大型石化装置全集成自动化系统和FF现场总线的应用

1、大型石化装置全集成自动化系统和FF现场总线的应用.txt你不能让所有人满意，因为不是所有的人都是人成功人士是在牛B的路上，一路勃起你以为我会眼睁睁看着你去送死吗？我会闭上眼睛的 本文由rongjianbin贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 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 1. 2. 3. 全集成管理系统 网络集成的可靠性要求 90 万吨 年乙烯联合装置全集成自动化系统概况 万吨/年乙烯联合装置全集成自动化系统概况

2、 1）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 网络) 远程访问服务网络 (RAS网络 网络 网络） 中央历史数据库网络 （PI网络） 网络 WEB 服务器网络 网络) 先进控制和优化系统网络 (APC网络 网络 通过MODBUS串行数据链与 通过 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、 串行数据链与 通信的其它检测 的报警和事件历史（ SIS的报警和事件历史（SOE）用OPC 总线 的报警和事件历史 ） 系统的AMS HART总线 SIS系统的 系统的 总线 基金会现场总线 2） 安全连锁（SIS）系统网络 ） 安全连锁（ ） （1） 安全连

3、锁系统（SIS）控制 器与外部连接的网 络 安全连锁系统（ ） 安全连锁系统（ （2） 安全连锁系统（SIS）内部连接的网络 ） 4 3） 仪表局域网 ） （1） 仪表局域网插座（RS485）， ） 仪表局域网插座（ ）， （2） 气相色谱分析仪系统（GC）控制器 ） 气相色谱分析仪系统（ ） （3）机械设备监视系统（MMS） ）机械设备监视系统（ ） （4） APC操作网络 ） 操作网络 4） 闭路电视（CCTV）局域网 ） 闭路电视（ ） 5） 火灾和可燃气体系统网络 （F&G） ） ） 6） 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

4、）办公室局域网 （OFFICE LAN） ） 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 现场总线具有开放性， （1） FF现场总线具有开放性， 互操作性与互用性 ） 现场总线具有开放性 （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 （3） 系统控制功能高度分散化 ） （4） 数字信息技术发展迅速，今后数字技术的发展打下了基础 ） 数字信息技术发展迅速， （5） 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， （7）模型装置 技术的应用投资分析 ）模型装置FF技术的

5、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 ） 现场总线网段（ （2） H1现场总线网段（Segment）硬件的限制条件 ） 现场总线网段 ） 3） ） 4） ） 5） ） 6） ） 7） ） 数据链路层 （1） 链路活动调度器（LAS） ） 链路活动调度器（ ） A 周期性时间的调度的通讯 B 非周期性时间的调度的通信 （2） 活动维护表 ） （3） 现场总线访问子层（FAS） ） 现场总线访问子层（ ） 用户应用层 （1） 模块的应用 ） （2） 现场总线段的功能块设置规定 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， （2

6、） 直流电压检查 ） （3） 波形测试 ） 调试FF总线设备 调试 总线设备 FF现场总线使用中出现的问题分析 现场总线使用中出现的问题分析 （1）存在的主要问题 ） （2） 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: (Enterprise Resource Planning)企业资源计划： 财务 ，人事（HR），采购， 生产计划，维修（SAP），销售 MES: (Manufacturing Execution Systems)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

7、）、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: (Process Control System)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

8、 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，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 1) 一般监视系统网络，

9、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 年乙烯联合装置 万吨/年乙烯联合

10、装置 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 （OFFICE LAN）。 1）与DCS控制系统关联的网络 ） 控制系统关联的网络 之间 通信用控制器 AMS/RAS/We 服务器 工程师站 时间服务器 RAS/SOE工厂历 连续历史 史事件服务器 服务器 服务器 辅助操作站 应用站 操

11、作站 中央控制室 卫星控制站 冗余控制器 操作站 通过MODBUS与DCS通信的系统 SIS安全连锁保护系统(冗余通信） B. 电气智能开关装置数据集中器 （INSUM- ICU）（冗余通信） C. 电气MCC的数据集中器，远方终端单元 （RTU560）系统 D. 火灾和可燃气体报警连动系统（ F&G）（冗余） E. 机械设备监视系统（MMS 3500）（冗余） F 在线气相色谱分析仪系统（ GC）（冗余） G 各装置DCS与设置在CCR内的数据交换用DCS 的连接，它直接连接在某一DCS的控制网络上， 但与其它DCS是用通信连接） 控制 网络(冗余） 图 1 DCS控制网络 DCS 控制网络

