大型石化置全集成自动化系统和FF现场总线的应用

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1、大型石化装置全集成自动化系统石化装置全集成自动化系统和和FF现场总线技术的应用现场总线技术的应用上海赛科教授级高工吴国良2005-12-6目录目录1.全集成管理系统全集成管理系统2.网络集成的可靠性要求网络集成的可靠性要求3.90 万吨万吨/年乙烯联合装置全集成自动化系统概况年乙烯联合装置全集成自动化系统概况 1）与）与DCS控制系统关联的网络控制系统关联的网络 DCS 控制网络控制网络 远程访问服务网络远程访问服务网络 (RAS网络网络) 中央历史数据库网络中央历史数据库网络 （PI网络）网络） WEB 服务器网络服务器网络 先进控制和优化系统网络先进控制和优化系统网络 (APC网络网络)

2、通过通过MODBUS串行数据链与串行数据链与DCS通信的其它检测、控制系统通信的其它检测、控制系统 SIS的报警和事件历史（的报警和事件历史（SOE）用）用OPC 总线总线 SIS系统的系统的AMS HART总线总线 基金会现场总线基金会现场总线 2） 安全连锁（安全连锁（SIS）系统网络系统网络 （1 1） 安全连锁系统（安全连锁系统（SIS）控制控制 器与外部连接的网器与外部连接的网 络络 （2 2） 安全连锁系统（安全连锁系统（SIS）内部连接的网络内部连接的网络 3） 仪表局域网仪表局域网 （1） 仪表局域网插座（仪表局域网插座（RS485），）， （2） 气相色谱分析仪系统（气相色谱

3、分析仪系统（GC）控制器控制器 （3）机械设备监视系统（）机械设备监视系统（MMS） （4） APC操作网络操作网络 4） 闭路电视（闭路电视（CCTV）局域网局域网 5） 火灾和可燃气体系统网络火灾和可燃气体系统网络 （F&G） 6） 电气局域网络电气局域网络 （MCC ） 7） 实验室信息管理系统实验室信息管理系统(LIMS) 8）办公室局域网办公室局域网 （OFFICE LAN）4 FF现场总线技术应用现场总线技术应用 1） FF现场总线的优点现场总线的优点 （1） FF现场总线具有开放性，现场总线具有开放性， 互操作性与互用性互操作性与互用性 （2） FF现场设备的智能化与功能自治化现

4、场设备的智能化与功能自治化 （3） 系统控制功能高度分散化系统控制功能高度分散化 （4） 数字信息技术发展迅速，数字信息技术发展迅速，今后数字技术的发展打下了基础今后数字技术的发展打下了基础（5） 节省安装材料和调试工作量节省安装材料和调试工作量 （6）利用资产管理系统功能，降低设备生命周期成本）利用资产管理系统功能，降低设备生命周期成本 （7）模型装置）模型装置FF技术的应用投资分析技术的应用投资分析 2） FF总线物理层总线物理层（1）物理信号转换物理信号转换 （2） H1现场总线网段（现场总线网段（Segment）硬件的限制条件硬件的限制条件 3） 数据链路层数据链路层（1） 链路活动调

5、度器（链路活动调度器（LAS） A 周期性时间的调度的通讯周期性时间的调度的通讯 B 非周期性时间的调度的通信非周期性时间的调度的通信 （2） 活动维护表活动维护表 （3） 现场总线访问子层（现场总线访问子层（FAS） 4）用户应用层用户应用层 （1） 模块的应用模块的应用 （2）现场总线段的功能块设置规定现场总线段的功能块设置规定 5） 现场总线回路的测试现场总线回路的测试 （1） 总线电缆的电阻，电容和绝缘测试总线电缆的电阻，电容和绝缘测试 （2） 直流电压检查直流电压检查 （3） 波形测试波形测试 6） 调试调试FF总线设备总线设备 7） FF现场总线使用中出现的问题分析现场总线使用中出

6、现的问题分析 （1）存在的主要问题）存在的主要问题 （2） 现场总线的检查手段现场总线的检查手段1.全集成管理系统大型企业全集成管理系统分三个层次ERP:(EnterpriseResourcePlanning)企业资源计划：财务，人事（HR），采购，生产计划，维修（SAP），销售MES:(ManufacturingExecutionSystems)生产执行系统是工厂层面系统，能够优化从发布命令到最终完成的整个生产活动。典型的生产执行系统包括：实时过程信息（PI）、质量信息（LIMS）、成本，工厂生产事件信息的采集、历史存储、分析和报告的信息系统集成，培训，CAD，HSE，效评估绩。PCS:(P

7、rocessControlSystem)过程控制系统：DCS控制系统，SIS安全连锁系统，火灾和可燃气体报警连动系统（F&G），转动机器检测保护系统（MMS），在线色谱检测网络（GC），电气设备检测控制系统（MCC），CCTV网络监视系统，等90万吨/年乙烯联合装置包括有10套石油化工生产装置及公用工程设施。每个生产装置都有自己的各种控制系统。将这些系统集成为一个大的系统是为下列部门服务：1企业高层的经营决策，2生产管理层的计划调度，3安全部门的监视管理，4设备管理部门的资产管理，制定维护、检修计划，这些部门可以从自动化集成系统获取经营管理，生产调度，维护、检修所需要的各种工艺参数，安全状态，

8、设备运行状态参数，故障检测信息等，以达到增加产量，提高产品质量，减低工厂设备运行周期成本，提高管理水平，满足商业需求，实现最大利润。我们不仅要将一个装置内各种控制系统信息集成起来，而且要将全厂所有装置的控制系统和信息集成起来，成为一个管、控一体化的全集成主控制系统，使工厂各部门能够共享信息资源。实现这种全集成的手段是网络通信技术2. 网络集成的可靠性要求网络集成的可靠性要求1)一般监视系统网络，可采用单路通信网络。2)重要的控制、连锁系统网络，采用双冗余通信网络。3)对于重要的网络要求有最高等级的安全性，所有互连的网络之间应配备防火墙。4)除了与生产装置现场的检测和控制设备外，DCS内部的数据

