現(xiàn)場總線在上海焦化有限公司的應(yīng)用

上海焦化有限公司是以煤為原料生產(chǎn)焦炭、煤氣以及化工產(chǎn)品的企業(yè),有6臺焦爐主要生產(chǎn)焦炭、煤氣以及煤焦油的產(chǎn)品如:苯、酚、萘、蒽油等。1991年新上了空分、德士古、U-GAS和甲醇4套裝置,且均使用霍尼韋爾的TDC3000集散系統(tǒng)。老廠區(qū)的儀表有一套霍尼韋爾小型集散系統(tǒng)UDC9000,4套橫河公司的μχL集散系統(tǒng),一套浙大中控的JX300集散系統(tǒng),一套浙江威盛的集散系統(tǒng)。現(xiàn)我公司共有集散系統(tǒng)11套,主要生產(chǎn)裝置全使用集散系統(tǒng)進行監(jiān)控。

公司在2003年又新上一套15萬頓甲醇裝置,該裝置位于原20萬噸甲醇裝置的西北角,離原甲醇裝置的中央控制室平均距離有400～500m。我們準備將新甲醇的控制室放在原來老甲醇的控制室內(nèi),如果還是采用集散系統(tǒng)將存在一些問題,如控制室內(nèi)機柜放不下、電纜費用太高等問題。根據(jù)實際情況我們在新甲醇裝置上采用較先進的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。

甲醇裝置FCS采用的是艾默生公司FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)實際上是一個混合的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由Rosemount的DeltaV冗余控制系統(tǒng)、FF現(xiàn)場總線儀表、Profibus總線儀表、FF現(xiàn)場總線遠程I/O以及現(xiàn)場總線閥門定位器等所組成。

FCS和DCS的區(qū)別

FCS與DCS是不同性質(zhì)的控制系統(tǒng),其主要區(qū)別如表所示。從本質(zhì)上講,FCS系統(tǒng)是把對現(xiàn)場設(shè)備的控制策略放在設(shè)備層,即放在現(xiàn)場儀表內(nèi)部去實施,而不是象DCS是放在控制層,即集中的控制器中去實施。這首先要求FCS系統(tǒng)支持多種符合國際標準的現(xiàn)場總線,具有與各類現(xiàn)場儀表進行通信的能力。

由于FCS是一種近年來發(fā)展的新一代的控制系統(tǒng),國內(nèi)已在著手進行研究和開發(fā),我國推出EPA系統(tǒng),已提交國際組織討論。另外,對FCS系統(tǒng)的規(guī)模大小的評定指標也與對DCS系統(tǒng)規(guī)模大小的評定指標完全不同。對于后者,目前公認的指標是看該系統(tǒng)的輸入、輸出點數(shù),根據(jù)點數(shù)來劃分大型、中型或小型。但是對于前者,則主要看它包含的現(xiàn)場總線網(wǎng)段的多少。因為一個網(wǎng)段只能掛8～10個儀表,所以系統(tǒng)越大肯定網(wǎng)段就越多。

FCS與DCS功能對比表

現(xiàn)場總線的優(yōu)點

節(jié)省硬件數(shù)量與投資
由于FCS中分散在現(xiàn)場的智能儀表能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警、計算和調(diào)節(jié)功能,因而可減少儀表硬件的數(shù)量,不再需要單獨的調(diào)節(jié)器、計算單元等,也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及其復雜接線,還可以用工業(yè)PC機作為操作站,從而節(jié)省了一大筆硬件投資,并可減少控制室的占地面積。

節(jié)省安裝費用
FCS接線簡單,一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設(shè)備,因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少,連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時,無需增設(shè)新的電纜,可就近連接在原有的電纜上,既節(jié)省了投資,也減少了設(shè)計、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗工程的測算資料表明,可節(jié)約安裝費用60％以上。

節(jié)省維護開銷
智能儀表具有自診斷與簡單故障處理的能力,并通過數(shù)字通信將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室,用戶可以查詢所有設(shè)備的運行、診斷維護信息,以便早期分析故障原因并快速排除,縮短了維護停工時間,同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化,連線簡單而減少了維護工作量。

用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)
用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。如焦化的系統(tǒng)中有FF、Profibus、還有Modbus的通信協(xié)議等。

提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性
由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化,從根本上提高了測量與控制的精確度,減少了傳送誤差。同時,由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化,設(shè)備與連線減少,現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強,減少了信號的往返傳輸,提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

信息量大
由于現(xiàn)場智能儀表的設(shè)備標準化、功能模塊化、硬件智能化、數(shù)據(jù)數(shù)字傳送的特點,所以在人機接口CRT上可以獲得比DCS大得多的信息量。許多原來在DCS上無法實現(xiàn)的設(shè)備診斷軟件可以使用。

