基金会现场总线仪表与系统的调试

2015-01-13柴占杰

化工自动化及仪表 2015年7期

柴占杰

(惠生工程(中国)有限公司，武汉 201210)

目前，国内外有关基金会现场总线(FF)仪表与系统的调试标准和规范还未形成，在项目施工过程中，在此类仪表与系统的调试过程中，设计方、施工方和系统厂家的明确和细化分工，将有利于项目的顺利实施。笔者以突尼斯36万t/a浓缩磷酸项目为例，介绍有关基金会现场总线仪表与系统的调试内容和过程，给出了具体的调试方法和程序。

突尼斯磷酸项目位于地中海沿岸，设计为年产36万t浓缩磷酸，笔者参与了该项目的设计、采购、现场施工、调试和开车的全过程。该项目采用基金会现场总线技术，H1层采用符合IEC 61158-2标准的现场总线物理层，其传输波特率为31.25kbit/s，H1层以网段为单位，同一网段内的现场设备用一根总线连接至总线接口卡(FIM)，主干电缆两端配置终端器，分别设置在现场的总线接线箱和机柜内的FF电源调节器，现场设备/仪表、FF电缆、FIM卡、FF电源调节器及接线箱等共同构成了FF的H1网段[1]，该项目共有总线仪表410块，划分为56个网段；H2则采用高速以太网为其物理层(又称HSE)，H2层采用Honeywell的FTE网络，其网络架构如图1所示。

从总线的组织结构来看，FF总线采取一对多的连接方式，双向传输信号，现场仪表直接接至FIM卡，比传统DCS现场仪表和控制器之间一对一的连接节省了大量电缆、IO卡件、接线端子和机柜空间[2]。控制功能也可由现场仪表实现，FF仪表通过功能块的组态在现场完成监视、报警、PID控制、串级控制及比例控制等，而仪表状态和故障诊断信息可自主发送到工程师站和操作站，实现真正的控制分散。比传统DCS通过控制器冗余配置实现分散控制更加可靠彻底。但由于FF总线的特点，H1层除总线接口卡、电源和电源调节器外无法实现真正的网段冗余，在该项目中FF电源调节器也只是一种配置冗余，而不是在线冗余，因为一个网段中一个时刻只能有两个终端器，这就降低了应用的可靠性。

图1 现场总线H2层网络架构示意图

从H1层的现场施工来看，电缆敷设和接线的工作大幅减少，施工也非常方便，无需专门的机具。该项目两万多米总线电缆两个作业组共12个人不到4天全部敷设完毕。

2 FF仪表调试与系统联调

该项目中的FF仪表数量不算多，但施工单位对FF调试工具准备不足、缺乏有经验的FF调试人员，这给仪表调试工作带来了难题。

在H1网段中，FF仪表作为访问对象，有工程师站或调试设备通过在线或离线两种方式接入，完成网段地址设置、位号设置、量程设定及功能块组态等初始化工作；在链路层，通过链路活动调度器(LAS)分配获取周期和非周期通信时间的令牌，按照预先设置发送或接收信息并处理该信息，具备一定的自主性，这与传统仪表有明显不同，传统仪表只能在物理层被动地发送或接收信号，而自身并不明晰传输信号的意义和对错，完全取决于控制器的解释和控制，是层次很低的信息处理方式。要保证FF仪表可靠工作，除了进行检测元件测量测试、变送器或转换器正常工作测试、FF通信模块测试外，为满足FF规定的互操作性测试，还要进行不同FF仪表间的通信测试，通过调试设备或工程师站进行，以保证不同厂家间的仪表备换和同一控制回路仪表间的通信。可见，FF仪表比传统仪表的调试更为复杂严格。具体步骤如下：

a. 通过手操器(如支持FF的Hart375/475，手操器一定要取得FF认证并获取FF Licence，该项目就出现了这个问题，现场无法调试而带回国内重新升级认证)完成仪表内部参数的读取、初始值的设定(量程、位号、缺省地址)、功能块的访问，为组态做准备。

b. 仪表安装完成后，由控制主机下载组态信息，分配永久地址，完成监视、报警、控制方式的组态，手操器在现场协助组态工作，调试过程中有两个文件非常重要——DD文件和CFF文件，DD文件描述总线接口可访问的信息，包括内部参数位号、工程单位、量程及参数关系等；CFF文件描述仪表功能块数量、功能块数据含义及通信数据含义等，共同构成FF仪表的驱动程序。