9、高速公路上不应与外部有直接的连接。5)SIS安全连锁系统的DI、DO信号使用硬导线连接。6)数据库和应用软件的使用应通过密码保护的手段，使其限制在授权用户的范围内。7)整个现场范围内的通信光缆应至少有50%的冗余量。在需要双冗余信号的情况下，应使用二种光缆路径敷设，（一路走地下埋设，另一路走架空电缆桥架。）3 . 90 万吨万吨/年乙烯联合装置年乙烯联合装置 全集成自动化系统概况全集成自动化系统概况被全集成的自动化系统和网络包括被全集成的自动化系统和网络包括:1）与DCS控制系统关联的网络,2）安全连锁（SIS）系统网络,3）仪表局域网,4）闭路电视（CCTV）局域网,5）火灾和可燃气体系统网

10、络（F&G),6）电气局域网络（MCC），7）实验室信息管理系统（LIMS），8）办公室局域网（OFFICELAN）。1）与）与DCS控制系统关联的网络控制系统关联的网络DCS 控制网络控制网络每套DCS控制系统均有一个安全的、双冗余的DCS控制网络（例如，DeltaV控制网络）。它连接：DCS控制器（MD）（安装在生产装置卫星控制站内），操作员站（OS)（安装在中央控制室内,卫星控制站内也有一个），DCS工程师站（ES）（安装在中央控制室），各种用途的应用站(AS)（安装在中央控制室），这种DCS控制网络实际上是一个专用协议的以太网IEEE802.310/100baseT/F。见图一。图二中

11、显示了图二中显示了7 7个网络，它们分别是：个网络，它们分别是：远程访问服务网络远程访问服务网络 (RAS网络网络) 它连接： 每个DCS系统有一个起远程访问服务作用的应用工作站（AS），这些应用工作站是与各自的DCS的控制网络（Delta V）相连接的， 8个专业远程工程师站（ES）（设置在 CCR内的）， 8个远程监视员操作站（OS）（设置在 CCR内的）。 这些专业远程工程师站和远程监视员操作站每次可以为10套DCS中的任何一套DCS服务。这个网络是双冗余网络。 DCS和SIS使用的时间服务器（执行网络时间协议NTP）， 它确保所有控制器和工作站的时钟都依据一个共同的时间基准源而相互保持

12、同步。该基准时间通过一个GPS卫星接收器传递到NTP服务器中。 中央历史网络中央历史网络 （PI网络网络）它连接:各DCS负责记录和储存工艺数据的连续历史记录应用工作站（AS-03），同时与自己的DCS控制网络连接，此网络通过防火墙与设置在行政大楼办公室内的中央历史数据库服务器（中央PI）相连接。 他将各生产装置的工艺数据通信到全厂范围的中央历史数据库中，供企业各部门查阅。 见图二。 WEB 服务器网络服务器网络 它连接： 每套DCS系统的负责发送WEB图形的应用工作站（AS-01）， 通过防火墙与设置在行政大楼办公室内的办公室局域网 （OFFICE LAN） 相连接。 他能提供制作成WEB形

13、式的信息和图形，例如报警信息分析报告 (KPI) 供企业各部门查阅。 见图二。 先进控制和优化网络先进控制和优化网络 (APC网络网络)它连接：各装置的先进控制和优化系统的APC服务器， 对应装置的DCS控制网上的专用OPC应用工作站 （AS-04） 。 先进控制APC服务器中的计算结果，控制数据和DCS的实时数据通过APC网络相互传送，可实时处理各种设定点及其它控制参数。 OPC应用工作站的主要功能是起OPC通信作用和放置在DCS中没有的中间计算模块。 与该先进控制相关的硬件放置在控制室中。APC网络是冗余的。 APC服务器还与仪表网络连接，在仪表网络一节中说明。 见图二。通过通过MODBU

14、S串行数据链与串行数据链与DCS通信的其它检通信的其它检测、控制系统测、控制系统有：A）SIS安全连锁保护系统， 使能在DCS的操作员站上显示SIS系统的检 测数据，也可以参加DCS的连锁逻辑控制和程序控制。 B）电气智能开关装置数据集中器，例如 INSUM- ICU， 使能在DCS的操作员站上（通过电机操作面板）显示和操作电机设备，控制电机启动、停止、正、反运转和禁止启动等操作。C）电气MCC数据集中器和远方终端单元，使能在DCS的操作员站上监视供电系统分布，大功率电机的电流、温度等参数等。D）火灾和可燃气体报警连动系统（F&G），E）转动机器轴振动，轴位移检测系统（MMS），F）气相色谱分

15、析仪系统（GC）。G）各DCS之间数据通信连接。SIS的报警和事件历史（的报警和事件历史（SOE）用）用OPC 总总线线它连接： 各DCS系统的用于收集报警和事件历史（SOE）的应用工作站（AS-02）， 各生产装置卫星控制站(outstation)内的SIS控制器，通过安装在报警和事件历史应用工作站（AS-02）内的OPC软件读取来自SIS系统的SOE报警和事件历史（A&E）信息。这是个冗余的网络。见图四。 SIS系统的系统的AMS HART总线总线它连接： 各DCS系统的AMS应用工作站（AS-01）， 各生产装置卫星控制站内的SIS系统I/O点的HART信号转换卡连接，收集SIS系统现场

16、仪表的资产管理信息。见图四。 基金会现场总线基金会现场总线 它连接： DCS的总线通信卡H1， 总线冗余电源， 现场仪表专用端子， 现场总线仪表设备，基本会现场总线是执行H1协议，通信频率是31.25Kb/s。见图三。每块每块H1卡有两个通道卡有两个通道现场总线电源现场总线电源图三图三 现场总线图现场总线图现场总线电源现场总线电源H1卡卡总线干线总线干线总线干线总线干线总线支线总线支线总线支线总线支线总线支线总线支线现场总线专用端子现场总线专用端子现场总线专用端子现场总线专用端子现场总线设备现场总线设备现场总线设备现场总线设备2） 安全连锁（安全连锁（SIS）系统网络系统网络（1 1） 安全连

