基金会现场总线技术在石化装置中的应用

唐孟

（中科合成油工程有限公司，北京101407）

基金会现场总线（FF）技术是近10年来基于数字通信技术与网络技术的发展而产生的新型集散控制系统的通信技术，总线技术在形式上主要有FF，Profibus总线结构等。近年来，总线技术在国内氮肥、甲醇、合成油行业中开始运用［1－5］，取得了良好的效果。笔者通过近期国内引进费托合成油装置上运用的一个实例，来阐述FF的一些特点以及设计时需要注意的事项。

1 概 述

区别于常规分散型控制系统的模拟技术，FF是一种对于仪表以及其他工厂自动化设备具有数字化、双向、多结点的通信系统。其主要特点是现场仪表为总线型仪表，可以运行常规的PID控制；通信速率为31.25Kbit／s等。文中主要结合FF技术的一些特点进行介绍。

2 现场总线技术与常规控制技术的区别

常规DCS结构与FF结构如图1所示。因此，可以看出FF总线技术有以下优点：FF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控制功能高度分散化；FF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。

图1 FF技术与常规技术的比较

3 总线的网段设计

网段设计要解决的问题是确定网段的拓朴结构、主干线和分支的电缆长度、现场仪表挂接数量、防爆的解决方案、防雷和防浪涌的解决方案、接地方案等。网段设计不仅关系到网络运行的可靠性、工厂的安全性，而且直接影响建设成本和今后维护的成本。

3.1 网段设计

FF现场总线的网段拓扑结构一般有树形拓扑、分支形拓扑、组合形拓朴、菊花链拓朴等结构。基金会建议所有主干线和分支的连接都在接线盒中完成，目前多采用树形结构，俗称“鸡爪形”结构，而菊花链拓朴结构由于维护不便，基金会组织不推荐采用。

利用三通接线盒（即所谓T形头）从主干线上引出分支的拓朴结构称为分支形拓朴结构，这是现场总线应用初期被广泛采用的拓朴结构，并延用至今。其优点是分支比较短，节省电缆；缺点是主干线被反复截断，且附件设备数量众多，使施工和维护困难，也不利于获得系统的高可靠性。通常只用于现场仪表特别分散的场合。

在网段的终端设置1个接线箱用以连接所有的分支，这种结构称为树形拓朴结构。其突出的优点是结构简单，附件数量最少，施工和维护容易，建设成本相对较低。只是当现场仪表很分散的时候，采用这种结构将使分支电缆长度增加。因此比较适合现场仪表安装相对密集的场合。

组合形拓朴结构是在主干线上设置若干个接线箱，如2～4个，每个接线箱挂接4，6或8个分支，这也是当前比较流行的拓朴结构。其特点是接线箱的布置比较灵活，分支电缆的长度不会太长。同时供应商可提供标准化、批量生产的成形产品，工程和施工管理相对容易，建设成本也比较低。

理论上，总线系统采用A形电缆时，其主干和分支电缆之和不能超过1 900m，对于本质安全Entity认证的网段，分支和主干线电缆长度除了不应该超出上述建议值外，还必须依照本安认证参数对电缆的总电容和电感的验算。对于本质安全FISCO认证的网段，主干线和分支电缆的长度之和不得超过1 000m，同时分支电缆长度不得超过30m。

3.2 FF现场总线系统的防爆方案

FF在总线技术的应用中，确定防爆方案是网段设计的重要内容。理论上，传统非总线仪表的防爆方法都可以按照相同的标准应用到现场总线仪表上。近年来，现场总线技术的三种防爆方法：隔爆型（Ex d）、本质安全型（Ex i）和无火花型（Ex nL）。其中，从容错安全性和带电拆装、维护作业的安全性考虑，更推荐本质安全型防爆方法。

a）隔爆型现场仪表的典型认证为EEx d IIC T4－T6或EEx de IIC T4－T6。此时，FF配电单元可采用高可靠性的FF电源调节器或冗余的配电模块，满足用户对FF配电可靠性的要求。

应用于危险区Zone 1（或Division 1）时，主干线和分支应采用增安型防爆，接线盒采用EEx me IIC T4认证；应用于危险区Zone 2（或Division 2）时，主干线和分支可采用无火花型防爆，接线盒则采用EEx nA［L］IIC T4认证。

第三，专业合作社法人。《江苏省农民专业合作社条例》第十三条规定，农民可以以量化到自己名下的资产为份额来进行出资，从而设立农民专业合作社。这里确实给了明确的定位——直接登记为合作社，但是这种做法是否符合大众的实际情况，还是值得商榷的。

当现场仪表采用隔爆型防爆时，仪表不可在未经特许的情况下带电拆装和维护作业。

b）本安型现场仪表的典型认证为EEx ia IIC T4－T6，有Entity认证和FISCO认证之分。此时，若主干线和分支同样采用本安防爆，则在控制室安全区内应配备本安认证的FF电源，Entity认证或FISCO认证。接线盒也必须本安认证。主干线本安防爆的好处是主干线和分支及现场仪表一样都可以带电操作，但同时也存在如下不足：

