基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的 DCS 應(yīng)用

(4) 辦公網(wǎng)絡(luò)層

生產(chǎn)網(wǎng)經(jīng)過(guò)防火墻與辦公網(wǎng)共享生產(chǎn)信息和集團(tuán)網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)集團(tuán)內(nèi)信息共享，實(shí)現(xiàn)設(shè)備維修管理信息、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、庫(kù)存管理等生產(chǎn)資源的調(diào)配和管控一體化。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備在裝置中的應(yīng)用及項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求

基于工廠管控網(wǎng)技術(shù)的 DeltaV 系統(tǒng)能夠很好地兼容來(lái)自各種現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。本裝置的智能控制設(shè)備如馬達(dá)、變頻馬達(dá)控制器全部采用 Profibus DP 設(shè)備，智能傳感器、變送器等測(cè)量?jī)x表、閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)則采用FF 現(xiàn)場(chǎng)總線，對(duì)于涉及到安全系統(tǒng)的儀表，則全部采用 HART 協(xié)議儀表。以下是項(xiàng)目中的 FF 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備和 DP 設(shè)備的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)應(yīng)用要求。

3.1 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

在碳酸二苯酯裝置改造擴(kuò)建項(xiàng)目中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的選用有明確的要求，必須是經(jīng)過(guò)測(cè)試的證實(shí)個(gè)體故障發(fā)生時(shí)對(duì)整個(gè)段內(nèi)的其他設(shè)備無(wú)影響。該項(xiàng)目采用的 FF 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備主要有薩姆森(SAMSON)智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)、E + H(Endress + Hauser)、西門(mén)子(Sie-mens)、威卡(WIKA)、泰科(TYCO)等供應(yīng)商的壓力、液位、溫度、流量變送器，F(xiàn)F 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段共 220 個(gè)，平均每個(gè)網(wǎng)段掛 5. 3 臺(tái) FF 總線設(shè)備。在 FF 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)、組態(tài)過(guò)程中，嚴(yán)格遵守如下規(guī)定:

(1)現(xiàn)場(chǎng)總線最大允許長(zhǎng)度與電纜類型、網(wǎng)段的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及本質(zhì)安全要求等因素有關(guān)。本項(xiàng)目中 FF現(xiàn)場(chǎng)總線的通信速率采用 31. 25 kbit/s，現(xiàn)場(chǎng)總線電纜采用 18 AWG(A 型)屏蔽電纜，相應(yīng)的性能參數(shù)見(jiàn)表 2。該類型的總線電纜在沒(méi)有中繼器時(shí)的最大總長(zhǎng)度為 1 900 m，分支電纜的長(zhǎng)度為 30 ～ 120 m。每個(gè)Segment 現(xiàn)場(chǎng)總線電纜總長(zhǎng)度是所有支線電纜長(zhǎng)度的總和加上干線電纜長(zhǎng)度。每個(gè) Segment 現(xiàn)場(chǎng)總線電纜總長(zhǎng)度要依據(jù)總線供電設(shè)備的容量，是否采用本安回路、網(wǎng)段總的功率負(fù)載、線上壓降等進(jìn)行計(jì)算。盡量降低通信負(fù)荷，F(xiàn)F 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段的設(shè)計(jì)必須滿足:每個(gè)非本安網(wǎng)段(Segment)掛設(shè)備數(shù)量不超過(guò) 8;每個(gè)本安網(wǎng)段掛接設(shè)備不超過(guò) 4 個(gè);其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)最多 2 個(gè)，在沒(méi)有變送器的網(wǎng)段上可掛接 3 個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu);每個(gè)網(wǎng)段上保留 20%的備用量;同一回路的測(cè)量、執(zhí)行器放在同一網(wǎng)段內(nèi)。

表 2 現(xiàn)場(chǎng)總線電纜性能參數(shù)表

(2) 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備如果安裝在 I 區(qū)，總線供電電源要采用有安全柵功能的接線盒?？偩€可以直接給連接在該總線上的低功耗總線設(shè)備供電，但是對(duì)于一些高功耗的總線設(shè)備則需要采用單獨(dú)的供電回路。

對(duì)于連接在本安現(xiàn)場(chǎng)總線需要總線供電的總線設(shè)備，考慮到本質(zhì)安全總線上供電電流的有限性，在設(shè)計(jì)中要采用低功耗的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。

需要采用單獨(dú)供電的總線回路中的供電設(shè)備要采用特殊的防爆措施進(jìn)行有效地隔離，以保證外部供電電源和總線設(shè)備所連接的通信回路完全隔離。外部電源的能量在任何情況下都不允許轉(zhuǎn)移到本安總線上，以確保單獨(dú)供電設(shè)備和總線上的所有現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備在危險(xiǎn)區(qū)的安全使用。