17、锁系统（安全连锁系统（SIS）控制控制 器与外部连接的器与外部连接的 网网 络络有：通过冗余的MODBUS串行链与DCS接口。通过HART串行数据链与DCS系统的AMS应用工作站（AS-01）连接。通过OPC总线与DCS系统的收集报警和事件历史（SOE）的应用工作站（AS-02）连接。（2 2）安全连锁系统（安全连锁系统（SIS）内部连接的网络内部连接的网络有：冗余的安全以太网（HPRO-S）每个卫星控制站内的安全连锁系统（SIS）控制器通过冗余的安全以太网（HPRO-S）与设置在中央控制室内的公用SIS控制器，辅助操作台上的紧急按钮和开关，选择器，BYPASS开关等通过硬导线作为DI点输入到

18、中央控制室内的公用SIS控制器。这样连锁系统用的各种操作开关动作可以通过安全以太网（HPRO-S）进入到设置在卫星控制站内的SIS控制器，参加连锁逻辑运算。ELOPII总线 设置在中央控制室内的SIS系统工程师站通过ELOPII总线与各卫星控制站内的SIS系统控制器连接，这样在中央控制室可以对全厂10个SIS系统分别进行工程组态。另外在各卫星站内利用PC机也可以对本站内的SIS系统进行工程组态。见图六。3） 仪表局域网仪表局域网仪表局域网由单工的10/100baseT以太网组成，作为通用性的仪表通信网络。它连接：（1） 仪表局域网插座（仪表局域网插座（RS485），），分布在各生产装置卫星控制

19、站内的，中央控制室（CCR）工程师室内的和机柜室内墙上的仪表局域网插座（RS485），使任何装有访问软件的笔记本电脑与此插座相连接时就能访问仪表局域网上的信息。（2）气相色谱分析仪系统（）气相色谱分析仪系统（GC）控制器控制器，在线气相色谱分析仪系统（GC）网络的控制器（安放在有关生产装置的卫星控制站内）通过仪表局域网络与设置在中央控制室（CCR）工程师室内（或维修大楼内）的GC工程师站连接。从而能够对连接在在线气相色谱分析仪系统（GC）网络上的所有气相色谱仪进行组态和工程修改，并用于数据的采集、诊断、校准等。（3）机械设备监视系统（）机械设备监视系统（MMS）：连接到仪表局域网络上的设备有：

20、机械设备监视系统（MMS）3500，位于卫星控制站内的机器状况监视数据采集器（DAQ），设置在中央控制室（CCR）工程师室内（和维修大楼内）的MMS工程师站，这样卫星控制站内的MMS3500测得的振动数据可以传送至DAQ，而且仪表局域网上的用户也可以访问MMS3500和DAQ中的数据。机器状况监视服务器（DAQ）能分析和显示转动机械动态特性图形，它所需要的过程实时数据是由中央历史数据库（PI）通过办公室局域网（OFFICELAN）和仪表局域网提供的。（4） APC操作网络操作网络：先进控制和优化APC服务器通过仪表局域网络与操作员台上的一般用途PC机连接。这台PC机是操作员与先进控制和优化（A

21、PC）控制的界面，可以进行投运APC操作，改变APC控制设定参数等。仪表局域网络见图五。4） 闭路电视（闭路电视（CCTV局域网）局域网）在闭路电视局域网（CCTVLAN）上连接的有： 闭路电视数字视频记录/服务器（DVR）。闭路电视摄像头（安装在工厂开阔区域和建筑物内）通过专用电缆与卫星控制站内的数字视频记录/服务器（DVR）相连。 每个卫星控制站内的WEB网络电视摄像头，CCR内的PC机监视器，该PC机起到监视器作用，可以用于存储和记录录像数据。 通过防火墙与办公室局域网（OFFICELAN）连接，办公室局域网上的用户能够访问CCTV服务器，监视闭路电视摄像镜头。见图四。5）火灾和可燃气体

22、系统网络）火灾和可燃气体系统网络 （F&G LAN）本网络连接： 每个卫星控制站内的火灾和可燃气体控制器，该控制器有三个作用：接收来自可燃气体检测器的信号，与MinervaM80火灾报警盘通信，组态F&G连锁、报警逻辑，并驱动消防执行机构，报警灯，报警喇叭，通过Modbus与DCS通信，使能在DCS上显示F&G系统信息，同时通过硬接线与SIS连接执行连锁任务。MinervaM80火灾报警盘可以连接各种可寻地址的火焰，烟雾，手动报警按钮等检测器。 CCR中的三台F&G系统工作站，这三台F&G工作站作为全厂火灾和可燃气体监视系统的备份，当DCS系统出现故障时，此F&G系统工作站可以在中央控制室（C

23、CR）内监视全厂的安全状况。 工厂和当地工业开发区的消防站，消防站内的F&G工作站可以监视全厂安全状况，并发出指令通过F&G网络由各卫星控制站内的火灾和可燃气体控制器面板向全厂发出警报。F&G系统的UPS备用电源是24小时的。见图七。6） 电气局域网络电气局域网络 （MCC LAN）电机控制总线电机控制总线 （LON）使用智能开关装置，（例如INSUM-MCU）对电机和其它电气设备进行控制。 电机控制总线（LON）最多可以连接128台智能开关装置，并与各配电室内的数据集中器相连接（例如INSUM-ICU）。 数据集中器数据集中器 （INSUM ICU） 电气局域网络（MCCLAN）将卫星控制站

