基金会现场总线控制系统在大化肥装置中的应用

李一乐 程 莞 李 容 中国成达工程有限公司 成都 610041

李 宁 北京石油化工工程有限公司成都分公司 成都 610041

基金会现场总线控制系统在各行各业中得到越来越多的应用，目前在全球范围已经有几十万套系统在运行中，在大型化肥装置中也有不少业绩。基金会现场总线(以下简称FF)控制系统在国内外很多领域快速发展，特别在石油化工领域中应用非常广泛。目前，在全球范围已经有数十万套FF 控制系统在运行中。对于大型化肥装置，采用现场总线控制系统(以下简称FCS)也越来越得到认可。随着总线技术的不断发展，总线现场设备的不断拓展，今后会有更多的各类装置采用这种技术。

现场总线是一种数字通讯系统，由一对绞合屏蔽电缆将各种检测器和执行器连接在一个网络上。现场设备(指变送器和阀门定位器等)彼此间可以交换信息，并与控制系统通讯。常规的简单控制功能可以在FCS 中执行，也可以在现场设备中执行完成。

1 FCS 设计

1.1 FCS 设计方法

采用FCS 和采用常规DCS 的装置，和仪表设计的方法很相似。常规DCS 装置仪表设计时，现场仪表位置、接线箱布置和电缆表主要用于端子柜的设计。DCS 的设计是依据仪表输入/输出(I/O)表来设计，不用去管现场仪表和接线箱(JB)的位置。而在FCS 设计中，现场一侧的仪表和接线箱布置直接影响系统的设计。此外，传统DCS的控制功能都是在机柜室DCS 控制器中完成的，而FCS 则可以在现场侧FF 总线设备中执行。

FCS 的设计，主要是网段(Segment)的设计。设计前需要准备的资料:①FCS 功能设计规定(应由制造商提供);②装置布置图;③电缆设计规定;④仪表数据表;⑤I/O 表;⑥现场仪表选择原则;⑦P＆ID 等。

1.2 设计前期工作

1.2.1 FCS 现场设备

在设计前期，必须对现场总线设备有充分的了解，清楚目前国内外制造商生产的仪表是否符合FF 的规则，是否在FF 注册登记并经过了测试。目前尚有许多种类现场仪表不能适用于FCS 中。对于大型化肥装置来说，常使用的一些仪表，如质谱分析仪、色谱分析仪、红外分析仪、超声波流量计、转子流量计、可燃气体/毒性气体检测器、皮带称重仪、放射性料位计等都还没有总线信号输出的类型，只能仍然采用常规的4 ～20mA信号或其它方式(如RS -232、RS -485 通讯接口)将信号传送至控制系统。

1.2.2 回路风险评估

在设计前期，应对控制回路的风险进行评估，回路的风险等级与网段的布置有直接关系。控制回路的风险有高、中、低三个级别，见表1。

仅用于监测目的的回路，则不需要进行风险评估。

1.2.3 回路选择

对于大型化肥装置，一些非常重要和危险程度较高的控制回路，设计中一般建议仍采用常规的4 ～20mA 信号送控制系统，而不采用FF 数字信号。这些回路主要包括的情况:①所有进/出紧急停车系统(以下简称ESD)的信号(虽然目前FF模块中已有安全仪表功能模块FF -SIF，但大化肥装置一般仍采用独立的ESD 完成装置安全联锁功能);②所有进/出FGS (可燃气体和毒性气体检测系统)的信号;③压缩机组的防喘振控制回路(防喘振控制回路要求控制速度快，控制精度高，在大型化肥装置中一般采用集成的透平压缩机控制系统ITCC 来完成);④重要的复杂控制回路(在大化肥装置中主要指水/碳控制，H/N 控制和汽包三冲量调节等);⑤蒸汽平衡系统中，高压、中压和低压蒸汽减温减压和紧急放空;⑥所有工艺气体的自动放空。在上述几种情况中，除前三种情况之外，也可以采用FCS 来进行控制。但在最终决定前，应充分考虑这些回路的重要性，评估回路出现故障的风险。

表1 回路的危险程度

2 网段设计

2.1 网段的拓扑结构

网段的拓扑结构主要有树型、母线型、链型和混合型。

2.1.1 常用结构

工程设计中常用结构有树型和混合型结构。

(1)树型结构见图1。

图1 树型结构

从机柜室端子柜上通过多对屏蔽电缆接至第一级接线箱JB-1，JB -1 再经过单对电缆分别接至第二级接线箱(JB -11，JB -12……)，第二级接线箱通过分支电缆接到现场设备上。分支电缆的长度应尽可能短。

(2)混合型结构见图2。

图2 混合型结构

从机柜室端子柜通过单对的主干电缆接至JB-1A，从JB-1A 再接至JB-1B。JB-1A/JB-1B再分别通过分支电缆接到现场设备上。

2.1.2 网段其它的拓扑结构

(1)母线型结构见图3。

图3 母线型结构

从机柜室端子柜通过一根单对的电缆依次接到JB -1A、JB -1B、JB -1C 和JB -1D 接线箱，再通过分支电缆接至现场设备上。通常，这不是一种经济的方案，所以在工程设计中很少采用。

(2)链型结构见图4。

图4 链型结构

从机柜室端子柜不经过接线箱直接接至现场设备上，一个一个串接至一起形成一个链路。这种结构由于维护很困难，所以在工程设计中并不被采用。

2.2 电缆选择

主干电缆(Trunk Cable)通常可以选择单对或多对的屏蔽绞合电缆，电缆截面积一般选0.8mm2(AWG 18#)，如果主干电缆比较长(如超过500 m)，可适当加大导线的截面积。

