Application of Foundation Fieldbus Technology in Polyethylene Project

張　宇

(東洋工程有限公司，上海　200122)

FF現(xiàn)場總線技術(shù)在聚乙烯項目中的應(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：簡述了基金會現(xiàn)場總線(FF)技術(shù)的發(fā)展歷程。針對化工裝置對全廠控制系統(tǒng)高可靠性和復(fù)雜性的要求，從現(xiàn)場總線物理層角度出發(fā)，闡述了現(xiàn)場總線技術(shù)的特點及優(yōu)勢。結(jié)合大型聚烯烴項目實例，重點介紹了FF網(wǎng)段構(gòu)成和網(wǎng)絡(luò)拓撲的特征，并詳細分析了儀表、設(shè)備在現(xiàn)場總線網(wǎng)段上的分配原則。通過計算網(wǎng)段壓降和電流等特征參數(shù)，驗證了FF總線網(wǎng)段設(shè)計的可靠性。

關(guān)鍵詞：基金會現(xiàn)場總線聚乙烯網(wǎng)段拓撲信號衰減

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)場總線是應(yīng)用在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場設(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)備和自動化系統(tǒng)的通信鏈路。根據(jù)國際電工委員會IEC/SP50的定義，以現(xiàn)場總線為基礎(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，給自動化系統(tǒng)的最終用戶帶來更多的便利。

目前，現(xiàn)場總線的種類有40多種，國內(nèi)流行的有基金會現(xiàn)場總線(foundation field bus，F(xiàn)F)、Profibus、LonWorks、CAN、DeviceNet、ControlNet、HART、CC-Link等[2-3]。其中，F(xiàn)F在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和成功應(yīng)用。本文以年產(chǎn)40萬t線性低密度聚乙烯裝置為研究背景，根據(jù)工程實施的流程，對現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)計方法及特點進行了探討。

1基金會現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

1.1　基金會現(xiàn)場總線的特點

現(xiàn)場總線的突出特點在于它把相對集中的DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進一步分散化，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，依靠現(xiàn)場智能設(shè)備本身實現(xiàn)基本過程控制?，F(xiàn)場總線主要特點體現(xiàn)在以下幾個方面[4]。

① FF 總線系統(tǒng)完全實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的分散。FF網(wǎng)絡(luò)層次分為現(xiàn)場操作層和通信管理層，憑借先進的通信技術(shù)和微電子處理能力，將大量控制及計算功能下放到現(xiàn)場智能設(shè)備中，從而在現(xiàn)場實現(xiàn)從傳感器到執(zhí)行機構(gòu)的閉環(huán)控制。而通信管理層則通過總線對現(xiàn)場設(shè)備進行實時監(jiān)控、采集并分析工藝數(shù)據(jù)及設(shè)備運行狀態(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。同一網(wǎng)段各個設(shè)備間實現(xiàn)雙向通信，并通過主干網(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現(xiàn)場設(shè)備進行在線診斷、參數(shù)整定和預(yù)測性維護。

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)用在爆炸危險區(qū)域(0區(qū)或1區(qū))。

④ FF總線制定了開放的接口和標(biāo)準(zhǔn)化的功能塊。所有經(jīng)過基金會現(xiàn)場總線授權(quán)的設(shè)備都具備對總線系統(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

國內(nèi)首個大規(guī)模采用基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)的裝置，始于上海SECCO乙烯、低密度聚乙烯聯(lián)合項目[5]。該項目經(jīng)過多年平穩(wěn)運行，積累了大量經(jīng)驗及數(shù)據(jù)，對本裝置控制方案的確定和實施起到了示范及借鑒作用。本裝置作為另一重點煉化一體項目，工藝流程復(fù)雜，過程變量繁多，控制精度要求高，產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量及能量消耗都對工廠自動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)，融合先進的現(xiàn)場總線技術(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)及氣體檢測系統(tǒng)(FGS)、Bentley Nevada公司的轉(zhuǎn)動設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)(MMS)、實時信息管理系統(tǒng)(RTIMS)、Aspentech Apollo的先進控制系統(tǒng)APC等，組成整個工廠的控制與信息管理系統(tǒng)(PIMS)。

