基金會現場總線技術在石化裝置中的應用

唐孟

（中科合成油工程有限公司，北京101407）

基金會現場總線（FF）技術是近10年來基于數字通信技術與網絡技術的發展而產生的新型集散控制系統的通信技術，總線技術在形式上主要有FF，Profibus總線結構等。近年來，總線技術在國內氮肥、甲醇、合成油行業中開始運用［1－5］，取得了良好的效果。筆者通過近期國內引進費托合成油裝置上運用的一個實例，來闡述FF的一些特點以及設計時需要注意的事項。

1 概 述

區別于常規分散型控制系統的模擬技術，FF是一種對于儀表以及其他工廠自動化設備具有數字化、雙向、多結點的通信系統。其主要特點是現場儀表為總線型儀表，可以運行常規的PID控制；通信速率為31.25Kbit／s等。文中主要結合FF技術的一些特點進行介紹。

2 現場總線技術與常規控制技術的區別

常規DCS結構與FF結構如圖1所示。因此，可以看出FF總線技術有以下優點：FF具有開放性、互操作性與互用性；FF現場設備的智能化與功能自治化；FF控制功能高度分散化；FF系統為全數字化技術，準確性與可靠性高，為今后數字技術在控制系統中的進一步應用奠定基礎；FF系統安裝材料與調試工作量減少；FF現場總線系統為降低設備的生命周期成本提供工具。

圖1 FF技術與常規技術的比較

3 總線的網段設計

網段設計要解決的問題是確定網段的拓樸結構、主干線和分支的電纜長度、現場儀表掛接數量、防爆的解決方案、防雷和防浪涌的解決方案、接地方案等。網段設計不僅關系到網絡運行的可靠性、工廠的安全性，而且直接影響建設成本和今后維護的成本。

3.1 網段設計

FF現場總線的網段拓撲結構一般有樹形拓撲、分支形拓撲、組合形拓樸、菊花鏈拓樸等結構。基金會建議所有主干線和分支的連接都在接線盒中完成，目前多采用樹形結構，俗稱“雞爪形”結構，而菊花鏈拓樸結構由于維護不便，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構稱為分支形拓樸結構，這是現場總線應用初期被廣泛采用的拓樸結構，并延用至今。其優點是分支比較短，節省電纜；缺點是主干線被反復截斷，且附件設備數量眾多，使施工和維護困難，也不利于獲得系統的高可靠性。通常只用于現場儀表特別分散的場合。

在網段的終端設置1個接線箱用以連接所有的分支，這種結構稱為樹形拓樸結構。其突出的優點是結構簡單，附件數量最少，施工和維護容易，建設成本相對較低。只是當現場儀表很分散的時候，采用這種結構將使分支電纜長度增加。因此比較適合現場儀表安裝相對密集的場合。

組合形拓樸結構是在主干線上設置若干個接線箱，如2～4個，每個接線箱掛接4，6或8個分支，這也是當前比較流行的拓樸結構。其特點是接線箱的布置比較靈活，分支電纜的長度不會太長。同時供應商可提供標準化、批量生產的成形產品，工程和施工管理相對容易，建設成本也比較低。

理論上，總線系統采用A形電纜時，其主干和分支電纜之和不能超過1 900m，對于本質安全Entity認證的網段，分支和主干線電纜長度除了不應該超出上述建議值外，還必須依照本安認證參數對電纜的總電容和電感的驗算。對于本質安全FISCO認證的網段，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現場總線系統的防爆方案

FF在總線技術的應用中，確定防爆方案是網段設計的重要內容。理論上，傳統非總線儀表的防爆方法都可以按照相同的標準應用到現場總線儀表上。近年來，現場總線技術的三種防爆方法：隔爆型（Ex d）、本質安全型（Ex i）和無火花型（Ex nL）。其中，從容錯安全性和帶電拆裝、維護作業的安全性考慮，更推薦本質安全型防爆方法。

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

應用于危險區Zone 1（或Division 1）時，主干線和分支應采用增安型防爆，接線盒采用EEx me IIC T4認證；應用于危險區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認證。

第三，專業合作社法人。《江蘇省農民專業合作社條例》第十三條規定，農民可以以量化到自己名下的資產為份額來進行出資，從而設立農民專業合作社。這里確實給了明確的定位——直接登記為合作社，但是這種做法是否符合大眾的實際情況，還是值得商榷的。