24、内的各数据集中器（INSUMICU）连接起来。DCS所要求的所有低压电机运行数据和电机的功率，温度等参数通过这个链接进行传送，由中央控制室（CCR）内的操作员负责对所有电机的监控。数据集中器与DCS通过冗余的Modbus通信连接，操作员能够通过各装置DCS操作员站画面上的电机操作画面访问所有的电机。当DCS联锁需要进行电机的启动、停止或启动禁止操作时，都应通过该双冗余Modbus串行链完成。但是SIS联锁系统需要进行电机的启动、停止或启动禁止操作时，则由智能开关装置采用硬连接线方式与电机控制回路连接。远方终端单元（远方终端单元（RTU560）各配电室内的远方终端单元（RTU560）能够收集大功

25、率高压电机绕组温度等参数和电气供电分布系统的状态数据，并连接变频控制器。远方终端单元（RTU560）同时也通过MODBUS串行链与对应卫星控制站内的DCS通信连接。 电气局域网络电气局域网络 （MCC LAN）电气局域网络是一个以太网（TCP/IP），它将下列设备连接起来： 各配电室内的数据集中器（INSUMICU） 远方终端单元（RTU560）， 放置在各配电室内的SCADA系统工程师站，它可以对整个配电分布系统的状态和所有电机运行状况进行监测，并可以对它们进行工程组态。 在中央控制室（CCR）中安装有SCADA服务器，SCADA工程师站和低压电机工程师站。它们同样可以对整个配电分布系统的状

26、态和所有电机运行状况进行监测，并可以对它们进行工程组态。见图八。7）实验室信息管理系统）实验室信息管理系统 (LIMS LAN)它连接： 各种实验室分析器， 手动分析数据输入设备， 分析仪数据库的服务器，传递的数据包括各种分析器测得的数据、手工输入的数据以及计算所得数据。 通过防火墙与办公室局域网相连。见图九。8）办公室局域网）办公室局域网 （OFFICE LAN）工厂的网络分成二大部分：生产系统网络，管理系统网络，它们分别与工厂的办公室局域网（OFFICELAN）相连接，生产系统网络通过冗余的防火墙隔离后与办公室局域网。 与办公室局域网与办公室局域网 （OFFICE LAN）相连接的生产系统

27、网络相连接的生产系统网络有如下有如下：WEB服务器网络（webserverLAN），CCTV网络，仪表网络（INSTRUMENTLAN），实验室信息管理系统(LIMSLAN)，电气局域网络（MCCLAN）与办公室局域网与办公室局域网 （OFFICE LAN）相连接的管理系统相连接的管理系统网络有如下网络有如下： 装置信息管理系统（PIMS），中央历史数据库网络（PI网络），中央历史数据库网络的服务器与办公室局域网连接，使办公室局域网上的用户可以访问PI历史数据库。同时装置信息管理系统（PIMS）也从PI历史数据库中调用工艺数据。国际互联网通讯网络办公室局域网通过浏览器服务器和防火墙与国际互联网

28、通信网络连接。 总共大约有200个用户连接到办公室局域网上，可以通过它访问其它网络上的信息。见图十。4.FF现场总线技术的使用1）FF现场总线的优点FF现场总线控制系统是一种工厂现场网络控制系统，它是信息技术，计算机网络和控制系统结合的新技术，它的优点是：FF现场总线具有开放性、互操作性与互用性，FF现场设备的智能化与功能自治化，FF现场总线控制功能高度分散化，FF现场总线系统为全数字化技术，准确性与可靠性高，为今后数字技术在控制系统中的进一步应用奠定基础，FF现场总线系统安装材料与调试工作量减少，FF现场总线系统为降低设备的生命周期成本提供工具，（1） . FF现场总线具有开放性，现场总线具

29、有开放性， 互操作性与互用性互操作性与互用性现场总线设备的关键特性是可互操作性，为了实现互操作性，每个现场总线设备必须有一个设备描述文件（DD，DeviceDescription),为对象设备提供描述，使控制系统或主机能够理解设备中数据的意义，DD文件好比是一个设备驱动器，PC机上装了这个驱动程序，就能认识和操作这台设备，例如打印机。FF现场总线基金会已经为所有标准的功能模块和转换器模块提供了DD文件，供应商可以拿来使用。同时供应商也可以附加自己的特定特性，例如设备标定和故障诊断功能的人机接口的数据意义。（2）FF现场设备的智能化与功能自治化现场设备的智能化与功能自治化现场总线设备将微处理器置

30、入现场测量控制仪表中，具有数字计算和数字通信能力，实现一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号。将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能在现场总线设备中完成，FF现场设备还能完成控制的基本功能。FF现场总线的压力和差压变送器如果测量量程不超过该传感器的最大量程范围，则在变送器的AI模块中通过设定XD-SCALE和OUT-SCALE参数就可以修改和设置该变送器的测量量程，无需像4-20mA传统变送器那样用标准信号发生器来改变和校验变送器的量程。现场总线控制系统是全分散性控制系统的体系结构，控制功能可以分散在各个现场智能仪表中，例如串级控制回路的主回路PID模块可设置在主回路的变送器内，副回路的

31、PID模块设置在阀门定位器中。这样减轻DCS与现场仪表之间的通讯负荷，简化系统结构，提高可靠性。（3） 系统控制功能高度分散化系统控制功能高度分散化（4） 数字信息技术发展迅速，数字信息技术发展迅速，为为今后数字技术的应用打下了基础今后数字技术的应用打下了基础现场总线设备的智能化、数字化与模拟信号相比，数字信号传输抗干扰能力强，精度高，减少了传送误差，提高系统的可靠性。随着数字技术的发展，各种功能更加强大现场仪表和功能模块不断产生，现场总线的全数字化系统为它们的应用打下了基础。（5） 节省安装材料和调试工作量节省安装材料和调试工作量现场总线系统的接线简单，设计规定一个现场总线网段（Segmen

