楊希桐

(天津市禾厘油氣技術(shù)有限公司,天津 300540)

淺談FF現(xiàn)場總線技術(shù)在海洋石油平臺上的應(yīng)用

楊希桐

(天津市禾厘油氣技術(shù)有限公司,天津 300540)

現(xiàn)場總線是八十年代末在國際上發(fā)展起來的用于過程自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通信網(wǎng)絡(luò)。在眾多的現(xiàn)場總線技術(shù)中,由現(xiàn)場總線基金會組織(Fieldbus Foundation,即FF)開發(fā)的基金會現(xiàn)場總線(以下簡稱“FF現(xiàn)場總線”)在過程自動化領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。FF現(xiàn)場總線是一項較新的技術(shù),尤其是在我國海洋石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用,還相對較少,2002年中國海洋石油總公司才首次提出將FF現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于旅大油田開發(fā)項目。因此本文從理論聯(lián)系實際應(yīng)用的角度進行介紹,以便海洋石油工程相關(guān)人員了解這項技術(shù)。

FF現(xiàn)場總線 網(wǎng)段拓撲 H1 HSE

以FF現(xiàn)場總線為信息通道構(gòu)成了一種全分布式的自動化系統(tǒng),其主要功能是對工業(yè)生產(chǎn)過程進行測量、信號變送、控制等。FF于1996年頒布了低速總線Hl標(biāo)準(zhǔn),H1用于描述通信速率為31.25kb/s的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。為實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的控制功能,在H1和HSE(高速以太網(wǎng))應(yīng)用層之上增加了用戶層。用戶層包括了FF所定義的標(biāo)準(zhǔn)化的功能塊和功能塊應(yīng)用進程,構(gòu)成了自動化控制系統(tǒng)中實現(xiàn)控制功能的主要部分。

1 FF現(xiàn)場總線技術(shù)簡介

FF現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,在低速H1網(wǎng)段上掛接多個現(xiàn)場總線設(shè)備,完成現(xiàn)場的智能化儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)、分散I/O等設(shè)備間的數(shù)字通信以及與控制系統(tǒng)間的信息傳遞。完整的H1網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成部件有現(xiàn)場總線接口、終端器、總線電源、本質(zhì)安全柵、現(xiàn)場設(shè)備、中繼器、網(wǎng)橋、傳輸介質(zhì)等,每個分支通過鏈路設(shè)備連接到FF總線HSE高速網(wǎng)段,數(shù)據(jù)通過HSE網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鱾€服務(wù)器,進行數(shù)據(jù)處理。

2 FF現(xiàn)場總線的拓撲結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場總線拓撲結(jié)構(gòu)根據(jù)工程要求,可采用不同的形式,比如點對點、樹型、分支或組合拓樸結(jié)構(gòu),不建議采用菊花鏈拓樸形式。

2.1 點對點拓撲結(jié)構(gòu)

該拓樸由只包含兩個設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)組成。網(wǎng)絡(luò)可以完全位于現(xiàn)場(如變送器和閥門,兩臺設(shè)備之上無任何連接)或是與主系統(tǒng)連接的現(xiàn)場設(shè)備(負責(zé)控制或監(jiān)視)。

不要采用圖2所示的拓樸結(jié)構(gòu)。除非是如下列出的特例,它是一種不經(jīng)濟的方案。簡單的點對點(主機和每個總線的一個設(shè)備)不會常用,因為它每段只有一個測量或者控制設(shè)備,如同在傳統(tǒng)控制4～20mA時那樣,同每個具有多個設(shè)備的總線段相比沒有優(yōu)點。

2.2 樹形拓撲

樹型拓樸網(wǎng)絡(luò)由單個與公共接線盒相連的獨立現(xiàn)場總線總線組成。該拓樸可用于主干線電纜的末端。如果同一網(wǎng)段上的設(shè)備彼此分離,但仍然在接線盒的總區(qū)域范圍之內(nèi),該拓樸是一種可行的方案。采用該拓樸時,必須考慮分支的最大長度。樹型拓樸結(jié)構(gòu)如圖3所示。對現(xiàn)有電纜再利用時,這是首選的拓樸結(jié)構(gòu),因為它類似于傳統(tǒng)的安裝方式,并且可以充分利用已有的基本設(shè)施。在組態(tài)和分配網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)段設(shè)備時,該拓樸具有最大的靈活性。樹型拓樸適用于如下場合:改造項目,現(xiàn)場設(shè)備密度高的特定區(qū)域,采用高速以太網(wǎng)(HSE)。

