tricon培训-八小时FF现场总线控制技术

在FF现场总线控制技术赛科90万吨/年乙烯工程中的应用（2006年2月28日）石油化工责任教授级高级工程师吴国良General

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Foundation1一.赛科90万吨/年乙烯工程概况赛科(SECCO)90万吨/年乙烯工程是由

化工

公司（SINOPEC）、

石油化工

公司（SPC）、英国石油公司（BP）合资建设。该工程是目前世界范围内生产规模最大、工艺技术

、自动化系统集成度最高的石油化工联合工厂。该工程总投资约27亿，。赛科90万吨/年乙烯工程所有的十套生产装置、公用工程及辅助设施投入商业化运行，标志着在现代化大型石油化工联合工厂大规模采用FF现场总线控制技术获得了成功。General

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Foundation2自动控制系统概况全厂设有十五个控制外站(Outstation)，分别设在各个生产装置、公用工程及辅助设施内。各控制外站内安装各种控制系统机柜，并设一台带工程师属性的操作站。全部按抗爆结构设计。最远的控制外站到控制室的距离大约2.5公里。各控制室的各种信号全部采

冗余光纤电缆通信方式传输。控制室，所有生产装置、公用工程及辅助设施等的操作控制和生产管控制外站到全厂设一个理全部集中。全厂自动控制系统包括：分散控制系统（DCS）/现场总线控制系统（FCS）、安全仪表系统（SIS）、火灾和可燃气体检测系统（FGS）、仪表设备管理系统（AMS）、在线分析仪管理系统（

ADAQ）、转动设备管理系统（

MMS）、电气设备管理系统（EMS）、先进过程控制（APC）、 优化（OPT）、操作培训仿真系统（OTS）、闭路电视系统（CCTV）等。全厂自动控制系统规模：DCS

I/O141809SIS

I/O9487合计：151296General

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Foundation3控制室（四分之三部分）General

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Foundation4赛科乙烯工程仪表设备概况是:现场仪表设备总共54025台其中FF现场总线设备14375台,占26.6%总回路数48200个总位号168,000个FF现场总线网段2473个,平均每个网段上挂5.8台FF现场设备现场接线箱5300个General

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Foundation5General

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Foundation6二

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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，1.

FF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，就能认识和操作这台设备，例如

。FF现场总线

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

功能的人机接口的数据意义。General

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Foundation7General

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Foundation82.

FF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。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

中。这样减轻DCS与现场仪表之间的通讯负荷，简化系统结构，减少虚拟通讯

数量,提高可靠性。3.

系统控制功能高度分散化General

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Foundation94

数字

发展迅速，为今后数字技术的应用打下了基础现场总线设备的智能化、数字化与模拟信号相比，数字信号传输

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。General

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Foundation10General

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Foundation115

节省安装材料和调试工作量现场总线系统的接线简单，设计规定一个现场总线网段（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。6

利用资产管理系统功能（AMS），降低设备运行生命周期成本由于FF现场总线控制设备具有的自参数和故障自能力，并通过数字通信方式将信息送往DCS，管理通过DCS的资产管理系统（AMS）查询所有仪表设备的运行情况，

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的之中。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检修，缩短停工维修时间，节约维修费用，降低生命周期成本。General

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Foundation127

模型装置FF总线技术的应用投资分析2006设备与材料类型数量仪表接线箱（带36端子）296个分支电缆（每台设备按45米）106515米主电缆（12对对屏总屏电缆，长度按600米）177600米General

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China假定某一模拟装置的设备配置如下：现场仪表设备数量：2367FF总线Segment数量：526平均Segment使用率：4.5台/Segment采用FF总线技术电缆与

端子接线箱的数量设备与材料类型数量仪表接线箱（带10-port

MagaBlock

x

2）263个分支电缆（每台设备按45米）106515米总线电缆（2对对屏总屏电缆，长度按600米）157800米采用常规技术电缆与接线箱的数量13©

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FoundationFF总线技术与常规技术的投资比较投资项目FF技术常规技术FF技术/常规技术投资1：DCS系统16401321.5+24.1%投资2：现场仪表31303092.5+1.2%投资3：现场接线箱218.8148+47.8%投资4：仪表电缆1266.3760.1+66.6%合计6255.15322.1+17.5%现场总线电缆采用进口电缆，平均Segment使用率：4.5台/Segment单位：万元（

