现场总线控制系统的设计与应用

0 引言

    生产过程控制在经历了自动控制、集中控制与分散控制之后，随着控制技术、计算机技术、通信技术以及网络技术的快速发展，上世纪八十年代出现的基于现场总线的控制系统在近几年内日趋完善。现场总线技术自推广以来，已经在全世界范围内应用于冶金、汽车制造、石油化工等许多领域。

1 现场总线技术简介

    现场总线是一种连接智能仪表和自动化系统间双向和多支路的数字通讯系统。它应用于过程控制的现场设备的局域网，并通过此网络建立起一种具有控制现场智能设备能力的系统。

    现场总线技术在经历了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已经有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。目前已开发出的现场总线有：P-Net，Device Net，Swift Net，Interbus，Modbus，Word FIP，Long-Works 等；但其中应用最广泛的有：FF，Profibus，HART和CAN。本文主要阐述了BAYER涂料项目中的FF总线的应用情况。

    1.1 FF现场总线特点

    基金会现场总线有两种通讯速率形式，分别为H1和H2，其中H1的传输速率为31.25Kbps，通讯距离能达到1.9km，支持总线供电和本质安全防爆环境，H2的传输速率为1Mbps和2.5Mbps两种，通讯距离为750m和500m。FF总线网络通过商用交换机或路由器就可以连接到INTERNET上，只要拥有相应的客户端软件和相应的权限，用户在任何地方都可以通过INTERNET对生产过程进行远程系统组态、调试和故障诊断。

    1.2 FF的拓扑结构

    FF总线采用单点型、总线型、树型和菊花链型等四种结构，其中总线型采用一种主干电缆，再分出多根分支电缆，每根分支电缆上接一台现场设备；树型是主干电缆上，一个端点分出多个分支；菊花链型是只有主干电缆，即现场设备都接在主干电缆上。在实际应用中这四种结构

    可混合使用。如图1所示。

图1 拓扑图

2 FF总线在BAYER涂料项目的应用

    2.1 FF总线控制系统选型

    FF总线控制系统选型除了从系统的开放性、有效性、安全性、可靠性、可用性及维护性等原则来考虑，还需要从实用性等方面，同时更主要的是根据实际项目的工艺特点，在满足工艺要求的原则下来考虑。本项目结合该项目的工艺特点及要求，采用的是EMERSON的DeltaV控制系统。另外，由于FF总线装置目前投入费用比较高，因此本项目主要在模拟量信号中应用现场总线结构，主要仪表包括两线制、四线制变送器和阀门定位器等，对于开关量信号和用于ESD的信号则没有采用FF现场总线。

    2.2 FF现场仪表选型

    在FF总线仪表的设计与选型方面，由于现场总线仪表的控制功能是在现场实现，因此现场总线仪表与常规仪表的选型设计有所区别，其原因是：

    1）现场总线仪表的功能由仪表所带功能模块决定。同类型被测变量的变送器如果所带的功能模块不同，所具有的功能也不同。因此，在现场总线仪表选型设计时，应根据不同的应用场合选用带有不同功能模块的FF仪表。

    2）现场总线仪表的版本不同，其所带的功能模块的类型和数量也不同。这是现场总线仪表选型时需要注意的问题。通常，在常规仪表选型时，不必考虑仪表的版本。因此，现场总线仪表选型设计时，应该考虑仪表版本的影响。

    3）由于FF总线仪表都是通过FF总线进行通讯的，因此，现场总线仪表的功能模块所处位置不同，将影响总线上的通信量。合理的选择FF总线仪表，可以减少通信量。该涂料项目位于防爆区域二区内，所以本项目FF仪表最终主要选型是EMERSON相应的无火花型FF总线仪表。

    2.3 FF现场总线网段（Segment）设计

    网段设计结合管道仪表流程图、现场总线仪表选型、初步仪表位置图、电缆长度等对网段进行划分。在BAYER涂料项目中，考虑了FF现场总线段的电流负载、总线电缆长度、电压降和FF仪表数量等。每一个Segment可以挂的FF仪表的最大量受电源容量、设备之间的通讯量、总线可分配的地址、每段电缆的阻抗等因素的影响，BAYER项目整体制定了相关的规定，在下面的描述中会有相关的介绍。

    1、总线网段电源模块

    1）FF电源调制器须进行冗余配置，能够进行热插拔。

    2）主配电电源，冗余配置，该电源必须对地隔离。

    3）电源模块在故障时，具有报警输出功能，在DCS中进行监控。

    2、终端器

    在网段的两端必须设置终端器，分别在FF电源模块和现场专用端子块箱。

    2.4 现场总线的功能块设置规定

    由于网段通信速率的限制，在设计时，应关注FF设备在总线上的通信量和系统对网段执行时间的限制。当设计控制策略时，使用现场总线仪表提供的状态字节功能，如故障安全动作、抗积分饱和以及无扰动切换等功能，充分利用总线仪表提供的自身功能，减少网络的通信量，提高FF总线的工作效率。[page]