32、t）最多连接9-12个现场总线设备，其中有增加3台现场总线设备的余量。仪表电缆、端子、电缆槽、桥架的用量减少，接线及查线的工作量减少。当需要增加现场总线设备时，可就近连接在现有现场总线网段上，既节省投资，又减少设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用30以上。由于FF总线现场设备的性能稳定，精度高，量程改变方便等优点，实践说明FF总线现场变送器和阀门定位器在安装前无需进行单表的校验调试，在安装后，如果在DCS的资源管理器中能够检查现场总线设备参数是正确的，则这台总线现场设备就是正常的，阀门的行程在DCS中做回路调试时再进行检查。节省了调试时间和调试费用。但是，有些阀

33、门供应商安装了Emerson的FF总线阀门定位器后没经过联调和测试就出厂了，所以在现场回路调试时调整工作量就比较大。（6）利用资产管理系统功能（）利用资产管理系统功能（AMS），）， 降低设备运行生命周期成本降低设备运行生命周期成本由于FF现场总线控制设备具有更多的自诊断参数和故障自诊断能力，并通过数字通信方式将诊断维护信息送往DCS，管理人员通过DCS的资产管理系统（AMS）查询所有仪表设备的运行情况，诊断维护信息，寻找故障，以便早期分析故障原因并快速排除，仪表设备状况始终处于维护人员的远程监控之中。与此同时，根据AMS系统提供的信息准确地制定大修或抢修的作业计划和备件准备，不必进行调节阀的

34、周期性的轮流解体检修，缩短停工维修时间，节约维修费用，降低生命周期成本。（7）模型装置）模型装置FF总线技术的总线技术的应用投资分析应用投资分析 假定某一模拟装置的设备配置如下：现场仪表设备数量：2367FF总线Segment数量：526平均Segment使用率：4.5台/Segment采用FF总线技术电缆与专用端子接线箱的数量采用常规技术电缆与接线箱的数量FF总线技术与常规技术的投资比较现场总线电缆采用进口电缆，平均Segment使用率：4.5台/Segment单位：万元（人民币）现场总线电缆采用进口电缆，如果将Segment使用率提高到平均6台/Segment, 单位：万元（人民币）现场总

35、线电缆采用国产电缆如果将Segment使用率提高到平均6台/Segment, 单位：万元（人民币）结论结论采用现场总线技术，降低建设投资的关键要素：采用现场总线技术，降低建设投资的关键要素：1. 1. 提高提高SegmentSegment的使用率。的使用率。2. 2. 采用国产总线电缆。采用国产总线电缆。认为现场总线的优越性就是节省电缆是片面的观点，它的精髓在于全部信息化和智能化。现场总线是并不昂贵的高新技术，性能提高但总体节省（包括设计，设备，材料，施工，维护等）贯穿了系统的全生命和全周期，使用系统的规模越大，优越性将体现的越明显。2）FF总线物理层开放式系统互联（OSI）的参考模型有7层，

36、FF现场总线技术利用其中的物理层（第一层），数据链路层（第二层），应用层（第七层）。物理层：信息的转换过程是：有用的信息信息先转换成数据，在计算机系统中，统一以二进制代码表示数据数据的不同形式，然后再经过编码转换成可以在物理介质中传输的物理信号信号。物理层是面对信号流传送的，它要解决传输介质，信号通道类型，数据与信号之间的转换等问题。另外物理层标准要给出物理接口的机械、电气功能和规程特性，使各厂家制造的设备能够互相兼容。（1）物理信号转换物理信号转换现场总线信号是采用曼彻斯特码，在发送端将数据信号编码成电流输送信号。它称为“同步串行”信号，串行数据流中包含了时钟信息和数据信息。时钟信号曼彻斯特

37、特码10101100在每个时钟位信号的中间T/2的地方发生一次中间跳变作为同步之用，当信号是“1”时向下跳变，当信号是“0”时向上跳变。在接收端再将“编码电流输送信号”返回成“数据信号”。TT/2（2） H1现场总线网段（现场总线网段（Segment）硬件的硬件的限制条件限制条件FF现场总线段的设计应考虑网段总的电流负载、电缆型号、总线干线长度、总线支线长度、电压降和现场设备数量等。H1总线网段上可以挂的设备最大数量受到设备之间的通信量、电源的容量、总线可分配的地址、每段电缆的阻抗等因素的影响。设计可以使用Emerson过程管理公司提供的“现场总线网段设计工具”来检查。A 每个总线网段上每个总

38、线网段上FF设备数量规定设备数量规定每个总线网段上最多安装12台FF现场总线设备。工程设计时按每根总线网段上安装9台FF现场总线设备考虑（每根总线网段将来可再安装3台现场总线设备）。根据统计，乙烯工程每个总线网段上平均安装5.8台现场总线设备。B 每根总线电缆长度规定每根总线电缆长度规定现场总线允许的电缆长度：A型单屏蔽双绞线，0.8mm2（18#AWG）,最大距离1900米。B型总屏蔽多双绞线，0.32mm2（22#AWG）,最大距离1200米。实际使用中掌握每根总线电缆长度（干线加各支线总长度之和）不应超过1200米。总线上设备总数在1-12台时，单根支线长度不应超过120m。支线电缆长度

39、应尽量短。C 每个总线网段电源每个总线网段电源a）总线网段电源模块包括：FF电源调整器，冗余配置。电源调整器的作用是阻止总线上的频率信号（31.25Kbps)不被电源短路。主配电电源，冗余配置。该电源必须对地隔离。终端器，每个网段有两个终端器，分别接在该网段的两端，一个在FF电源模块中，另一个在现场专用端子块箱内。电源模块输出电电28V，电流35mA压。能热插拔，不影响正常通信，电源发出故障信号接点，用硬接线连到DCS中报警。b)终端器有两个功能：由于通信信号是以电流信号发送，以电压信号接收，终端器起到电流/电压转换的作用，将15-20mA转换成0.75-1V；信号反射会干扰正常数字信号的传输

