Application of Foundation Fieldbus Technology in Polyethylene Project

張　宇

(東洋工程有限公司，上海　200122)

FF現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在聚乙烯項(xiàng)目中的應(yīng)用

Application of Foundation Fieldbus Technology in Polyethylene Project

張宇

(東洋工程有限公司，上海200122)

摘要：簡(jiǎn)述了基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)技術(shù)的發(fā)展歷程。針對(duì)化工裝置對(duì)全廠控制系統(tǒng)高可靠性和復(fù)雜性的要求，從現(xiàn)場(chǎng)總線物理層角度出發(fā)，闡述了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。結(jié)合大型聚烯烴項(xiàng)目實(shí)例，重點(diǎn)介紹了FF網(wǎng)段構(gòu)成和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶卣鳎⒃敿?xì)分析了儀表、設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段上的分配原則。通過(guò)計(jì)算網(wǎng)段壓降和電流等特征參數(shù)，驗(yàn)證了FF總線網(wǎng)段設(shè)計(jì)的可靠性。

關(guān)鍵詞：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線聚乙烯網(wǎng)段拓?fù)湫盘?hào)衰減

Abstract：The developing course of foundation fieldbus(FF) technology is described in brief. In accordance with the requirements of high reliability and complexity to the whole plant control system for chemical equipment, the features and advantages of fieldbus technology are expounded from the perspective of the fieldbus physical layer. Combining with the example of a large-scale polyolefins project, the constitution of FF network segment and trait of network topology are introduced emphatically, and the distribution principle for analytical instruments, equipment on fieldbus network segment is analyzed in detail. Through calculating voltage drop and current parameters of network segment, the reliability of FF bus network segment design is verified.

Keywords：Foundation fieldbusPolyethyleneNetwork segmentTopologySignal attenuation

0引言

現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室內(nèi)自控系統(tǒng)之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線，由總線供電，用于連接智能設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的通信鏈路。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC/SP50的定義，以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)形成的網(wǎng)絡(luò)集成、全分布式控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(fieldbus control system,FCS)[1]。它適應(yīng)了控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向，給自動(dòng)化系統(tǒng)的最終用戶帶來(lái)更多的便利。

目前，現(xiàn)場(chǎng)總線的種類有40多種，國(guó)內(nèi)流行的有基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(foundation field bus，F(xiàn)F)、Profibus、LonWorks、CAN、DeviceNet、ControlNet、HART、CC-Link等[2-3]。其中，F(xiàn)F在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和成功應(yīng)用。本文以年產(chǎn)40萬(wàn)t線性低密度聚乙烯裝置為研究背景，根據(jù)工程實(shí)施的流程，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及特點(diǎn)進(jìn)行了探討。

1基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

1.1　基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線的突出特點(diǎn)在于它把相對(duì)集中的DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分散化，變成新型的全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，依靠現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備本身實(shí)現(xiàn)基本過(guò)程控制。現(xiàn)場(chǎng)總線主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[4]。

① FF 總線系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的分散。FF網(wǎng)絡(luò)層次分為現(xiàn)場(chǎng)操作層和通信管理層，憑借先進(jìn)的通信技術(shù)和微電子處理能力，將大量控制及計(jì)算功能下放到現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備中，從而在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)從傳感器到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制。而通信管理層則通過(guò)總線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、采集并分析工藝數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

② 完全數(shù)字化的控制系統(tǒng)。 消除了傳統(tǒng)I/O模塊和集線概念，由數(shù)字量取代了4~20 mA模擬信號(hào)。同一網(wǎng)段各個(gè)設(shè)備間實(shí)現(xiàn)雙向通信，并通過(guò)主干網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到控制室的監(jiān)控系統(tǒng)。工程師在控制室就能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行在線診斷、參數(shù)整定和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

③ 總線型設(shè)備符合FISCO本質(zhì)安全概念。本安全型總線儀表可以應(yīng)用在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域(0區(qū)或1區(qū))。

④ FF總線制定了開(kāi)放的接口和標(biāo)準(zhǔn)化的功能塊。所有經(jīng)過(guò)基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線授權(quán)的設(shè)備都具備對(duì)總線系統(tǒng)的兼容性和互操作性。