12、 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，Delta V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 IEEE 802.3 10/100baseT/F。见图一。 时 服 器 NTP) 中 历 间 务 （ 央 史 APC服 器 务 管 员 程 站 管 员 作 NO1 NO2卫 理 工 师 理 操 站 数 库 PI NO1 NO

13、6 据 （ 星 NO1 NO8 NO1 NO8 防 墙 火 ) 仪 网 表 络 中 控 室 央 制 NO1装 应 站 置 用 工 师 历 事 程 站 史 件 务 应 站时 服 器 服 器 用 间 务 连 历 续 史 服 器应 站 务 用 仪 网 表 络 NO10 装 应 站 置 用 网 （ 余 络 冗 ） 网 络 中 历 数 库 央 史 据 网 络 （ 工 师 历 事 程 站 史 件 务 应 站时 服 器 服 器 用 间 务 连 历 续 史 服 器应 站 务 用 图 （ ) APC,WEB,PI,RAS 网 二 络 图二中显示了7个网络，它们分别是： 图二中显示了7个网络，它们分别是： 网络)

14、 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。

15、 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 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形式的信息和图形，例如 报警信息分析报告 (KPI) 供企业各部

16、门查阅。 见图二。 先进控制和优化网络 (APC网络 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MODBUS串行数据链与 串行数据链与DCS通信的其它检 通过 串行数

17、据链与 通信的其它检 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）气相色谱分析仪系统（GC

18、） 。 G） 各DCS之间数据通信连接。 的报警和事件历史（ SIS的报警和事件历史（SOE）用OPC 总 的报警和事件历史 ） 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。 系统的AMS HART总线 SIS系统的 系统的 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

19、的 HART信号 转换卡连接， 收集SIS系统现场仪表的资产管理信息。 见图四。 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。 H1卡 卡 每块H1卡有两个通道 每块 卡有两个通道 现场总线电源 现场总线专用端子 总线干线 总线支线 总线干线 现场总线电源 现场总线专用端子 总线支线 总线支线 现场总线设备 现场总线设备 图三现场总线图 2） 安全连锁（SIS）系统网络 ） 安全连锁（ ） 中 控 室 央 制 （ 服 器 务 公 用 控 器 制 （ H51q

20、-HRS) 工 师 程 站 服 器 务 RAS/SO 工 厂 历 事 应 站 史 件 用 AMS/RAS/Web 应 站 用 RAS/SO 工 厂 AMS/RAS/Web 历 事 应 站应 站 史 件 用 用 安 以 网 全 太 （ HIPRO-S)（ 余 冗 ） 网 OPC 控 器 制 （ H51q-HRS) OPC DCS 通 信 （ 余 冗 ） 控 器 制 (H51q-HRS) DCS 通 信 （ 余 冗 ） 卫 控 站 NO1 星 制 卫 控 站 NO10 星 制 图（ ） 安 连 ( 四 全 锁 )系 网 统 络 安全连锁系统（ （1） 安全连锁系统（SIS）控制 器与外部连接的 ）

21、 网 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）安全连锁系统（SIS）内部连接的网络 ： 安全连锁系统（ ）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 入到中央控制室 内的公用SIS控制器。这样连锁

22、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 ） 仪表局域网由单工的10/100 baseT以太网组成，作为 通用性的仪表通信网络 。 中 控 室 央 制 机 状 监 器 态 视 色 仪 谱 工 师 (MMS) 工 师 (GC) 程 站

23、程 站 墙 插 上 座 服 器 务 APC网 络 仪 网 表 络 色 仪 谱 工 站 作 (GC) 墙 插 上 座 机 状 监 器 态 视 采 器 集 (DAQ) 色 仪 谱 工 站 作 (GC) 墙 插 上 座 机 状 监 器 态 视 采 器 集 (DAQ) 装 卫 控 站 NO1 置 星 制 装 卫 控 站 NO.10 置 星 制 图（ ） 仪 局 网 五 表 域 络 它连接： （1） 仪表局域网插座（RS485）， ） 仪表局域网插座（ ）， 分布在各生产装置卫星控制站内的，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

