基金會現(xiàn)場總線技術(shù)在石化裝置中的應(yīng)用

唐孟

（中科合成油工程有限公司，北京101407）

基金會現(xiàn)場總線（FF）技術(shù)是近10年來基于數(shù)字通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的新型集散控制系統(tǒng)的通信技術(shù)，總線技術(shù)在形式上主要有FF，Profibus總線結(jié)構(gòu)等。近年來，總線技術(shù)在國內(nèi)氮肥、甲醇、合成油行業(yè)中開始運(yùn)用［1－5］，取得了良好的效果。筆者通過近期國內(nèi)引進(jìn)費(fèi)托合成油裝置上運(yùn)用的一個實(shí)例，來闡述FF的一些特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)時需要注意的事項(xiàng)。

1 概 述

區(qū)別于常規(guī)分散型控制系統(tǒng)的模擬技術(shù)，F(xiàn)F是一種對于儀表以及其他工廠自動化設(shè)備具有數(shù)字化、雙向、多結(jié)點(diǎn)的通信系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是現(xiàn)場儀表為總線型儀表，可以運(yùn)行常規(guī)的PID控制；通信速率為31.25Kbit／s等。文中主要結(jié)合FF技術(shù)的一些特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

2 現(xiàn)場總線技術(shù)與常規(guī)控制技術(shù)的區(qū)別

常規(guī)DCS結(jié)構(gòu)與FF結(jié)構(gòu)如圖1所示。因此，可以看出FF總線技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：FF具有開放性、互操作性與互用性；FF現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治化；FF控制功能高度分散化；FF系統(tǒng)為全數(shù)字化技術(shù)，準(zhǔn)確性與可靠性高，為今后數(shù)字技術(shù)在控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)；FF系統(tǒng)安裝材料與調(diào)試工作量減少；FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)為降低設(shè)備的生命周期成本提供工具。

圖1 FF技術(shù)與常規(guī)技術(shù)的比較

3 總線的網(wǎng)段設(shè)計(jì)

網(wǎng)段設(shè)計(jì)要解決的問題是確定網(wǎng)段的拓樸結(jié)構(gòu)、主干線和分支的電纜長度、現(xiàn)場儀表掛接數(shù)量、防爆的解決方案、防雷和防浪涌的解決方案、接地方案等。網(wǎng)段設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性、工廠的安全性，而且直接影響建設(shè)成本和今后維護(hù)的成本。

3.1 網(wǎng)段設(shè)計(jì)

FF現(xiàn)場總線的網(wǎng)段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般有樹形拓?fù)?、分支形拓?fù)?、組合形拓樸、菊花鏈拓樸等結(jié)構(gòu)。基金會建議所有主干線和分支的連接都在接線盒中完成，目前多采用樹形結(jié)構(gòu)，俗稱“雞爪形”結(jié)構(gòu)，而菊花鏈拓樸結(jié)構(gòu)由于維護(hù)不便，基金會組織不推薦采用。

利用三通接線盒（即所謂T形頭）從主干線上引出分支的拓樸結(jié)構(gòu)稱為分支形拓樸結(jié)構(gòu)，這是現(xiàn)場總線應(yīng)用初期被廣泛采用的拓樸結(jié)構(gòu)，并延用至今。其優(yōu)點(diǎn)是分支比較短，節(jié)省電纜；缺點(diǎn)是主干線被反復(fù)截?cái)啵腋郊O(shè)備數(shù)量眾多，使施工和維護(hù)困難，也不利于獲得系統(tǒng)的高可靠性。通常只用于現(xiàn)場儀表特別分散的場合。

在網(wǎng)段的終端設(shè)置1個接線箱用以連接所有的分支，這種結(jié)構(gòu)稱為樹形拓樸結(jié)構(gòu)。其突出的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，附件數(shù)量最少，施工和維護(hù)容易，建設(shè)成本相對較低。只是當(dāng)現(xiàn)場儀表很分散的時候，采用這種結(jié)構(gòu)將使分支電纜長度增加。因此比較適合現(xiàn)場儀表安裝相對密集的場合。

組合形拓樸結(jié)構(gòu)是在主干線上設(shè)置若干個接線箱，如2～4個，每個接線箱掛接4，6或8個分支，這也是當(dāng)前比較流行的拓樸結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是接線箱的布置比較靈活，分支電纜的長度不會太長。同時供應(yīng)商可提供標(biāo)準(zhǔn)化、批量生產(chǎn)的成形產(chǎn)品，工程和施工管理相對容易，建設(shè)成本也比較低。

理論上，總線系統(tǒng)采用A形電纜時，其主干和分支電纜之和不能超過1 900m，對于本質(zhì)安全Entity認(rèn)證的網(wǎng)段，分支和主干線電纜長度除了不應(yīng)該超出上述建議值外，還必須依照本安認(rèn)證參數(shù)對電纜的總電容和電感的驗(yàn)算。對于本質(zhì)安全FISCO認(rèn)證的網(wǎng)段，主干線和分支電纜的長度之和不得超過1 000m，同時分支電纜長度不得超過30m。

