引言

蘇丹穆格萊德油田是由中國(guó)、馬來(lái)西亞、加拿大和蘇丹四方聯(lián)合體共同投資開(kāi)發(fā)建設(shè)的大型油田，由8個(gè)衛(wèi)星油田組成，年產(chǎn)量1 500萬(wàn)t。油田地面生產(chǎn)設(shè)施中心處理廠控制系統(tǒng)采用了ABB公司的基金會(huì)（FF-Foundation Fieldbus）現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)（FCS-FieldbusC ontrolSy stem）?，F(xiàn)場(chǎng) 總 線(xiàn) 是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線(xiàn)，是自動(dòng)化領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)最底層的低成本網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC61158標(biāo)準(zhǔn)定義：現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是指安裝在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線(xiàn)，具有全數(shù)字化、全分布、雙向傳輸、自診斷、低成本、開(kāi)放性、互操作性、智能化等特點(diǎn)，在石油石化等領(lǐng)域獲得了非常成功的應(yīng)用。根據(jù)組織該項(xiàng)目控制系統(tǒng)安裝、組態(tài)和試運(yùn)的經(jīng)驗(yàn)，介紹該裝置現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、安裝要點(diǎn)、組態(tài)和調(diào)試方法，以供同行參考。

1、 油田地面生產(chǎn)設(shè)施控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

中心處理廠控制系統(tǒng)所選設(shè)備如下：現(xiàn) 場(chǎng) 總 線(xiàn)儀表：2600T- Series， 600T- EN，TF202EX， TZID -C 120等；集成安全柵：M204；鏈路設(shè)備：LD800HSE；中央控制器：AC800FR；以太網(wǎng)卡：E1803；現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)卡：F1840；集線(xiàn)器：RS2 FX/FX；電纜和多模光纜：UTP-5，多體模式。

2、 系統(tǒng)的安裝

總線(xiàn)系統(tǒng)安裝工作主要包括總線(xiàn)電纜安裝和相關(guān)部件的選擇與集成。

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)既是電源線(xiàn)，又是信號(hào)線(xiàn)，為了確保電纜的覆蓋距離和所掛現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備的數(shù)量以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，除了選擇低功耗的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和符合IEC61158-2推薦的電纜型號(hào)、采用中繼器、提高供電電壓外，還在安裝時(shí)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(yīng)至少覆蓋電纜總長(zhǎng)度的90%，在電纜接線(xiàn)時(shí)，電纜無(wú)屏蔽的部分或不成為雙絞的部分應(yīng)小于總長(zhǎng)度的2%，或小于8m，以長(zhǎng)度短的為準(zhǔn)；屏蔽層只能一點(diǎn)接地；支線(xiàn)和干線(xiàn)的屏蔽層應(yīng)相連；存在高頻干擾時(shí)，應(yīng)采用電容接地；信號(hào)電纜應(yīng)與噪聲源隔離，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)信號(hào)和非現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)信號(hào)不能同存于一根多芯電纜中；電纜敷設(shè)盡量不要交叉，無(wú)法避免時(shí)，應(yīng)保證正確的交叉角度。

終端器是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的器件，它本身并不通信。其功能一是防止因信號(hào)反射引起通信出錯(cuò)；二是把發(fā)射信號(hào)設(shè)備所產(chǎn)生的電流變化轉(zhuǎn)換為跨在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的電壓變化，使網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都能獲取這個(gè)信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)段組成，終端器應(yīng)裝在網(wǎng)段兩端，一端一個(gè)，否則網(wǎng)絡(luò)無(wú)法工作。

