現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)組態(tài)及儀表調(diào)試分析

王恒偉

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

0 引言

20世紀(jì)60年代，工業(yè)儀表與控制系統(tǒng)采用的是單向傳輸?shù)哪M信號通訊，其可靠性、有效性、可操作性較低，且控制系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，成本昂貴且維修費用較高。到了1980年代，工業(yè)儀表具備了一定的智能化，控制系統(tǒng)可以與現(xiàn)場智能儀表有一定的通訊，可實現(xiàn)更靈活和可控制的操作。進入21世紀(jì)后，現(xiàn)場總線技術(shù)得到發(fā)展并應(yīng)用于工業(yè)控制中。現(xiàn)場總線是一種雙向傳輸、多分支的數(shù)字通訊技術(shù)，可以實現(xiàn)更多的控制和測量功能，并可以減少電纜接線等現(xiàn)場施工工作量，降低建設(shè)和維護成本[1]，且具有靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于化工裝置工藝條件十分苛刻，對工藝控制和安全平穩(wěn)運行要求極高，因而在化工裝置中應(yīng)用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，簡稱FCS）。其具有安裝維護便捷，可降低安裝和維護費用，并具有可控性、高度分散性、多變量控制性和較強的互操作性等優(yōu)勢[2]。

1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線是順應(yīng)智能現(xiàn)場儀表而發(fā)展起來的一種開放型的數(shù)字通信技術(shù)，其發(fā)展的初衷是用數(shù)字通信代替4mA～20mA模擬傳輸技術(shù)，把數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過程控制。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)與智能儀表管控一體化的發(fā)展，這種開放型的工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了新一代的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布式控制系統(tǒng)，及FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

FCS系統(tǒng)有以下技術(shù)特點：

1）全數(shù)字化通訊：傳統(tǒng)的DCS通訊網(wǎng)絡(luò)截止于控制站或輸入輸出單元，現(xiàn)場儀表依然是模擬信號傳輸，而FCS系統(tǒng)實現(xiàn)了完全的數(shù)字化通訊。

2）開放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議保證了其網(wǎng)絡(luò)的開放性。

3）互操作性與互用性：因為FCS采用公開統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因而有條件實現(xiàn)設(shè)備的互操作性和互用性[3]。

4）系統(tǒng)的全分布式：FCS可以不采用DCS中的輸入輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表。

5）現(xiàn)場設(shè)備的智能化：現(xiàn)場儀表本身具備自診斷功能，可以隨時診斷設(shè)備的運行情況，這在模擬儀表中是無法實現(xiàn)的。

FCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一般使用“樹型”“支干型”和“樹-支干組合型”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。“樹型”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用在幾個相關(guān)儀表安裝位置相近的情形下，通過一個總線接線箱連接幾個相關(guān)的儀表，然后連接到干線上。“支干型”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用在幾個相關(guān)儀表，但安裝位置不相近。在這種情況下，從主控制器到最遠(yuǎn)的儀表就是主干線，直線就是從主干線到儀表的線路。“樹-支干組合型”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用在需要“樹型”和“支干型”混合的情形下，但應(yīng)注意組合型的支線只允許從主干線上延長，不能從支線上延長。FCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇一般參考現(xiàn)場設(shè)備的實際安裝地址，原則上以降低安裝費用為目的。

圖1 總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Fieldbus system network topology

2 橫河現(xiàn)場總線系統(tǒng)配置及組態(tài)

橫河CENTUM VP DCS系統(tǒng)完全支持和兼容現(xiàn)場總線FF標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場總線網(wǎng)段H1可以連接到現(xiàn)場控制站中的現(xiàn)場總線通訊卡件ALF111上，從而實現(xiàn)現(xiàn)場總線設(shè)備與DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，用戶可以通過現(xiàn)場控制站的模塊操作和監(jiān)視現(xiàn)場總線設(shè)備。橫河現(xiàn)場總線系統(tǒng)配置一般包含DCS工程師站、FCS現(xiàn)場控制站、ALF111橫河現(xiàn)場總線通訊卡件（可冗余組態(tài)）、Vnet/IP橫河控制系統(tǒng)專用網(wǎng)絡(luò)和IDM智能設(shè)備管理系統(tǒng)。工程師站和智能設(shè)備管理系統(tǒng)通過Vnet/IP專用網(wǎng)絡(luò)與FCS現(xiàn)場控制站進行數(shù)據(jù)通訊，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的操作和監(jiān)視。

