现场总线控制技术在油田地面生产设施控制系统中的应用优势分析

引言

苏丹穆格莱德油田是由中国、马来西亚、加拿大和苏丹四方联合体共同投资开发建设的大型油田，由8个卫星油田组成，年产量1 500万t。油田地面生产设施中心处理厂控制系统采用了ABB公司的基金会（FF-Foundation Fieldbus）现场总线控制系统（FCS-FieldbusC ontrolSy stem）。现场 总 线 是一种工业数据总线，是自动化领域中计算机通信系统最底层的低成本网络。根据国际电工委员会IEC61158标准定义：现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线，具有全数字化、全分布、双向传输、自诊断、低成本、开放性、互操作性、智能化等特点，在石油石化等领域获得了非常成功的应用。根据组织该项目控制系统安装、组态和试运的经验，介绍该装置现场总线控制系统的体系结构、安装要点、组态和调试方法，以供同行参考。

1、 油田地面生产设施控制系统的体系结构

中心处理厂控制系统所选设备如下：现 场 总 线仪表：2600T- Series， 600T- EN，TF202EX， TZID -C 120等；集成安全栅：M204；链路设备：LD800HSE；中央控制器：AC800FR；以太网卡：E1803；现场总线网卡：F1840；集线器：RS2 FX/FX；电缆和多模光缆：UTP-5，多体模式。

2、 系统的安装

总线系统安装工作主要包括总线电缆安装和相关部件的选择与集成。

现场总线既是电源线，又是信号线，为了确保电缆的覆盖距离和所挂现场总线设备的数量以及系统的稳定性和可靠性，除了选择低功耗的现场设备和符合IEC61158-2推荐的电缆型号、采用中继器、提高供电电压外，还在安装时采用防噪抗噪的措施。主要有：使用屏蔽双绞电缆且屏蔽层应至少覆盖电缆总长度的90%，在电缆接线时，电缆无屏蔽的部分或不成为双绞的部分应小于总长度的2%，或小于8m，以长度短的为准；屏蔽层只能一点接地；支线和干线的屏蔽层应相连；存在高频干扰时，应采用电容接地；信号电缆应与噪声源隔离，现场总线信号和非现场总线信号不能同存于一根多芯电缆中；电缆敷设尽量不要交叉，无法避免时，应保证正确的交叉角度。

终端器是一个非常简单的器件，它本身并不通信。其功能一是防止因信号反射引起通信出错；二是把发射信号设备所产生的电流变化转换为跨在整个网络上的电压变化，使网络上的所有设备都能获取这个信号。网络由一个或多个网段组成，终端器应装在网段两端，一端一个，否则网络无法工作。

中继器是双向电隔离器件，用来连接若干网段以形成一个较大网络，其功能就是对输入信号同步刷新并放大其电平，以克服信号沿信号线的衰减，网络上的两个设备之间最多不能超过4个中继器。本质安全是指通过限制危险区内的能量来防止电气故障引起爆炸的方法。使用的安全栅必须符合IEC61158的规定，并通过法定机关的本质安全认证。每个危险区的网段只能安装一个安全栅，不能冗余。一个通信端口只能连接一个安全栅，为了充分的利用通信端口，可采用内置中继器的安全栅。从通信端口到安全栅只需引出一根安全区网段，每个安全栅都可以引出一根危险区网段，这样就构成了一个大网络。稳压电源按照IEC61158-2国际电工委员会的规定，电源必须有输出阻抗，否则就会使通信信号短路，传统电源在系统中不能直接使用，因为输出阻抗几乎为零。本项目没有采用以上分体元器件，而是将终端器、中继器、电源都集成到安全栅中。

链路设备通过高速主站级网络直接与主站连接，链路设备作为信息的缓冲器以兼顾两个级别网络之间不同的传输速度。成为H1段现场设备和HSE段高速主站之间的网关，本项目使用的链路设备是LD800HSE，每个链路设备可同时连接4个H1网段。为提高系统有效性，整个体系结构都采用了冗余方案。

