浅谈FF现场总线技术在海洋石油平台上的应用

2014-12-12杨希桐

中国科技纵横 2014年13期

关键词：网段示例分支

杨希桐

(天津市禾厘油气技术有限公司,天津 300540)

浅谈FF现场总线技术在海洋石油平台上的应用

杨希桐

(天津市禾厘油气技术有限公司,天津 300540)

现场总线是八十年代末在国际上发展起来的用于过程自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。在众多的现场总线技术中,由现场总线基金会组织(Fieldbus Foundation,即FF)开发的基金会现场总线(以下简称“FF现场总线”)在过程自动化领域中得到了广泛的应用。FF现场总线是一项较新的技术,尤其是在我国海洋石油工程领域的应用,还相对较少,2002年中国海洋石油总公司才首次提出将FF现场总线技术应用于旅大油田开发项目。因此本文从理论联系实际应用的角度进行介绍,以便海洋石油工程相关人员了解这项技术。

FF现场总线网段拓扑 H1 HSE

以FF现场总线为信息通道构成了一种全分布式的自动化系统,其主要功能是对工业生产过程进行测量、信号变送、控制等。FF于1996年颁布了低速总线Hl标准,H1用于描述通信速率为31.25kb/s的现场总线网络。为实现自动控制系统的控制功能,在H1和HSE(高速以太网)应用层之上增加了用户层。用户层包括了FF所定义的标准化的功能块和功能块应用进程,构成了自动化控制系统中实现控制功能的主要部分。

1 FF现场总线技术简介

FF现场总线的网络系统架构如图1所示,在低速H1网段上挂接多个现场总线设备,完成现场的智能化仪表、控制器、执行机构、分散I/O等设备间的数字通信以及与控制系统间的信息传递。完整的H1网络的基本构成部件有现场总线接口、终端器、总线电源、本质安全栅、现场设备、中继器、网桥、传输介质等,每个分支通过链路设备连接到FF总线HSE高速网段,数据通过HSE网络传输到各个服务器,进行数据处理。

2 FF现场总线的拓扑结构

现场总线拓扑结构根据工程要求,可采用不同的形式,比如点对点、树型、分支或组合拓朴结构,不建议采用菊花链拓朴形式。

2.1 点对点拓扑结构

该拓朴由只包含两个设备的网络组成。网络可以完全位于现场(如变送器和阀门,两台设备之上无任何连接)或是与主系统连接的现场设备(负责控制或监视)。

不要采用图2所示的拓朴结构。除非是如下列出的特例,它是一种不经济的方案。简单的点对点(主机和每个总线的一个设备)不会常用,因为它每段只有一个测量或者控制设备,如同在传统控制4～20mA时那样,同每个具有多个设备的总线段相比没有优点。

2.2 树形拓扑

树型拓朴网络由单个与公共接线盒相连的独立现场总线总线组成。该拓朴可用于主干线电缆的末端。如果同一网段上的设备彼此分离,但仍然在接线盒的总区域范围之内,该拓朴是一种可行的方案。采用该拓朴时,必须考虑分支的最大长度。树型拓朴结构如图3所示。对现有电缆再利用时,这是首选的拓朴结构,因为它类似于传统的安装方式,并且可以充分利用已有的基本设施。在组态和分配网络/网段设备时,该拓朴具有最大的灵活性。树型拓朴适用于如下场合:改造项目,现场设备密度高的特定区域,采用高速以太网(HSE)。

图1 FF分布式结构

图2 点到点拓扑示例

图3 树形拓扑示例

图4 分支拓扑示例

图5 混合拓扑示例

图6 菊花链拓扑示例

2.3 分支拓扑

现场总线设备通过一根称之为分支的电缆与多站式总线网段连接,构成该拓朴。从技术角度看,该拓朴可行,但通常不是一种经济的方案。支线的长度可以从lm到l20m,长度小于1m的支线看作是一个接头,如图4所示。对于首次安装,并且设备密度较低的区域,应采用带分支的总线拓朴。分支应通过限流装置(30mA,或按特定分支上设备的相应需要)与总线连接,从而提供短路保护。

2.4 混合拓扑

上述几种拓朴混合使用时(如图5所示,即为混合拓扑),必须遵循现场总线网络/网段最大长度的所有规则,包括总长度中分支长度的计算。

2.5 菊花链拓扑

这种联接方式,在一个段中现场总线电缆从一台设备走到另一台设备,在每个现场设备的端子上互连。使用这种拓扑安装应该使用联接器或一种接线方式,使得一台设备的接线断了不会影响整个段的工作。该拓朴由设备到设备的网络/网段组成,连接位于现场设备的端部。菊花链拓朴如图6所示。不采用菊花链拓朴的原因在于:运行状态下,如果不中断其他设备的服务,不能从网络/网段上添加或删除设备,不适合于维护。

3 FF型现场总线仪表在海洋石油平台上的应用

海洋石油平台的控制系统包括:过程控制系统(PCS)、紧急关断系统(ESD)和火气探测系统(Famp;G)。其PCS采用FF现场总线控制系统,H1采用FF现场总线,H2采用HSE 100M以太网。ESD采用安全仪表(SIS)控制系统,Famp;G采用专用的火/气控制系统。常见工艺图纸中所示PCS系统仪表(比如:)均标有FF字样标志,为FF现场总线型仪表。设计人员应根据仪表控制系统的要求,采用合适的拓扑结构,组成FF现场总线控制系统。