3.2 FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)的防爆方案

FF在總線技術(shù)的應(yīng)用中，確定防爆方案是網(wǎng)段設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。理論上，傳統(tǒng)非總線儀表的防爆方法都可以按照相同的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到現(xiàn)場總線儀表上。近年來，現(xiàn)場總線技術(shù)的三種防爆方法：隔爆型（Ex d）、本質(zhì)安全型（Ex i）和無火花型（Ex nL）。其中，從容錯安全性和帶電拆裝、維護(hù)作業(yè)的安全性考慮，更推薦本質(zhì)安全型防爆方法。

a）隔爆型現(xiàn)場儀表的典型認(rèn)證為EEx d IIC T4－T6或EEx de IIC T4－T6。此時，F(xiàn)F配電單元可采用高可靠性的FF電源調(diào)節(jié)器或冗余的配電模塊，滿足用戶對FF配電可靠性的要求。

應(yīng)用于危險(xiǎn)區(qū)Zone 1（或Division 1）時，主干線和分支應(yīng)采用增安型防爆，接線盒采用EEx me IIC T4認(rèn)證；應(yīng)用于危險(xiǎn)區(qū)Zone 2（或Division 2）時，主干線和分支可采用無火花型防爆，接線盒則采用EEx nA［L］IIC T4認(rèn)證。

第三，專業(yè)合作社法人?！督K省農(nóng)民專業(yè)合作社條例》第十三條規(guī)定，農(nóng)民可以以量化到自己名下的資產(chǎn)為份額來進(jìn)行出資，從而設(shè)立農(nóng)民專業(yè)合作社。這里確實(shí)給了明確的定位——直接登記為合作社，但是這種做法是否符合大眾的實(shí)際情況，還是值得商榷的。

當(dāng)現(xiàn)場儀表采用隔爆型防爆時，儀表不可在未經(jīng)特許的情況下帶電拆裝和維護(hù)作業(yè)。

b）本安型現(xiàn)場儀表的典型認(rèn)證為EEx ia IIC T4－T6，有Entity認(rèn)證和FISCO認(rèn)證之分。此時，若主干線和分支同樣采用本安防爆，則在控制室安全區(qū)內(nèi)應(yīng)配備本安認(rèn)證的FF電源，Entity認(rèn)證或FISCO認(rèn)證。接線盒也必須本安認(rèn)證。主干線本安防爆的好處是主干線和分支及現(xiàn)場儀表一樣都可以帶電操作，但同時也存在如下不足：

1）本安防爆的FF電源可靠性不高（MTBF通常不到100年），且不支持冗余。

2）Entity現(xiàn)場儀表掛在Entity電源上，F(xiàn)ISCO現(xiàn)場儀表必須掛在FISCO電源上，給儀表的選型帶來額外限制。

3）由于本安系統(tǒng)限制了電源的能量，掛接儀表的數(shù)量受限。如Entity網(wǎng)段可掛接3～4臺儀表，F(xiàn)ISCO網(wǎng)段可掛接6臺。應(yīng)用既不方便，成本又高。

為克服上述不足，現(xiàn)場總線基金會在應(yīng)用指南《AG－163Revision 2.0》中推薦了增安型防爆主干線，本安型防爆分支的解決方案。該方案的核心是采用EEx me［ia］IIC T4認(rèn)證的現(xiàn)場總線安全柵Fieldbarrier，可安裝在危險(xiǎn)區(qū)Zone 1／2。采用增安型防爆的主干線使得網(wǎng)段可以采用高可靠性的配電方案，并為網(wǎng)段提供足夠的能量以掛接足夠多的現(xiàn)場儀表。獨(dú)立的本安分支使得Entity和FISCO認(rèn)證的現(xiàn)場儀表可以掛接在同一個主干線上。

c）無火花型現(xiàn)場儀表的典型認(rèn)證為EEx nL IIC T4－T6。無火花型防爆只可應(yīng)用在危險(xiǎn)區(qū)Zone 2（或Division 2）。實(shí)際應(yīng)用時，主干線采用EEx nA防爆，分支采用EEx nL防爆。接線盒認(rèn)證為EEx nA［L］IIC T4。由于這種防爆方案應(yīng)用成本最低，而工廠中Zone 2的范圍遠(yuǎn)大于Zone 1和Zone 0，故無火花防爆方案的應(yīng)用受到用戶的普遍歡迎。

4 FF總線技術(shù)在化工裝置中的應(yīng)用

在國內(nèi)引進(jìn)美國Syntroleum合成油中試裝置中，由于美國原裝置中采用了FF技術(shù)，因而保留了原有的FF技術(shù)架構(gòu)，并利用近幾年FF新技術(shù)對其進(jìn)行了改造。

