總線系統的優點及在安全連運方面的獨特性

魏潤華

(天脊集團儀表廠，山西 長治 047500)

引 言

隨著化工生產裝置對儀表及控制系統安全、穩定、采集信息數量、精細化控制的逐步提高，普通的模擬量儀表及控制系統已無法滿足更高的要求，而現場總線(Field Bus)是應用于生產現場,在微機化測量控制設備之間實現雙向、串行、多節點數字通信的系統。現場總線適應了工業控制系統向安全化、分散化、網絡化、智能化發展的方向，獲得了廣泛應用，通過一種合理的總線設備參數設定，達到多重化安全控制，最大限度滿足化工裝置的安全、高效、穩定運行。

1 系統簡介

1.1 綜述

一般把現場總線系統稱為第五代控制系統，也稱作FCS——現場總線控制系統。人們一般把50年代前的氣動信號控制系統PCS稱作第一代，把4 mA～20 mA等電動模擬信號控制系統稱為第二代，把數字計算機集中式控制系統稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分布控制系統DCS稱作第四代。現場總線控制系統FCS作為新一代控制系統，一方面，突破了DCS系統采用通信專用網絡的局限，采用了基于公開化、標準化的解決方案，克服了封閉系統所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場。它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統。現場總線系統具有開放性、互可操作性與互用性、高度分散性、對現場環境的適應性等特點，是一種新的全分布式控制系統的體系結構。現場總線系統從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡化了系統結構，提高了可靠性。本文以苯胺裝置使用的艾默生DeltaV系統為例，進行簡述。

1.2 苯胺FCS現場總線系統根據苯胺項目實際情況開發，具備以下特點

1)苯胺FCS現場總線系統的現場設備可完成自動控制的基本功能，從而減輕了控制站負擔，使得控制站可以專職執行復雜的高層次的控制算法。

2)苯胺裝置儀表自動控制系統中，對總線本安防暴能力、總線網絡通訊能力和總線設備供電能力，實施了有效的整體解決方案，從而較好地解決了總線系統和現場設備的安全性、實時性和供電保障等問題。

3)大量新技術和新型儀表設備的使用，現場總線設備的智能化、數字化，從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統結構的簡化、設備連線減少、現場儀表內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。為苯胺有機化工的精細操作提供了強有力的保障，使整套裝置保持了較高的自動化控制水平，自控投運率達到了98%以上。

4)為了滿足系統長周期運行的要求，做到同時設計、同時施工、同時完工，對系統進行了危險分散和冗余配置，并與電氣信號鏈接完全隔離，即便系統在設備發生故障時也不致造成裝置停運。同時提高了聯鎖投運率，有效地轉化了運行安全與事故安全的矛盾。

5)FCS比DCS更節約硬件設備。使用FCS可以減少大量的隔離器、端子柜、I/O卡及I/O端口，這樣就節省了I/O裝置及裝置室的空間，同時減少了大量電纜，可以極大地節省安裝費用。與此同時，FCS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功能植入到相應的智能傳感器中去，使控制周期大為縮短。

1.3 苯胺FCS現場總線系統在五個方面實現了創新

第一次在集團公司第一套有機化工苯胺裝置上，運用了代表當今自控領域最先進技術的現場總線控制技術，有效解決了特殊的工藝生產過程對自控系統的各項嚴格要求，如：長周期穩定運行、精細控制、安全聯鎖、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點突破：

①該套FCS系統實現了全部模擬控制徹底分散。采用符合總線協議的智能現場設備，將各種控制功能模塊和I/O模塊置入現場設備中，如圖1所示。而并非下裝在CPU中，依靠現場總線的強大通訊能力，進行現場級的信號傳遞。控制功能的完成已經擺脫了對控制室計算機的依賴，形成現場單元控制，降低了CPU的執行負荷≤37%。

