引言

蘇丹穆格萊德油田是由中國、馬來西亞、加拿大和蘇丹四方聯合體共同投資開發建設的大型油田，由8個衛星油田組成，年產量1 500萬t。油田地面生產設施中心處理廠控制系統采用了ABB公司的基金會（FF-Foundation Fieldbus）現場總線控制系統（FCS-FieldbusC ontrolSy stem）。現場 總 線 是一種工業數據總線，是自動化領域中計算機通信系統最底層的低成本網絡。根據國際電工委員會IEC61158標準定義：現場總線是指安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線，具有全數字化、全分布、雙向傳輸、自診斷、低成本、開放性、互操作性、智能化等特點，在石油石化等領域獲得了非常成功的應用。根據組織該項目控制系統安裝、組態和試運的經驗，介紹該裝置現場總線控制系統的體系結構、安裝要點、組態和調試方法，以供同行參考。

1、 油田地面生產設施控制系統的體系結構

中心處理廠控制系統所選設備如下：現 場 總 線儀表：2600T- Series， 600T- EN，TF202EX， TZID -C 120等；集成安全柵：M204；鏈路設備：LD800HSE；中央控制器：AC800FR；以太網卡：E1803；現場總線網卡：F1840；集線器：RS2 FX/FX；電纜和多模光纜：UTP-5，多體模式。

2、 系統的安裝

總線系統安裝工作主要包括總線電纜安裝和相關部件的選擇與集成。

現場總線既是電源線，又是信號線，為了確保電纜的覆蓋距離和所掛現場總線設備的數量以及系統的穩定性和可靠性，除了選擇低功耗的現場設備和符合IEC61158-2推薦的電纜型號、采用中繼器、提高供電電壓外，還在安裝時采用防噪抗噪的措施。主要有：使用屏蔽雙絞電纜且屏蔽層應至少覆蓋電纜總長度的90%，在電纜接線時，電纜無屏蔽的部分或不成為雙絞的部分應小于總長度的2%，或小于8m，以長度短的為準；屏蔽層只能一點接地；支線和干線的屏蔽層應相連；存在高頻干擾時，應采用電容接地；信號電纜應與噪聲源隔離，現場總線信號和非現場總線信號不能同存于一根多芯電纜中；電纜敷設盡量不要交叉，無法避免時，應保證正確的交叉角度。

終端器是一個非常簡單的器件，它本身并不通信。其功能一是防止因信號反射引起通信出錯；二是把發射信號設備所產生的電流變化轉換為跨在整個網絡上的電壓變化，使網絡上的所有設備都能獲取這個信號。網絡由一個或多個網段組成，終端器應裝在網段兩端，一端一個，否則網絡無法工作。

中繼器是雙向電隔離器件，用來連接若干網段以形成一個較大網絡，其功能就是對輸入信號同步刷新并放大其電平，以克服信號沿信號線的衰減，網絡上的兩個設備之間最多不能超過4個中繼器。本質安全是指通過限制危險區內的能量來防止電氣故障引起爆炸的方法。使用的安全柵必須符合IEC61158的規定，并通過法定機關的本質安全認證。每個危險區的網段只能安裝一個安全柵，不能冗余。一個通信端口只能連接一個安全柵，為了充分的利用通信端口，可采用內置中繼器的安全柵。從通信端口到安全柵只需引出一根安全區網段，每個安全柵都可以引出一根危險區網段，這樣就構成了一個大網絡。穩壓電源按照IEC61158-2國際電工委員會的規定，電源必須有輸出阻抗，否則就會使通信信號短路，傳統電源在系統中不能直接使用，因為輸出阻抗幾乎為零。本項目沒有采用以上分體元器件，而是將終端器、中繼器、電源都集成到安全柵中。

鏈路設備通過高速主站級網絡直接與主站連接，鏈路設備作為信息的緩沖器以兼顧兩個級別網絡之間不同的傳輸速度。成為H1段現場設備和HSE段高速主站之間的網關，本項目使用的鏈路設備是LD800HSE，每個鏈路設備可同時連接4個H1網段。為提高系統有效性，整個體系結構都采用了冗余方案。