分支电缆(Spur Cable)采用单对屏蔽绞合电缆，截面积为0.8mm2。

FCS 电缆外护套采用橙色(与本安电缆和普通电缆区别)，内部芯线的绝缘层分别采用橙色和兰色。

2.3 电缆长度

每个网段的电缆总长度(主干电缆和分支电缆之和)和分支电缆的长度都有一定的限制，根据不同的场合，其限制是不相同的。

对于非本安现场设备的网段，电缆总长度可以达到1900 m。而每根分支电缆的长度可以达到120 m。

对于本安仪表的网段，主干电缆总长度一般限制为1000 m，而其分支电缆的长度限制为60 m。

在详细工程设计期间，通常的做法是先假设接线箱到网段现场设备之间的分支电缆为一固定长度，待仪表模型建立以后，再确定准确的长度。若分支电缆长度超过了限制，适当调整JB 的位置使之满足系统的要求。

2.4 接地

网段电缆的屏蔽层接地有多种方法，可以在控制室一侧单点接地，也可以在控制室和现场多点接地。

推荐使用单点接地的方法，主干电缆和分支电缆的屏蔽层在接线箱中应保持完全的连接。

多点接地指的是分支电缆的屏蔽层在现场接地，而主干电缆屏蔽层在控制室接地。两种电缆的屏蔽层应相互绝缘。

2.5 浪涌保护

在雷电多发地区，对暴露在空旷地面或在工艺设备和框架高处的现场设备，应考虑采用浪涌保护器。浪涌保护器可以安装在现场设备侧，也可以安装在FCS 的H1 卡侧。

在采用浪涌保护器时，网段上的现场设备数量应尽可能少。当同一网段上有多个设备安装浪涌保护器时，应提请制造商注意是否会引起网络失衡和通讯中断。

2.6 网段供电

网段上的现场设备供电是通过总线提供的，不需要在现场另外配置电源。为了与现场总线信号兼容，电源调整模块可以调整电源和总线的阻抗相匹配，模块有内部电流限制器，防止因某一网段故障影响其它的网段。

现场设备上最小的操作电压为9V。在工程设计中应考虑一定的裕量，例如在计算时可以定义最小操作电压为9.5V。

3 冗余和备用

FCS 应考虑足够的冗余和备用，需要冗余的场合有:FCS 控制器、所有网段的H1 接口卡、网段电源、链路活动调度(LAS)。

需要备用的场合有:①网段上现场设备应至少有20% 备用;②网段总线通讯负荷不能超过60%;③网段设计时，预留容量须足以添加一个控制回路(即一台变送器和一个最终元件)。

4 网段的执行时间

4.1 宏周期

网段的宏周期包括两部分时间，正常的通讯时间和非正常的通讯时间。每个网段周期时间一般为1 秒到几秒之间，需要根据工艺控制要求来确定。

除非特别规定，网段的执行时间为1 s。

正常的通讯时间是指连接在网段上的设备、功能块之间的通讯和执行时间;而非正常通讯则是指发生的事件或指令的通讯时间，例如报警信号的传送、设定点改变信号的传送等。一般非正常通讯时间约占50%周期时间。

4.2 网段设备数量

执行时间如下的网段，建议该网段最大设备的数量:①只有监测设备的网段，最大设备数量为12 个;②执行时间为1 秒的网段，最大设备数可以带4 台阀门和8 台变送器;③执行时间为0.5秒的网段，最大设备数为2 台阀门和4 台变送器;④执行时间为0.25 秒的网段，最大设备数为1 台阀门和2 台变送器。

4.3 周期计算

不同制造厂商的FCS 和网段的现场设备，网段的执行周期时间不完全相同，下列计算公式仅针对某一特定产品列出，仅供参考。

(1)监测回路:

(2)控制回路:

式中，A 为网段中FF 设备数量;B 为网段中FF 定位器数量;T1、T2 为周期时间，ms;K1、K2 为常数。

5 网段的确定

5.1 回路危险程度

根据1.2.2 节对回路危险程度的评估，每个网段上布置的回路可以按表2 进行选择。

表2 回路布置

5.2 根据实际位置

如果同一控制回路的变送器和调节阀在现场的实际位置很靠近，这样的两个总线设备应该放在同一个网段中(在这种情况下，可以考虑将控制功能模块放在现场设备侧。)如果同一回路的变送器和调节阀实际位置相隔很远，这些网段设备就不能放在同一网段中。

5.3 根据控制要求

当设计发生变化，一个复杂和要求更高的控制回路布置在原有的网段上时，需要对该网段重新进行评估。否则，这些更改有可能影响控制功能的实现，以及影响该网段上原有设备的可操作性。

6 结语

基金会现场总线控制系统(FCS)虽然已经取得了长足的发展，但由于价格和其它方面的原因(如业主对此缺乏了解等)，在国内大型化肥装置中采用得还不够广泛。实际上，虽然FCS 相比DCS 可能会贵一些，但由于电缆和电缆桥架的数量可以大幅减少，且安装费用和安装周期可以减少，使用FCS 总的费用不会增加太多。

总线技术正迅速的发展中，与之相适配的总线现场设备也在不断的开发中，相信今后在大型化肥装置及其它装置中，选择FCS 的地方将会越来越多。

1 基金会现场总线系统工程指南(AG -181) ［J］. 石油化工自动化，2005 (1).

2 龙蔚泓. 谈基金会现场总线系统工程指南3. X 版与2.0 版的差异［J］. 石油化工自动化，2011 (5).

3 System Engineering Guidelines. Version 3.2.1.