橫河CENTUM VP系統(tǒng)提供現(xiàn)場總線組態(tài)編輯功能，包括H1網(wǎng)段組態(tài)、現(xiàn)場設(shè)備信息注冊等現(xiàn)場總線設(shè)備組態(tài)功能，并具有在線下裝以及通過DCS的人機交互界面對現(xiàn)場總線設(shè)備進行組態(tài)調(diào)試功能。橫河現(xiàn)場總線通訊卡件ALF111支持冗余配置及熱插拔功能，一對冗余的ALF111通訊卡件可以連接4個現(xiàn)場中心H1網(wǎng)段，每個網(wǎng)段最多可以連接32個現(xiàn)場總線設(shè)備，但在實際應(yīng)用時考慮控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和負(fù)載能力，結(jié)合項目的實際應(yīng)用經(jīng)驗，一般會限定每個網(wǎng)段連接現(xiàn)場總線設(shè)備的數(shù)量不超過9個。

橫河FF總線網(wǎng)絡(luò)采用“樹型”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個網(wǎng)段只有1個接線器，安裝于現(xiàn)場總線接線箱內(nèi)，接線器由冗余電源供電，通過主干總線電纜連接，接線器和電源處均配有防雷柵。接線器至現(xiàn)場總線設(shè)備由分支總線電纜連接，考慮接入每個網(wǎng)段總線設(shè)備的數(shù)量和能量限制，單根分支電纜的長度一般建議不超過120m。

考慮到化工裝置工藝控制的復(fù)雜性以及安全生產(chǎn)穩(wěn)定的要求，化工裝置的SIS安全儀表系統(tǒng)的相關(guān)信號、開關(guān)閥的控制信號和閥位信號、順序控制程序、四線制儀表、特殊儀表等回路，一般不采用現(xiàn)場總線技術(shù)，而簡單顯示回路、簡單PID回路、串級回路、復(fù)雜回路等可以采用現(xiàn)場總線技術(shù)，但要求簡單PID回路的PID模塊應(yīng)配置在FF現(xiàn)場總線閥門定位器中，且同一調(diào)節(jié)回路的現(xiàn)場總線設(shè)備應(yīng)連接到同一網(wǎng)段中，串級回路的主調(diào)節(jié)回路PID控制模塊應(yīng)在DCS中實現(xiàn)，副調(diào)節(jié)回路PID模塊應(yīng)在FF現(xiàn)場總線閥門定位器中實現(xiàn)，而復(fù)雜回路的相關(guān)控制算法應(yīng)在DCS控制器中實現(xiàn)。

在同一個現(xiàn)場總線網(wǎng)段內(nèi)，每臺現(xiàn)場總線設(shè)備都有1個唯一的設(shè)備通訊地址（Device address）和設(shè)備名稱（Device tag），橫河系統(tǒng)中設(shè)備名稱的長度不超過16個字母。這個唯一的設(shè)備通訊地址和設(shè)備名稱一般由橫河系統(tǒng)廠商給出，在現(xiàn)場施工方進行儀表單校的時候，建議將設(shè)備通訊地址和設(shè)備名稱寫入到現(xiàn)場總線儀表中。這樣在后續(xù)系統(tǒng)下裝組態(tài)信息時，可以快速找到對應(yīng)的儀表以提高下裝效率，并且如果同一網(wǎng)段內(nèi)有兩個同類型儀表（如兩個溫度儀表）時，可以避免因沒有在儀表中寫入唯一的通訊地址和設(shè)備名稱而導(dǎo)致組態(tài)信息下裝錯誤的情況發(fā)生。

橫河CENTUM VP系統(tǒng)，為總線系統(tǒng)組態(tài)提供了System View、Fieldbus Builder和 Control Drawing Builder共3個 組 態(tài) 工 具。System View這個組態(tài)工具可以定義基礎(chǔ)的現(xiàn)場控制器（FCS）、輸入輸出 模 塊（I/O Module）、輸 入 輸 出 節(jié) 點（I/O Node）和通 訊 卡 件（ALF111） 的 信 息。Fieldbus Builder這個組態(tài)工具可以定義一個網(wǎng)段的詳細(xì)信息，比如總線設(shè)備注冊、可變參數(shù)的設(shè)定和總線功能塊的定義，Control Drawing Builder這個組態(tài)工具可以定義現(xiàn)場控制器（FCS）的功能塊和FF面板塊。橫河總線系統(tǒng)組態(tài)的流程是先在System View里創(chuàng)建ALF111，然后在Fieldbus Builder里完成設(shè)備注冊，接著在Control Drawing Builder里創(chuàng)建FF面板功能塊，詳細(xì)定義連接和參數(shù)，最后完成下裝，組態(tài)工作流程如圖2所示。在現(xiàn)場總線設(shè)備和總線系統(tǒng)第一次連接的時候，要進行離線初始化下裝。離線初始化下裝是先導(dǎo)入總線設(shè)備的本地參 數(shù) 到Fieldbus Builder中， 然 后 下 裝Fieldbus Builder和功能塊的組態(tài)信息到總線設(shè)備中。初始化下裝后，如果相關(guān)參數(shù)進行了更改，則會生成差異信息并被檢測到，此時可進行在線下裝，只下裝差異信息。如果更換新的總線設(shè)備時，要進行離線主數(shù)據(jù)下裝，主要是下裝所有Fieldbus Builder和功能塊的組態(tài)信息到新更換的總線設(shè)備中。