24、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（GC）控制器 ）气相色谱分析仪系统（ ）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。 GC 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： ? 机械设备监视系统（MMS） 3500， ? 位于卫星控制站内的机器

25、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MMS 3500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MMS 3500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（OFFICE LAN）和仪 表局域网提供的。 操作网络： （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（APC）

26、 控制的界面，可以进行投运APC操作，改变APC APC APC 控制设定参数等。 仪表局域网络见图五。 4） 闭路电视（CCTV局域网） ） 闭路电视（ 局域网） 局域网 中央控制室 CCTV 监视器 NO1 CCTV 监视器 NO10 CCTV 网络 数字视频 记录(DVR) 卫星控制站内 WEB 摄象机 装置现场摄象机 装置卫星控制站 NO1 卫星控制站内 WEB 摄象机 数字视频 记录(DVR) 装置现场摄象机 装置卫星控制站 NO10 图 六） CCTV系统网络 在闭路电视局域网（CCTV LAN）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

27、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（OFFICE LAN）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）火灾和可燃气体系统网络 ） （F&G LAN） ） 火 焰 监 器 视 操 员 工 消 站 地 消 站 作 ， 厂 防 ， 区 防 监 操 器 视 作 中 控 室 央 制 (CCR) 火 焰 监 器 视 9 F&G 网 （ 余 络 冗

28、 ） 控 器 制 通 信 控 器 制 通 信 通 (冗 ） 信 余 火 监 盘 灾 视 ( （ 寻 址 可 地 ） 通 信 (冗 ） 余 硬 线 接 火 监 盘 灾 视 ( （ 寻 址 可 地 ） 硬 线 接 烟 雾 火 CCTV 灾 测 摄 机 检 器 象 火 检 器 灾 测 烟 检 器 雾 测 声 报 器 光 警 声 报 器 光 警 火 检 器 灾 测 火 CCTV 灾 摄 机 象 卫 控 站 NO10 星 制 卫 控 站 NO1 星 制 图 七 可 气 和 灾 统 络 （ ) 燃 体 火 系 网 图 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

29、燃气体检测器的信号，与 Minerva M80 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。 Minerva M80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（CCR）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

30、 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 （MCC LAN） ） GPS 时间 服务器 SCADA 工程师站 SCADA 服务器 低压电机工 程师站 中央控制室 电气MCC 系统网络 卫星电气站 远方终端单元 MODBUS 通信 MODBUS 通信 冗余） 数据集中器 LON总线 工程师站 电机参数 采集器 NO 1 NO 128 硬线连接 电机变频器及通信 电气供电分配系统 低压电机控制器 系统 图 （八） 电气MCC网络 电机控制总线 （LON） 使用智能开关装置，（例如INS

31、UM- 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 （INSUM ICU） 电气局域网络 （MCC LAN）将卫星控制站内的 各数据集中器（INSUM ICU）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

32、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。 DCS 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（I

33、NSUM ICU） 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 ） (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

34、网相连。 见图九。 实验室 数据库服务器 管理员工作站 网络 服务器 手工数据输入 工作站 各种分析仪表 各种分析仪表 图 九） 系统网络 8）办公室局域网 （OFFICE LAN） ） 国 互 网 际 联 络 装 维 置 护 管 网 理 络 办 室 域 用 (200户 公 局 网 户 ） P MS 中 历 央 史 网 PI 络 防 墙 火 办 室 域 OFFICE LAN 公 局 网 冗 防 墙 余 火 网 络 实 室 息 验 信 管 网 理 络 LIMS 网 络 仪 局 网 电 局 网 表 域 络 气 域 络 图 十 办 室 域 （ ） 公 局 网 工厂的网络分成二大部分： 生产系统网络，

