总线系统的优点及在安全连运方面的独特性

魏润华

(天脊集团仪表厂，山西 长治 047500)

引 言

随着化工生产装置对仪表及控制系统安全、稳定、采集信息数量、精细化控制的逐步提高，普通的模拟量仪表及控制系统已无法满足更高的要求，而现场总线(Field Bus)是应用于生产现场,在微机化测量控制设备之间实现双向、串行、多节点数字通信的系统。现场总线适应了工业控制系统向安全化、分散化、网络化、智能化发展的方向，获得了广泛应用，通过一种合理的总线设备参数设定，达到多重化安全控制，最大限度满足化工装置的安全、高效、稳定运行。

1 系统简介

1.1 综述

一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS——现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4 mA～20 mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。现场总线系统具有开放性、互可操作性与互用性、高度分散性、对现场环境的适应性等特点，是一种新的全分布式控制系统的体系结构。现场总线系统从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。本文以苯胺装置使用的艾默生DeltaV系统为例，进行简述。

1.2 苯胺FCS现场总线系统根据苯胺项目实际情况开发，具备以下特点

1)苯胺FCS现场总线系统的现场设备可完成自动控制的基本功能，从而减轻了控制站负担，使得控制站可以专职执行复杂的高层次的控制算法。

2)苯胺装置仪表自动控制系统中，对总线本安防暴能力、总线网络通讯能力和总线设备供电能力，实施了有效的整体解决方案，从而较好地解决了总线系统和现场设备的安全性、实时性和供电保障等问题。

3)大量新技术和新型仪表设备的使用，现场总线设备的智能化、数字化，从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统结构的简化、设备连线减少、现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。为苯胺有机化工的精细操作提供了强有力的保障，使整套装置保持了较高的自动化控制水平，自控投运率达到了98%以上。

4)为了满足系统长周期运行的要求，做到同时设计、同时施工、同时完工，对系统进行了危险分散和冗余配置，并与电气信号链接完全隔离，即便系统在设备发生故障时也不致造成装置停运。同时提高了联锁投运率，有效地转化了运行安全与事故安全的矛盾。

5)FCS比DCS更节约硬件设备。使用FCS可以减少大量的隔离器、端子柜、I/O卡及I/O端口，这样就节省了I/O装置及装置室的空间，同时减少了大量电缆，可以极大地节省安装费用。与此同时，FCS比DCS性能有所提高。由于免去了D/A与A/D变换，使仪表精度得到极大的提高；通过将PID功能植入到相应的智能传感器中去，使控制周期大为缩短。

1.3 苯胺FCS现场总线系统在五个方面实现了创新

第一次在集团公司第一套有机化工苯胺装置上，运用了代表当今自控领域最先进技术的现场总线控制技术，有效解决了特殊的工艺生产过程对自控系统的各项严格要求，如：长周期稳定运行、精细控制、安全联锁、本安防爆、有效的事故判断和分析等。与同类装置相比，有以下4点突破：

①该套FCS系统实现了全部模拟控制彻底分散。采用符合总线协议的智能现场设备，将各种控制功能模块和I/O模块置入现场设备中，如图1所示。而并非下装在CPU中，依靠现场总线的强大通讯能力，进行现场级的信号传递。控制功能的完成已经摆脱了对控制室计算机的依赖，形成现场单元控制，降低了CPU的执行负荷≤37%。

图1 总线组态图

图2和图3分别为现场总线变送器和总线定位器设备中自带的控制模块，凡是带有此功能模块的就可以根据需要将相应的功能直接下装在此总线设备中进行运算。

图2 总线变送器内控制模块

图3 总线定位器内控制模块

图4划线部分,提高了控制速度,同时也将计算机故障的风险降到了最低，真正体现了分散控制理念。

图4 CPU参数

②现场总线仪表设备的信号采用数字信号传输，省去了A/D和D/A转换，消除了系统误差，提高了精度，同时能够较好地避免环境对信号传输的干扰和影响，如图5所示。

图5 硝化总线回路图

③数字信号相对于模拟信号而言，能够上传大量的除测量值外的相关信息，方便直观地进行在线设备参数调试，及时获得设备运行状况信息、了解设备故障信息，不需要维护人员到现场巡检，降低了人身伤害的风险。还有利于设备的预检修，对切实提高仪表设备的准确率、自控投运率等基础性工作，提供了良好的发展空间和技术平台，如第77页图6所示，为数字化、多参数采集。