3、系統組態

系統組態包括網絡組態、設備組態和控制策略組態3個方面，使用的工程工具是CBF 7.1。該工具支持的組態方式有離線和在線兩種，并可以永久地與所有現場儀表連接。網絡組態主要為鏈路設備和通信端口分配網絡和設置通信參數，這些工作基本上由組態工具自動完成。在線組態需要考慮參數的修改對生產過程的影響，方法與離線完全一樣。下面介紹離線方式下設備組態和策略組態。

3.1 設備組態

設備組態主要是選擇現場總線級設備和主站級設備，配置所選設備的資源塊和轉換塊，設置資源塊和轉換塊的參數。每個設備必須配置一個資源塊、一個或多個轉換塊以及若干功能塊。當設備接人網絡時，為保證設備組態與對應設備正確關聯，必須為系統中眾多設備模塊賦予位號標識，同一模塊的位號標識最多由32位字符組成，且不能重復，賦予位號標識的原則是，對照過程和儀表流程圖（P&I D ），使資源塊的位號與物理設備的位號相同，讓轉換塊的位號與功能塊的位號一致，‘并加上后綴。選用的設備最好支持功能塊動態實例化，使得在系統中既使用標準功能塊，也使用包含增強特征的擴展功能塊，提高系統互操作性。每個設備必須配置一個資源塊。資源塊包含設備的整體信息，如診斷、校準、設備檔案等信息，負責對物理傳感器和執行器接口。資源塊中沒有輸入輸出的參數，即資源塊中的參數都是內含參數，不能進行鏈接，只能用于模塊的設置、操作和診斷，這些參數值可以由用戶設定，也可以由模塊自己設定。對于多數設備，資源塊組態只需設置很少的參數，如模塊模式參數，有時也設置特性選擇參數、故障安全參數和清除故障安全參數等。通常資源塊的目標模式設為自動。每個設備都須配置一個或多個轉換塊，它是物理1/0硬件和功能塊之間的接口，因此，與1/0硬件相關的安裝，如傳感器和執行器類型的選擇和校驗、布線等，可以通過設置與每個輸入輸出相對應的轉換塊參數來完成，輸入和輸出轉換塊分別與輸入和輸出類功能塊相關聯。通過設置輸入輸出類功能塊I/0硬件通道的參數，使同一設備中的功能塊和轉換塊相關聯。轉換塊有3種類型：輸入、輸出和顯示。轉換塊中的所有參數都是內含參數，不能進行鏈接，只能由用戶設置或設備自動配置。如同資源塊組態一樣，轉換塊組態需要設置的參數也很少，一般只有模塊模式參數。

3.2 控制策略組態

控制策略組態是對照過程及儀表流程示意圖（P&ID）中的過程控制和過程監測方案，選擇適合的功能模塊，根據控制和監測方案的要求，設置已選擇功能塊參數，在考慮功能塊運行宏周期后，將選擇的功能塊鏈接起來的過程。控制策略的組織是根據它所控制的運行裝置進行的，而不是根據布線時連接在一起的儀表。

功能塊的選擇：本項目中可供選擇的功能塊種類有：輸入類、控制類、計算類和輸出類。

鏈接的概念：從輸出參數到輸入參數，功能塊彼此鏈接。鏈路中既包括參數數值，又包括參數狀態。不同設備間功能塊的鏈接，稱之為外部鏈接，通過網絡通信實現同一設備上功能塊的鏈接，稱之為內部鏈接，該鏈接不需通過總線進行通信，會立即完成并且不占用網絡帶寬。所以，在將功能塊分配到設備時，盡可能將功能塊安排在一個設備中，使鏈路存在于設備內部，從而減少鏈路通信時間。鏈接有3種：非串級向前、串級向前、串級向后，向前鏈路源頭的模塊被稱為高端或上游模塊，接收向前鏈路的模塊被稱為低端或下游模塊。基金會中串級是指從其他功能塊接收設定點信號的任何類型的功能塊，與傳遞上游模塊輸出到下游模塊串級設定點的串級向前相關聯，是從下游模塊反饋到設定點源頭的向后反饋鏈路，反饋鏈路起自回算輸出，中止于回算輸入。向前和向后串級鏈路通稱為串級結構。