3、系统组态

系统组态包括网络组态、设备组态和控制策略组态3个方面，使用的工程工具是CBF 7.1。该工具支持的组态方式有离线和在线两种，并可以永久地与所有现场仪表连接。网络组态主要为链路设备和通信端口分配网络和设置通信参数，这些工作基本上由组态工具自动完成。在线组态需要考虑参数的修改对生产过程的影响，方法与离线完全一样。下面介绍离线方式下设备组态和策略组态。

3.1 设备组态

设备组态主要是选择现场总线级设备和主站级设备，配置所选设备的资源块和转换块，设置资源块和转换块的参数。每个设备必须配置一个资源块、一个或多个转换块以及若干功能块。当设备接人网络时，为保证设备组态与对应设备正确关联，必须为系统中众多设备模块赋予位号标识，同一模块的位号标识最多由32位字符组成，且不能重复，赋予位号标识的原则是，对照过程和仪表流程图（P&I D ），使资源块的位号与物理设备的位号相同，让转换块的位号与功能块的位号一致，‘并加上后缀。选用的设备最好支持功能块动态实例化，使得在系统中既使用标准功能块，也使用包含增强特征的扩展功能块，提高系统互操作性。每个设备必须配置一个资源块。资源块包含设备的整体信息，如诊断、校准、设备档案等信息，负责对物理传感器和执行器接口。资源块中没有输入输出的参数，即资源块中的参数都是内含参数，不能进行链接，只能用于模块的设置、操作和诊断，这些参数值可以由用户设定，也可以由模块自己设定。对于多数设备，资源块组态只需设置很少的参数，如模块模式参数，有时也设置特性选择参数、故障安全参数和清除故障安全参数等。通常资源块的目标模式设为自动。每个设备都须配置一个或多个转换块，它是物理1/0硬件和功能块之间的接口，因此，与1/0硬件相关的安装，如传感器和执行器类型的选择和校验、布线等，可以通过设置与每个输入输出相对应的转换块参数来完成，输入和输出转换块分别与输入和输出类功能块相关联。通过设置输入输出类功能块I/0硬件通道的参数，使同一设备中的功能块和转换块相关联。转换块有3种类型：输入、输出和显示。转换块中的所有参数都是内含参数，不能进行链接，只能由用户设置或设备自动配置。如同资源块组态一样，转换块组态需要设置的参数也很少，一般只有模块模式参数。

3.2 控制策略组态

控制策略组态是对照过程及仪表流程示意图（P&ID）中的过程控制和过程监测方案，选择适合的功能模块，根据控制和监测方案的要求，设置已选择功能块参数，在考虑功能块运行宏周期后，将选择的功能块链接起来的过程。控制策略的组织是根据它所控制的运行装置进行的，而不是根据布线时连接在一起的仪表。

功能块的选择：本项目中可供选择的功能块种类有：输入类、控制类、计算类和输出类。

链接的概念：从输出参数到输入参数，功能块彼此链接。链路中既包括参数数值，又包括参数状态。不同设备间功能块的链接，称之为外部链接，通过网络通信实现同一设备上功能块的链接，称之为内部链接，该链接不需通过总线进行通信，会立即完成并且不占用网络带宽。所以，在将功能块分配到设备时，尽可能将功能块安排在一个设备中，使链路存在于设备内部，从而减少链路通信时间。链接有3种：非串级向前、串级向前、串级向后，向前链路源头的模块被称为高端或上游模块，接收向前链路的模块被称为低端或下游模块。基金会中串级是指从其他功能块接收设定点信号的任何类型的功能块，与传递上游模块输出到下游模块串级设定点的串级向前相关联，是从下游模块反馈到设定点源头的向后反馈链路，反馈链路起自回算输出，中止于回算输入。向前和向后串级链路通称为串级结构。

