總線系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及在安全連運(yùn)方面的獨(dú)特性

魏潤華

(天脊集團(tuán)儀表廠，山西 長治 047500)

引 言

隨著化工生產(chǎn)裝置對儀表及控制系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、采集信息數(shù)量、精細(xì)化控制的逐步提高，普通的模擬量儀表及控制系統(tǒng)已無法滿足更高的要求，而現(xiàn)場總線(Field Bus)是應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場,在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向安全化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向，獲得了廣泛應(yīng)用，通過一種合理的總線設(shè)備參數(shù)設(shè)定，達(dá)到多重化安全控制，最大限度滿足化工裝置的安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 綜述

一般把現(xiàn)場總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng)，也稱作FCS——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。人們一般把50年代前的氣動(dòng)信號控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把4 mA～20 mA等電動(dòng)模擬信號控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng)，一方面，突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)具有開放性、互可操作性與互用性、高度分散性、對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性等特點(diǎn)，是一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。本文以苯胺裝置使用的艾默生DeltaV系統(tǒng)為例，進(jìn)行簡述。

1.2 苯胺FCS現(xiàn)場總線系統(tǒng)根據(jù)苯胺項(xiàng)目實(shí)際情況開發(fā)，具備以下特點(diǎn)

1)苯胺FCS現(xiàn)場總線系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備可完成自動(dòng)控制的基本功能，從而減輕了控制站負(fù)擔(dān)，使得控制站可以專職執(zhí)行復(fù)雜的高層次的控制算法。

2)苯胺裝置儀表自動(dòng)控制系統(tǒng)中，對總線本安防暴能力、總線網(wǎng)絡(luò)通訊能力和總線設(shè)備供電能力，實(shí)施了有效的整體解決方案，從而較好地解決了總線系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備的安全性、實(shí)時(shí)性和供電保障等問題。

3)大量新技術(shù)和新型儀表設(shè)備的使用，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準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化、設(shè)備連線減少、現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。為苯胺有機(jī)化工的精細(xì)操作提供了強(qiáng)有力的保障，使整套裝置保持了較高的自動(dòng)化控制水平，自控投運(yùn)率達(dá)到了98%以上。

4)為了滿足系統(tǒng)長周期運(yùn)行的要求，做到同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)完工，對系統(tǒng)進(jìn)行了危險(xiǎn)分散和冗余配置，并與電氣信號鏈接完全隔離，即便系統(tǒng)在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)也不致造成裝置停運(yùn)。同時(shí)提高了聯(lián)鎖投運(yùn)率，有效地轉(zhuǎn)化了運(yùn)行安全與事故安全的矛盾。

5)FCS比DCS更節(jié)約硬件設(shè)備。使用FCS可以減少大量的隔離器、端子柜、I/O卡及I/O端口，這樣就節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間，同時(shí)減少了大量電纜，可以極大地節(jié)省安裝費(fèi)用。與此同時(shí)，F(xiàn)CS比DCS性能有所提高。由于免去了D/A與A/D變換，使儀表精度得到極大的提高；通過將PID功能植入到相應(yīng)的智能傳感器中去，使控制周期大為縮短。

1.3 苯胺FCS現(xiàn)場總線系統(tǒng)在五個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新

第一次在集團(tuán)公司第一套有機(jī)化工苯胺裝置上，運(yùn)用了代表當(dāng)今自控領(lǐng)域最先進(jìn)技術(shù)的現(xiàn)場總線控制技術(shù)，有效解決了特殊的工藝生產(chǎn)過程對自控系統(tǒng)的各項(xiàng)嚴(yán)格要求，如：長周期穩(wěn)定運(yùn)行、精細(xì)控制、安全聯(lián)鎖、本安防爆、有效的事故判斷和分析等。與同類裝置相比，有以下4點(diǎn)突破：

①該套FCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全部模擬控制徹底分散。采用符合總線協(xié)議的智能現(xiàn)場設(shè)備，將各種控制功能模塊和I/O模塊置入現(xiàn)場設(shè)備中，如圖1所示。而并非下裝在CPU中，依靠現(xiàn)場總線的強(qiáng)大通訊能力，進(jìn)行現(xiàn)場級的信號傳遞?？刂乒δ艿耐瓿梢呀?jīng)擺脫了對控制室計(jì)算機(jī)的依賴，形成現(xiàn)場單元控制，降低了CPU的執(zhí)行負(fù)荷≤37%。