    本项目中为了限制一个现场总线网段上的通信量，在设计过程中规定：

    1）一个Segment上，控制回路不能超过2个。

    2）在变送器上设置模拟输入块（AI），在调节阀上设置模拟输出块（AO）。

    3）对于单回路PID控制，如果在同一个Segment，PID功能模块设置在执行元件上；反之，设置在控制系统的控制器中。

    4）串级控制回路，主回路的PID功能块设置在控制系统的控制器，副回路的PID功能块设置在执行机构上。

    5）计算和逻辑功能块及其它功能块均设置在控制系统的控制器上。

    2.5 现场总线配线设计

    现场总线配线设计与传统DCS配线设计不同，传统的配线方式是：从就地接线箱到DCS接线柜干线电缆，通常采用20对对绞电缆，接线箱可以为20个现场设备提供接线，其中包括20%的备用。而现场总线干线（Homerun）电缆采用2对对绞分屏加总屏电缆，连接两个段，一对用于第一个H1总线段，另一对用于第二个H1总线段。每个H1总线段可以连接10个现场总线设备。现场总线设备通过单对屏蔽分枝电缆连接到接线箱。

    2.5.1 现场总线电缆

    现场总线的物理信号、终端、电源、本质安全等与常规仪表不同，两者使用的电缆必须加以区别。可供的通讯速率为31.25kb/s的H1现场总线的电缆线类型、规格、最大长度等如表1所示，应根据工程需要来选择电缆。一般首选A型用于新装置；B型可作为替代品；C型、D型仅用于改造的装置。

表1 H1电缆的技术规格

    1、电缆的类型

    1）干线电缆

    在选型设计时，干线电缆通常采用A型对屏总屏多芯电缆，且应有20%-25%的裕量或至少有2芯的备用。

    2）分支电缆分支电缆在选型设计时，通常采用A型对屏总屏电缆。

    2、长度的限制

    一个Segment现场总线电缆的长度为所有支电缆和干线电缆长度之和，对于A型电缆来说，其总长度≤1900m。如表2所示。

    根据现场经验发现，这个长度要求是保守的。现场总线的长度是为了限制因长度而引起的电压降和信号品质（如衰减和失真）的影响。为了避免计算每个现场总线段的物理负荷和减少现场总线段设计确认工作，BAYER涂料项目要求每根总线电缆长度（干线加各支线总长度之和）不超过1420米，每个Segment段上不得超过8个FF仪表，分支电缆不超过75米。

表2 最大支线电缆长度与仪表数量关系表

    2.5.2 现场总线接线箱

    由于该项目位于防爆区域2区内，且该现场空气比较潮湿，根据上述工况，采用防爆电缆密封接头，接线箱选用增安型（EExe）接线箱，该接线箱的总线端子块有短路保护功能，保证一个支路短路时而不影响其他支路，并且使得仪表维护人员在控制室内便可知道短路故障点。总线终端器在接线箱内安装时，应带相应标记，防止被意外拆除。

    按照BAYER对该项目的要求，每个FF接线箱最多接8台FF仪表，就该涂料项目而言，最后经过统计，平均每个接线箱接6台FF仪表。

    2.6 FF总线在本项目应用中的问题及原因

    在该项目调试及开车过程中，控制回路能够在满足工艺要求的状态下稳定运行。同时在调试中也遇到一些问题，这些问题及主要原因归纳如下：

    1、部分仪表控制室内没有信号：现场仪表与屏蔽层没有绝缘，对信号造成干扰：选用多芯电缆时，不同网段的屏蔽线互连而造成的通讯干扰。

    2、总线设备丢失：供电断路、接线端子松动，在调换设备后，未进行重新调试；设备本身问题，如绝缘差、总线信号太弱等；现场总线设备的仪表版本与DCS主机系统版本不一致造成的。

    2.7 总结FF现场总线的优缺点

    现场总线控制系统相对于传统DCS控制系统而言，具有很多优点，但也存在缺点，现将其优缺点归纳如下：

    1、FF现场总线的优点

    1）提供了更丰富的信息，降低维修费用。

    2）信号受干扰小，传输速度快。

    3）总线系统的扩展非常方便。

    4）总线系统大大减轻了工作站的运算负担。

    5）节约了施工材料。

    2、FF现场总线的缺点

    1）施工要求较高，对主干电缆和分支电缆的长度都有要求。

    2）对维护设施的要求相应提高，如携带到现场的电动维护设备有一定的防爆要求，甚至对于临时给接线箱开孔都要拿到装置外进行，例如：在本涂料项目中，订货的接线箱开孔少了，需要临时开孔，按照现场要求，不能在装置内进行，只能拿到厂区外开孔。

    3）当一个网段出现故障后，特别是仪表短路后，由于维护人员无法直观判断是哪台仪表发生故障，所以必须检查该网段的所有仪表。

    4）在工程设计方面，要求同一回路的设备尽量分配在同一个网段中，而当工程较大时，可能同一回路的设备不一定在同一平面或区域，这也可能会对现场仪表配线图的绘制带来一定的困难。

    5）现有的防爆规定限制了总线长度和总线上所挂设备的数量，也就限制了现场总线节省电缆，节省施工材料的优点的发挥。

3 结束语

    从该项目的执行情况来看，在现场总线控制技术的设计和应用中取得了优异的成果，并积累了丰富的工程设计经验，为今后现场总线控制系统在石油化工领域的推广、应用和发展奠定了基础。另外，在设计施工过程中，要严格按照现场总线基金会系统工程指南的要求设计、施工、安装、检查验收和调试，并在项目的实施过程中不断地关注每个阶段的工作，检查并纠正工作中的错误，从而确保现场总线系统能成功投运。