40、，终端器可以消除信号反射，提高信息传输的可靠性。b)现场专用接线箱：为了防止总线回路受潮，仪表和接线箱与总线电缆连接使用防爆电缆密封接头。规定采用MTL公司提供的增安型（EExe）接线箱。采用FF总线专用端子块与各FF设备连接。每个总线专用端子块有短路保护作用，短路时指示灯亮，保证一个支路短路时不影响其它支路的FF总线设备。短路保护器将限制每支路的短路电流不超过60mA。D屏蔽电缆的连接关于屏蔽线的连接，在FF现场总线设备上，支线电缆的屏蔽线要剪断，并要用绝缘带包好。各段总线电缆的屏蔽线应在接线箱内通过接地端子连接起来，屏蔽线只能在机柜侧（Marshalling）的端子接地，中间任何地方对地绝

41、缘要良好，起到防止静电感应和低频（）干扰的作用。如果干线电缆是多芯电缆，则不同总线网段的分屏蔽线不应在接线箱（JB）内被互相连接在一起，也不能与总屏蔽线连在一起。铠装钢丝要求在现场和机柜侧两端接地，起到防止雷电干扰的影响。这种两端接地的原理与金属电缆桥架要每隔一段距离接地情况一样。铠装钢丝在两端接地起到防雷击作用多芯电缆的总屏蔽在两端接地，起到防雷击作用 多芯电缆的总屏蔽在两端接点，起到防雷击作用分屏蔽仅在机柜侧接地E现场总线的拓扑结构每个总线网段上，采用“树型”配线拓扑结构不能使用双树岔拓朴结构,F 现场总线网段上重要设备设置原则现场总线网段上重要设备设置原则级控制阀：一个总线网段上只允许连

42、接一个级控制阀，该网段只连接与该控制阀直接相关的测量仪表。级控制阀：一个总线网段上允许连接一个级控制阀，该网段还可连接一个级控制阀。不允许连接其它级或级控制阀。级控制阀：一个总线网段上允许连接二个级控制阀，或者一个级控制阀和一个级控制阀。不允许连接级控制阀。对于一些特定的设备，例如精馏塔，与塔底再沸器有关的FF总线设备应与塔项冷却器有关的FF总线设备应放置在不同的总线网段上。对于一些多参数测量的设备，例如多点温度和压力测量的反应器，则FF总线设备应均匀地分布在一个以上的网段上。3）数据链路层数据链路层的功能是管理和控制信息在总线上的传送。（1） 链路活动调度器（链路活动调度器（LAS）链路活动

43、调度器（LAS）有4个功能：是管理现场总线上的通信，确定时刻表，发布强制数据信息（CD），允许数据在总线上发布，网段上设备活动维护表管理，发布通信令牌（PT），允许非周期通讯。链接在总线上的主设备是可以成为链路活动调度器（LAS，LinkActiveScheduler),基本设备是不能成为LAS的。一条现场总线上有二个LAS，其中一个主LAS放在H1卡内，另一个备用LAS放在现场主设备上，当主LAS失效时，它的调度功能自动转移到备用LAS上，现场总线设计成“部分故障时仍可运行”。后备LAS（链路活动调度器）应优先放在压力变送器中。在没有压力变送器时，可以放在温度变送器中。不要将LAS放在阀门定

44、位器上，因为它工作非常忙。A 周期性时间表的调度的通讯周期性时间表的调度的通讯；LAS负责总线上信号发送的调度。它包括周期性的调度和非周期性的调度。所有功能块的运算和信息发布是周期性的。下图描述了链路调度时间表，包括绝对开始时间、链路活动调度循环周期、功能块调度与绝对开始时间偏离值之间的关系。在偏离值为0的时刻，变送器中的系统管理将引发AI功能块的执行。在偏离值为20的时刻，链路活动调度器将向变送器内AI功能块的缓冲器发出一个强制数据CD，缓冲器中的数据将发布到总线上。在偏离值为30的时刻。控制阀中的系统管理将引发PID功能块的执行。随之在偏离值为50的时刻，执行AO功能块。控制回路将准确地重

45、复这种模式 AIPIDAO设备设备1设备设备2AIPIDAO调度开始绝对时间调度开始绝对时间宏周期时间宏周期时间设备设备1 执行执行AI数据调度通信数据调度通信设备设备2 执行执行非调度通信非调度通信（背景通信）（背景通信）020 30LAS调度时间表5070 90100 msCD命令命令B发布强制数据信息（发布强制数据信息（CD）在LAS中，有一张时刻调度表，规定了各功能块的运算和发送时间。功能块运算后的数据存放在数据缓冲器内，当数据缓冲器发送时刻到时，LAS向该设备的缓冲器发一个强制数据（CD），一旦收到CD命令，该设备就“发布”该缓冲器中的数据到总线上的所有设备，所有被组态接收该数据的设

46、备（接收方subscriber)开始运算此数据，例如接收到AI的数据后开始PID运算。这是LAS执行的最高优先级活动。其它操作只能在空余时间进行。C 发布通信令牌（发布通信令牌（PT），允许非周期性时间），允许非周期性时间的调度的通信（背景通信）的调度的通信（背景通信）；在总线上发布功能块数据信息之后，即在功能块运算期间和发布数据之后的空余时间可以发布非周期性时间的调度的通信。这些信息包括SP设定值，控制模式切换，手动操作信号，报警信号，资产管理信息等称作为报文。非周期性时间的调度通信是通过LAS发出的传送令牌（PT）来执行的，某个设备接到令牌，则允许它发送报文。直到它发送完毕或最大令牌持有时

47、间到达为止。D 活动维护表活动维护表：所有能够对传送令牌（PT）作出响应的设备被列入“活动表”。新设备可以随时加入到总线上。这是由于LAS周期性地向不在活动表上的设备地址发送节点探测信号（PN），如此地址上出现新设备，即设备收到PN信号后，则立即返回一个探测响应信号（PR），LAS收到PR后就将该设备加到活动表中。如有某设备连续三次没有将令牌返回给LAS，则LAS将该设备从活动表中撤消。一台设备的加入或撤消，LAS都会向所有设备广布该活动表的改变，使他们具有当前活动表的副本。E 关于总线网段的扫描周期关于总线网段的扫描周期回路的宏周期回路的宏周期一个回路中的所有功能块执行运算时间和数据在总线上