圖1 總線組態圖

圖2和圖3分別為現場總線變送器和總線定位器設備中自帶的控制模塊，凡是帶有此功能模塊的就可以根據需要將相應的功能直接下裝在此總線設備中進行運算。

圖2 總線變送器內控制模塊

圖3 總線定位器內控制模塊

圖4劃線部分,提高了控制速度,同時也將計算機故障的風險降到了最低，真正體現了分散控制理念。

圖4 CPU參數

②現場總線儀表設備的信號采用數字信號傳輸，省去了A/D和D/A轉換，消除了系統誤差，提高了精度，同時能夠較好地避免環境對信號傳輸的干擾和影響，如圖5所示。

圖5 硝化總線回路圖

③數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信息，方便直觀地進行在線設備參數調試，及時獲得設備運行狀況信息、了解設備故障信息，不需要維護人員到現場巡檢，降低了人身傷害的風險。還有利于設備的預檢修，對切實提高儀表設備的準確率、自控投運率等基礎性工作，提供了良好的發展空間和技術平臺，如第77頁圖6所示，為數字化、多參數采集。

圖6 總線設備多參數采集

④成功解決了三方面問題：現場總線保障充足的設備供電；現場總線必須完全滿足電氣本安規范要求；現場總線必須保障網絡信息流負荷較低，從而確保通訊速率。

綜合以上特點，那么我們需要考慮，在極端情況下，假設控制器部分短時間出現問題，如何確保裝置安全穩定的生產下去，或者在極端情況下，保證裝置及時安全的停下來。

2 重要系統設備進行冗余過程

2.1 工藝及設備專業的相關分析(非儀表專業)

組織相關專業對裝置進行安全性、可操作性及其他相應的審查和分析，確定重要設備及重要控制回路，并形成文件清單；此部分設備和回路一旦出現問題，輕則影響設備穩運高產，儀表專業根據清單配置冗余設備。

如圖7所示，冗余CPU/卡件、冗余電源通過兩路獨立電源供電。

圖7 冗余卡件冗余供電

2.2 儀表專業的相關分析

2.2.1 總的思路

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

2.2.2 總線主設備的選取

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

總線主設備設置圖片：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 總線主設備的選取

如圖中所示，我們將FT1119設置為主設備，那么在控制器及卡件故障而供電正常的情況下，此設備可以作為臨時控制器使用，而且通過實際測試，4 h(鑒于外部因素影響未進行更長測試)以內裝置參數顯示及控制功能未發現異常。這4 h內，只要備件到位，異常情況可以在不到1 h內解決，確保裝置的安全穩定運行。

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

為提高供電可靠性，使用戶可以從兩個方向獲得電源，通常將供電網連接成環形，這種供電方式簡稱為環形供電。對于儀表控制系統，特別是聯鎖系統而言,電源正常與否，對系統的穩定安全連運起著至關重要的作用，環形供電的必要性由此可見。環形電源供電示意圖，如圖9所示。

圖9 環形電源供電

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鎖，一旦雙電源故障，那么現場儀表失電，顯示異常，直接聯鎖停車，或者聯鎖執行部分直接失電，裝置安全停車。

除以上創新之外，本套系統還有以下幾方面的創新：

1)按照FF現場總線特點，嚴格遵守設計和安裝規范，制定獨有的軟件和硬件規則，如：設備和電纜的設計和安裝、設備在線更換和調試、設備的本質安全、軟件功能塊的設計和調用。有效地減少了系統調試、投運和維護時問題的產生，保證了投料試車工作順利進行，降低了運行成本。共為工程節省了安裝和連接電纜費用60%。

2)硝酸和苯的比值控制，是硝化工藝的核心控制回路，直接關系到產品產量和產品質量。如果該回路出現問題，甚至將會對工藝裝置的安全構成嚴重威脅。鑒于此，工藝對硝酸和苯的比值控制要求非常嚴格，聯鎖點多、復雜，且控制精度要求高，設計要求對該回路的操作完全由FCS自動執行完成。

結合FCS優點，設計的硝化供料自動程序，可以自動打開硝酸和苯的控制閥門，同時按照預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器的供料量。

3)首次在大型化工裝置中成功整合現場總線控制系統，為FF現場總線技術推廣到應用基地，更為此項技術的不斷發展和成熟，起到了不可忽視的推動作用，具有較強的指導意義。

4)在聯鎖保護方面與其它系統實現融合和銜接，為裝置的安全、穩定、長周期運行提供有力保證。

3 結語

設備安全穩定運行，運行設備的效益最大化永遠是化工生產的頭等大事，一套功能強大、開放性、互可操作性與互用性強、高度分散性和對現場環境的適應性強的系統，結合其固有的優勢和特點，通過合理的參數設置，實現設備的安穩長滿優運行，為企業的安全生產、積極向好發展，提供堅實的基礎。