基于现场总线技术的 DCS 应用

(4) 办公网络层

生产网经过防火墙与办公网共享生产信息和集团网络连接实现集团内信息共享，实现设备维修管理信息、生产数据、库存管理等生产资源的调配和管控一体化。

3 现场总线设备在装置中的应用及项目设计要求

基于工厂管控网技术的 DeltaV 系统能够很好地兼容来自各种现场总线设备。本装置的智能控制设备如马达、变频马达控制器全部采用 Profibus DP 设备，智能传感器、变送器等测量仪表、阀门执行机构则采用FF 现场总线，对于涉及到安全系统的仪表，则全部采用 HART 协议仪表。以下是项目中的 FF 现场总线设备和 DP 设备的特点及设计应用要求。

3.1 基金会现场总线的应用与设计基础

在碳酸二苯酯装置改造扩建项目中，对现场总线设备的选用有明确的要求，必须是经过测试的证实个体故障发生时对整个段内的其他设备无影响。该项目采用的 FF 现场总线设备主要有萨姆森(SAMSON)智能执行机构、E + H(Endress + Hauser)、西门子(Sie-mens)、威卡(WIKA)、泰科(TYCO)等供应商的压力、液位、温度、流量变送器，FF 现场总线网段共 220 个，平均每个网段挂 5. 3 台 FF 总线设备。在 FF 现场总线设计、组态过程中，严格遵守如下规定:

(1)现场总线最大允许长度与电缆类型、网段的拓扑结构及本质安全要求等因素有关。本项目中 FF现场总线的通信速率采用 31. 25 kbit/s，现场总线电缆采用 18 AWG(A 型)屏蔽电缆，相应的性能参数见表 2。该类型的总线电缆在没有中继器时的最大总长度为 1 900 m，分支电缆的长度为 30 ～ 120 m。每个Segment 现场总线电缆总长度是所有支线电缆长度的总和加上干线电缆长度。每个 Segment 现场总线电缆总长度要依据总线供电设备的容量，是否采用本安回路、网段总的功率负载、线上压降等进行计算。尽量降低通信负荷，FF 现场总线网段的设计必须满足:每个非本安网段(Segment)挂设备数量不超过 8;每个本安网段挂接设备不超过 4 个;其中执行机构最多 2 个，在没有变送器的网段上可挂接 3 个执行机构;每个网段上保留 20%的备用量;同一回路的测量、执行器放在同一网段内。

表 2 现场总线电缆性能参数表

(2) 现场总线设备如果安装在 I 区，总线供电电源要采用有安全栅功能的接线盒。总线可以直接给连接在该总线上的低功耗总线设备供电，但是对于一些高功耗的总线设备则需要采用单独的供电回路。

对于连接在本安现场总线需要总线供电的总线设备，考虑到本质安全总线上供电电流的有限性，在设计中要采用低功耗的现场总线设备。

需要采用单独供电的总线回路中的供电设备要采用特殊的防爆措施进行有效地隔离，以保证外部供电电源和总线设备所连接的通信回路完全隔离。外部电源的能量在任何情况下都不允许转移到本安总线上，以确保单独供电设备和总线上的所有现场总线设备在危险区的安全使用。

(3) 网段拓朴结构，项目设计中现场总线设备的现场安装位置按所属单元分布比较集中，适合采用树形拓扑结构。树型拓扑网络结构是由多个智能设备与公共接线箱连接的多条独立现场总线支线组合而成的结构，支线电缆只能从公共接线盒中即干线电缆引出，不能从其他支线电缆引出，以确保总线的可靠性要求。总线电缆的连接要保证支线电缆的屏蔽线绝缘一定要做好，各段总线的干线电缆的屏蔽线必须在机柜侧的接地端子上接地，电缆对地绝缘良好，这一点对 FF 总线设备的正常使用非常重要;另外，在接线盒的各分支上增加防短路保护功能以确保通信信号不受干扰。树型拓朴结构如图 2 所示。

图 2 树型拓朴结构

3.2 Profibus DP 总线的应用及设计基础

项目中所有的转动设备控制均采用 SIEMENS 的Profibus DP 总线智能设备 SIMOCODE 马达控制器和VFD - G120、VFD - G150 变频马达控制器，这种方案大大地增强了 DCS 对现场马达控制的操作与监控，在

项目设计时，主要遵循以下几点要求:

(1) 现场马达的控制设备采用的 SIMOCODE 控制模块安装在马达控制中心(MCC)的机柜内，每一个MCC 机柜都设计一个 DP 中继器和一排终端集线器，在每个段上的最后一个总线设备都安装终端电阻，根据 DP 设备网络图，同一个网段上的 MCC 机柜通过中继器连接到一起，与本网段上的 DP 通信卡连接。每个 MCC 柜内的中继器用来分开子网段，当一个子网段发生故障时不会影响同一个 DP 卡上的其他的子网段。

(2) DCS 对马达控制信号如启动/停止信号、变频器的转速信号及转速设定值、马达的运行信号、电流过载及其他故障信号、功率信号等都由 Profibus 通信实现。但对于由 DCS 紧急停止马达的控制，则由 DCS的 DO 输出，通过硬接线到 MCC 柜实现。

(3) 依据设计要求，现场要求安装启动/停止操作柱及远程和就地选择开关，当开关拨到就地控制时，马达启动只能在现场启动，当拨至远程控制位时，由DCS 启动。而停止马达不受开关位置限制，就地和DCS 都可以在任何时候停止马达的运行，该方案大大提高了马达控制的灵活性和安全性。通过编程，可以实现 DCS 远程自动启动马达，而当出现紧急故障时，根据当时的情况既可以通过现场操作柱也可以通过DCS 发出停止马达命令。

(4)DP 数据传输速率设置为 500 kbit / s，在不使用中继器的情况下一个网段的最大传输距离是400 m。在通信过程中阻抗不连续和阻抗不匹配都会导致信号反射，导致通信质量和通信距离的降低。为了消除在通信电缆中的信号反射，确保总线上的设备无差错的运行，必须确保接线质量，严格设置每个物理网段中的各个节点设备的终端电阻，如图3，网段中间站点的终端电阻要打到 OFF 位置，网段两头的终端电阻要打到ON 的位置。