48、的传送时间之和称为该回路的宏周期。网段的宏周期的宏周期这是有网段上所有回路的宏周期来确定，但不是简单相加，可以重叠执行，但需要25ms的通讯时间。总线网段的宏周期时间有一个公式可以计算，总线网段的扫描设定时间必须大于需要的时间。（2） 现场总线访问子层（现场总线访问子层（FAS）：虚拟通信关系（VCR，VirtualCommunicationRelation）是表示现场设备中总线参数之间的链接关系，有三种链接方式： 客户客户/服务器类型的服务器类型的VCR (Client/Server):这是来自操作员的请求，例如设定点的改变，PID参数整定，报警确认，设备的上载/下载。传送特点是排队的，非周

49、期的，用户请求的，一对一的通信。当某一请求设备（称“客户”）收到来自LAS的可发送令牌，（PT），就可以发送请求报文到总线上的另一接收请求设备（称“服务器”），当称为“服务器”的设备收到令牌时，发送相应的应答。报告分发（报告分发（ReportDistribution)型型VCR:这是用于总线设备发出报警，通知操作员。传送特点是排队的，非周期的，用户请求的，一对多的通信。当需要报告事件或趋势的设备收到令牌（PT）时，将报文发给该VCR定义的一个“组地址”，在该VCR中所有被组态为接收的设备将接收这个报文。发布方发布方/ 接收方（接收方（Publisher/Subscriber)类型的类型的VCR

50、：这是用于功能块在现场总线上的输入，输出，例如过程变量PV，调节器初级的输出AO信号。传送特点是周期性的，受调度的，一对多的通信。当某一设备（”发布方“）收到来自LAS的强制数据（CD）后，它向总线上所有设备“广布”它的报文信息，希望收到报文的设备称为“接收方。一个网段最多只能有20个Publisher（输出）型VCR和20个Subscriber（输入）型VCR，但总和不能超过25个VCR。4）用户应用层用户应用层（1） 模块的应用模块的应用在用户应用层中定义标准的基于模块的用户应用。 A 资源块资源块描述设备名称，生产厂家，系列号等现场总线设备特征，一台设备仅一个资源块。B 功能块功能块提供

51、开展控制系统行为。功能块的输入和输出可连接到现场总线。每个功能块被精确地调度。总线基金会定义了10个标准功能块，例如AI，AO，B（偏置），CS（控制选择），DI，DO，ML（手操器），PD（比例/积分），PID，RA（比值）等。另外还有19个附加先进控制用标准模块。C 转换器摸块转换器摸块定义总线设备的传感器或执行器的信息，是物理世界与信息世界之间的接口。（2）现场总线段的功能块设置规定如下：现场总线段的功能块设置规定如下：为限制一个现场总线网段上的通信量，一个总线网段设计不应超过2个控制回路。在一个现场总线网段上，功能块总运行周期时间0.25秒的现场总线设备不能超过3台。模拟输入块（AI）

52、始终在变送器上。模拟输出块（AO）始终在调节阀定位器上。PID控制功能块：标准的单PID控制回路，PID功能块设置在调节阀定位器上。操作员仍然可以通过面板手动操作调节阀。对于串级控制回路，主回路控制PID功能块在DCS控制器执行，副回路控制PID功能块在调节阀定位器上执行。复杂回路控制PID功能块在DCS控制器中执行。计算和逻辑的功能块在DCS控制器中执行，5） 现场总线回路的测试现场总线回路的测试现场总线是通过频率信号传递信息，为确保现场总线回路正常运行，在现场总线回路安装之后应进行严格的测试，确保屏蔽线的正确连接，电缆的对地绝缘良好等是十分重要的。（1） 总线电缆的电阻，电容和绝缘测试总线

53、电缆的电阻，电容和绝缘测试为检查、测试现场总线电缆电阻、电容及绝缘，应在电源模块的接线端子处拆下现场总线的网段电缆（+、-和屏蔽线），各总线支线电缆不要连接现场FF设备上。 A 检查绝缘电阻要求：检查绝缘电阻要求：+、-信号导线之间的电阻应该大于50K（由于终端器RC电路和现场总线电缆电容的充电影响，在用万用表测量时该数值有变化过程），+、-信号线和屏蔽线，信号线和仪表接地极，屏蔽线和仪表接地极之间绝缘电阻分别应该大于20MB 检查导线间的电容检查导线间的电容+、-信号导线之间的电容大约为1微法（允许范围0.80到1.2微法）。+、-信号线和屏蔽线，信号线和仪表接地极，屏蔽线和仪表接地极之间的

54、电容应小于300nF。 （2） 直流电压检查，直流电压检查，将原来拆下的总线干线电缆连接到总线电源接线端子上。测量电源输出的+）正端和（-）负端之间的直流输出电压应大于28Vdc。（3） 波形测试波形测试在完成干线部份电缆的电阻、电容和绝缘测试后，将各现场总线设备逐个地连接到总线分支电缆上，进行波形测试。在端子机柜（marshalling）的现场侧接线端子，使用波形测试仪123or124测量AC波形。为达到最佳效果，将示波器设置到AC200毫伏/格、10微秒/格，按下HOLD键捕获波形。将捕获到的波形与带2个终端器和1000英尺电缆的波形作对比。带2个个终终端端器器和和1000英英尺尺电缆的方

55、式下，预期的波形图如图所示，将捕获到的波形与这个预期波形作对比。带2个终端器和个终端器和1000英尺英尺电缆的方式下，预期的波形图6） 调试调试FF总线设备总线设备 连接和调试FF总线设备，首先应分配总线网段地址，以便DCS（DeltaV）系统能访问它。可以采用DeltaV资源管理器（Explorer）来调试设备。在调试过程中，必须使现场FF设备中的参数和DCS中组态的相同位号FF设备的参数一致。设备调试后再将该参数下装到现场设备中。 链接步骤如下： （1 1）将）将FF总线现场设备连接总线现场设备连接 到总线电缆到总线电缆，（2 2）检查新安装的总线设备的参数，）检查新安装的总线设备的参数，

