因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有很多常規(guī)儀表所不能替代的優(yōu)點(diǎn)，隨著用戶對(duì)設(shè)備管理信息的要求越來(lái)越高，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)勢(shì)不可擋，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)必將在今后幾年得到廣泛應(yīng)用。但是，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚處于應(yīng)用初期，人們可現(xiàn)場(chǎng)總線的了解還很少，如何在工程中應(yīng)用更是知之甚少。本文詳細(xì)闡述了基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)在南海石化項(xiàng)目的應(yīng)用情況，供廣大讀者參考。
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)自從上世紀(jì)80年代以來(lái)，在石油、化工、汽車(chē)、食品等許多行業(yè)得到廣泛地應(yīng)用，但由于電力行業(yè)控制對(duì)象的危險(xiǎn)性和重要性，所以在電力行業(yè)應(yīng)用還沒(méi)有得到推廣。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有許多傳統(tǒng)的控制技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)控制技術(shù)的發(fā)展方向。目前，有許多現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，如Foundation Feildbus(FF)、Profibus、WorldFIP、ControlNet、lnterBus、P-net等，南海石化項(xiàng)目統(tǒng)一采用基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(FF)。為減少工程造價(jià)，減少以后的運(yùn)行維護(hù)工作量，項(xiàng)目要求盡最大的可能采用現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用。
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是一種全數(shù)字、串行、雙向的通訊系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)將傳感器、執(zhí)行器與控制器等“現(xiàn)場(chǎng)”設(shè)備互相連接起來(lái)。典型的現(xiàn)場(chǎng)總線安裝就是提供一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接，這個(gè)連接是雙向的、串行通訊連接。這種連接是用一對(duì)線將多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備并聯(lián)在一起，這與傳統(tǒng)的4～20mA設(shè)備用單獨(dú)的不同對(duì)線連接每一個(gè)設(shè)備到DCS系統(tǒng)有非常大的區(qū)別。下圖展示了這點(diǎn)不同：
每個(gè)從主機(jī)系統(tǒng)到現(xiàn)場(chǎng)的部分就是一個(gè)段(Segment)，一段就是結(jié)束于終端電陰的H1總線的一部分。每一段由干線和分枝組成。干線就是連接主機(jī)系統(tǒng)(DCS)到現(xiàn)場(chǎng)的主線(Homerun)。分枝就是并行連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如變送器、控制閥的支線。接線盒用于干線和分枝的連接。一個(gè)供電電源通過(guò)連接到干線為所有在這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線段上的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備供電。
1.0 南海石化項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)構(gòu)成
南海石化項(xiàng)目DCS控制系統(tǒng)選用橫河(Yokogawa)CS3000系統(tǒng)，CS3000系統(tǒng)提供了現(xiàn)場(chǎng)總線控制站(FCS)，F(xiàn)CS運(yùn)行和監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)總線功能塊。FCS提供現(xiàn)場(chǎng)總線通訊模件(ALF111)用于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的通訊控制。另外DCS控制系統(tǒng)還提供全廠資源(PRM)功能，這個(gè)功能是一個(gè)設(shè)備管理系統(tǒng)。它將運(yùn)行相關(guān)的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。PRM高效地處理現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的管理和維護(hù)工作。PRM還處理HART協(xié)議的設(shè)備管理和維護(hù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)下圖：
2.0 南海石化項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)要求
現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)過(guò)程本身與傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)類(lèi)似，但是傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)備的布置和電纜表主要考慮接線柜的設(shè)計(jì)，DCS設(shè)計(jì)依據(jù)于I/O清單和工藝運(yùn)行程序，不考慮電纜表或設(shè)備和接線盒的布置。而現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。例如現(xiàn)場(chǎng)總線段的設(shè)計(jì)影響DCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，DCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依賴(lài)于設(shè)備的布置、電纜的設(shè)計(jì)。
