現(xiàn)場(chǎng)總線在上海焦化有限公司的應(yīng)用

上海焦化有限公司是以煤為原料生產(chǎn)焦炭、煤氣以及化工產(chǎn)品的企業(yè),有6臺(tái)焦?fàn)t主要生產(chǎn)焦炭、煤氣以及煤焦油的產(chǎn)品如:苯、酚、萘、蒽油等。1991年新上了空分、德士古、U-GAS和甲醇4套裝置,且均使用霍尼韋爾的TDC3000集散系統(tǒng)。老廠區(qū)的儀表有一套霍尼韋爾小型集散系統(tǒng)UDC9000,4套橫河公司的μχL集散系統(tǒng),一套浙大中控的JX300集散系統(tǒng),一套浙江威盛的集散系統(tǒng)?，F(xiàn)我公司共有集散系統(tǒng)11套,主要生產(chǎn)裝置全使用集散系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

公司在2003年又新上一套15萬(wàn)頓甲醇裝置,該裝置位于原20萬(wàn)噸甲醇裝置的西北角,離原甲醇裝置的中央控制室平均距離有400～500m。我們準(zhǔn)備將新甲醇的控制室放在原來(lái)老甲醇的控制室內(nèi),如果還是采用集散系統(tǒng)將存在一些問題,如控制室內(nèi)機(jī)柜放不下、電纜費(fèi)用太高等問題。根據(jù)實(shí)際情況我們?cè)谛录状佳b置上采用較先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）。

甲醇裝置FCS采用的是艾默生公司FF現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)混合的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由Rosemount的DeltaV冗余控制系統(tǒng)、FF現(xiàn)場(chǎng)總線儀表、Profibus總線儀表、FF現(xiàn)場(chǎng)總線遠(yuǎn)程I/O以及現(xiàn)場(chǎng)總線閥門定位器等所組成。

FCS和DCS的區(qū)別

FCS與DCS是不同性質(zhì)的控制系統(tǒng),其主要區(qū)別如表所示。從本質(zhì)上講,FCS系統(tǒng)是把對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制策略放在設(shè)備層,即放在現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部去實(shí)施,而不是象DCS是放在控制層,即集中的控制器中去實(shí)施。這首先要求FCS系統(tǒng)支持多種符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線,具有與各類現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行通信的能力。

由于FCS是一種近年來(lái)發(fā)展的新一代的控制系統(tǒng),國(guó)內(nèi)已在著手進(jìn)行研究和開發(fā),我國(guó)推出EPA系統(tǒng),已提交國(guó)際組織討論。另外,對(duì)FCS系統(tǒng)的規(guī)模大小的評(píng)定指標(biāo)也與對(duì)DCS系統(tǒng)規(guī)模大小的評(píng)定指標(biāo)完全不同。對(duì)于后者,目前公認(rèn)的指標(biāo)是看該系統(tǒng)的輸入、輸出點(diǎn)數(shù),根據(jù)點(diǎn)數(shù)來(lái)劃分大型、中型或小型。但是對(duì)于前者,則主要看它包含的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段的多少。因?yàn)橐粋€(gè)網(wǎng)段只能掛8～10個(gè)儀表,所以系統(tǒng)越大肯定網(wǎng)段就越多。

FCS與DCS功能對(duì)比表

現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)

節(jié)省硬件數(shù)量與投資
由于FCS中分散在現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報(bào)警、計(jì)算和調(diào)節(jié)功能,因而可減少儀表硬件的數(shù)量,不再需要單獨(dú)的調(diào)節(jié)器、計(jì)算單元等,也不再需要DCS系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及其復(fù)雜接線,還可以用工業(yè)PC機(jī)作為操作站,從而節(jié)省了一大筆硬件投資,并可減少控制室的占地面積。

節(jié)省安裝費(fèi)用
FCS接線簡(jiǎn)單,一對(duì)雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個(gè)設(shè)備,因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少,連線設(shè)計(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備時(shí),無(wú)需增設(shè)新的電纜,可就近連接在原有的電纜上,既節(jié)省了投資,也減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測(cè)算資料表明,可節(jié)約安裝費(fèi)用60％以上。

節(jié)省維護(hù)開銷
智能儀表具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力,并通過數(shù)字通信將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室,用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行、診斷維護(hù)信息,以便早期分析故障原因并快速排除,縮短了維護(hù)停工時(shí)間,同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,連線簡(jiǎn)單而減少了維護(hù)工作量。

用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)
用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來(lái)集成系統(tǒng)。如焦化的系統(tǒng)中有FF、Profibus、還有Modbus的通信協(xié)議等。

提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性
由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化,從根本上提高了測(cè)量與控制的精確度,減少了傳送誤差。同時(shí),由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,設(shè)備與連線減少,現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能加強(qiáng),減少了信號(hào)的往返傳輸,提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

信息量大
由于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、功能模塊化、硬件智能化、數(shù)據(jù)數(shù)字傳送的特點(diǎn),所以在人機(jī)接口CRT上可以獲得比DCS大得多的信息量。許多原來(lái)在DCS上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的設(shè)備診斷軟件可以使用。