中繼器是雙向電隔離器件，用來(lái)連接若干網(wǎng)段以形成一個(gè)較大網(wǎng)絡(luò)，其功能就是對(duì)輸入信號(hào)同步刷新并放大其電平，以克服信號(hào)沿信號(hào)線(xiàn)的衰減，網(wǎng)絡(luò)上的兩個(gè)設(shè)備之間最多不能超過(guò)4個(gè)中繼器。本質(zhì)安全是指通過(guò)限制危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的能量來(lái)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(guī)定，并通過(guò)法定機(jī)關(guān)的本質(zhì)安全認(rèn)證。每個(gè)危險(xiǎn)區(qū)的網(wǎng)段只能安裝一個(gè)安全柵，不能冗余。一個(gè)通信端口只能連接一個(gè)安全柵，為了充分的利用通信端口，可采用內(nèi)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(qū)網(wǎng)段，每個(gè)安全柵都可以引出一根危險(xiǎn)區(qū)網(wǎng)段，這樣就構(gòu)成了一個(gè)大網(wǎng)絡(luò)。穩(wěn)壓電源按照IEC61158-2國(guó)際電工委員會(huì)的規(guī)定，電源必須有輸出阻抗，否則就會(huì)使通信信號(hào)短路，傳統(tǒng)電源在系統(tǒng)中不能直接使用，因?yàn)檩敵鲎杩箮缀鯙榱?。本?xiàng)目沒(méi)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(shè)備通過(guò)高速主站級(jí)網(wǎng)絡(luò)直接與主站連接，鏈路設(shè)備作為信息的緩沖器以兼顧兩個(gè)級(jí)別網(wǎng)絡(luò)之間不同的傳輸速度。成為H1段現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和HSE段高速主站之間的網(wǎng)關(guān)，本項(xiàng)目使用的鏈路設(shè)備是LD800HSE，每個(gè)鏈路設(shè)備可同時(shí)連接4個(gè)H1網(wǎng)段。為提高系統(tǒng)有效性，整個(gè)體系結(jié)構(gòu)都采用了冗余方案。

3、系統(tǒng)組態(tài)

系統(tǒng)組態(tài)包括網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、設(shè)備組態(tài)和控制策略組態(tài)3個(gè)方面，使用的工程工具是CBF 7.1。該工具支持的組態(tài)方式有離線(xiàn)和在線(xiàn)兩種，并可以永久地與所有現(xiàn)場(chǎng)儀表連接。網(wǎng)絡(luò)組態(tài)主要為鏈路設(shè)備和通信端口分配網(wǎng)絡(luò)和設(shè)置通信參數(shù)，這些工作基本上由組態(tài)工具自動(dòng)完成。在線(xiàn)組態(tài)需要考慮參數(shù)的修改對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的影響，方法與離線(xiàn)完全一樣。下面介紹離線(xiàn)方式下設(shè)備組態(tài)和策略組態(tài)。

3.1 設(shè)備組態(tài)