⑤ 總線設(shè)備統(tǒng)一由兩線制回路供電。

1.2　總線技術(shù)的工程應(yīng)用

國(guó)內(nèi)首個(gè)大規(guī)模采用基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的裝置，始于上海SECCO乙烯、低密度聚乙烯聯(lián)合項(xiàng)目[5]。該項(xiàng)目經(jīng)過(guò)多年平穩(wěn)運(yùn)行，積累了大量經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)，對(duì)本裝置控制方案的確定和實(shí)施起到了示范及借鑒作用。本裝置作為另一重點(diǎn)煉化一體項(xiàng)目，工藝流程復(fù)雜，過(guò)程變量繁多，控制精度要求高，產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量及能量消耗都對(duì)工廠自動(dòng)化水平提出了很高要求。因此，以FF總線技術(shù)為指導(dǎo)原則，采用EMERSON公司的Delta V分散控制系統(tǒng)(DCS)為主控制系統(tǒng)，融合先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和OPC技術(shù)，并采用其他子系統(tǒng)如Invensys英維思公司的Triconix安全儀表系統(tǒng)(SIS)和火災(zāi)及氣體檢測(cè)系統(tǒng)(FGS)、Bentley Nevada公司的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(MMS)、實(shí)時(shí)信息管理系統(tǒng)(RTIMS)、Aspentech Apollo的先進(jìn)控制系統(tǒng)APC等，組成整個(gè)工廠的控制與信息管理系統(tǒng)(PIMS)。

2聚乙烯項(xiàng)目的FF總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　聚乙烯裝置的概述及總線構(gòu)架

本項(xiàng)目為年產(chǎn)80萬(wàn)t線性低密度聚乙烯裝置總承包工程，采用Univation的Unipol專利，主裝置由單體凈化、聚合反應(yīng)、樹(shù)脂脫氣和樹(shù)脂造粒4個(gè)主體部分組成。工藝的復(fù)雜控制方案主要有串級(jí)控制、分程控制、比值控制、選擇控制以及大量與大型壓縮機(jī)、擠出機(jī)、冷凍機(jī)組聯(lián)鎖的復(fù)雜控制等。

為避免工藝介質(zhì)的泄漏、產(chǎn)品質(zhì)量降低，聚乙烯裝置共設(shè)置SIS安全聯(lián)鎖841個(gè)、PDS產(chǎn)品出料聯(lián)鎖297個(gè)。在選用Emerson公司的DCS控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備如智能變送器、調(diào)節(jié)閥智能定位器等可通過(guò)DeltaV的Fieldbus H1冗余通信卡連接到上層控制系統(tǒng)的高速以太網(wǎng)(high speed Ethernet,HSE)。在聯(lián)合裝置的中央控制室(機(jī)柜室)配置了AMS及OPC服務(wù)器和PIMS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的檢測(cè)、健康狀態(tài)預(yù)警、決策層信息采集。

2.2　FF網(wǎng)段物理層

2.2.1網(wǎng)段的組成

FF現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的基本單元為網(wǎng)段。如上文所述，一個(gè)網(wǎng)段通常由DCS H1通信卡、電源調(diào)節(jié)器、主干線、分支接線器、分支電纜、終端器及相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備組成。

基于聚合反應(yīng)裝置高可靠性、可用性的要求，網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)均為冗余配置。 每塊DeltaV的H1通信卡有兩個(gè)網(wǎng)段接口，可分別連接16臺(tái)總線設(shè)備，成對(duì)的H1通信卡互為熱備。每個(gè)網(wǎng)段均配有冗余F890總線電源調(diào)節(jié)器。

對(duì)處于危險(xiǎn)區(qū)的智能變送器、閥門定位器等總線設(shè)備，通過(guò)Relcom的分支接線器Megablock掛接在H1網(wǎng)段上。而反應(yīng)器上的多點(diǎn)溫度檢測(cè)采用溫度元件和變送器分體式安裝，通過(guò)總線接入H1網(wǎng)段。

2.2.2網(wǎng)段的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)總線的拓?fù)淇梢苑譃闃?shù)型、分支型、菊花鏈型和組合型。

① 樹(shù)型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)由多個(gè)與位于主干電纜末端的接線箱相連的獨(dú)立現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備組成，適用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備密度高的區(qū)域。

② 分支型拓?fù)涞默F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備通過(guò)分支電纜與多站式總線網(wǎng)段連接，技術(shù)角度可行，但由于浪費(fèi)分支接線器，經(jīng)濟(jì)性較差。

③ 菊花鏈拓?fù)溆稍O(shè)備到設(shè)備的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成，連接位于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的端部。在運(yùn)行狀態(tài)下，如果不中斷其他設(shè)備的服務(wù)，就不能在網(wǎng)段中增加或刪除設(shè)備，因此可靠性和維護(hù)性較差。

④ 組合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是樹(shù)型和多分支型拓?fù)涞慕M合，可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，保證了總線系統(tǒng)的可靠性，提高了網(wǎng)段效率。該結(jié)構(gòu)也是本裝置推薦的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.3　網(wǎng)段負(fù)載分布和計(jì)算