1）本安防爆的FF电源可靠性不高（MTBF通常不到100年），且不支持冗余。

2）Entity现场仪表挂在Entity电源上，FISCO现场仪表必须挂在FISCO电源上，给仪表的选型带来额外限制。

3）由于本安系统限制了电源的能量，挂接仪表的数量受限。如Entity网段可挂接3～4台仪表，FISCO网段可挂接6台。应用既不方便，成本又高。

为克服上述不足，现场总线基金会在应用指南《AG－163Revision 2.0》中推荐了增安型防爆主干线，本安型防爆分支的解决方案。该方案的核心是采用EEx me［ia］IIC T4认证的现场总线安全栅Fieldbarrier，可安装在危险区Zone 1／2。采用增安型防爆的主干线使得网段可以采用高可靠性的配电方案，并为网段提供足够的能量以挂接足够多的现场仪表。独立的本安分支使得Entity和FISCO认证的现场仪表可以挂接在同一个主干线上。

c）无火花型现场仪表的典型认证为EEx nL IIC T4－T6。无火花型防爆只可应用在危险区Zone 2（或Division 2）。实际应用时，主干线采用EEx nA防爆，分支采用EEx nL防爆。接线盒认证为EEx nA［L］IIC T4。由于这种防爆方案应用成本最低，而工厂中Zone 2的范围远大于Zone 1和Zone 0，故无火花防爆方案的应用受到用户的普遍欢迎。

4 FF总线技术在化工装置中的应用

在国内引进美国Syntroleum合成油中试装置中，由于美国原装置中采用了FF技术，因而保留了原有的FF技术架构，并利用近几年FF新技术对其进行了改造。

根据目前装置特点及FF总线技术实际应用经验，合成油装置中采用分散型控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）混合方案，该装置应用FF总线技术有以下一些要点：

a）该装置的PID及控制策略均设置在控制器中，并对关键设备进行冗余处理，如控制器、H1卡、总线电源等。

b）SIS，PLC等系统和成套设备包控制系统不采用总线技术。

c）非SIL的逻辑功能（如工艺联锁、顺序控制、批量控制和马达监控等）在DCS中实现。非SIL的ON／OFF阀的阀位信号原设计采用848L数字量总线结构，由于这种产品已经停产，因而取消原设计方案，采用常规方式直接进入数字量I／O卡。

d）部分特殊仪表（如在线分析仪、脉冲输出流量计、放射性仪表、特殊液位计、转速仪表、振动／位移仪表及称重仪等）目前尚无符合总线技术的产品，采用常规方式。

e）网段的电源调整器为28V直流供电，并且通过一个核准的波动小于0.1V的电源转换单元提供，电源应该对地隔离。

f）现场总线采用“鸡爪形”的拓扑结构，每个网段仅有1个“鸡爪”，最多带有12个现场设备。为了保持原设计的接线方式，每一个网段采用1个总线接线箱，搬迁及利旧仪表采用隔爆式的供电方式，新增及补充仪表采用无火花（FNICO）方式供电。

g）为了节省投资，总线网段平均每8台仪表一个网段，其中控制回路不能超过2个回路，原设计中有些网段挂的控制回路超过了2个。

综上所述，对原合成油装置控制系统的改造是成功的，但是这些设计问题在其他化工装置中也是需要注意的。在化工装置设计中，仍然需要考虑网段、防爆方案以及总线电源的设计，并且上述内容是FF技术的核心，适用于所有化工装置。

5 FF总线技术与常规技术的投资比较

该合成油中试装置的应用表明：当节点的利用率达到8台／节点时，仪表电缆采用国产总线电缆时，仪表投资能减少17%左右，即采用FF总线技术，是降低建设投资的关键要素。除了节省投资，FF总线的优势在于信息化和智能化，它可以最大限度地提高资产设备管理系统（AMS）软件及其他一些诊断设备的效率。

6 结束语

目前国内对FF总线技术认识的基础是现场总线基金会于2004年8月发布的FOUNDATIONTMFieldbus System Engineering Guidelines （AG－181）Revision 2.0。该指南经过两次升级，2009年1月升级为3.0版，2010年3月升级为3.1版。在3.X版中增加了一章“FOUNDATION Fieldbus Project Requirements”，对于FF项目的需求做了详细的描述。

因此，总线方案的应用，应当综合考虑投资、人员培训的投入、调试人员的熟练程度、操作人员对总线系统的掌握程度等。虽然在一次性投资上能够比常规控制系统节省，但是综合维护和培训的投资上并不节省。现场总线系统和总线型仪表的操作和维护与常规的仪表不同，如果使用方没有相关的总线系统或仪表的使用经验，还需要花费大量的资金进行培训和学习，这部分属于隐性投资，需要决策者综合考虑。

FF总线技术从观念到结构都是超前的，虽然在中国已经发展了十多年的时间，但是仍然难以全面替代常规DCS。通过运用FF总线技术及对总线技术在调试和运行上总结的一些经验，随着科技的进步，不久的将来，FF总线技术会有发展的良好前景。

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