設(shè)備組態(tài)主要是選擇現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)級(jí)設(shè)備和主站級(jí)設(shè)備，配置所選設(shè)備的資源塊和轉(zhuǎn)換塊，設(shè)置資源塊和轉(zhuǎn)換塊的參數(shù)。每個(gè)設(shè)備必須配置一個(gè)資源塊、一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換塊以及若干功能塊。當(dāng)設(shè)備接人網(wǎng)絡(luò)時(shí)，為保證設(shè)備組態(tài)與對(duì)應(yīng)設(shè)備正確關(guān)聯(lián)，必須為系統(tǒng)中眾多設(shè)備模塊賦予位號(hào)標(biāo)識(shí)，同一模塊的位號(hào)標(biāo)識(shí)最多由32位字符組成，且不能重復(fù)，賦予位號(hào)標(biāo)識(shí)的原則是，對(duì)照過(guò)程和儀表流程圖（P&I D ），使資源塊的位號(hào)與物理設(shè)備的位號(hào)相同，讓轉(zhuǎn)換塊的位號(hào)與功能塊的位號(hào)一致，‘并加上后綴。選用的設(shè)備最好支持功能塊動(dòng)態(tài)實(shí)例化，使得在系統(tǒng)中既使用標(biāo)準(zhǔn)功能塊，也使用包含增強(qiáng)特征的擴(kuò)展功能塊，提高系統(tǒng)互操作性。每個(gè)設(shè)備必須配置一個(gè)資源塊。資源塊包含設(shè)備的整體信息，如診斷、校準(zhǔn)、設(shè)備檔案等信息，負(fù)責(zé)對(duì)物理傳感器和執(zhí)行器接口。資源塊中沒(méi)有輸入輸出的參數(shù)，即資源塊中的參數(shù)都是內(nèi)含參數(shù)，不能進(jìn)行鏈接，只能用于模塊的設(shè)置、操作和診斷，這些參數(shù)值可以由用戶(hù)設(shè)定，也可以由模塊自己設(shè)定。對(duì)于多數(shù)設(shè)備，資源塊組態(tài)只需設(shè)置很少的參數(shù)，如模塊模式參數(shù)，有時(shí)也設(shè)置特性選擇參數(shù)、故障安全參數(shù)和清除故障安全參數(shù)等。通常資源塊的目標(biāo)模式設(shè)為自動(dòng)。每個(gè)設(shè)備都須配置一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)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(guān)的安裝，如傳感器和執(zhí)行器類(lèi)型的選擇和校驗(yàn)、布線(xiàn)等，可以通過(guò)設(shè)置與每個(gè)輸入輸出相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換塊參數(shù)來(lái)完成，輸入和輸出轉(zhuǎn)換塊分別與輸入和輸出類(lèi)功能塊相關(guān)聯(lián)。通過(guò)設(shè)置輸入輸出類(lèi)功能塊I/0硬件通道的參數(shù)，使同一設(shè)備中的功能塊和轉(zhuǎn)換塊相關(guān)聯(lián)。轉(zhuǎn)換塊有3種類(lèi)型：輸入、輸出和顯示。轉(zhuǎn)換塊中的所有參數(shù)都是內(nèi)含參數(shù)，不能進(jìn)行鏈接，只能由用戶(hù)設(shè)置或設(shè)備自動(dòng)配置。如同資源塊組態(tài)一樣，轉(zhuǎn)換塊組態(tài)需要設(shè)置的參數(shù)也很少，一般只有模塊模式參數(shù)。

3.2 控制策略組態(tài)

控制策略組態(tài)是對(duì)照過(guò)程及儀表流程示意圖（P&ID）中的過(guò)程控制和過(guò)程監(jiān)測(cè)方案，選擇適合的功能模塊，根據(jù)控制和監(jiān)測(cè)方案的要求，設(shè)置已選擇功能塊參數(shù)，在考慮功能塊運(yùn)行宏周期后，將選擇的功能塊鏈接起來(lái)的過(guò)程。控制策略的組織是根據(jù)它所控制的運(yùn)行裝置進(jìn)行的，而不是根據(jù)布線(xiàn)時(shí)連接在一起的儀表。

功能塊的選擇：本項(xiàng)目中可供選擇的功能塊種類(lèi)有：輸入類(lèi)、控制類(lèi)、計(jì)算類(lèi)和輸出類(lèi)。

鏈接的概念：從輸出參數(shù)到輸入?yún)?shù)，功能塊彼此鏈接。鏈路中既包括參數(shù)數(shù)值，又包括參數(shù)狀態(tài)。不同設(shè)備間功能塊的鏈接，稱(chēng)之為外部鏈接，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)同一設(shè)備上功能塊的鏈接，稱(chēng)之為內(nèi)部鏈接，該鏈接不需通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行通信，會(huì)立即完成并且不占用網(wǎng)絡(luò)帶寬。所以，在將功能塊分配到設(shè)備時(shí)，盡可能將功能塊安排在一個(gè)設(shè)備中，使鏈路存在于設(shè)備內(nèi)部，從而減少鏈路通信時(shí)間。鏈接有3種：非串級(jí)向前、串級(jí)向前、串級(jí)向后，向前鏈路源頭的模塊被稱(chēng)為高端或上游模塊，接收向前鏈路的模塊被稱(chēng)為低端或下游模塊。基金會(huì)中串級(jí)是指從其他功能塊接收設(shè)定點(diǎn)信號(hào)的任何類(lèi)型的功能塊，與傳遞上游模塊輸出到下游模塊串級(jí)設(shè)定點(diǎn)的串級(jí)向前相關(guān)聯(lián)，是從下游模塊反饋到設(shè)定點(diǎn)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(jí)鏈路通稱(chēng)為串級(jí)結(jié)構(gòu)。

