基于現場總線技術的 DCS 應用

(4) 辦公網絡層

生產網經過防火墻與辦公網共享生產信息和集團網絡連接實現集團內信息共享，實現設備維修管理信息、生產數據、庫存管理等生產資源的調配和管控一體化。

3 現場總線設備在裝置中的應用及項目設計要求

基于工廠管控網技術的 DeltaV 系統能夠很好地兼容來自各種現場總線設備。本裝置的智能控制設備如馬達、變頻馬達控制器全部采用 Profibus DP 設備，智能傳感器、變送器等測量儀表、閥門執行機構則采用FF 現場總線，對于涉及到安全系統的儀表，則全部采用 HART 協議儀表。以下是項目中的 FF 現場總線設備和 DP 設備的特點及設計應用要求。

3.1 基金會現場總線的應用與設計基礎

在碳酸二苯酯裝置改造擴建項目中，對現場總線設備的選用有明確的要求，必須是經過測試的證實個體故障發生時對整個段內的其他設備無影響。該項目采用的 FF 現場總線設備主要有薩姆森(SAMSON)智能執行機構、E + H(Endress + Hauser)、西門子(Sie-mens)、威卡(WIKA)、泰科(TYCO)等供應商的壓力、液位、溫度、流量變送器，FF 現場總線網段共 220 個，平均每個網段掛 5. 3 臺 FF 總線設備。在 FF 現場總線設計、組態過程中，嚴格遵守如下規定:

(1)現場總線最大允許長度與電纜類型、網段的拓撲結構及本質安全要求等因素有關。本項目中 FF現場總線的通信速率采用 31. 25 kbit/s，現場總線電纜采用 18 AWG(A 型)屏蔽電纜，相應的性能參數見表 2。該類型的總線電纜在沒有中繼器時的最大總長度為 1 900 m，分支電纜的長度為 30 ～ 120 m。每個Segment 現場總線電纜總長度是所有支線電纜長度的總和加上干線電纜長度。每個 Segment 現場總線電纜總長度要依據總線供電設備的容量，是否采用本安回路、網段總的功率負載、線上壓降等進行計算。盡量降低通信負荷，FF 現場總線網段的設計必須滿足:每個非本安網段(Segment)掛設備數量不超過 8;每個本安網段掛接設備不超過 4 個;其中執行機構最多 2 個，在沒有變送器的網段上可掛接 3 個執行機構;每個網段上保留 20%的備用量;同一回路的測量、執行器放在同一網段內。

表 2 現場總線電纜性能參數表

(2) 現場總線設備如果安裝在 I 區，總線供電電源要采用有安全柵功能的接線盒。總線可以直接給連接在該總線上的低功耗總線設備供電，但是對于一些高功耗的總線設備則需要采用單獨的供電回路。

對于連接在本安現場總線需要總線供電的總線設備，考慮到本質安全總線上供電電流的有限性，在設計中要采用低功耗的現場總線設備。

需要采用單獨供電的總線回路中的供電設備要采用特殊的防爆措施進行有效地隔離，以保證外部供電電源和總線設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移到本安總線上，以確保單獨供電設備和總線上的所有現場總線設備在危險區的安全使用。

(3) 網段拓樸結構，項目設計中現場總線設備的現場安裝位置按所屬單元分布比較集中，適合采用樹形拓撲結構。樹型拓撲網絡結構是由多個智能設備與公共接線箱連接的多條獨立現場總線支線組合而成的結構，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，以確保總線的可靠性要求。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柜側的接地端子上接地，電纜對地絕緣良好，這一點對 FF 總線設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功能以確保通信信號不受干擾。樹型拓樸結構如圖 2 所示。

圖 2 樹型拓樸結構

3.2 Profibus DP 總線的應用及設計基礎

項目中所有的轉動設備控制均采用 SIEMENS 的Profibus DP 總線智能設備 SIMOCODE 馬達控制器和VFD - G120、VFD - G150 變頻馬達控制器，這種方案大大地增強了 DCS 對現場馬達控制的操作與監控，在

項目設計時，主要遵循以下幾點要求:

(1) 現場馬達的控制設備采用的 SIMOCODE 控制模塊安裝在馬達控制中心(MCC)的機柜內，每一個MCC 機柜都設計一個 DP 中繼器和一排終端集線器，在每個段上的最后一個總線設備都安裝終端電阻，根據 DP 設備網絡圖，同一個網段上的 MCC 機柜通過中繼器連接到一起，與本網段上的 DP 通信卡連接。每個 MCC 柜內的中繼器用來分開子網段，當一個子網段發生故障時不會影響同一個 DP 卡上的其他的子網段。

(2) DCS 對馬達控制信號如啟動/停止信號、變頻器的轉速信號及轉速設定值、馬達的運行信號、電流過載及其他故障信號、功率信號等都由 Profibus 通信實現。但對于由 DCS 緊急停止馬達的控制，則由 DCS的 DO 輸出，通過硬接線到 MCC 柜實現。

(3) 依據設計要求，現場要求安裝啟動/停止操作柱及遠程和就地選擇開關，當開關撥到就地控制時，馬達啟動只能在現場啟動，當撥至遠程控制位時，由DCS 啟動。而停止馬達不受開關位置限制，就地和DCS 都可以在任何時候停止馬達的運行，該方案大大提高了馬達控制的靈活性和安全性。通過編程，可以實現 DCS 遠程自動啟動馬達，而當出現緊急故障時，根據當時的情況既可以通過現場操作柱也可以通過DCS 發出停止馬達命令。

(4)DP 數據傳輸速率設置為 500 kbit / s，在不使用中繼器的情況下一個網段的最大傳輸距離是400 m。在通信過程中阻抗不連續和阻抗不匹配都會導致信號反射，導致通信質量和通信距離的降低。為了消除在通信電纜中的信號反射，確保總線上的設備無差錯的運行，必須確保接線質量，嚴格設置每個物理網段中的各個節點設備的終端電阻，如圖3，網段中間站點的終端電阻要打到 OFF 位置，網段兩頭的終端電阻要打到ON 的位置。