2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用原則
南海石化項(xiàng)目要求在所有過(guò)程控制設(shè)計(jì)時(shí)最大限度地應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線，包括所有的成套設(shè)備。以下典型的過(guò)程控制回路需要應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線：監(jiān)視回路、簡(jiǎn)單的PID回路、串級(jí)控制回路、順序控制回路、復(fù)雜控制回路?？紤]安全原因，現(xiàn)場(chǎng)總線不可以應(yīng)用于儀表保護(hù)系統(tǒng)(IPS)和消防系統(tǒng)(FGS)。開(kāi)關(guān)量信號(hào)控制不能應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線。
2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備選型原則
現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備選型應(yīng)滿足下列條件：
●互可操作性。所有現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備必須與橫河(Yokogawa)CS3000系統(tǒng)具有完全的互可操作能力，包括與之相關(guān)的先進(jìn)的自診斷功能。
●現(xiàn)場(chǎng)總線功能快。雖然現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)已經(jīng)定義了標(biāo)準(zhǔn)的功能塊、先進(jìn)的附加功能快。但是，不是所有的這些功能塊都適合應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，有一些功能塊還不能應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，或是還沒(méi)有通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線互可操人性試驗(yàn)。為了簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)計(jì)和設(shè)備采購(gòu)過(guò)程，所有的變送器被指定為AI功能塊，所有的閥門(mén)定位器被定義為AO功能塊。
●現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的供電?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備可以從現(xiàn)場(chǎng)總線段上(回路供電)，也可以從就地供電(外供電)?？偩€供電典型的要求12～30mA 電流、9～32V電壓，超過(guò)30mA供電電流的設(shè)備沒(méi)有特殊情況，不被選用。項(xiàng)目推薦回路供電方式。
●鏈路主設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備不被指定為鏈路主設(shè)備，橫河FCS系統(tǒng)在冗余的HI接口卡內(nèi)提供了工作和備用的鏈路活動(dòng)調(diào)度器(LAS)功能。
●設(shè)備升級(jí)?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備內(nèi)部的軟件有一定的版本，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的軟件經(jīng)常改進(jìn)、升級(jí)，而硬件不變。為了設(shè)備升級(jí)容易，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備應(yīng)提供閃存，用于設(shè)備軟件的在線升級(jí)，并且記錄設(shè)備的應(yīng)用軟件版本、設(shè)備描述(DD)和公用文件格式(CFF)的版本。
2.3 危險(xiǎn)的回路定義和應(yīng)用
在危險(xiǎn)性分析(HAZOP)階段要對(duì)控制回路的危險(xiǎn)程度分級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)總線分段設(shè)計(jì)時(shí)要依據(jù)這些分析結(jié)果，危險(xiǎn)程度等級(jí)應(yīng)在段和回路圖中體現(xiàn)。危險(xiǎn)程度分級(jí)被分為下列三級(jí)：
●第一級(jí)
定義：回路控制失敗將導(dǎo)致全廠停車(chē)，或損壞沒(méi)有備用的重要的設(shè)備。
應(yīng)用：閥門(mén)定位器和與它關(guān)聯(lián)的測(cè)量?jī)x表應(yīng)位于同一H1段上，這一HI段上不允許有其他控制回路，但可以有其他監(jiān)視儀表。
●第二級(jí)
定義：回路控制失敗將導(dǎo)致危險(xiǎn)形勢(shì)，這種危險(xiǎn)通過(guò)提醒運(yùn)行員采取行動(dòng)，可以避免全廠停車(chē)?；蛘呋芈房刂剖?dǎo)致全廠停車(chē)，但對(duì)這種停車(chē)，工藝系統(tǒng)允許立刻恢復(fù)。
應(yīng)用：閥門(mén)定位器和與它關(guān)聯(lián)的測(cè)量?jī)x表應(yīng)位于同一H1段上，這一H1段上不允許有其他級(jí)別為1或2的控制回路，但可以有一個(gè)級(jí)別為3的控制回路或有其他監(jiān)視儀表。
●第三級(jí)
定義：回路控制失敗不會(huì)導(dǎo)致任何整個(gè)工藝單元停車(chē)危險(xiǎn)，級(jí)別為3的閥門(mén)可以轉(zhuǎn)到它的失敗位置。
應(yīng)用：同一H1段上可以有2～3個(gè)級(jí)別為3的控制回路的閥門(mén)定位器和與它關(guān)聯(lián)的測(cè)量?jī)x表，或其他監(jiān)視儀表。
2.4 控制功能分配