功能塊參數(shù)的設(shè)置主要針對(duì)如下功能塊：

（1） 輸入類(lèi)功能塊：輸入類(lèi)模塊通過(guò)轉(zhuǎn)換塊中的一個(gè)硬件通道訪(fǎng)問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)物理設(shè)備，如壓力、溫度、液位或流量變送器等，獲得其對(duì)應(yīng)基本數(shù)值，并將對(duì)應(yīng)數(shù)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(guò)程變量報(bào)警。根據(jù)信號(hào)類(lèi)型和處理要求，輸入功能塊可能的組態(tài)是設(shè)置如下參數(shù)：通道參數(shù)、模塊模式參數(shù)、過(guò)程變量過(guò)濾時(shí)間參數(shù)、線(xiàn)性化類(lèi)型參數(shù)、轉(zhuǎn)換器刻度參數(shù)、輸出刻度參數(shù)、狀態(tài)選項(xiàng)參數(shù)等。

（2） 控制類(lèi)功能塊：控制類(lèi)功能塊從其他功能塊接收輸入并進(jìn)行處理，為其他功能塊產(chǎn)生輸出。該類(lèi)功能塊既有設(shè)定點(diǎn)選擇，又有輸出選擇，并支持串級(jí)結(jié)構(gòu)。該模塊一般具有過(guò)濾、設(shè)定點(diǎn)選擇和限幅、PID算法、輸出選擇和限幅、前饋、設(shè)定點(diǎn)跟蹤、輸出跟蹤以及過(guò)程變量和偏差報(bào)警等。根據(jù)控制策略，控制功能塊可能的組態(tài)是設(shè)置如下參數(shù)：模塊模式參數(shù)、過(guò)程變量過(guò)濾時(shí)間參數(shù)、回算輸出參數(shù)、過(guò)程變量刻度參數(shù)、輸出刻度參數(shù)、前饋?zhàn)兞靠潭葏?shù)、控制選項(xiàng)參數(shù)、模式遷移旁路參數(shù)等。

（3）計(jì)算類(lèi)功能塊：計(jì)算類(lèi)功能塊從其他功能塊接收輸入并進(jìn)行處理，為其他功能塊產(chǎn)生輸出。它支持輸出選擇，但不支持串級(jí)結(jié)構(gòu)，根據(jù)計(jì)算的函數(shù)不同，計(jì)算功能塊有不同的參數(shù)，其組態(tài)也不同，但一般模塊模式都設(shè)為自動(dòng)。

（4）輸出類(lèi)功能塊：輸出類(lèi)功能塊從其他功能塊接收設(shè)定點(diǎn)輸入，可能對(duì)數(shù)值進(jìn)行處理，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換塊中的硬件通道傳遞給閥門(mén)定位器、電氣轉(zhuǎn)換器等物理輸出設(shè)備。輸出類(lèi)功能塊有設(shè)定點(diǎn)選擇。它提供許多用戶(hù)對(duì)定位器所希望的功能，如限幅、信號(hào)反轉(zhuǎn)、實(shí)際位置讀回、仿真以及故障安全的功能。根據(jù)控制策略和使用的輸出設(shè)備的類(lèi)型，其可能組態(tài)是如下參數(shù)的設(shè)置：模塊模式參數(shù)、通道參數(shù)、1/0選項(xiàng)參數(shù)、故障安全時(shí)間參數(shù)、故障狀態(tài)值、過(guò)程變量刻度參數(shù)、轉(zhuǎn)換器刻度、輸出刻度參數(shù)、模式遷移選項(xiàng)等。