圖2 總線系統(tǒng)組態(tài)流程Fig.2 Fieldbus system configuration process

3 現(xiàn)場總線儀表設(shè)備調(diào)試

現(xiàn)場總線儀表設(shè)備調(diào)試前，需先讀取總線儀表的設(shè)備信息。從Centum View打開FF總線組態(tài)窗口（Fieldbus Builder），然 后 從 工 具 欄“Tools”標(biāo) 簽下 選 擇“Display Device Information”。 如 果 設(shè) 備連接正常，設(shè)備信息將被讀取到DCS系統(tǒng)。讀取的設(shè)備信息需要進行檢查，在設(shè)備面板（Device Panel）里檢查 設(shè) 備 名 稱（Device Tag Name）、設(shè) 備 地 址（Device Address）和 設(shè) 備 類 型（Device Class），如 果 信 息 不匹配則選擇名稱分配“Tag Assignment”和設(shè)置設(shè)備類型“Set Device Class”去更改。在設(shè)備面板（Device Panel）里雙擊“設(shè)備”，會彈出設(shè)備信息顯示窗口（Device Information Display），如果同一設(shè)備的信息在項目主數(shù)據(jù)庫和H1網(wǎng)段上不匹配，則會自動出現(xiàn)黃色 標(biāo) 識。如 果“Manufac ID”“DEV_TYPE”“DEV_REV”等不匹配，需要和相關(guān)方進行信息確認(rèn)。如果現(xiàn)場設(shè)備是正確的，則修改DCS系統(tǒng)的設(shè)備信息去匹配現(xiàn)場設(shè)備，返回總線組態(tài)窗口（Fieldbus Builder），然后執(zhí)行更新DD File，選 擇 正 確 的“Manufac ID”“DEV_TYPE”等。在確認(rèn)DCS和現(xiàn)場總線設(shè)備的所有信息條目都匹配后，返回總線組態(tài)窗口（Fieldbus Builder）執(zhí)行初始化下裝，檢查FF設(shè)備面板是否有CNF、O/S、IOP、OOP報警顯示，來確認(rèn)下裝是否完成。其中，O/S、IOP、OOP報警都不重要，因為這些報警可能是工藝條件不滿足或者錯誤的量程刻度造成的，但CNF報警是重要的，因為只有FF面板檢測到通訊不正常，才會顯示CNF。

現(xiàn)場總線儀表設(shè)備有很多回路測試的方法可以選擇，目的都是要確認(rèn)回路連接正常。無論選擇哪種測試方法，DCS報警狀態(tài)（如CNF、O/S、IOP、OOP等）、DCS量程和單位都必須在DCS標(biāo)準(zhǔn)功能塊上確認(rèn)，以下介紹3種不同的總線儀表設(shè)備回路測試方法。

1）斷開支線電纜。這種方法能夠應(yīng)用于所有的總線設(shè)備的回路測試，主要是通過在接線箱內(nèi)斷開支線電纜，然后在DCS功能塊中確認(rèn)報警。詳細(xì)測試流程如下：①在接線箱內(nèi)斷開支線電纜；②確認(rèn)設(shè)備端沒有電壓，相對應(yīng)設(shè)備的CNF報警會在DCS中出現(xiàn)；③在接線箱內(nèi)重新連接支線電纜；④確認(rèn)設(shè)備端有電源電壓，且相對應(yīng)設(shè)備的CNF報警消失。

2）應(yīng)用于總線溫度儀表（熱電偶和熱電阻），詳細(xì)測試流程如下：①測試前確認(rèn)DCS顯示的PV值，應(yīng)該是環(huán)境溫度值；②針對熱電偶，斷開熱電偶端的信號電纜；針對熱電阻，在熱電阻端設(shè)置跳線；③確認(rèn)相對應(yīng)的設(shè)備觸發(fā)IOP報警；④針對熱電偶，重新連接熱電偶端的信號電纜；針對熱電阻，移除熱電阻端跳線；⑤測試完成后，重新確認(rèn)DCS顯示的PV值，應(yīng)該是環(huán)境溫度值。

