基金會現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在大化肥裝置中的應(yīng)用

李一樂 程 莞 李 容 中國成達工程有限公司 成都 610041

李 寧 北京石油化工工程有限公司成都分公司 成都 610041

基金會現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在各行各業(yè)中得到越來越多的應(yīng)用，目前在全球范圍已經(jīng)有幾十萬套系統(tǒng)在運行中，在大型化肥裝置中也有不少業(yè)績?；饡F(xiàn)場總線(以下簡稱FF)控制系統(tǒng)在國內(nèi)外很多領(lǐng)域快速發(fā)展，特別在石油化工領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛。目前，在全球范圍已經(jīng)有數(shù)十萬套FF 控制系統(tǒng)在運行中。對于大型化肥裝置，采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(以下簡稱FCS)也越來越得到認(rèn)可。隨著總線技術(shù)的不斷發(fā)展，總線現(xiàn)場設(shè)備的不斷拓展，今后會有更多的各類裝置采用這種技術(shù)。

現(xiàn)場總線是一種數(shù)字通訊系統(tǒng)，由一對絞合屏蔽電纜將各種檢測器和執(zhí)行器連接在一個網(wǎng)絡(luò)上?，F(xiàn)場設(shè)備(指變送器和閥門定位器等)彼此間可以交換信息，并與控制系統(tǒng)通訊。常規(guī)的簡單控制功能可以在FCS 中執(zhí)行，也可以在現(xiàn)場設(shè)備中執(zhí)行完成。

1 FCS 設(shè)計

1.1 FCS 設(shè)計方法

采用FCS 和采用常規(guī)DCS 的裝置，和儀表設(shè)計的方法很相似。常規(guī)DCS 裝置儀表設(shè)計時，現(xiàn)場儀表位置、接線箱布置和電纜表主要用于端子柜的設(shè)計。DCS 的設(shè)計是依據(jù)儀表輸入/輸出(I/O)表來設(shè)計，不用去管現(xiàn)場儀表和接線箱(JB)的位置。而在FCS 設(shè)計中，現(xiàn)場一側(cè)的儀表和接線箱布置直接影響系統(tǒng)的設(shè)計。此外，傳統(tǒng)DCS的控制功能都是在機柜室DCS 控制器中完成的，而FCS 則可以在現(xiàn)場側(cè)FF 總線設(shè)備中執(zhí)行。

FCS 的設(shè)計，主要是網(wǎng)段(Segment)的設(shè)計。設(shè)計前需要準(zhǔn)備的資料:①FCS 功能設(shè)計規(guī)定(應(yīng)由制造商提供);②裝置布置圖;③電纜設(shè)計規(guī)定;④儀表數(shù)據(jù)表;⑤I/O 表;⑥現(xiàn)場儀表選擇原則;⑦P＆ID 等。

1.2 設(shè)計前期工作

1.2.1 FCS 現(xiàn)場設(shè)備

在設(shè)計前期，必須對現(xiàn)場總線設(shè)備有充分的了解，清楚目前國內(nèi)外制造商生產(chǎn)的儀表是否符合FF 的規(guī)則，是否在FF 注冊登記并經(jīng)過了測試。目前尚有許多種類現(xiàn)場儀表不能適用于FCS 中。對于大型化肥裝置來說，常使用的一些儀表，如質(zhì)譜分析儀、色譜分析儀、紅外分析儀、超聲波流量計、轉(zhuǎn)子流量計、可燃?xì)怏w/毒性氣體檢測器、皮帶稱重儀、放射性料位計等都還沒有總線信號輸出的類型，只能仍然采用常規(guī)的4 ～20mA信號或其它方式(如RS -232、RS -485 通訊接口)將信號傳送至控制系統(tǒng)。

1.2.2 回路風(fēng)險評估

在設(shè)計前期，應(yīng)對控制回路的風(fēng)險進行評估，回路的風(fēng)險等級與網(wǎng)段的布置有直接關(guān)系?？刂苹芈返娘L(fēng)險有高、中、低三個級別，見表1。

僅用于監(jiān)測目的的回路，則不需要進行風(fēng)險評估。

1.2.3 回路選擇

對于大型化肥裝置，一些非常重要和危險程度較高的控制回路，設(shè)計中一般建議仍采用常規(guī)的4 ～20mA 信號送控制系統(tǒng)，而不采用FF 數(shù)字信號。這些回路主要包括的情況:①所有進/出緊急停車系統(tǒng)(以下簡稱ESD)的信號(雖然目前FF模塊中已有安全儀表功能模塊FF -SIF，但大化肥裝置一般仍采用獨立的ESD 完成裝置安全聯(lián)鎖功能);②所有進/出FGS (可燃?xì)怏w和毒性氣體檢測系統(tǒng))的信號;③壓縮機組的防喘振控制回路(防喘振控制回路要求控制速度快，控制精度高，在大型化肥裝置中一般采用集成的透平壓縮機控制系統(tǒng)ITCC 來完成);④重要的復(fù)雜控制回路(在大化肥裝置中主要指水/碳控制，H/N 控制和汽包三沖量調(diào)節(jié)等);⑤蒸汽平衡系統(tǒng)中，高壓、中壓和低壓蒸汽減溫減壓和緊急放空;⑥所有工藝氣體的自動放空。在上述幾種情況中，除前三種情況之外，也可以采用FCS 來進行控制。但在最終決定前，應(yīng)充分考慮這些回路的重要性，評估回路出現(xiàn)故障的風(fēng)險。