圖1 總線組態(tài)圖

圖2和圖3分別為現(xiàn)場總線變送器和總線定位器設(shè)備中自帶的控制模塊，凡是帶有此功能模塊的就可以根據(jù)需要將相應(yīng)的功能直接下裝在此總線設(shè)備中進(jìn)行運(yùn)算。

圖2 總線變送器內(nèi)控制模塊

圖3 總線定位器內(nèi)控制模塊

圖4劃線部分,提高了控制速度,同時(shí)也將計(jì)算機(jī)故障的風(fēng)險(xiǎn)降到了最低，真正體現(xiàn)了分散控制理念。

圖4 CPU參數(shù)

②現(xiàn)場總線儀表設(shè)備的信號采用數(shù)字信號傳輸，省去了A/D和D/A轉(zhuǎn)換，消除了系統(tǒng)誤差，提高了精度，同時(shí)能夠較好地避免環(huán)境對信號傳輸?shù)母蓴_和影響，如圖5所示。

圖5 硝化總線回路圖

③數(shù)字信號相對于模擬信號而言，能夠上傳大量的除測量值外的相關(guān)信息，方便直觀地進(jìn)行在線設(shè)備參數(shù)調(diào)試，及時(shí)獲得設(shè)備運(yùn)行狀況信息、了解設(shè)備故障信息，不需要維護(hù)人員到現(xiàn)場巡檢，降低了人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)。還有利于設(shè)備的預(yù)檢修，對切實(shí)提高儀表設(shè)備的準(zhǔn)確率、自控投運(yùn)率等基礎(chǔ)性工作，提供了良好的發(fā)展空間和技術(shù)平臺，如第77頁圖6所示，為數(shù)字化、多參數(shù)采集。

圖6 總線設(shè)備多參數(shù)采集

④成功解決了三方面問題：現(xiàn)場總線保障充足的設(shè)備供電；現(xiàn)場總線必須完全滿足電氣本安規(guī)范要求；現(xiàn)場總線必須保障網(wǎng)絡(luò)信息流負(fù)荷較低，從而確保通訊速率。

綜合以上特點(diǎn)，那么我們需要考慮，在極端情況下，假設(shè)控制器部分短時(shí)間出現(xiàn)問題，如何確保裝置安全穩(wěn)定的生產(chǎn)下去，或者在極端情況下，保證裝置及時(shí)安全的停下來。

2 重要系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行冗余過程

2.1 工藝及設(shè)備專業(yè)的相關(guān)分析(非儀表專業(yè))

組織相關(guān)專業(yè)對裝置進(jìn)行安全性、可操作性及其他相應(yīng)的審查和分析，確定重要設(shè)備及重要控制回路，并形成文件清單；此部分設(shè)備和回路一旦出現(xiàn)問題，輕則影響設(shè)備穩(wěn)運(yùn)高產(chǎn)，儀表專業(yè)根據(jù)清單配置冗余設(shè)備。

如圖7所示，冗余CPU/卡件、冗余電源通過兩路獨(dú)立電源供電。

圖7 冗余卡件冗余供電

2.2 儀表專業(yè)的相關(guān)分析

2.2.1 總的思路

在考慮極端情況的前提下，我們需要實(shí)現(xiàn)重要設(shè)備的回路設(shè)備在一個(gè)控制器CPU或卡件出問題時(shí)，可以正常顯示調(diào)節(jié)，那么兩個(gè)控制器CPU或卡件出問題而供電正常時(shí)(供電異常情況后文介紹)，也要可以正常顯示調(diào)節(jié)，如何實(shí)現(xiàn)，如何設(shè)計(jì)，對于普通的4 mA～20 mA儀表可以說是無法實(shí)現(xiàn)，但對于總線設(shè)備，還可以再增加一層保障。

2.2.2 總線主設(shè)備的選取

前面我們介紹過，我們將各種控制功能模塊和I/O模塊置入現(xiàn)場設(shè)備中，依靠現(xiàn)場總線的強(qiáng)大通訊能力，進(jìn)行現(xiàn)場級的信號傳遞。控制功能的完成已經(jīng)擺脫了對控制室計(jì)算機(jī)的依賴，形成現(xiàn)場單元控制，也就是說，現(xiàn)場每一臺總線設(shè)備都可以成為一臺臨時(shí)的控制器使用；這樣我們可以通過精確的參數(shù)設(shè)置使得極端情況下，現(xiàn)場設(shè)備可以作為一個(gè)控制器臨時(shí)使用，滿足工藝要求，如圖8所示。

