现场总线在上海焦化有限公司的应用

上海焦化有限公司是以煤为原料生产焦炭、煤气以及化工产品的企业,有6台焦炉主要生产焦炭、煤气以及煤焦油的产品如:苯、酚、萘、蒽油等。1991年新上了空分、德士古、U-GAS和甲醇4套装置,且均使用霍尼韦尔的TDC3000集散系统。老厂区的仪表有一套霍尼韦尔小型集散系统UDC9000,4套横河公司的μχL集散系统,一套浙大中控的JX300集散系统,一套浙江威盛的集散系统。现我公司共有集散系统11套,主要生产装置全使用集散系统进行监控。

公司在2003年又新上一套15万顿甲醇装置,该装置位于原20万吨甲醇装置的西北角,离原甲醇装置的中央控制室平均距离有400～500m。我们准备将新甲醇的控制室放在原来老甲醇的控制室内,如果还是采用集散系统将存在一些问题,如控制室内机柜放不下、电缆费用太高等问题。根据实际情况我们在新甲醇装置上采用较先进的现场总线控制系统（FCS）。

甲醇装置FCS采用的是艾默生公司FF现场总线系统。该控制系统实际上是一个混合的控制系统。系统由Rosemount的DeltaV冗余控制系统、FF现场总线仪表、Profibus总线仪表、FF现场总线远程I/O以及现场总线阀门定位器等所组成。

FCS和DCS的区别

FCS与DCS是不同性质的控制系统,其主要区别如表所示。从本质上讲,FCS系统是把对现场设备的控制策略放在设备层,即放在现场仪表内部去实施,而不是象DCS是放在控制层,即集中的控制器中去实施。这首先要求FCS系统支持多种符合国际标准的现场总线,具有与各类现场仪表进行通信的能力。

由于FCS是一种近年来发展的新一代的控制系统,国内已在着手进行研究和开发,我国推出EPA系统,已提交国际组织讨论。另外,对FCS系统的规模大小的评定指标也与对DCS系统规模大小的评定指标完全不同。对于后者,目前公认的指标是看该系统的输入、输出点数,根据点数来划分大型、中型或小型。但是对于前者,则主要看它包含的现场总线网段的多少。因为一个网段只能挂8～10个仪表,所以系统越大肯定网段就越多。

FCS与DCS功能对比表

现场总线的优点

节省硬件数量与投资
由于FCS中分散在现场的智能仪表能直接执行多种传感、控制、报警、计算和调节功能,因而可减少仪表硬件的数量,不再需要单独的调节器、计算单元等,也不再需要DCS系统的信号调节、转换、隔离等功能单元及其复杂接线,还可以用工业PC机作为操作站,从而节省了一大笔硬件投资,并可减少控制室的占地面积。

节省安装费用
FCS接线简单,一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备,因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少,连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时,无需增设新的电缆,可就近连接在原有的电缆上,既节省了投资,也减少了设计、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60％以上。

节省维护开销
智能仪表具有自诊断与简单故障处理的能力,并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室,用户可以查询所有设备的运行、诊断维护信息,以便早期分析故障原因并快速排除,缩短了维护停工时间,同时由于系统结构简化,连线简单而减少了维护工作量。

用户具有高度的系统集成主动权
用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。如焦化的系统中有FF、Profibus、还有Modbus的通信协议等。

提高了系统的准确性与可靠性
由于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精确度,减少了传送误差。同时,由于系统的结构简化,设备与连线减少,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。

信息量大
由于现场智能仪表的设备标准化、功能模块化、硬件智能化、数据数字传送的特点,所以在人机接口CRT上可以获得比DCS大得多的信息量。许多原来在DCS上无法实现的设备诊断软件可以使用。

艾默生FCS简介
艾默生的控制系统实际上是一个混合的控制系统。系统由Emerson的DeltaV冗余控制系统、FF现场总线仪表、独立的PLC、五大机组控制用的PLC、FF现场总线远程I/O以及现场总线阀门定位器等所组成,如图所示。整个控制系统由冗余的控制网络、操作站及控制部分3部分构成。

操作站
15万吨甲醇的控制系统在控制室内包括4台操作站、1台工程师站、1台APP应用工作站（用于工厂管理）、两对HUB。操作站作为人机接口供操作人员对现场工艺过程进行监控。工程师站用于系统的开发和组态、包含系统全部数据库。应用工作站主要的作用是将FCS与公司的MIS网络相隔离,从而避免万一MIS系统的病毒等侵入FCS系统。中控室的这些设备通过HUB利用光纤通信与现场的控制机柜连接形成系统,完成组态、运行、操作等完整的控制功能。

控制网络
为了系统的可靠,FCS系统配置了冗余的控制网络,其为通信提供了安全性和可靠性。在中控室通过两个不同的HUB及连接光缆,接入位于现场的两个控制机柜中的两个不同的HUB,建立了两条完全独立的网络,形成冗余的主副网络集线器,提高了系统的可靠性。

控制器
系统中配有两套控制机柜,每套机柜中装有8块H1卡。控制器为MD控制器,具有管理所有I/O卡件的控制活动;管理所有的网络通信功能;管理时间抽样、报警、趋势对象;执行控制策略,在100ms内完成从输入通道取信号、控制策略执行、传送结果到输出通道。

每对控制器下为8块H1卡,H1卡可通过总线方式将现场总线设备信号连接到DeltaV系统中,连接电缆为屏蔽双绞线。H1卡下带有2个port,即2个干线段（Segment）,通过P＋F安全栅模盒连接现场总线仪表,每个干线段最多带12台总线仪表。

4～20mA常规仪表,包括电动机开、停信号等,设计为远程I/O,采用Modbus-RTU通信,通过serial卡与控制器相互通信。

5台大型机组信号分别采用Modbus-RTU协议、Profibus-DP协议与控制器相连,集成为一整套工厂底层网络系统,再通过APP与企业信息网络连为一体。

总线仪表选用Honeywell的压力、差压变送器、E+H雷达液位计、SAMSON智能阀门定位器等。与常规模拟仪表控制回路不同的是:现场总线仪表最大的特点是它的控制单元在物理位置上可与测量变送单元或操作执行单元合为一体,PID功能既可放在变送器,也可放在阀门定位器。因而在现场就可构成完整的基本控制系统,又由于总线仪表所具有的通信能力,可与多个现场智能设备沟通。综合信息便于构成多个变量参与的复杂控制系统与精确测量系统。另外,它的数字通信特点使它不仅可以传递测量的数值信息,还可传递设备标识、运行状态、故障诊断状态等信息。

P＋F公司的RPI远程I/O是应用总线技术将隔离式安全栅与远程I/O功能结合于一身,满足安全防爆功能。其I/O模块具有点对点配置、点对点隔离的特性。现场信号点对点接入I/O模块后,经网关通过外部总线与控制系统相连。RPI系统配置双网关、双倍电源模块,远程I/O直接安装在防爆区内。

该FCS于2003年10月装置开车投运以来,运行情况良好。