2.3.1FF設(shè)備的網(wǎng)段負(fù)載分布

FF網(wǎng)段的設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合分析的過(guò)程，包含4個(gè)主要因素[6]：風(fēng)險(xiǎn)管理控制、電壓降和電流限制、信號(hào)衰減和備用容量的要求。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線H1網(wǎng)段的設(shè)計(jì)，首先需要遵循風(fēng)險(xiǎn)分散的原則，將FF儀表或閥門的故障對(duì)相關(guān)工藝流程的影響降低到可控的程度。以聚合裝置為例，應(yīng)將冗余設(shè)置的多個(gè)測(cè)量變送器掛接在不同網(wǎng)段中，同一個(gè)控制回路的儀表和執(zhí)行器宜分配在同一個(gè)網(wǎng)段。對(duì)于閥門的分布，應(yīng)根據(jù)其在工藝過(guò)程中的作用和重要性進(jìn)行分級(jí)。

① 一級(jí)關(guān)鍵閥門,當(dāng)其發(fā)生故障時(shí)，會(huì)造成整個(gè)裝置停車或重大經(jīng)濟(jì)損失。在一級(jí)關(guān)鍵閥門的網(wǎng)段中，只能連接與其控制相關(guān)的檢測(cè)設(shè)備。

② 二級(jí)關(guān)鍵閥門,當(dāng)其發(fā)生故障時(shí)，需要操作人員及時(shí)采取措施，防止設(shè)備和裝置停車。在二級(jí)關(guān)鍵閥門的網(wǎng)段中，不允許掛接其他一級(jí)或二級(jí)關(guān)鍵閥門。

③ 三級(jí)關(guān)鍵閥門,當(dāng)其發(fā)生故障時(shí)，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)造成裝置停車。在三級(jí)關(guān)鍵閥門的網(wǎng)段中，最多允許再連接一個(gè)二級(jí)關(guān)鍵閥門或三級(jí)關(guān)鍵閥門。

2.3.2FF網(wǎng)段負(fù)載計(jì)算

本裝置共使用現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備4 382臺(tái)，按每段總線配置6~8臺(tái)儀表設(shè)備考慮(每個(gè)網(wǎng)段調(diào)節(jié)閥不超過(guò)2臺(tái))，共配置624個(gè)網(wǎng)段。網(wǎng)段上所有設(shè)備的總電流不得超過(guò)供電電源的額定值，包括設(shè)備靜態(tài)電流、分支短路故障時(shí)的附加電流以及25%的余量。所以電源調(diào)節(jié)器的輸出電流會(huì)影響網(wǎng)段上掛接儀表的數(shù)量。而網(wǎng)段總電流在電纜上的壓降以及調(diào)節(jié)器的輸出電壓也會(huì)影響電纜的可用長(zhǎng)度。現(xiàn)根據(jù)裝置中一個(gè)網(wǎng)段的實(shí)例進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。如圖1所示，該網(wǎng)段為組合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1　網(wǎng)段結(jié)構(gòu)圖

圖1中，LT-2119為Rosemount 5400雷達(dá)液位變送器，TT-2021/2022為TMT162溫度變送器， FT-2025為Krohne 電磁流量計(jì)，PT-2060為Rosemount 3051 變送器，PV-2060A/2060B為Valtek調(diào)節(jié)閥，01-JB-206A/B為現(xiàn)場(chǎng)總線接線箱并內(nèi)置了Relcom 8路MegaBlock，H1卡為艾默生通信卡。

總線電纜類型為A型(AWG18屏蔽雙絞線)，往復(fù)電阻約為44 Ω/km。估算時(shí)，可以采用簡(jiǎn)單的規(guī)則，設(shè)定單個(gè)變送器的電流為15 mA，單個(gè)閥門定位器的電流為25 mA，最遠(yuǎn)端設(shè)備的電纜長(zhǎng)度為581 m。計(jì)算如下。

① 總消耗電流：15×5+25×2=125 mA。

② 網(wǎng)段電纜上壓降：U=125 mA×44 Ω/km×0.581 km=3.196 VDC。

F890冗余電源調(diào)節(jié)器的網(wǎng)段供電能力為28 V、420 mA。上述儀表的最低工作電壓為9 VDC。因此該網(wǎng)段設(shè)備均可正常運(yùn)行。在項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中， 除了進(jìn)行類似人工估算外，也可以使用Segment Design Tool等軟件對(duì)設(shè)計(jì)的網(wǎng)段進(jìn)行驗(yàn)算。

2.3.3總線信號(hào)衰減與網(wǎng)段通信

除了考慮網(wǎng)段長(zhǎng)度、供電負(fù)荷外，信號(hào)在電纜上的衰減也應(yīng)成為網(wǎng)段分析的另一個(gè)重要指標(biāo)。但在一般情況下，由信號(hào)衰減對(duì)通信產(chǎn)生的影響比導(dǎo)線阻抗形成的壓降影響小很多。