56、 依次点击DCS中的Start / DeltaV / Engineering / DeltaV Explorer，从而打开DeltaV资源管理器（Explorer）， 此时通过网络通讯在DCS的“未调试现场总线设备目录”下方就可以看到这台新安装的设备的参数， 未调试现场总线设备目录 图中是新安装的设备的参数 图中是新安装的设备的参数00115113233-FR-TEMP-0X8311700B（3） 确认总线设备处于备用状态确认总线设备处于备用状态在调试总线设备前，将此总线设备处于备用状态。要确定总线设备是否处于备用状态，可选择未调试现场总线设备目录，从菜单栏中点击View/Details， 确

57、 定 右 边 的 “Type”栏 的 下 方 出 现“StandbyFieldbusDevice（备用现场总线设备）”说明。如图所示。未调试现场总线设备目录 如果总线设备不是处于备用状态，可在右边方格中选择该总线设备，点击鼠标右键并选择备用状态。总线设备转换到备用状态可能需要1分钟左右的时间。（4 4） 现场总线设备内的参数上载到现场总线设备内的参数上载到DCS中中 现在确认未调试现场总线设备的属性、类型、生产商和设备版本是否与DCS中组态的该位号的现场总线设备的属性参数一致。如果要检查属性，可选择该选项，点击鼠标右键选中属性。必要时，可修改位号和参数使其与现场总线设备属性相匹配。本项目规定以

58、FF现场总线设备的组态数据为准，不必与DCS中的组态数据相比较，只要将未调试的FF现场设备的组态数据拷贝到DCS中，也就是将“未调试现场总线设备目录下方的FF现场设备拖到DCS组态的同一位号设备中。方法如下面图所示。点击“Next”按钮。打开设备调试程序，阅读设备调试程序中的信息，统一设备参数对话框中的内容。在调试该设备时，FF现场设备中的参数保持不变，并覆盖掉DCS组态的相同位号的现场总线设备的参数。（表示现场总线设备内的参数上载到DCS中相同位号的现场总线设备内）对调试FF现场设备点击“Finish”，表示参数上载结束。这种操作是逐台表进行，不可以批量进行，操作一台表所需时间取决于这台FF

59、现场设备内组态的功能块数量，复杂程度，以及FF现场设备切换到不同状态所需的时间。如下图所示。（5）组态并下载到）组态并下载到FF现场设备现场设备FF现场设备调试后，点击“configure”按钮，可以组态资源块和传感器块的参数。这里的“组态”是设定FF现场设备内的其它参数，例如：变送器的温度许可报警值等。在DCS的CPU中还组态阀门定位器的PID控制模块，DO，DI模块，变送器的AI模块等。将这些功能块下载现场设备，下载的速度取决于DCS数据库工作是否繁忙，一般需要几分钟时间。7） FF现场总线使用中出现的现场总线使用中出现的 问题分析问题分析在装置回路调试和开车过程中，FF现场总线回路使用情

60、况基本正常。FF总线的通讯速度是能够满足化工装置各种复杂控制回路的调节速度要求。FF现场总线设备工作稳定，性能好。但也出现以下一些问题： （1）存在的主要问题）存在的主要问题在DCS的资源管理器上可以发现一些总线网段上有故障标记，这表示在这个网段上存在FF现场设备不正常情况，例如通讯不正常，总线现场设备丢失等。出现这些现象的主要原因如下：A总线电缆进接线盒处电缆外皮被压破等造成总线分支电缆屏蔽线有二端接地现象，这使这个网段（Segment）数字信号受干扰，引起通讯失常。BFF现场设备发生供电断路、接线端子松动，调换现场设备后没有重新进行调试操作，这就会使FF总线现场设备在网段上发生丢失现象，需

61、要重新调试。C现场FF现场设备或接线箱内进水，受潮等，造成FF总线对地绝缘不好（短路）等，不仅该台FF现场设备会丢失，甚至影响到本网段上的其它现场设备的丢失。上述情况一般在处理后均能恢复正常。D一些供货商的FF现场设备DD文件版本与DCS总线版本不匹配，造成通信不正常，时好，时坏，在网段上时有丢失情况。这个问题由有关供货商与DCS的供货上配合处理解决。例如E+H的雷达，泰科的ON-OFF电动阀等。E个别FF变送器本身性能有问题，例如绝缘差，或信号太弱，它会对网段产生干扰，造成某个或某些表在网段上看不见，当将此表换掉，网段就正常了。（2） 现场总线的检查手段现场总线的检查手段：A使用MTL的FB

62、T-3检查网端上信息FBT-3是在线测量FF网段上信息的交好工具。它能测量这个网段上的电压（Volts)、LAS工作情况(LAS)、设备数量及增加和减少情况(Device)、FF信号电平值(Low)、干扰信号平均值(NoiseAV)、干扰信号峰电压值(NoisePK)、反向FF总线信号值(Invert)、祯错误代码（FEC）等。当这些信号正常时，仪器显示OK，当有问题时显示某种符号。然而我们遇到较多的问题是NoisePK不好，表示干扰信号峰电压超过75mv。另外FEC值不为零，表示有故障存在，当显示值为2，4，10时，多数的原因是干扰噪声大或信号电平弱。（2）检查现场总线的屏蔽接地是否良好。我们可以从现场变送器侧检查，将现场变送器器内被剪断的屏蔽线对地测量电阻，如电阻很大，则说明中间接线箱内屏蔽线连接接触不量，这会引起很大干扰。DCS中间接线箱现场专用端子箱机柜侧接大地现场侧大地对地电阻很小屏蔽线大地电阻