根據(jù)目前裝置特點(diǎn)及FF總線技術(shù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，合成油裝置中采用分散型控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）混合方案，該裝置應(yīng)用FF總線技術(shù)有以下一些要點(diǎn)：

a）該裝置的PID及控制策略均設(shè)置在控制器中，并對關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行冗余處理，如控制器、H1卡、總線電源等。

b）SIS，PLC等系統(tǒng)和成套設(shè)備包控制系統(tǒng)不采用總線技術(shù)。

c）非SIL的邏輯功能（如工藝聯(lián)鎖、順序控制、批量控制和馬達(dá)監(jiān)控等）在DCS中實(shí)現(xiàn)。非SIL的ON／OFF閥的閥位信號原設(shè)計(jì)采用848L數(shù)字量總線結(jié)構(gòu)，由于這種產(chǎn)品已經(jīng)停產(chǎn)，因而取消原設(shè)計(jì)方案，采用常規(guī)方式直接進(jìn)入數(shù)字量I／O卡。

d）部分特殊儀表（如在線分析儀、脈沖輸出流量計(jì)、放射性儀表、特殊液位計(jì)、轉(zhuǎn)速儀表、振動／位移儀表及稱重儀等）目前尚無符合總線技術(shù)的產(chǎn)品，采用常規(guī)方式。

e）網(wǎng)段的電源調(diào)整器為28V直流供電，并且通過一個核準(zhǔn)的波動小于0.1V的電源轉(zhuǎn)換單元提供，電源應(yīng)該對地隔離。

f）現(xiàn)場總線采用“雞爪形”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個網(wǎng)段僅有1個“雞爪”，最多帶有12個現(xiàn)場設(shè)備。為了保持原設(shè)計(jì)的接線方式，每一個網(wǎng)段采用1個總線接線箱，搬遷及利舊儀表采用隔爆式的供電方式，新增及補(bǔ)充儀表采用無火花（FNICO）方式供電。

g）為了節(jié)省投資，總線網(wǎng)段平均每8臺儀表一個網(wǎng)段，其中控制回路不能超過2個回路，原設(shè)計(jì)中有些網(wǎng)段掛的控制回路超過了2個。

綜上所述，對原合成油裝置控制系統(tǒng)的改造是成功的，但是這些設(shè)計(jì)問題在其他化工裝置中也是需要注意的。在化工裝置設(shè)計(jì)中，仍然需要考慮網(wǎng)段、防爆方案以及總線電源的設(shè)計(jì)，并且上述內(nèi)容是FF技術(shù)的核心，適用于所有化工裝置。

5 FF總線技術(shù)與常規(guī)技術(shù)的投資比較

該合成油中試裝置的應(yīng)用表明：當(dāng)節(jié)點(diǎn)的利用率達(dá)到8臺／節(jié)點(diǎn)時，儀表電纜采用國產(chǎn)總線電纜時，儀表投資能減少17%左右，即采用FF總線技術(shù)，是降低建設(shè)投資的關(guān)鍵要素。除了節(jié)省投資，F(xiàn)F總線的優(yōu)勢在于信息化和智能化，它可以最大限度地提高資產(chǎn)設(shè)備管理系統(tǒng)（AMS）軟件及其他一些診斷設(shè)備的效率。

6 結(jié)束語

目前國內(nèi)對FF總線技術(shù)認(rèn)識的基礎(chǔ)是現(xiàn)場總線基金會于2004年8月發(fā)布的FOUNDATIONTMFieldbus System Engineering Guidelines （AG－181）Revision 2.0。該指南經(jīng)過兩次升級，2009年1月升級為3.0版，2010年3月升級為3.1版。在3.X版中增加了一章“FOUNDATION Fieldbus Project Requirements”，對于FF項(xiàng)目的需求做了詳細(xì)的描述。

因此，總線方案的應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)綜合考慮投資、人員培訓(xùn)的投入、調(diào)試人員的熟練程度、操作人員對總線系統(tǒng)的掌握程度等。雖然在一次性投資上能夠比常規(guī)控制系統(tǒng)節(jié)省，但是綜合維護(hù)和培訓(xùn)的投資上并不節(jié)省。現(xiàn)場總線系統(tǒng)和總線型儀表的操作和維護(hù)與常規(guī)的儀表不同，如果使用方?jīng)]有相關(guān)的總線系統(tǒng)或儀表的使用經(jīng)驗(yàn)，還需要花費(fèi)大量的資金進(jìn)行培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，這部分屬于隱性投資，需要決策者綜合考慮。

FF總線技術(shù)從觀念到結(jié)構(gòu)都是超前的，雖然在中國已經(jīng)發(fā)展了十多年的時間，但是仍然難以全面替代常規(guī)DCS。通過運(yùn)用FF總線技術(shù)及對總線技術(shù)在調(diào)試和運(yùn)行上總結(jié)的一些經(jīng)驗(yàn)，隨著科技的進(jìn)步，不久的將來，F(xiàn)F總線技術(shù)會有發(fā)展的良好前景。

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