艾默生FCS簡(jiǎn)介
艾默生的控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)混合的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由Emerson的DeltaV冗余控制系統(tǒng)、FF現(xiàn)場(chǎng)總線儀表、獨(dú)立的PLC、五大機(jī)組控制用的PLC、FF現(xiàn)場(chǎng)總線遠(yuǎn)程I/O以及現(xiàn)場(chǎng)總線閥門定位器等所組成,如圖所示。整個(gè)控制系統(tǒng)由冗余的控制網(wǎng)絡(luò)、操作站及控制部分3部分構(gòu)成。

操作站
15萬(wàn)噸甲醇的控制系統(tǒng)在控制室內(nèi)包括4臺(tái)操作站、1臺(tái)工程師站、1臺(tái)APP應(yīng)用工作站（用于工廠管理）、兩對(duì)HUB。操作站作為人機(jī)接口供操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝過程進(jìn)行監(jiān)控。工程師站用于系統(tǒng)的開發(fā)和組態(tài)、包含系統(tǒng)全部數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)用工作站主要的作用是將FCS與公司的MIS網(wǎng)絡(luò)相隔離,從而避免萬(wàn)一MIS系統(tǒng)的病毒等侵入FCS系統(tǒng)。中控室的這些設(shè)備通過HUB利用光纖通信與現(xiàn)場(chǎng)的控制機(jī)柜連接形成系統(tǒng),完成組態(tài)、運(yùn)行、操作等完整的控制功能。

控制網(wǎng)絡(luò)
為了系統(tǒng)的可靠,FCS系統(tǒng)配置了冗余的控制網(wǎng)絡(luò),其為通信提供了安全性和可靠性。在中控室通過兩個(gè)不同的HUB及連接光纜,接入位于現(xiàn)場(chǎng)的兩個(gè)控制機(jī)柜中的兩個(gè)不同的HUB,建立了兩條完全獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò),形成冗余的主副網(wǎng)絡(luò)集線器,提高了系統(tǒng)的可靠性。

控制器
系統(tǒng)中配有兩套控制機(jī)柜,每套機(jī)柜中裝有8塊H1卡。控制器為MD控制器,具有管理所有I/O卡件的控制活動(dòng);管理所有的網(wǎng)絡(luò)通信功能;管理時(shí)間抽樣、報(bào)警、趨勢(shì)對(duì)象;執(zhí)行控制策略,在100ms內(nèi)完成從輸入通道取信號(hào)、控制策略執(zhí)行、傳送結(jié)果到輸出通道。

每對(duì)控制器下為8塊H1卡,H1卡可通過總線方式將現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備信號(hào)連接到DeltaV系統(tǒng)中,連接電纜為屏蔽雙絞線。H1卡下帶有2個(gè)port,即2個(gè)干線段（Segment）,通過P＋F安全柵模盒連接現(xiàn)場(chǎng)總線儀表,每個(gè)干線段最多帶12臺(tái)總線儀表。

4～20mA常規(guī)儀表,包括電動(dòng)機(jī)開、停信號(hào)等,設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)程I/O,采用Modbus-RTU通信,通過serial卡與控制器相互通信。

5臺(tái)大型機(jī)組信號(hào)分別采用Modbus-RTU協(xié)議、Profibus-DP協(xié)議與控制器相連,集成為一整套工廠底層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),再通過APP與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)連為一體。

總線儀表選用Honeywell的壓力、差壓變送器、E+H雷達(dá)液位計(jì)、SAMSON智能閥門定位器等。與常規(guī)模擬儀表控制回路不同的是:現(xiàn)場(chǎng)總線儀表最大的特點(diǎn)是它的控制單元在物理位置上可與測(cè)量變送單元或操作執(zhí)行單元合為一體,PID功能既可放在變送器,也可放在閥門定位器。因而在現(xiàn)場(chǎng)就可構(gòu)成完整的基本控制系統(tǒng),又由于總線儀表所具有的通信能力,可與多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備溝通。綜合信息便于構(gòu)成多個(gè)變量參與的復(fù)雜控制系統(tǒng)與精確測(cè)量系統(tǒng)。另外,它的數(shù)字通信特點(diǎn)使它不僅可以傳遞測(cè)量的數(shù)值信息,還可傳遞設(shè)備標(biāo)識(shí)、運(yùn)行狀態(tài)、故障診斷狀態(tài)等信息。

P＋F公司的RPI遠(yuǎn)程I/O是應(yīng)用總線技術(shù)將隔離式安全柵與遠(yuǎn)程I/O功能結(jié)合于一身,滿足安全防爆功能。其I/O模塊具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配置、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)隔離的特性?，F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接入I/O模塊后,經(jīng)網(wǎng)關(guān)通過外部總線與控制系統(tǒng)相連。RPI系統(tǒng)配置雙網(wǎng)關(guān)、雙倍電源模塊,遠(yuǎn)程I/O直接安裝在防爆區(qū)內(nèi)。

該FCS于2003年10月裝置開車投運(yùn)以來(lái),運(yùn)行情況良好。