2聚乙烯項目的FF總線系統(tǒng)設(shè)計

2.1　聚乙烯裝置的概述及總線構(gòu)架

本項目為年產(chǎn)80萬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)、樹脂脫氣和樹脂造粒4個主體部分組成。工藝的復(fù)雜控制方案主要有串級控制、分程控制、比值控制、選擇控制以及大量與大型壓縮機、擠出機、冷凍機組聯(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、PDS產(chǎn)品出料聯(lián)鎖297個。在選用Emerson公司的DCS控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，現(xiàn)場總線設(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(機柜室)配置了AMS及OPC服務(wù)器和PIMS系統(tǒng)，實現(xiàn)了對現(xiàn)場總線設(shè)備的檢測、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)場總線控制系統(tǒng)的基本單元為網(wǎng)段。如上文所述，一個網(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)計均為冗余配置。 每塊DeltaV的H1通信卡有兩個網(wǎng)段接口，可分別連接16臺總線設(shè)備，成對的H1通信卡互為熱備。每個網(wǎng)段均配有冗余F890總線電源調(diào)節(jié)器。

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

2.2.2網(wǎng)段的拓撲結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場總線的拓撲可以分為樹型、分支型、菊花鏈型和組合型。

① 樹型拓撲網(wǎng)絡(luò)由多個與位于主干電纜末端的接線箱相連的獨立現(xiàn)場總線設(shè)備組成，適用于現(xiàn)場設(shè)備密度高的區(qū)域。

② 分支型拓撲的現(xiàn)場總線設(shè)備通過分支電纜與多站式總線網(wǎng)段連接，技術(shù)角度可行，但由于浪費分支接線器，經(jīng)濟性較差。

③ 菊花鏈拓撲由設(shè)備到設(shè)備的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成，連接位于現(xiàn)場設(shè)備的端部。在運行狀態(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，因此可靠性和維護性較差。

④ 組合型拓撲結(jié)構(gòu)是樹型和多分支型拓撲的組合，可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢，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)段負載分布和計算

2.3.1FF設(shè)備的網(wǎng)段負載分布

FF網(wǎng)段的設(shè)計是一個綜合分析的過程，包含4個主要因素[6]：風(fēng)險管理控制、電壓降和電流限制、信號衰減和備用容量的要求。

對于現(xiàn)場總線H1網(wǎng)段的設(shè)計，首先需要遵循風(fēng)險分散的原則，將FF儀表或閥門的故障對相關(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)置的多個測量變送器掛接在不同網(wǎng)段中，同一個控制回路的儀表和執(zhí)行器宜分配在同一個網(wǎng)段。對于閥門的分布，應(yīng)根據(jù)其在工藝過程中的作用和重要性進行分級。

① 一級關(guān)鍵閥門,當(dāng)其發(fā)生故障時，會造成整個裝置停車或重大經(jīng)濟損失。在一級關(guān)鍵閥門的網(wǎng)段中，只能連接與其控制相關(guān)的檢測設(shè)備。

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

③ 三級關(guān)鍵閥門,當(dāng)其發(fā)生故障時，短時間內(nèi)不會造成裝置停車。在三級關(guān)鍵閥門的網(wǎng)段中，最多允許再連接一個二級關(guān)鍵閥門或三級關(guān)鍵閥門。