图6 总线设备多参数采集

④成功解决了三方面问题：现场总线保障充足的设备供电；现场总线必须完全满足电气本安规范要求；现场总线必须保障网络信息流负荷较低，从而确保通讯速率。

综合以上特点，那么我们需要考虑，在极端情况下，假设控制器部分短时间出现问题，如何确保装置安全稳定的生产下去，或者在极端情况下，保证装置及时安全的停下来。

2 重要系统设备进行冗余过程

2.1 工艺及设备专业的相关分析(非仪表专业)

组织相关专业对装置进行安全性、可操作性及其他相应的审查和分析，确定重要设备及重要控制回路，并形成文件清单；此部分设备和回路一旦出现问题，轻则影响设备稳运高产，仪表专业根据清单配置冗余设备。

如图7所示，冗余CPU/卡件、冗余电源通过两路独立电源供电。

图7 冗余卡件冗余供电

2.2 仪表专业的相关分析

2.2.1 总的思路

在考虑极端情况的前提下，我们需要实现重要设备的回路设备在一个控制器CPU或卡件出问题时，可以正常显示调节，那么两个控制器CPU或卡件出问题而供电正常时(供电异常情况后文介绍)，也要可以正常显示调节，如何实现，如何设计，对于普通的4 mA～20 mA仪表可以说是无法实现，但对于总线设备，还可以再增加一层保障。

2.2.2 总线主设备的选取

前面我们介绍过，我们将各种控制功能模块和I/O模块置入现场设备中，依靠现场总线的强大通讯能力，进行现场级的信号传递。控制功能的完成已经摆脱了对控制室计算机的依赖，形成现场单元控制，也就是说，现场每一台总线设备都可以成为一台临时的控制器使用；这样我们可以通过精确的参数设置使得极端情况下，现场设备可以作为一个控制器临时使用，满足工艺要求，如图8所示。

总线主设备设置图片：如图8划圈部分所示FT1119被作为本总线段的备用控制器使用。

图8 总线主设备的选取

如图中所示，我们将FT1119设置为主设备，那么在控制器及卡件故障而供电正常的情况下，此设备可以作为临时控制器使用，而且通过实际测试，4 h(鉴于外部因素影响未进行更长测试)以内装置参数显示及控制功能未发现异常。这4 h内，只要备件到位，异常情况可以在不到1 h内解决，确保装置的安全稳定运行。

2.3 所有重要联锁仪表部分的供电，均需采用事电与UPS电的冗余配置，尽量采用环形供电方式

为提高供电可靠性，使用户可以从两个方向获得电源，通常将供电网连接成环形，这种供电方式简称为环形供电。对于仪表控制系统，特别是联锁系统而言,电源正常与否，对系统的稳定安全连运起着至关重要的作用，环形供电的必要性由此可见。环形电源供电示意图，如图9所示。

图9 环形电源供电

这样的话，一般不考虑电源故障后的重要回路控制功能失效问题，而且，重要回路一般都带联锁，一旦双电源故障，那么现场仪表失电，显示异常，直接联锁停车，或者联锁执行部分直接失电，装置安全停车。

除以上创新之外，本套系统还有以下几方面的创新：

1)按照FF现场总线特点，严格遵守设计和安装规范，制定独有的软件和硬件规则，如：设备和电缆的设计和安装、设备在线更换和调试、设备的本质安全、软件功能块的设计和调用。有效地减少了系统调试、投运和维护时问题的产生，保证了投料试车工作顺利进行，降低了运行成本。共为工程节省了安装和连接电缆费用60%。

2)硝酸和苯的比值控制，是硝化工艺的核心控制回路，直接关系到产品产量和产品质量。如果该回路出现问题，甚至将会对工艺装置的安全构成严重威胁。鉴于此，工艺对硝酸和苯的比值控制要求非常严格，联锁点多、复杂，且控制精度要求高，设计要求对该回路的操作完全由FCS自动执行完成。

结合FCS优点，设计的硝化供料自动程序，可以自动打开硝酸和苯的控制阀门，同时按照预定的比值和速率逐步将阀门的开度增大，按比例增加硝酸和苯到反应器的供料量。

3)首次在大型化工装置中成功整合现场总线控制系统，为FF现场总线技术推广到应用基地，更为此项技术的不断发展和成熟，起到了不可忽视的推动作用，具有较强的指导意义。

4)在联锁保护方面与其它系统实现融合和衔接，为装置的安全、稳定、长周期运行提供有力保证。

3 结语

设备安全稳定运行，运行设备的效益最大化永远是化工生产的头等大事，一套功能强大、开放性、互可操作性与互用性强、高度分散性和对现场环境的适应性强的系统，结合其固有的优势和特点，通过合理的参数设置，实现设备的安稳长满优运行，为企业的安全生产、积极向好发展，提供坚实的基础。