerun cable)采用兩對、1.0mm2、對絞、分屏加總屏、聚乙烯絕緣、聚氯乙烯護(hù)套、鎧裝電纜；分板電纜(spur cable)采用單對、10mm2、對絞、屏蔽、聚乙烯絕緣、聚氯乙烯護(hù)套、鎧裝電纜。
現(xiàn)場總線電纜長度要求。根據(jù)現(xiàn)場總線基金會規(guī)范ISA S50.02要求，一個現(xiàn)場總線段的最大允許長度應(yīng)小于1900米，總的段長度應(yīng)為干線長度加上所有的分支長度。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(fù)荷和減少現(xiàn)場總線段設(shè)計確認(rèn)工作，南海石化項目要求：現(xiàn)場總線段的干線電纜長度≤500米，現(xiàn)場總線段的分支電纜≤75米。
現(xiàn)場總線電源容量要求?，F(xiàn)場總線基金會規(guī)定最大的段電流應(yīng)由電源調(diào)節(jié)裝置限制在350毫安內(nèi)。南海石化項目要求每個現(xiàn)場總線設(shè)備的最大電流不超過30毫安。最小操作電壓。南海石化項目要求每個現(xiàn)場總線設(shè)備的最小操作電壓為直流10伏特。
衰減率?，F(xiàn)場總線的運(yùn)行頻率為39千赫茲，在此頻率下現(xiàn)場總線電纜的哀減頻率應(yīng)小于3分貝/千米，或1千米后的信號衰減小于70%?，F(xiàn)場總線變送器可以發(fā)送出峰-峰值為0.75伏特的信號，那么現(xiàn)場總線接收器就要能檢測到峰-峰值為0.15伏特的信號。
屏蔽接地。所有現(xiàn)場總線信號線芯應(yīng)在整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)得到保護(hù)，任何導(dǎo)體接地將引起在那個線上的所有現(xiàn)場總線設(shè)備失去通訊。
2.12 現(xiàn)場總線段設(shè)計確認(rèn)
怎樣考慮電纜長度、電壓降、電源容量等在現(xiàn)場總線段確認(rèn)計算的關(guān)系，參見下圖：
本項目是將所有現(xiàn)場總線參數(shù)的最大值和默認(rèn)值都需要錄入INTOOLS數(shù)據(jù)庫(一種儀表專業(yè)專用的工程設(shè)計軟件)，現(xiàn)場總線段設(shè)計的確認(rèn)工作用INTOOLS軟件的現(xiàn)場總線段確認(rèn)程序自動確認(rèn)，然后給出報告，如果哪項要求不能滿足，需調(diào)整相關(guān)參數(shù)。
2.13 現(xiàn)場總線接線盒的要求
現(xiàn)場總線接線盒必須有足夠的空間容納現(xiàn)場總線接線端子板。
南海石化項目根據(jù)要求統(tǒng)一采用RELCOM 848T端子板。
（轉(zhuǎn)載）