為了簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)總線執(zhí)行的過(guò)程，所有與控制有關(guān)的功能將在DCS中實(shí)現(xiàn)，而不是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
2.5 現(xiàn)場(chǎng)總線段分組設(shè)計(jì)
為了充分地發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線段分組設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能地將同一控制回路的儀表分配到同一現(xiàn)場(chǎng)總線段。但為了方便現(xiàn)場(chǎng)總線的執(zhí)行，這一要求不是強(qiáng)制的。
2.6 防爆區(qū)域分級(jí)
防爆區(qū)域分級(jí)為2區(qū)或安全的，應(yīng)選用無(wú)火花型防爆設(shè)備EEx(n)。防暴區(qū)域分級(jí)為1區(qū)的，應(yīng)選用隔爆型防爆設(shè)備EEx(d)。防暴區(qū)域分級(jí)為0區(qū)的，應(yīng)選用本安型防爆設(shè)備EEx(ia)。
2.7 冗余
在主機(jī)系統(tǒng)橫河CS3000和系統(tǒng)內(nèi)配備下列冗余：DCS的30分種UPS備用電池電源冗余、DCS系統(tǒng)控制器電源模件冗余、DCS系統(tǒng)控制器(FCU)冗余、現(xiàn)場(chǎng)總線H1通訊模件ALF111(每?jī)蓚€(gè)卡件供4個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線段服務(wù))冗余、現(xiàn)場(chǎng)總線電源和調(diào)節(jié)器冗余。
2.8 在H1總線上的物理設(shè)備要求
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范要求，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線段上最多可以連接32個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。但實(shí)踐證明，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線段上連接16個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備是切實(shí)可行的。為了最小程度降低現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)影響，例如現(xiàn)場(chǎng)總線確認(rèn)和調(diào)試相關(guān)的問(wèn)題，南海石化項(xiàng)目要求，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線段上最多可以連接10個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，同時(shí)要考慮回路的危險(xiǎn)分級(jí)要求。
2.9 現(xiàn)場(chǎng)總線段備用設(shè)計(jì)要求
每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線段上最多可以連接10個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，包括20%備用容量，所以實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線段上最多只可以連接8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。特殊情況下，超過(guò)8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備時(shí)，要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線段設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。
2.10 現(xiàn)場(chǎng)總線段執(zhí)行時(shí)間要求
所有現(xiàn)場(chǎng)總線段執(zhí)行時(shí)間為1000毫秒。其中預(yù)定的通訊時(shí)間為700毫秒，非預(yù)定的通訊時(shí)間為300毫秒。功能塊的執(zhí)行和通訊時(shí)間不能超過(guò)最大允許時(shí)間，以確保滿足最大的現(xiàn)場(chǎng)總段線負(fù)荷要求。通訊模件ALF111與各功能通訊時(shí)間不超過(guò)40毫秒，AI功能模塊最大執(zhí)行時(shí)間不超過(guò)100毫秒，AO功能模功最大執(zhí)行時(shí)間不超過(guò)130毫秒，PID功能模塊最大執(zhí)行時(shí)間不超過(guò)160毫秒。任何超過(guò)要求的執(zhí)行時(shí)間都不允許。
2.11現(xiàn)場(chǎng)總線段接線設(shè)計(jì)要求
現(xiàn)場(chǎng)總線段接線設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的DCS接線設(shè)計(jì)不同。見(jiàn)下圖。傳統(tǒng)的接線方式是：從就地接線盒到DCS接線柜干線電纜，通常采用20對(duì)對(duì)絞電纜，接線盒可以為20個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供接線，其中包括20%的備用。而現(xiàn)場(chǎng)總線干線(Homerun)電纜采用2對(duì)對(duì)絞分屏加總屏電纜，連接兩個(gè)段，一對(duì)用于第一個(gè)H1總線段，另一對(duì)用于第二個(gè)H1總線段。每個(gè)H1總線段可以連接10個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備通過(guò)單對(duì)屏蔽分枝電纜連接到接線盒。