(3) 網(wǎng)段拓樸結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)中現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)安裝位置按所屬單元分布比較集中，適合采用樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。樹(shù)型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由多個(gè)智能設(shè)備與公共接線箱連接的多條獨(dú)立現(xiàn)場(chǎng)總線支線組合而成的結(jié)構(gòu)，支線電纜只能從公共接線盒中即干線電纜引出，不能從其他支線電纜引出，以確?？偩€的可靠性要求。總線電纜的連接要保證支線電纜的屏蔽線絕緣一定要做好，各段總線的干線電纜的屏蔽線必須在機(jī)柜側(cè)的接地端子上接地，電纜對(duì)地絕緣良好，這一點(diǎn)對(duì) FF 總線設(shè)備的正常使用非常重要;另外，在接線盒的各分支上增加防短路保護(hù)功能以確保通信信號(hào)不受干擾。樹(shù)型拓樸結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖 2 樹(shù)型拓樸結(jié)構(gòu)

3.2 Profibus DP 總線的應(yīng)用及設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

項(xiàng)目中所有的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備控制均采用 SIEMENS 的Profibus DP 總線智能設(shè)備 SIMOCODE 馬達(dá)控制器和VFD - G120、VFD - G150 變頻馬達(dá)控制器，這種方案大大地增強(qiáng)了 DCS 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)馬達(dá)控制的操作與監(jiān)控，在

項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，主要遵循以下幾點(diǎn)要求:

(1) 現(xiàn)場(chǎng)馬達(dá)的控制設(shè)備采用的 SIMOCODE 控制模塊安裝在馬達(dá)控制中心(MCC)的機(jī)柜內(nèi)，每一個(gè)MCC 機(jī)柜都設(shè)計(jì)一個(gè) DP 中繼器和一排終端集線器，在每個(gè)段上的最后一個(gè)總線設(shè)備都安裝終端電阻，根據(jù) DP 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)圖，同一個(gè)網(wǎng)段上的 MCC 機(jī)柜通過(guò)中繼器連接到一起，與本網(wǎng)段上的 DP 通信卡連接。每個(gè) MCC 柜內(nèi)的中繼器用來(lái)分開(kāi)子網(wǎng)段，當(dāng)一個(gè)子網(wǎng)段發(fā)生故障時(shí)不會(huì)影響同一個(gè) DP 卡上的其他的子網(wǎng)段。

(2) DCS 對(duì)馬達(dá)控制信號(hào)如啟動(dòng)/停止信號(hào)、變頻器的轉(zhuǎn)速信號(hào)及轉(zhuǎn)速設(shè)定值、馬達(dá)的運(yùn)行信號(hào)、電流過(guò)載及其他故障信號(hào)、功率信號(hào)等都由 Profibus 通信實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于由 DCS 緊急停止馬達(dá)的控制，則由 DCS的 DO 輸出，通過(guò)硬接線到 MCC 柜實(shí)現(xiàn)。

(3) 依據(jù)設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)要求安裝啟動(dòng)/停止操作柱及遠(yuǎn)程和就地選擇開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)撥到就地控制時(shí)，馬達(dá)啟動(dòng)只能在現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)，當(dāng)撥至遠(yuǎn)程控制位時(shí)，由DCS 啟動(dòng)。而停止馬達(dá)不受開(kāi)關(guān)位置限制，就地和DCS 都可以在任何時(shí)候停止馬達(dá)的運(yùn)行，該方案大大提高了馬達(dá)控制的靈活性和安全性。通過(guò)編程，可以實(shí)現(xiàn) DCS 遠(yuǎn)程自動(dòng)啟動(dòng)馬達(dá)，而當(dāng)出現(xiàn)緊急故障時(shí)，根據(jù)當(dāng)時(shí)的情況既可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作柱也可以通過(guò)DCS 發(fā)出停止馬達(dá)命令。

(4)DP 數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)置為 500 kbit / s，在不使用中繼器的情況下一個(gè)網(wǎng)段的最大傳輸距離是400 m。在通信過(guò)程中阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射，導(dǎo)致通信質(zhì)量和通信距離的降低。為了消除在通信電纜中的信號(hào)反射，確保總線上的設(shè)備無(wú)差錯(cuò)的運(yùn)行，必須確保接線質(zhì)量，嚴(yán)格設(shè)置每個(gè)物理網(wǎng)段中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的終端電阻，如圖3，網(wǎng)段中間站點(diǎn)的終端電阻要打到 OFF 位置，網(wǎng)段兩頭的終端電阻要打到ON 的位置。