總線主設(shè)備設(shè)置圖片：如圖8劃圈部分所示FT1119被作為本總線段的備用控制器使用。

圖8 總線主設(shè)備的選取

如圖中所示，我們將FT1119設(shè)置為主設(shè)備，那么在控制器及卡件故障而供電正常的情況下，此設(shè)備可以作為臨時(shí)控制器使用，而且通過實(shí)際測試，4 h(鑒于外部因素影響未進(jìn)行更長測試)以內(nèi)裝置參數(shù)顯示及控制功能未發(fā)現(xiàn)異常。這4 h內(nèi)，只要備件到位，異常情況可以在不到1 h內(nèi)解決，確保裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 所有重要聯(lián)鎖儀表部分的供電，均需采用事電與UPS電的冗余配置，盡量采用環(huán)形供電方式

為提高供電可靠性，使用戶可以從兩個(gè)方向獲得電源，通常將供電網(wǎng)連接成環(huán)形，這種供電方式簡稱為環(huán)形供電。對于儀表控制系統(tǒng)，特別是聯(lián)鎖系統(tǒng)而言,電源正常與否，對系統(tǒng)的穩(wěn)定安全連運(yùn)起著至關(guān)重要的作用，環(huán)形供電的必要性由此可見。環(huán)形電源供電示意圖，如圖9所示。

圖9 環(huán)形電源供電

這樣的話，一般不考慮電源故障后的重要回路控制功能失效問題，而且，重要回路一般都帶聯(lián)鎖，一旦雙電源故障，那么現(xiàn)場儀表失電，顯示異常，直接聯(lián)鎖停車，或者聯(lián)鎖執(zhí)行部分直接失電，裝置安全停車。

除以上創(chuàng)新之外，本套系統(tǒng)還有以下幾方面的創(chuàng)新：

1)按照FF現(xiàn)場總線特點(diǎn)，嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)和安裝規(guī)范，制定獨(dú)有的軟件和硬件規(guī)則，如：設(shè)備和電纜的設(shè)計(jì)和安裝、設(shè)備在線更換和調(diào)試、設(shè)備的本質(zhì)安全、軟件功能塊的設(shè)計(jì)和調(diào)用。有效地減少了系統(tǒng)調(diào)試、投運(yùn)和維護(hù)時(shí)問題的產(chǎn)生，保證了投料試車工作順利進(jìn)行，降低了運(yùn)行成本。共為工程節(jié)省了安裝和連接電纜費(fèi)用60%。

2)硝酸和苯的比值控制，是硝化工藝的核心控制回路，直接關(guān)系到產(chǎn)品產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。如果該回路出現(xiàn)問題，甚至將會(huì)對工藝裝置的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。鑒于此，工藝對硝酸和苯的比值控制要求非常嚴(yán)格，聯(lián)鎖點(diǎn)多、復(fù)雜，且控制精度要求高，設(shè)計(jì)要求對該回路的操作完全由FCS自動(dòng)執(zhí)行完成。

結(jié)合FCS優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)的硝化供料自動(dòng)程序，可以自動(dòng)打開硝酸和苯的控制閥門，同時(shí)按照預(yù)定的比值和速率逐步將閥門的開度增大，按比例增加硝酸和苯到反應(yīng)器的供料量。

3)首次在大型化工裝置中成功整合現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，為FF現(xiàn)場總線技術(shù)推廣到應(yīng)用基地，更為此項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，起到了不可忽視的推動(dòng)作用，具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

4)在聯(lián)鎖保護(hù)方面與其它系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)融合和銜接，為裝置的安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行提供有力保證。

3 結(jié)語

設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行設(shè)備的效益最大化永遠(yuǎn)是化工生產(chǎn)的頭等大事，一套功能強(qiáng)大、開放性、互可操作性與互用性強(qiáng)、高度分散性和對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)的系統(tǒng)，結(jié)合其固有的優(yōu)勢和特點(diǎn)，通過合理的參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安穩(wěn)長滿優(yōu)運(yùn)行，為企業(yè)的安全生產(chǎn)、積極向好發(fā)展，提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。