2.3.2FF網(wǎng)段負載計算

本裝置共使用現(xiàn)場總線設(shè)備4 382臺，按每段總線配置6~8臺儀表設(shè)備考慮(每個網(wǎng)段調(diào)節(jié)閥不超過2臺)，共配置624個網(wǎng)段。網(wǎng)段上所有設(shè)備的總電流不得超過供電電源的額定值，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)器的輸出電壓也會影響電纜的可用長度?，F(xiàn)根據(jù)裝置中一個網(wǎng)段的實例進行負荷計算。如圖1所示，該網(wǎng)段為組合型拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1　網(wǎng)段結(jié)構(gòu)圖

圖1中，LT-2119為Rosemount 5400雷達液位變送器，TT-2021/2022為TMT162溫度變送器， FT-2025為Krohne 電磁流量計，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，可以采用簡單的規(guī)則，設(shè)定單個變送器的電流為15 mA，單個閥門定位器的電流為25 mA，最遠端設(shè)備的電纜長度為581 m。計算如下。

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)備均可正常運行。在項目執(zhí)行過程中， 除了進行類似人工估算外，也可以使用Segment Design Tool等軟件對設(shè)計的網(wǎng)段進行驗算。

2.3.3總線信號衰減與網(wǎng)段通信

除了考慮網(wǎng)段長度、供電負荷外，信號在電纜上的衰減也應(yīng)成為網(wǎng)段分析的另一個重要指標(biāo)。但在一般情況下，由信號衰減對通信產(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題對FF總線系統(tǒng)的影響，現(xiàn)場總線上所有通信的協(xié)調(diào)由鏈路活動調(diào)度器(LAS)負責(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)時間、功能塊的執(zhí)行時間以及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)商對現(xiàn)場總線的技術(shù)開發(fā)日益成熟，現(xiàn)場總線在國內(nèi)外工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在實際使用中還應(yīng)注意以下幾點[7-9]。

① 通信距離?，F(xiàn)場總線的通信距離在采用標(biāo)準(zhǔn)A類FF電纜，理論上可以達到1 900 m。但在實際使用中，必須綜合考慮網(wǎng)段負載分布、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)備對極性敏感，若極性接反，設(shè)備不能正常工作，因此整個網(wǎng)段設(shè)計和安裝過程中都應(yīng)考慮極性或者選用非極性敏感設(shè)備。

③ 接地和屏蔽?，F(xiàn)場總線電纜屏蔽線只能在系統(tǒng)側(cè)單點接地，避免屏蔽線通過儀表或設(shè)備本體接地?，F(xiàn)場總線中任何一根信號線接地錯誤，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)或大感性負載設(shè)備附近，應(yīng)提供網(wǎng)段的浪涌保護。浪涌保護器可安裝在系統(tǒng)側(cè)、分支接線盒以及現(xiàn)場受保護的儀表內(nèi)。

⑤ 終端器。在總線每一個網(wǎng)段的兩端，各裝有一個終端器，實現(xiàn)終端的阻抗匹配，以防止信號的反射。其中，終端器可以安裝在電源調(diào)整器內(nèi)部，而另一個則裝在最遠端現(xiàn)場分支接線器中。

⑥ 總線設(shè)備描述。由于實現(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，個別總線設(shè)備由于DD文件版本與系統(tǒng)內(nèi)版本不一致，將造成其無法加載。

4結(jié)束語

現(xiàn)場總線技術(shù)依托石油化工項目迅速推廣，并在國內(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。就本裝置而言，在項目建設(shè)階段，通過采用FF總線技術(shù)，減少了60%的電纜用量以及大量現(xiàn)場接線、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，使得回路測試效率極大提高；利用總線儀表豐富的診斷及健康趨勢分析功能，在26個月投運過程中，平穩(wěn)操作時間比預(yù)期提高5%。同時,FF總線帶來的控制層級的扁平化，降低了系統(tǒng)停車的風(fēng)險。因此，從整個裝置的生命周期來看，基于FF總線技術(shù)所搭建的數(shù)字、智能化工廠平臺，在降低生產(chǎn)維護成本、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：TH7；TP273

文獻標(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；主要從事自動化控制及儀表工程設(shè)計工作。