現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)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。現(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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計

網(wǎng)段設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置規(guī)定

由于網(wǎng)段通信速率的限制，在設(shè)計時，應關(guān)注FF設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置模擬輸入塊(AI)，在調(diào)節(jié)閥上設(shè)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(shè)置在執(zhí)行元件上;反之，設(shè)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(shè)置在控制系統(tǒng)的控制器，副回路的PID功能塊設(shè)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(shè)置在控制系統(tǒng)的控制器上。

2.5 現(xiàn)場總線配線設(shè)計

現(xiàn)場總線配線設(shè)計與傳統(tǒng)DCS配線設(shè)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(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?，F(xiàn)場總線設(shè)備通過單對屏蔽分枝電纜連接到接線箱。