功能块参数的设置主要针对如下功能块：

（1） 输入类功能块：输入类模块通过转换块中的一个硬件通道访问现场物理设备，如压力、温度、液位或流量变送器等，获得其对应基本数值，并将对应数值提供给其他功能块使用。AI模块完成通道的配置、仿真、阻尼和过程变量报警。根据信号类型和处理要求，输入功能块可能的组态是设置如下参数：通道参数、模块模式参数、过程变量过滤时间参数、线性化类型参数、转换器刻度参数、输出刻度参数、状态选项参数等。

（2） 控制类功能块：控制类功能块从其他功能块接收输入并进行处理，为其他功能块产生输出。该类功能块既有设定点选择，又有输出选择，并支持串级结构。该模块一般具有过滤、设定点选择和限幅、PID算法、输出选择和限幅、前馈、设定点跟踪、输出跟踪以及过程变量和偏差报警等。根据控制策略，控制功能块可能的组态是设置如下参数：模块模式参数、过程变量过滤时间参数、回算输出参数、过程变量刻度参数、输出刻度参数、前馈变量刻度参数、控制选项参数、模式迁移旁路参数等。

（3）计算类功能块：计算类功能块从其他功能块接收输入并进行处理，为其他功能块产生输出。它支持输出选择，但不支持串级结构，根据计算的函数不同，计算功能块有不同的参数，其组态也不同，但一般模块模式都设为自动。

（4）输出类功能块：输出类功能块从其他功能块接收设定点输入，可能对数值进行处理，然后通过转换块中的硬件通道传递给阀门定位器、电气转换器等物理输出设备。输出类功能块有设定点选择。它提供许多用户对定位器所希望的功能，如限幅、信号反转、实际位置读回、仿真以及故障安全的功能。根据控制策略和使用的输出设备的类型，其可能组态是如下参数的设置：模块模式参数、通道参数、1/0选项参数、故障安全时间参数、故障状态值、过程变量刻度参数、转换器刻度、输出刻度参数、模式迁移选项等。

4 、系统调试

链路设备自动管理每一个网络上所有设备的地址，只要设备接人网络，链路设备就自动对其进行检测，只要设备接人的网络正确并正常工作，该设备就会与同一网络的其他设备显示在网络的在线设备列表中。现场总线设备组态数据库是以用户定义的设备位号为基础准备的，与特定的物理设备没有任何关系，连接在网络上的物理设备必须与它相关联的组态结合才能正常的工作，结合方式为：每一个现场总线设备都有一个唯一的32位字符的设备标识符，它是设备的硬件地址，如同以太网卡的MAC地址，由制造厂设定在线路板上，唯一且不可更改。只要设备接人网络，设备标识符就会被取到在线设备列表中，设备的位号也是在制造厂预组态的，只要设备组态的位号和其策略组态的位号与设备制造厂预组态的位号一致，该现场设备就会与其组态关联。完成了设备及其位号的关联后，下载组态文件。组态文件正确下载后，进行回路检查和现场仪表校验。现场总线设备的校验在控制室进行。包括输入校验和输出校验。

输入校验：将一个已知的标准信号值加到变送器，并将该值写人输入类转换块的高低校准点参数中，低点值不一定低于高点值，如在液位测量中的量程迁移。测量范围的设置是在PID或AI等功能块的转换器刻度参数中进行，传感器校准最小量程可从转换模块的校准最小量程参数中查询，校准点数值的单位在转换模块的校准点单位参数中选择。

输出校验：输出校验是强制电气阀门定位器、信号转换器等执行机构的转换块输出，在自校验类型参数中选择校验类型，在自校验命令参数中启动校验命令。由于总线阀门定位器具有自动安装特性，定位器可自动使阀门做一次全行程全关和全开动作。除此之外，也需校验回路的故障安全性能。

低端和高端的校验点，无论是输入校验，还是输出校验，都互不干扰，无须反复校验。为留下校准记录，可以在设备中存储并验证有关数据，包括日期、地点、使用方法以及校准人员等。

总之，现场总线控制系统与成熟的DCS系统比较，安装更方便，组态更灵活，调试更简单。

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