3）應(yīng)用于總線閥門定位器設(shè)備，閥門氣源已經(jīng)具備條件，在DCS端給定輸出值，然后在現(xiàn)場確認(rèn)閥門實際閥位和操作方向。詳細(xì)測試流程如下：①DCS給定0%輸出值，現(xiàn)場確認(rèn)閥門全關(guān)；②DCS給定50%輸出值，現(xiàn)場確認(rèn)閥門打開50%以及閥門的動作方向；③DCS給定100%輸出值，現(xiàn)場確認(rèn)閥門全開；④DCS給定0%輸出值，現(xiàn)場確認(rèn)閥門全關(guān)。

4 現(xiàn)場總線儀表調(diào)試問題診斷

橫河總線控制系統(tǒng)在進行現(xiàn)場總線儀表回路測試的時候，因為涉及到很多因素，所以經(jīng)常會出現(xiàn)很多問題，并且問題的排查也比較復(fù)雜。問題診斷時，最重要的還是需分清是DCS系統(tǒng)側(cè)的問題，還是現(xiàn)場側(cè)總線儀表設(shè)備自身的問題。下面舉例說明幾個總線系統(tǒng)調(diào)試過程中常見的問題以及診斷方法：

1）當(dāng)現(xiàn)場總線設(shè)備連接到總線系統(tǒng)時，在設(shè)備面板（Device Panel）不能找到相對應(yīng)的總線設(shè)備，此時需要確認(rèn)：①設(shè)備地址是否正確，包括確認(rèn)節(jié)點（Node）、卡槽（Slot）、網(wǎng)段（Segment）等信息；②在機柜內(nèi)檢查電纜接線是否正確；③如果需要，可以給總線設(shè)備提供額外的電源。

2）在對現(xiàn)場總線設(shè)備進行調(diào)試時，斷開支線電纜DCS系統(tǒng)中設(shè)備沒有出現(xiàn)CNF報警，此時需要確認(rèn)：①重新連接支線電纜，然后確認(rèn)FF工具能否接入功能塊參數(shù)，如果能接入就能確認(rèn)是DCS系統(tǒng)側(cè)的問題；②當(dāng)斷開支線電纜時，如果其他總線設(shè)備報警觸發(fā)，那么總線儀表設(shè)備側(cè)有問題，要么可能是電纜連接錯誤，要么可能是設(shè)備名稱或地址分配錯誤；③檢查Control Drawing Builder中的設(shè)置，“Bad Connection Alarm”應(yīng)該是激活的。

3）如果出現(xiàn)了IOP報警狀態(tài)但無法清除，則需要確認(rèn)：①讓施工承包商確認(rèn)總線儀表設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)和工藝狀態(tài)；②在功能塊參數(shù)確認(rèn)“CHANNEL”設(shè)置是否正確；③在功能塊參數(shù)確認(rèn)“SENSOR_TYPE”設(shè)置是否正確；④確認(rèn)設(shè)備不在O/S狀態(tài)。

4）如果出現(xiàn)了O/S報警狀態(tài)但無法清除，則需要確認(rèn)：①在功能塊參數(shù)確認(rèn)“CHANNEL”設(shè)置是否正確；②在功能塊參數(shù)確認(rèn)“SENSOR_TYPE”設(shè)置是否正確；③確認(rèn)設(shè)備不在O/S狀態(tài)；④在功能塊參數(shù)確認(rèn)“XD_SCALE”設(shè)置是否正確。

5）如果氣動儀表閥門不能按照DCS輸出值正常工作，則需要確認(rèn)：①閥門氣源是否正常接入；②確認(rèn)“ACT_FAIL_ACTION”參 數(shù) 是 否 設(shè) 定 正 常，F(xiàn)C（Fail to Close） 閥 門 應(yīng) 是Self-closing， 而FO（Fail to Open）閥 門 應(yīng) 是Self-opening；③確 認(rèn)“IO_OPTS”設(shè)定“Increase to close”應(yīng)是“DISABLE”。

6）如果回路測試時，總線設(shè)備的測量PV值與實際值不同時，則需要確認(rèn)：①在功能塊參數(shù)確認(rèn)“CHANNEL”設(shè)置是否正確；②在功能塊參數(shù)確認(rèn)“SENSOR_TYPE”設(shè)置是否正確；③檢查量程“OUT_SCALE”和“XD_SCALE”設(shè)定是否正確；④檢查“L_TYPE”設(shè)定是否正確。

5 結(jié)束語

雖然現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，但諸如網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)、可靠性技術(shù)等相關(guān)技術(shù)仍有待提高，同時擁有現(xiàn)場總線應(yīng)用和維護能力以及豐富經(jīng)驗的工程技術(shù)人員相對缺乏，希望儀表自動化行業(yè)的工程技術(shù)人員能夠加強對現(xiàn)場總線的研究和應(yīng)用，以使總線技術(shù)在化工行業(yè)蓬勃發(fā)展。