艾默生FCS簡介
艾默生的控制系統(tǒng)實際上是一個混合的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由Emerson的DeltaV冗余控制系統(tǒng)、FF現(xiàn)場總線儀表、獨立的PLC、五大機組控制用的PLC、FF現(xiàn)場總線遠程I/O以及現(xiàn)場總線閥門定位器等所組成,如圖所示。整個控制系統(tǒng)由冗余的控制網(wǎng)絡(luò)、操作站及控制部分3部分構(gòu)成。

操作站
15萬噸甲醇的控制系統(tǒng)在控制室內(nèi)包括4臺操作站、1臺工程師站、1臺APP應(yīng)用工作站（用于工廠管理）、兩對HUB。操作站作為人機接口供操作人員對現(xiàn)場工藝過程進行監(jiān)控。工程師站用于系統(tǒng)的開發(fā)和組態(tài)、包含系統(tǒng)全部數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用工作站主要的作用是將FCS與公司的MIS網(wǎng)絡(luò)相隔離,從而避免萬一MIS系統(tǒng)的病毒等侵入FCS系統(tǒng)。中控室的這些設(shè)備通過HUB利用光纖通信與現(xiàn)場的控制機柜連接形成系統(tǒng),完成組態(tài)、運行、操作等完整的控制功能。

控制網(wǎng)絡(luò)
為了系統(tǒng)的可靠,FCS系統(tǒng)配置了冗余的控制網(wǎng)絡(luò),其為通信提供了安全性和可靠性。在中控室通過兩個不同的HUB及連接光纜,接入位于現(xiàn)場的兩個控制機柜中的兩個不同的HUB,建立了兩條完全獨立的網(wǎng)絡(luò),形成冗余的主副網(wǎng)絡(luò)集線器,提高了系統(tǒng)的可靠性。

控制器
系統(tǒng)中配有兩套控制機柜,每套機柜中裝有8塊H1卡?？刂破鳛镸D控制器,具有管理所有I/O卡件的控制活動;管理所有的網(wǎng)絡(luò)通信功能;管理時間抽樣、報警、趨勢對象;執(zhí)行控制策略,在100ms內(nèi)完成從輸入通道取信號、控制策略執(zhí)行、傳送結(jié)果到輸出通道。

每對控制器下為8塊H1卡,H1卡可通過總線方式將現(xiàn)場總線設(shè)備信號連接到DeltaV系統(tǒng)中,連接電纜為屏蔽雙絞線。H1卡下帶有2個port,即2個干線段（Segment）,通過P＋F安全柵模盒連接現(xiàn)場總線儀表,每個干線段最多帶12臺總線儀表。

4～20mA常規(guī)儀表,包括電動機開、停信號等,設(shè)計為遠程I/O,采用Modbus-RTU通信,通過serial卡與控制器相互通信。

5臺大型機組信號分別采用Modbus-RTU協(xié)議、Profibus-DP協(xié)議與控制器相連,集成為一整套工廠底層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),再通過APP與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)連為一體。

總線儀表選用Honeywell的壓力、差壓變送器、E+H雷達液位計、SAMSON智能閥門定位器等。與常規(guī)模擬儀表控制回路不同的是:現(xiàn)場總線儀表最大的特點是它的控制單元在物理位置上可與測量變送單元或操作執(zhí)行單元合為一體,PID功能既可放在變送器,也可放在閥門定位器。因而在現(xiàn)場就可構(gòu)成完整的基本控制系統(tǒng),又由于總線儀表所具有的通信能力,可與多個現(xiàn)場智能設(shè)備溝通。綜合信息便于構(gòu)成多個變量參與的復雜控制系統(tǒng)與精確測量系統(tǒng)。另外,它的數(shù)字通信特點使它不僅可以傳遞測量的數(shù)值信息,還可傳遞設(shè)備標識、運行狀態(tài)、故障診斷狀態(tài)等信息。

P＋F公司的RPI遠程I/O是應(yīng)用總線技術(shù)將隔離式安全柵與遠程I/O功能結(jié)合于一身,滿足安全防爆功能。其I/O模塊具有點對點配置、點對點隔離的特性?，F(xiàn)場信號點對點接入I/O模塊后,經(jīng)網(wǎng)關(guān)通過外部總線與控制系統(tǒng)相連。RPI系統(tǒng)配置雙網(wǎng)關(guān)、雙倍電源模塊,遠程I/O直接安裝在防爆區(qū)內(nèi)。

該FCS于2003年10月裝置開車投運以來,運行情況良好。