當現場儀表采用隔爆型防爆時，儀表不可在未經特許的情況下帶電拆裝和維護作業。

b）本安型現場儀表的典型認證為EEx ia IIC T4－T6，有Entity認證和FISCO認證之分。此時，若主干線和分支同樣采用本安防爆，則在控制室安全區內應配備本安認證的FF電源，Entity認證或FISCO認證。接線盒也必須本安認證。主干線本安防爆的好處是主干線和分支及現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現場儀表掛在Entity電源上，FISCO現場儀表必須掛在FISCO電源上，給儀表的選型帶來額外限制。

3）由于本安系統限制了電源的能量，掛接儀表的數量受限。如Entity網段可掛接3～4臺儀表，FISCO網段可掛接6臺。應用既不方便，成本又高。

為克服上述不足，現場總線基金會在應用指南《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認證的現場總線安全柵Fieldbarrier，可安裝在危險區Zone 1／2。采用增安型防爆的主干線使得網段可以采用高可靠性的配電方案，并為網段提供足夠的能量以掛接足夠多的現場儀表。獨立的本安分支使得Entity和FISCO認證的現場儀表可以掛接在同一個主干線上。

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

4 FF總線技術在化工裝置中的應用

在國內引進美國Syntroleum合成油中試裝置中，由于美國原裝置中采用了FF技術，因而保留了原有的FF技術架構，并利用近幾年FF新技術對其進行了改造。

根據目前裝置特點及FF總線技術實際應用經驗，合成油裝置中采用分散型控制系統（DCS）和現場總線控制系統（FCS）混合方案，該裝置應用FF總線技術有以下一些要點：

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

b）SIS，PLC等系統和成套設備包控制系統不采用總線技術。

c）非SIL的邏輯功能（如工藝聯鎖、順序控制、批量控制和馬達監控等）在DCS中實現。非SIL的ON／OFF閥的閥位信號原設計采用848L數字量總線結構，由于這種產品已經停產，因而取消原設計方案，采用常規方式直接進入數字量I／O卡。

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

e）網段的電源調整器為28V直流供電，并且通過一個核準的波動小于0.1V的電源轉換單元提供，電源應該對地隔離。

f）現場總線采用“雞爪形”的拓撲結構，每個網段僅有1個“雞爪”，最多帶有12個現場設備。為了保持原設計的接線方式，每一個網段采用1個總線接線箱，搬遷及利舊儀表采用隔爆式的供電方式，新增及補充儀表采用無火花（FNICO）方式供電。

g）為了節省投資，總線網段平均每8臺儀表一個網段，其中控制回路不能超過2個回路，原設計中有些網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的改造是成功的，但是這些設計問題在其他化工裝置中也是需要注意的。在化工裝置設計中，仍然需要考慮網段、防爆方案以及總線電源的設計，并且上述內容是FF技術的核心，適用于所有化工裝置。

5 FF總線技術與常規技術的投資比較

該合成油中試裝置的應用表明：當節點的利用率達到8臺／節點時，儀表電纜采用國產總線電纜時，儀表投資能減少17%左右，即采用FF總線技術，是降低建設投資的關鍵要素。除了節省投資，FF總線的優勢在于信息化和智能化，它可以最大限度地提高資產設備管理系統（AMS）軟件及其他一些診斷設備的效率。

6 結束語

目前國內對FF總線技術認識的基礎是現場總線基金會于2004年8月發布的FOUNDATIONTMFieldbus System Engineering Guidelines （AG－181）Revision 2.0。該指南經過兩次升級，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項目的需求做了詳細的描述。

因此，總線方案的應用，應當綜合考慮投資、人員培訓的投入、調試人員的熟練程度、操作人員對總線系統的掌握程度等。雖然在一次性投資上能夠比常規控制系統節省，但是綜合維護和培訓的投資上并不節省。現場總線系統和總線型儀表的操作和維護與常規的儀表不同，如果使用方沒有相關的總線系統或儀表的使用經驗，還需要花費大量的資金進行培訓和學習，這部分屬于隱性投資，需要決策者綜合考慮。

FF總線技術從觀念到結構都是超前的，雖然在中國已經發展了十多年的時間，但是仍然難以全面替代常規DCS。通過運用FF總線技術及對總線技術在調試和運行上總結的一些經驗，隨著科技的進步，不久的將來，FF總線技術會有發展的良好前景。

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