現(xiàn)場(chǎng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它有五種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)到點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，帶支線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也叫雞爪型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，南海項(xiàng)目要求采用樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)總線段通過(guò)干線電纜把現(xiàn)場(chǎng)公用接線盒連接一DCS接線柜(MDF)，就地的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備再用獨(dú)立的雙絞一連接到接線盒。這樣如果某個(gè)設(shè)備故障，不會(huì)影響到其他設(shè)備的運(yùn)行。如下圖示：
其他任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用要慎用。
現(xiàn)場(chǎng)總線電纜類(lèi)型要求。為了得到最好的現(xiàn)場(chǎng)總線特性，現(xiàn)場(chǎng)總線電纜應(yīng)采用特殊設(shè)計(jì)的專(zhuān)用的分屏加總屏的對(duì)絞線，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)的物理層要求典型的現(xiàn)場(chǎng)總線電纜應(yīng)具有下列特點(diǎn)：
線徑——18AWG(0.8mm2)，
屏蔽覆蓋率——90%
最大哀減率——在39KHZ頻率下為3db/km，
最大容抗——150pF/m，
特性阻抗——D 31.25KHZ頻率下為1000hms±20%，
最大直流電阻——220hms/km，
但是對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的儀表電纜橋架來(lái)說(shuō)，這種特殊設(shè)計(jì)的電纜應(yīng)用的益處不是十分明顯，所以為降傴工程造價(jià)，南海石化項(xiàng)目使用普通的分屏加總屏的對(duì)絞線電纜為現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)。干線電纜(homerun cable)采用兩對(duì)、1.0mm2、對(duì)絞、分屏加總屏、聚乙烯絕緣、聚氯乙烯護(hù)套、鎧裝電纜；分板電纜(spur cable)采用單對(duì)、10mm2、對(duì)絞、屏蔽、聚乙烯絕緣、聚氯乙烯護(hù)套、鎧裝電纜。
現(xiàn)場(chǎng)總線電纜長(zhǎng)度要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)規(guī)范ISA S50.02要求，一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線段的最大允許長(zhǎng)度應(yīng)小于1900米，總的段長(zhǎng)度應(yīng)為干線長(zhǎng)度加上所有的分支長(zhǎng)度。經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)長(zhǎng)度要求是保守的?，F(xiàn)場(chǎng)總線的長(zhǎng)度是為了限制因長(zhǎng)度而引起的電壓降和信號(hào)品質(zhì)(如衰減和失真)的影響。為了避免計(jì)算每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線段的物理負(fù)荷和減少現(xiàn)場(chǎng)總線段設(shè)計(jì)確認(rèn)工作，南海石化項(xiàng)目要求：現(xiàn)場(chǎng)總線段的干線電纜長(zhǎng)度≤500米，現(xiàn)場(chǎng)總線段的分支電纜≤75米。
現(xiàn)場(chǎng)總線電源容量要求。現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)規(guī)定最大的段電流應(yīng)由電源調(diào)節(jié)裝置限制在350毫安內(nèi)。南海石化項(xiàng)目要求每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的最大電流不超過(guò)30毫安。最小操作電壓。南海石化項(xiàng)目要求每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的最小操作電壓為直流10伏特。
衰減率?，F(xiàn)場(chǎng)總線的運(yùn)行頻率為39千赫茲，在此頻率下現(xiàn)場(chǎng)總線電纜的哀減頻率應(yīng)小于3分貝/千米，或1千米后的信號(hào)衰減小于70%?，F(xiàn)場(chǎng)總線變送器可以發(fā)送出峰-峰值為0.75伏特的信號(hào)，那么現(xiàn)場(chǎng)總線接收器就要能檢測(cè)到峰-峰值為0.15伏特的信號(hào)。
屏蔽接地。所有現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)線芯應(yīng)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)得到保護(hù)，任何導(dǎo)體接地將引起在那個(gè)線上的所有現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備失去通訊。
2.12 現(xiàn)場(chǎng)總線段設(shè)計(jì)確認(rèn)
怎樣考慮電纜長(zhǎng)度、電壓降、電源容量等在現(xiàn)場(chǎng)總線段確認(rèn)計(jì)算的關(guān)系，參見(jiàn)下圖：
本項(xiàng)目是將所有現(xiàn)場(chǎng)總線參數(shù)的最大值和默認(rèn)值都需要錄入INTOOLS數(shù)據(jù)庫(kù)(一種儀表專(zhuān)業(yè)專(zhuān)用的工程設(shè)計(jì)軟件)，現(xiàn)場(chǎng)總線段設(shè)計(jì)的確認(rèn)工作用INTOOLS軟件的現(xiàn)場(chǎng)總線段確認(rèn)程序自動(dòng)確認(rèn)，然后給出報(bào)告，如果哪項(xiàng)要求不能滿足，需調(diào)整相關(guān)參數(shù)。
2.13 現(xiàn)場(chǎng)總線接線盒的要求
現(xiàn)場(chǎng)總線接線盒必須有足夠的空間容納現(xiàn)場(chǎng)總線接線端子板。
南海石化項(xiàng)目根據(jù)要求統(tǒng)一采用RELCOM 848T端子板。
（轉(zhuǎn)載）