為了避免上述通信問(wèn)題對(duì)FF總線系統(tǒng)的影響，現(xiàn)場(chǎng)總線上所有通信的協(xié)調(diào)由鏈路活動(dòng)調(diào)度器(LAS)負(fù)責(zé)。網(wǎng)段的通信根據(jù)宏循環(huán)周期執(zhí)行，宏循環(huán)周期取決于變送器的響應(yīng)時(shí)間、功能塊的執(zhí)行時(shí)間以及LAS的參數(shù)組態(tài)。

3FF總線應(yīng)用注意

隨著知名儀表廠商及系統(tǒng)供應(yīng)商對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)開(kāi)發(fā)日益成熟，現(xiàn)場(chǎng)總線在國(guó)內(nèi)外工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際使用中還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)[7-9]。

① 通信距離?，F(xiàn)場(chǎng)總線的通信距離在采用標(biāo)準(zhǔn)A類FF電纜，理論上可以達(dá)到1 900 m。但在實(shí)際使用中，必須綜合考慮網(wǎng)段負(fù)載分布、電源調(diào)節(jié)器輸出電壓和設(shè)備靜態(tài)電流等因素。網(wǎng)段上所有設(shè)備的總電流加上25%余量不得超過(guò)電源調(diào)節(jié)器的額定值。而電源調(diào)節(jié)器的電壓在去除總電流在電纜上壓降影響后，應(yīng)大于用電設(shè)備的最小工作電壓。

② 極性。 由于某些FF設(shè)備對(duì)極性敏感，若極性接反，設(shè)備不能正常工作，因此整個(gè)網(wǎng)段設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中都應(yīng)考慮極性或者選用非極性敏感設(shè)備。

③ 接地和屏蔽。現(xiàn)場(chǎng)總線電纜屏蔽線只能在系統(tǒng)側(cè)單點(diǎn)接地，避免屏蔽線通過(guò)儀表或設(shè)備本體接地?，F(xiàn)場(chǎng)總線中任何一根信號(hào)線接地錯(cuò)誤，將導(dǎo)致網(wǎng)段上所有設(shè)備通信故障。如果多根主干電纜同時(shí)接入接線盒，則不得將該電纜屏蔽線與其他網(wǎng)段相連，以避免形成接地回路而引入噪聲。

④ 防雷。在雷電多發(fā)地區(qū)或大感性負(fù)載設(shè)備附近，應(yīng)提供網(wǎng)段的浪涌保護(hù)。浪涌保護(hù)器可安裝在系統(tǒng)側(cè)、分支接線盒以及現(xiàn)場(chǎng)受保護(hù)的儀表內(nèi)。

⑤ 終端器。在總線每一個(gè)網(wǎng)段的兩端，各裝有一個(gè)終端器，實(shí)現(xiàn)終端的阻抗匹配，以防止信號(hào)的反射。其中，終端器可以安裝在電源調(diào)整器內(nèi)部，而另一個(gè)則裝在最遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)分支接線器中。

⑥ 總線設(shè)備描述。由于實(shí)現(xiàn)了純數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)通信，F(xiàn)F總線設(shè)備的描述(device description,DD)文件與DCS系統(tǒng)匹配顯得更加重要。在總線調(diào)試時(shí)，個(gè)別總線設(shè)備由于DD文件版本與系統(tǒng)內(nèi)版本不一致，將造成其無(wú)法加載。

4結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)依托石油化工項(xiàng)目迅速推廣，并在國(guó)內(nèi)外大型聯(lián)合裝置取得良好的應(yīng)用，積累了豐富的

經(jīng)驗(yàn)。就本裝置而言，在項(xiàng)目建設(shè)階段，通過(guò)采用FF總線技術(shù)，減少了60%的電纜用量以及大量現(xiàn)場(chǎng)接線、橋架敷設(shè)等施工成本；在試車階段，總線技術(shù)提供了便利的通信及在線仿真功能，使得回路測(cè)試效率極大提高；利用總線儀表豐富的診斷及健康趨勢(shì)分析功能，在26個(gè)月投運(yùn)過(guò)程中，平穩(wěn)操作時(shí)間比預(yù)期提高5%。同時(shí),FF總線帶來(lái)的控制層級(jí)的扁平化，降低了系統(tǒng)停車的風(fēng)險(xiǎn)。因此，從整個(gè)裝置的生命周期來(lái)看，基于FF總線技術(shù)所搭建的數(shù)字、智能化工廠平臺(tái)，在降低生產(chǎn)維護(hù)成本、提高生產(chǎn)效率和信息化水平方面起到了顯著效果。

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中圖分類號(hào)：TH7；TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507004

修改稿收到日期：2015-02-04。

作者張宇(1979-)，男，2004年畢業(yè)于華東理工大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事自動(dòng)化控制及儀表工程設(shè)計(jì)工作。