35、 管理系统网络， 它们分别与工厂的办公室局域网 （OFFICE LAN） 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 （OFFICE LAN）相连接的生产系统网 与办公室局域网 ） 络有如下： 络有如下 WEB服务器网络 （web server LAN）， CCTV网络， 仪表网络 （INSTRUMENT LAN）， 实验室信息管理系统 (LIMS LAN)， 电气局域网络（MCC LAN） 与办公室局域网 （OFFICE LAN）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

36、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

37、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， ? ? ? ? ? 现场总线具有开放性， （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 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，Device Description),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

38、，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

39、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。 ? （3） 系统控制功能高度分散化 ） 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 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。 （4） 数字信息技术发展迅速， ） 数字信息技术发展迅速， 为今后数字技术的应用打下了基础 现场总线

40、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 ） 线网段（Segment）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。 现场总线系

41、统的接线简单，设计规定一个现场总 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（AMS）， ）利用资产管理系统功能（ ）， 降低设备运行生命周期成本 由于FF现场总线控

42、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 总线技术的 ）模型装置FF总线技术的 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：2367 ? FF总线Segme

43、nt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 设备与材料类型 仪表接线箱（带10-port MagaBlock x 2） 分支电缆（每台设备按45米） 总线电缆（2对对屏总屏电缆，长度按 600 米） 数量 263 个 米 米 采用常规技术电缆与接线箱的数量 设备与材料类型 仪表接线箱（带36端子） 分支电缆（每台设备按45米） 主电缆 （12对对屏总屏电缆， 长度按600米） 数量 296 个 米 米 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

44、位：万元（人民币） 投资项目 投资1：DCS系统 FF技术 1640 常规技术 1321.5 3092.5 148 760.1 5322.1 FF技术/常规技术 +24.1% +1.2% +47.8% +66.6% +17.5% 3130 投资2：现场仪表 投资3：现场接线箱 218.8 投资4：仪表电缆 合计 1266.3 6255.1 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） FF技术 投资项目 1466.3 投资1：DCS系统 3130 投资2：现场仪表 投资3：现场接线箱 164.7 投资4：仪表电缆 合计 1032.

45、3 5793.3 常规技术 1321.5 3092.5 148 760.1 5322.1 FF技术/常规技术 +11% +1.2% +11.3% +35.8% +8.85% 现场总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） FF技术 投资项目 1466.3 投资1：DCS系统 3130 投资2：现场仪表 投资3：现场接线箱 164.7 投资4：仪表电缆 合计 322.8 5083.8 常规技术 1321.5 3092.5 148 760.1 5322.1 FF技术/常规技术 +11% +1.2% +11.3% -57.5% -4.5%

46、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. 提高Segment的使用率。 提高Segment的使用率。 Segment的使用率 采用国产总线电缆。 2. 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，FF现场 总线技术利用其中的物理层（第一层），数据链路层 （第

47、二层），应用层（第七层）。 物理层： 信息的转换过程是： 有用的信息先转换成数据， 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。 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 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。 T/2 T 时钟 信号 1 0 1 1 0 0 曼彻斯特特 码

48、1 0 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”。 现场总线网段（ （2） H1现场总线网段（Segment）硬件的 ） 现场总线网段 ） 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

49、每个总线网段上 设备数量规定 每个总线网段上FF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 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

50、度不应超过120m。支线电缆长度应尽量短。 C 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

51、换成0.751V； 信号反射会干扰正常数字信号的传输，终端器可以消除 信号反射，提高信息传输的可靠性。 冗余电源系统模块 冗余连接线 报警回路 隔离电源调制器 冗余24VDC电源输入 电源输入 冗余 25V, 350mA 输出 调换电源模块无须 从新连接总线 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（EEx e）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6

52、0mA。 现场总线专用接线箱 电源指示灯亮 9V 短路保护故障指示器 故障指示器 短路保护 导线连接端子 2, 4, 8 and 10 drop versions 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 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

53、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。 分屏蔽仅在机柜侧接地 铠装钢丝在两端接地 多芯电缆的总屏蔽在 两端接地，起到防雷 击作用 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 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 级控制阀：一个总线网段上只允许连接一个级控 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

54、：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（LAS） ） 链路活动调度器（ ） 链路活动调度器（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