4 、系統(tǒng)調(diào)試

鏈路設(shè)備自動(dòng)管理每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上所有設(shè)備的地址，只要設(shè)備接人網(wǎng)絡(luò)，鏈路設(shè)備就自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，只要設(shè)備接人的網(wǎng)絡(luò)正確并正常工作，該設(shè)備就會(huì)與同一網(wǎng)絡(luò)的其他設(shè)備顯示在網(wǎng)絡(luò)的在線(xiàn)設(shè)備列表中?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備組態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)是以用戶(hù)定義的設(shè)備位號(hào)為基礎(chǔ)準(zhǔn)備的，與特定的物理設(shè)備沒(méi)有任何關(guān)系，連接在網(wǎng)絡(luò)上的物理設(shè)備必須與它相關(guān)聯(lián)的組態(tài)結(jié)合才能正常的工作，結(jié)合方式為：每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備都有一個(gè)唯一的32位字符的設(shè)備標(biāo)識(shí)符，它是設(shè)備的硬件地址，如同以太網(wǎng)卡的MAC地址，由制造廠設(shè)定在線(xiàn)路板上，唯一且不可更改。只要設(shè)備接人網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備標(biāo)識(shí)符就會(huì)被取到在線(xiàn)設(shè)備列表中，設(shè)備的位號(hào)也是在制造廠預(yù)組態(tài)的，只要設(shè)備組態(tài)的位號(hào)和其策略組態(tài)的位號(hào)與設(shè)備制造廠預(yù)組態(tài)的位號(hào)一致，該現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備就會(huì)與其組態(tài)關(guān)聯(lián)。完成了設(shè)備及其位號(hào)的關(guān)聯(lián)后，下載組態(tài)文件。組態(tài)文件正確下載后，進(jìn)行回路檢查和現(xiàn)場(chǎng)儀表校驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備的校驗(yàn)在控制室進(jìn)行。包括輸入校驗(yàn)和輸出校驗(yàn)。

輸入校驗(yàn)：將一個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)值加到變送器，并將該值寫(xiě)人輸入類(lèi)轉(zhuǎn)換塊的高低校準(zhǔn)點(diǎn)參數(shù)中，低點(diǎn)值不一定低于高點(diǎn)值，如在液位測(cè)量中的量程遷移。測(cè)量范圍的設(shè)置是在PID或AI等功能塊的轉(zhuǎn)換器刻度參數(shù)中進(jìn)行，傳感器校準(zhǔn)最小量程可從轉(zhuǎn)換模塊的校準(zhǔn)最小量程參數(shù)中查詢(xún)，校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)值的單位在轉(zhuǎn)換模塊的校準(zhǔn)點(diǎn)單位參數(shù)中選擇。

輸出校驗(yàn)：輸出校驗(yàn)是強(qiáng)制電氣閥門(mén)定位器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換塊輸出，在自校驗(yàn)類(lèi)型參數(shù)中選擇校驗(yàn)類(lèi)型，在自校驗(yàn)命令參數(shù)中啟動(dòng)校驗(yàn)命令。由于總線(xiàn)閥門(mén)定位器具有自動(dòng)安裝特性，定位器可自動(dòng)使閥門(mén)做一次全行程全關(guān)和全開(kāi)動(dòng)作。除此之外，也需校驗(yàn)回路的故障安全性能。

低端和高端的校驗(yàn)點(diǎn)，無(wú)論是輸入校驗(yàn)，還是輸出校驗(yàn)，都互不干擾，無(wú)須反復(fù)校驗(yàn)。為留下校準(zhǔn)記錄，可以在設(shè)備中存儲(chǔ)并驗(yàn)證有關(guān)數(shù)據(jù)，包括日期、地點(diǎn)、使用方法以及校準(zhǔn)人員等。

總之，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)與成熟的DCS系統(tǒng)比較，安裝更方便，組態(tài)更靈活，調(diào)試更簡(jiǎn)單。

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