功能塊參數的設置主要針對如下功能塊：

（1） 輸入類功能塊：輸入類模塊通過轉換塊中的一個硬件通道訪問現場物理設備，如壓力、溫度、液位或流量變送器等，獲得其對應基本數值，并將對應數值提供給其他功能塊使用。AI模塊完成通道的配置、仿真、阻尼和過程變量報警。根據信號類型和處理要求，輸入功能塊可能的組態是設置如下參數：通道參數、模塊模式參數、過程變量過濾時間參數、線性化類型參數、轉換器刻度參數、輸出刻度參數、狀態選項參數等。

（2） 控制類功能塊：控制類功能塊從其他功能塊接收輸入并進行處理，為其他功能塊產生輸出。該類功能塊既有設定點選擇，又有輸出選擇，并支持串級結構。該模塊一般具有過濾、設定點選擇和限幅、PID算法、輸出選擇和限幅、前饋、設定點跟蹤、輸出跟蹤以及過程變量和偏差報警等。根據控制策略，控制功能塊可能的組態是設置如下參數：模塊模式參數、過程變量過濾時間參數、回算輸出參數、過程變量刻度參數、輸出刻度參數、前饋變量刻度參數、控制選項參數、模式遷移旁路參數等。

（3）計算類功能塊：計算類功能塊從其他功能塊接收輸入并進行處理，為其他功能塊產生輸出。它支持輸出選擇，但不支持串級結構，根據計算的函數不同，計算功能塊有不同的參數，其組態也不同，但一般模塊模式都設為自動。

（4）輸出類功能塊：輸出類功能塊從其他功能塊接收設定點輸入，可能對數值進行處理，然后通過轉換塊中的硬件通道傳遞給閥門定位器、電氣轉換器等物理輸出設備。輸出類功能塊有設定點選擇。它提供許多用戶對定位器所希望的功能，如限幅、信號反轉、實際位置讀回、仿真以及故障安全的功能。根據控制策略和使用的輸出設備的類型，其可能組態是如下參數的設置：模塊模式參數、通道參數、1/0選項參數、故障安全時間參數、故障狀態值、過程變量刻度參數、轉換器刻度、輸出刻度參數、模式遷移選項等。

4 、系統調試

鏈路設備自動管理每一個網絡上所有設備的地址，只要設備接人網絡，鏈路設備就自動對其進行檢測，只要設備接人的網絡正確并正常工作，該設備就會與同一網絡的其他設備顯示在網絡的在線設備列表中。現場總線設備組態數據庫是以用戶定義的設備位號為基礎準備的，與特定的物理設備沒有任何關系，連接在網絡上的物理設備必須與它相關聯的組態結合才能正常的工作，結合方式為：每一個現場總線設備都有一個唯一的32位字符的設備標識符，它是設備的硬件地址，如同以太網卡的MAC地址，由制造廠設定在線路板上，唯一且不可更改。只要設備接人網絡，設備標識符就會被取到在線設備列表中，設備的位號也是在制造廠預組態的，只要設備組態的位號和其策略組態的位號與設備制造廠預組態的位號一致，該現場設備就會與其組態關聯。完成了設備及其位號的關聯后，下載組態文件。組態文件正確下載后，進行回路檢查和現場儀表校驗。現場總線設備的校驗在控制室進行。包括輸入校驗和輸出校驗。

輸入校驗：將一個已知的標準信號值加到變送器，并將該值寫人輸入類轉換塊的高低校準點參數中，低點值不一定低于高點值，如在液位測量中的量程遷移。測量范圍的設置是在PID或AI等功能塊的轉換器刻度參數中進行，傳感器校準最小量程可從轉換模塊的校準最小量程參數中查詢，校準點數值的單位在轉換模塊的校準點單位參數中選擇。

輸出校驗：輸出校驗是強制電氣閥門定位器、信號轉換器等執行機構的轉換塊輸出，在自校驗類型參數中選擇校驗類型，在自校驗命令參數中啟動校驗命令。由于總線閥門定位器具有自動安裝特性，定位器可自動使閥門做一次全行程全關和全開動作。除此之外，也需校驗回路的故障安全性能。

低端和高端的校驗點，無論是輸入校驗，還是輸出校驗，都互不干擾，無須反復校驗。為留下校準記錄，可以在設備中存儲并驗證有關數據，包括日期、地點、使用方法以及校準人員等。

總之，現場總線控制系統與成熟的DCS系統比較，安裝更方便，組態更靈活，調試更簡單。

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