考虑到施工单位不熟悉总线施工的具体情况，结合FF总线特点，笔者参考了相关标准文献，编写了FF仪表单体的调试建议：仪表调试和投运前的组态和测试为系统运行提供必要的准备，仪表调试需要在建立总线网段的情况下进行，最小配置为一台手操器、待校仪表、终端器、FF电源调节器和接线端子板[3]；调试工具包括支持FF的375手操器、两个终端器、一个FF电源调节器、一个接线端子板、电源；测试项目包括常规检查(仪表技术规格检查，包括位号和铭牌(注意FF标识)、电气和过程连接、电压及电流(用于校验FF网段负荷)等。)、FF功能测试(访问仪表功能块进行输入输出测试，确认功能块的完整性，其中AI/AO和诊断模块是总线仪表的必须测试项，PID是阀门定位器的必须测试项；读取内部参数，包括位号、设备ID号、地址(重要)、DD版本号(重要)及CFF版本(重要)等并记录；极性敏感性测试并记录；链路主设备功能测试并记录)、标定测试(量程、单位、零点校正)，针对阀门，为达到较好的调试效果，建议采用专用软件进行调试，如ValveLink。

根据以上建议，设计搭建的调试回路如图2所示。

图2 现场总线仪表单校回路

调试初期，由于施工单位缺乏必要的调试工具，没有终端器和FF电源调节器，笔者曾考虑用电感元件代替终端器，但由于阻抗问题(只有电气专业的电抗器可选，效果不好)，后来拆DCS系统柜内的FF电源调节器完成了FF仪表单体的调试。

调试过程应注意，在修改仪表内部参数或设置功能时，一定要置相应功能块的服务状态为OSS，只有在OSS状态下，方能进行参数和功能的设置。由于建立通信时间较长，一次调试挂接仪表数量最好为1～2台，仪表较多时进入FF功能块的时间将增加，影响调试进度。

在H1网段施工完毕，并且系统上电后，就可以进行仪表和系统之间的联调了。联调过程：设备匹配，检验DCS系统位号和地址与现场FF仪表的一致性，并建立连接；功能块连接，系统部分下装组态功能块，此下装不下载具体组态信息，用于仪表和系统建立功能块的连接；仪表信息上载，量程及单位等信息装载到系统数据库中；组态信息下装，控制功能、参数通道及服务功能等下装到现场仪表。

调试中应当注意，在进行到“功能块连接”时，Honeywell要求资源块全部下载，按这样的步骤，联调初期仪表单体调试部分内容会被冲掉，需重新组态，在与系统软件工程师沟通后，采用部分下装方式，可保留原有组态信息，避免了重复工作。对于电磁流量计、雷达液位计及电气阀门定位器等较复杂仪表的调试，应注意按照仪表调试说明正确设置输入输出功能块参数和通道。系统厂家不熟悉现场仪表，部分功能参数和通道的选择比较随意，而且部分仪表的调试说明相对简单不具备可操作性，这增加了调试的难度，设计人员应配合调试，及时沟通并协调系统和仪表厂家，尽量减少调试出错的可能。联调中曾发现阀门定位器无法正常工作，由于缺乏必要的调试说明，在系统下装完组态信息后，无法激活AO和PID功能块(功能一直为“OSS”，无法投到“AUTO”)，在与厂家多次沟通后，发现一个通道定义有问题，重新调试组态后解决。后来在国内四川某项目现场也出现类似问题，也用同样的方法得以解决。

3 设计人员调试中的职责

在传统DCS仪表施工工程中，系统厂家和施工单位是以端子排为界分工的，对于传统DCS的施工，不存在问题；但对于FF总线施工来说，必须认识到总线施工的整体性。以调试为例，在调试初期，施工单位调试人员没有考虑系统的要求，FF仪表地址设置为临时地址，功能块也没有从OSS切换到AUTO，给系统调试增加了困难；而系统调试方不熟悉现场仪表情况，部分参数和通道设置与仪表单体调试有冲突。对于设计方而言，必须协调双方的工作，做好分工，以保证调试工作顺利进行。

笔者在项目现场的做法：调试前由设计方提出和统筹，DCS和施工单位共同商定双方的调试分工，确定调试内容和调试参数，避免造成调试方面的冲突(FF仪表中菜单设置非常多，要避免双方设置不一致)；施工方负责网段地址、位号、测量参数和范围、工程单位的设置，在不影响仪表正常工作的情况下，可对引起上述参数的相关设置进行修改，并在参数设置后复原这些设置，如OSS功能；DCS调试方负责输入输出功能块的组态，并根据相关文件核对位号、测量参数及范围等参数的正确性，原则上不修改仪表资源块的组态信息；双方对仪表调试中修改的参数做必要的记录，调试以DCS为主要目标，应首先保证DCS对仪表的通信和组态的正常进行。

为了更好地指导施工，设计人员应该能够指导搭建FF调试回路，指导调试器DD和CFF文件的升级工作。该项目调试回路的搭建以及375手操器的DD和CFF文件的升级皆由笔者完成。