圖1 FF分布式結(jié)構(gòu)

圖2 點到點拓撲示例

圖3 樹形拓撲示例

圖4 分支拓撲示例

圖5 混合拓撲示例

圖6 菊花鏈拓撲示例

2.3 分支拓撲

現(xiàn)場總線設(shè)備通過一根稱之為分支的電纜與多站式總線網(wǎng)段連接,構(gòu)成該拓樸。從技術(shù)角度看,該拓樸可行,但通常不是一種經(jīng)濟的方案。支線的長度可以從lm到l20m,長度小于1m的支線看作是一個接頭,如圖4所示。對于首次安裝,并且設(shè)備密度較低的區(qū)域,應(yīng)采用帶分支的總線拓樸。分支應(yīng)通過限流裝置(30mA,或按特定分支上設(shè)備的相應(yīng)需要)與總線連接,從而提供短路保護。

2.4 混合拓撲

上述幾種拓樸混合使用時(如圖5所示,即為混合拓撲),必須遵循現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)段最大長度的所有規(guī)則,包括總長度中分支長度的計算。

2.5 菊花鏈拓撲

這種聯(lián)接方式,在一個段中現(xiàn)場總線電纜從一臺設(shè)備走到另一臺設(shè)備,在每個現(xiàn)場設(shè)備的端子上互連。使用這種拓撲安裝應(yīng)該使用聯(lián)接器或一種接線方式,使得一臺設(shè)備的接線斷了不會影響整個段的工作。該拓樸由設(shè)備到設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)段組成,連接位于現(xiàn)場設(shè)備的端部。菊花鏈拓樸如圖6所示。不采用菊花鏈拓樸的原因在于:運行狀態(tài)下,如果不中斷其他設(shè)備的服務(wù),不能從網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)段上添加或刪除設(shè)備,不適合于維護。

3 FF型現(xiàn)場總線儀表在海洋石油平臺上的應(yīng)用

海洋石油平臺的控制系統(tǒng)包括:過程控制系統(tǒng)(PCS)、緊急關(guān)斷系統(tǒng)(ESD)和火氣探測系統(tǒng)(Famp;G)。其PCS采用FF現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),H1采用FF現(xiàn)場總線,H2采用HSE 100M以太網(wǎng)。ESD采用安全儀表(SIS)控制系統(tǒng),Famp;G采用專用的火/氣控制系統(tǒng)。常見工藝圖紙中所示PCS系統(tǒng)儀表(比如:)均標(biāo)有FF字樣標(biāo)志,為FF現(xiàn)場總線型儀表。設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)儀表控制系統(tǒng)的要求,采用合適的拓撲結(jié)構(gòu),組成FF現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

4 結(jié)語

新技術(shù)的不斷應(yīng)用正順應(yīng)了海洋石油事業(yè)不斷健康發(fā)展的趨勢。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展及其越來越多的應(yīng)用,FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)在設(shè)計、調(diào)試、組態(tài)、維護、智能資產(chǎn) 管理、降低設(shè)備生命周期成本、防止災(zāi)難性的事故發(fā)生以及降低勞動力成本等方面將為保持海洋石油的持續(xù)競爭力做出貢獻。

[1]Function Block Capabilities in Hybrid/Batch Applications AG-170 Revision 1.0 Fieldbus Foundation 1994-2002.

[2]Wiring and Installation 31.25 kbit/s, Voltage Mode, Wire Medium AG-140 Revision 1.0 1996 Fieldbus Foundation.

[3]基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)工程指南AG-181版本1.0-2003年12月Chairman End User Advisory Council Fieldbus Foundation.