）General

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Foundation14投资项目FF技术常规技术FF技术/常规技术投资1：DCS系统1466.31321.5+11%投资2：现场仪表31303092.5+1.2%投资3：现场接线箱164.7148+11.3%投资4：仪表电缆1032.3760.1+35.8%合计5793.35322.1+8.85%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（

）General

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Foundation15投资项目FF技术常规技术FF技术/常规技术投资1：DCS系统1466.31321.5+11%投资2：现场仪表31303092.5+1.2%投资3：现场接线箱164.7148+11.3%投资4：仪表电缆322.8760.1-57.5%合计5083.85322.1-4.5%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（

）General

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Foundation16结论采用现场总线技术，降低建设投资的关键要素：提高Segment的使用率。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，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。General

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Foundation17三

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赛科FF现场总线应用情况介绍为了使现场总线的设计和安装符合工业控制系统现场总线标准(IEC

61158-2:1993)，

赛科90万吨/年乙烯工程中对FF现场总线的设计、安装和调试作了规定General

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Foundation18General

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Foundation191.H1现场总线网段（Segment）设计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。1)

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。2)

每根总线电缆长度规定现场总线允许的电缆长度：A型

单

双绞线，0.8mm2（18#AWG）,最大距离1900米。B型

总

多双绞线，0.32mm2

（22#AWG）,最大距离1200米。

实际使用中每根总线电缆长度（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，单根支线长度不应超过120m。支线电缆长度应尽量短。General

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Foundation203)

现场总线网段电源模块总线网段电源模块电源

器和电源调制器冗余配置。电源调整器的作用是保证FF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

。电源模块输出电压28V，电流35mA压。能热插拔，不影响正常通信，电源发出故障信号，用硬接线连到DCS中

。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

端子块箱内。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转换成0.75-1V；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。General

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Foundation21(3)

现场接线箱：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

端子块与各FF设备连接。每个总线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60mA。General

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Foundation22(4)

现场总线电缆的连接关于总线电缆的连接，在FF现场总线设备上，支线电缆的线要剪断，并要用绝缘带包好。各段总线电缆的线应在接线箱内通过接地端子连接起来，

线必须在机柜侧（Marshalling）的端子接地，中间任何地方对地绝缘要良好，防止静电感应和低频（５０ＨＺ）干扰。如果干线电缆是多芯电缆，则不同总线网段的分线不允许在现场总线接线箱（FJB）内互相连接在一起，也不允许与总线连在一起。现场总线的铠装钢丝要求在现场和机柜侧两端接地，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。General

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Foundation23(5)

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Shanghai,

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Foundation24General

Assembly(6)

现场总线网段上重要设备设置原则Feb.

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Foundation25Ⅰ级控制阀：一个总线网段上只允许连接一个Ⅰ级控制阀，该网段只连接与该控制阀直接相关的测量仪表。Ⅱ级控制阀：一个总线网段上允许连接一个Ⅱ级控制阀，该网段还可连接一个Ⅲ级控制阀。不允许连接其它Ⅰ级或Ⅱ级控制阀。Ⅲ级控制阀：一个总线网段上允许连接二个Ⅲ级控制阀，或者一个Ⅲ级控制阀和一个Ⅱ级控制阀。不允许连接Ⅰ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)关于现场总线设备非挥发性器（NVM）现场总线设备是使用NVM非挥发性器来某些数据,以防止设备失电时保存数据。器的容量一般可以写入几百万次，如写满了则掉电时就不能保存数据，需要调换硬件。FF总线参数有三类：1

动态数据（D）——定期刷新，不需写入NVM中，2挥发性参数（N）—如OUT，CAS-IN，RCAS-IN，这些参数约每1-5秒钟写入一次，如参数变化频繁，则几个月可以写满