表1 回路的危險程度

2 網(wǎng)段設(shè)計

2.1 網(wǎng)段的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)段的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有樹型、母線型、鏈型和混合型。

2.1.1 常用結(jié)構(gòu)

工程設(shè)計中常用結(jié)構(gòu)有樹型和混合型結(jié)構(gòu)。

(1)樹型結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 樹型結(jié)構(gòu)

從機柜室端子柜上通過多對屏蔽電纜接至第一級接線箱JB-1，JB -1 再經(jīng)過單對電纜分別接至第二級接線箱(JB -11，JB -12……)，第二級接線箱通過分支電纜接到現(xiàn)場設(shè)備上。分支電纜的長度應(yīng)盡可能短。

(2)混合型結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 混合型結(jié)構(gòu)

從機柜室端子柜通過單對的主干電纜接至JB-1A，從JB-1A 再接至JB-1B。JB-1A/JB-1B再分別通過分支電纜接到現(xiàn)場設(shè)備上。

2.1.2 網(wǎng)段其它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(1)母線型結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 母線型結(jié)構(gòu)

從機柜室端子柜通過一根單對的電纜依次接到JB -1A、JB -1B、JB -1C 和JB -1D 接線箱，再通過分支電纜接至現(xiàn)場設(shè)備上。通常，這不是一種經(jīng)濟的方案，所以在工程設(shè)計中很少采用。

(2)鏈型結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 鏈型結(jié)構(gòu)

從機柜室端子柜不經(jīng)過接線箱直接接至現(xiàn)場設(shè)備上，一個一個串接至一起形成一個鏈路。這種結(jié)構(gòu)由于維護很困難，所以在工程設(shè)計中并不被采用。

2.2 電纜選擇

主干電纜(Trunk Cable)通常可以選擇單對或多對的屏蔽絞合電纜，電纜截面積一般選0.8mm2(AWG 18#)，如果主干電纜比較長(如超過500 m)，可適當(dāng)加大導(dǎo)線的截面積。

分支電纜(Spur Cable)采用單對屏蔽絞合電纜，截面積為0.8mm2。

FCS 電纜外護套采用橙色(與本安電纜和普通電纜區(qū)別)，內(nèi)部芯線的絕緣層分別采用橙色和蘭色。

2.3 電纜長度

每個網(wǎng)段的電纜總長度(主干電纜和分支電纜之和)和分支電纜的長度都有一定的限制，根據(jù)不同的場合，其限制是不相同的。

對于非本安現(xiàn)場設(shè)備的網(wǎng)段，電纜總長度可以達到1900 m。而每根分支電纜的長度可以達到120 m。

對于本安儀表的網(wǎng)段，主干電纜總長度一般限制為1000 m，而其分支電纜的長度限制為60 m。

在詳細(xì)工程設(shè)計期間，通常的做法是先假設(shè)接線箱到網(wǎng)段現(xiàn)場設(shè)備之間的分支電纜為一固定長度，待儀表模型建立以后，再確定準(zhǔn)確的長度。若分支電纜長度超過了限制，適當(dāng)調(diào)整JB 的位置使之滿足系統(tǒng)的要求。

2.4 接地

網(wǎng)段電纜的屏蔽層接地有多種方法，可以在控制室一側(cè)單點接地，也可以在控制室和現(xiàn)場多點接地。

推薦使用單點接地的方法，主干電纜和分支電纜的屏蔽層在接線箱中應(yīng)保持完全的連接。

多點接地指的是分支電纜的屏蔽層在現(xiàn)場接地，而主干電纜屏蔽層在控制室接地。兩種電纜的屏蔽層應(yīng)相互絕緣。

2.5 浪涌保護

在雷電多發(fā)地區(qū)，對暴露在空曠地面或在工藝設(shè)備和框架高處的現(xiàn)場設(shè)備，應(yīng)考慮采用浪涌保護器。浪涌保護器可以安裝在現(xiàn)場設(shè)備側(cè)，也可以安裝在FCS 的H1 卡側(cè)。

在采用浪涌保護器時，網(wǎng)段上的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量應(yīng)盡可能少。當(dāng)同一網(wǎng)段上有多個設(shè)備安裝浪涌保護器時，應(yīng)提請制造商注意是否會引起網(wǎng)絡(luò)失衡和通訊中斷。

2.6 網(wǎng)段供電

網(wǎng)段上的現(xiàn)場設(shè)備供電是通過總線提供的，不需要在現(xiàn)場另外配置電源。為了與現(xiàn)場總線信號兼容，電源調(diào)整模塊可以調(diào)整電源和總線的阻抗相匹配，模塊有內(nèi)部電流限制器，防止因某一網(wǎng)段故障影響其它的網(wǎng)段。

現(xiàn)場設(shè)備上最小的操作電壓為9V。在工程設(shè)計中應(yīng)考慮一定的裕量，例如在計算時可以定義最小操作電壓為9.5V。

3 冗余和備用

FCS 應(yīng)考慮足夠的冗余和備用，需要冗余的場合有:FCS 控制器、所有網(wǎng)段的H1 接口卡、網(wǎng)段電源、鏈路活動調(diào)度(LAS)。

需要備用的場合有:①網(wǎng)段上現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)至少有20% 備用;②網(wǎng)段總線通訊負(fù)荷不能超過60%;③網(wǎng)段設(shè)計時，預(yù)留容量須足以添加一個控制回路(即一臺變送器和一個最終元件)。

4 網(wǎng)段的執(zhí)行時間

4.1 宏周期

網(wǎng)段的宏周期包括兩部分時間，正常的通訊時間和非正常的通訊時間。每個網(wǎng)段周期時間一般為1 秒到幾秒之間，需要根據(jù)工藝控制要求來確定。

除非特別規(guī)定，網(wǎng)段的執(zhí)行時間為1 s。

正常的通訊時間是指連接在網(wǎng)段上的設(shè)備、功能塊之間的通訊和執(zhí)行時間;而非正常通訊則是指發(fā)生的事件或指令的通訊時間，例如報警信號的傳送、設(shè)定點改變信號的傳送等。一般非正常通訊時間約占50%周期時間。

4.2 網(wǎng)段設(shè)備數(shù)量

執(zhí)行時間如下的網(wǎng)段，建議該網(wǎng)段最大設(shè)備的數(shù)量:①只有監(jiān)測設(shè)備的網(wǎng)段，最大設(shè)備數(shù)量為12 個;②執(zhí)行時間為1 秒的網(wǎng)段，最大設(shè)備數(shù)可以帶4 臺閥門和8 臺變送器;③執(zhí)行時間為0.5秒的網(wǎng)段，最大設(shè)備數(shù)為2 臺閥門和4 臺變送器;④執(zhí)行時間為0.25 秒的網(wǎng)段，最大設(shè)備數(shù)為1 臺閥門和2 臺變送器。

4.3 周期計算

不同制造廠商的FCS 和網(wǎng)段的現(xiàn)場設(shè)備，網(wǎng)段的執(zhí)行周期時間不完全相同，下列計算公式僅針對某一特定產(chǎn)品列出，僅供參考。

(1)監(jiān)測回路:

(2)控制回路:

式中，A 為網(wǎng)段中FF 設(shè)備數(shù)量;B 為網(wǎng)段中FF 定位器數(shù)量;T1、T2 為周期時間，ms;K1、K2 為常數(shù)。

5 網(wǎng)段的確定

5.1 回路危險程度

根據(jù)1.2.2 節(jié)對回路危險程度的評估，每個網(wǎng)段上布置的回路可以按表2 進行選擇。

表2 回路布置

5.2 根據(jù)實際位置

如果同一控制回路的變送器和調(diào)節(jié)閥在現(xiàn)場的實際位置很靠近，這樣的兩個總線設(shè)備應(yīng)該放在同一個網(wǎng)段中(在這種情況下，可以考慮將控制功能模塊放在現(xiàn)場設(shè)備側(cè)。)如果同一回路的變送器和調(diào)節(jié)閥實際位置相隔很遠(yuǎn)，這些網(wǎng)段設(shè)備就不能放在同一網(wǎng)段中。

5.3 根據(jù)控制要求

當(dāng)設(shè)計發(fā)生變化，一個復(fù)雜和要求更高的控制回路布置在原有的網(wǎng)段上時，需要對該網(wǎng)段重新進行評估。否則，這些更改有可能影響控制功能的實現(xiàn)，以及影響該網(wǎng)段上原有設(shè)備的可操作性。

6 結(jié)語

基金會現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)雖然已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，但由于價格和其它方面的原因(如業(yè)主對此缺乏了解等)，在國內(nèi)大型化肥裝置中采用得還不夠廣泛。實際上，雖然FCS 相比DCS 可能會貴一些，但由于電纜和電纜橋架的數(shù)量可以大幅減少，且安裝費用和安裝周期可以減少，使用FCS 總的費用不會增加太多。

總線技術(shù)正迅速的發(fā)展中，與之相適配的總線現(xiàn)場設(shè)備也在不斷的開發(fā)中，相信今后在大型化肥裝置及其它裝置中，選擇FCS 的地方將會越來越多。

1 基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)工程指南(AG -181) ［J］. 石油化工自動化，2005 (1).

2 龍蔚泓. 談基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)工程指南3. X 版與2.0 版的差異［J］. 石油化工自動化，2011 (5).

3 System Engineering Guidelines. Version 3.2.1.