器。3静态数据（S）—如H1-LIM，LO-LIM，GAIM，这些参数由操作员手动设定，所以变化不频繁。

所以要特别注意挥发性参数（N）的写入。General

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Foundation262

FF总线设计和组态宏周期和控制模块执行时间的确定控制回路的宏周期——一个控制回路中的所有功能块执行运算时间和数据在总线上的传送时间之和称为控制回路的宏周期。网段的宏周期——这是由网段上所有回路的宏周期来确定，不是简单相加，功能块的执行时间可以，但在网段上的通讯时间不能。一个网段所需要的宏周期时间有一个公式可以自动计算。General

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Foundation27(1)

如果PID模块是放在阀门

中一个网段（port)宏周期的设定时间要大于这个网段自动计算得到的所需时间，例如计算需要时间是500ms,则网周期的设定时间应1秒。此时DCS中控制模块中执行时间设定对PID模块运算时间没有影响，只是影响AI和AO等数据的收集时间。例如控制模块中扫描时间设定1秒钟，则数据刷新周期是1秒，但PID扫描可能已经是运行2次了。（2）如果PID模块是放在DCS的控制器中：控制模块中执行时间设定对PID模块的运算时间有影响，控制模块中执行时间必须大于网周期的设定时间。它必须包括网段中数据，PID模块运算和AO数据传送给网段等。General

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Foundation28如果一个控制回路的AI和PID，AO分配在二个网段中，那么即使PID模块是放在现场，控制模块中的执行设定时间是二个PORT中较大宏周期时间的2倍.模块的扫描次序是根据各模块组态次序而定,它可以为的改变。这将影响到执行时间。赛科的FDS规定温度控制模块的执行时间可以是2秒,其它控制模块的执行时间一般是1秒。特殊要求可以设定小于1秒，但必须符合上述各点规定。General

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Foundation292）提高FF总线工作效率为提高FF总线工作效率，在设计和组态时应该关注FF设备在总线上的通讯量。实现单回路控制功能时，尽量将PID控制模块放在阀门定位器中；实现复杂控制功能时，将PID控制模块放在DCS的控制器中。在DCS的一个控制模块（Module)中只组态一个控制实体（entity),写现场总线参数时仅写有变化的参数，节约NVM资源，将外部参数引入到现场总线设备的数量减到最小，因为跨功能块，跨网段

数据会增加通讯量。。General

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Foundation303）现场总线段的功能块设置规定为限制一个现场总线网段上的通信量，一个总线网段设计不应超过2个控制回路。在一个现场总线网段上，功能块总运行周期时间0.25秒的现场总线设备

过3台。模拟输入块（AI）始终在变送器上。模拟输出块（AO）始终在调节阀

上。PID控制功能块：标准的单PID控制回路，PID功能块设置在调节阀上。操作员仍然可以通过面板手动操作调节阀。对于串级控制回路，主回路控制PID功能块在DCS控制器执行，副回路控制PID功能块在调节阀

上执行。复杂回路控制PID功能块在DCS控制器中执行。计算和逻辑的功能块在DCS控制器中执行，General

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Foundation313.现场总线回路的测试现场总线是通过频率信号传递信息，为确保现场总线回路正常运行，在现场总线回路安装之后应进行严格的测试，确保总线电缆线的正确连接，对地绝缘良好以及电气性能（电阻，电容，电感）指标等是十分重要的。总线电缆的电阻，电容和绝缘测试直流电压检查波形测试General

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Foundation324

调试FF总线设备连接和调试FF总线设备，首先应分配总线网段地址，以

便DCS系统能

它。可以采用资源管理器(Explorer）来调试设备。在调试过程中，必须使现场FF设备中的参数和DCS中组态的相同位号FF设备的参数一致。设

备调试后再将该参数下装到现场设备中。步骤如下：

1）将FF总线现场设备连接到总线电缆检查新安装的总线设备的参数确认总线设备处于备用状态现场总线设备内的参数上载到DCS中组态并

到FF现场设备General

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Foundation33General

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Foundation345

FF现场总线使用中出现的问题分析在回路调试和开车过程中，FF现场总线回路使用情况基本正常。FF总线的通讯速度是能够满足化工装置各种复杂控制回路的调节速度要求。FF现场总线设备工作稳定，性能好。在回路调试和开车运行中也出现一些问题：在DCS的资源管理器上发现一些总线网段上有故障标记，这表示在这个网段上存在FF现场设备不正常情况，如通讯不正常，总线现场设备丢失