西门子智能阀门定位器在电厂的应用

　　一 概述
　　上海赛科90万吨/年乙烯联合装置是目前世界范围内生产规模最大、工艺技术最新、自动化系统集成度最高的石油化工联合工厂，该工程总投资约27亿美元。2005年3月18日，90万吨/年乙烯装置开车成功，标志着上海赛科乙烯工程所有的生产装置、公用工程及辅助设施进入正常生产试运行。同时也表明，大规模采用FF现场总线控制技术在现代化大型石油化工联合装置中的应用获得了成功。
　　上海赛科(SECCO)工程包括：90万吨/年乙烯装置等9套生产装置及公用工程、辅助设施等。全厂设一个中央控制室，所有生产装置的操作控制和生产管理全部集中。主控制室约800m2 ，其中设有全部操作员站和监视站，另外还有工程师站室、应用服务器室、通信光缆交换机室、UPS室、管理工程师室、工艺工程师室、操作培训室、会议室、空调机室等。全厂设有15个控制系统外站，分别设在各个生产装置中。各控制系统外站内安装各种控制系统机柜，并设一台带工程师属性操作站，面积大约50～300m2 ，全部按抗爆结构设计。最远的控制外站到中央控制室的距离大约2.5km，各控制外站到中央控制室的各种信号全部采用双冗余光纤电缆通信方式传输。

　　
　　　　二 全集成自动化系统
　　上海赛科乙烯联合装置共有10套DCS系统分别控制9套生产装置及公用工程(OSBL)。所有其他监视控制系统都有自己的网络系统，但同时通过Modbus与DCS通信，使操作员能够在DCS上监视这些系统的状况。各种系统之间通过网络连接构成全集成自动化系统。网络连接的安全可靠性是十分重要的。网络的通信方式应采用工业标准或是专用局域网标准、串行数据链接。为了确保网络通信的安全可靠，对网络的设计提出如下原则要求：
　　(1)一般监视系统网络，可采用单路通信网络；
　　(2)重要的控制、联锁系统网络，采用双冗余通信网络；
　　(3)对于重要的网络要求有最高等级的安全性。管理系统的网络与生产系统网络在连接时应该配备防火墙，从而防止未经授权的信息由一个网络传播到另一个网络。在易受攻击的计算机和工作站上还应安装防病毒软件。
　　(4)除了与生产过程相连的检测和控制设备外，DCS内部的控制网络上不应与外部系统有直接的连接。
　　(5)数据库和应用软件的使用应通过密码保护的手段，使其限制在授权用户的范围内。
　　(6)整个现场范围内的通信光缆应至少有50%的冗余量。同时为了在一路通信光缆发生损坏情况下不影响通信的正常进行，应使用两种光缆路径敷设(一路走地下埋设，另一路走架空电缆桥架)。
　　1. 安全联锁(SIS)系统网络
　　SIS系统与外部DCS的相关设备连接，主要有：
　　(1)通过冗余的Modbus串行链与DCS接口，显示SIS系统的检测数据；
　　(2)通过HART通信与DCS系统的AMS应用工作站连接，用于资产管理；
　　(3)通过OPC总线与DCS系统的收集报警和事件历史(SOE)的应用工作站连接，收集SIS系统的报警和事件。
　　SIS系统内部也通过网络通信将设置在中央控制室的设备与控制外站内的控制器连接起来构成整个SIS系统网络，它们有：
　　(1)通过冗余的安全以太网(HPRO-S)将各装置控制外站内的SIS的控制器与设置在中央控制室内的公用的SIS控制器通信连接，辅助操作台上的紧急按钮和旁路开关通过硬导线作为DI点输入到中央控制室内的公用SIS控制器，这样联锁系统用的紧急切断开关动作和旁路开关状态可以通过安全以太网进入到设置在控制外站内的SIS控制器中，参加联锁逻辑运算。
　　(2)设置在中央控制室内的SIS系统工程师站通过ELOPII总线与10个装置卫星站内的SIS控制器通信连接，这样在中央控制室可以对全厂10个SIS系统分别进行工程组态。但在各控制外站内利用PC机也可以对本站内的SIS系统进行工程组态。
　　2. 火灾和可燃气体系统网络(F&G)
　　在各装置的控制外站内都安装有火灾和可燃气体(F&G系统)控制器，它的作用是：
　　(1)通过Modbus串行数据链与Minerva-M80火灾报警盘通信链接。后者又通过通信总线与可寻地址的火焰检测器、烟雾检测器、手动报警器等连接，这样在控制器上可以采集到这些火灾检测信号。
　　(2)各种可燃气体和有毒气体检测器的4～20mA信号作为AI点输入到火灾和可燃气体控制器中，使控制器能够采集到可燃气体和有毒气体信号。
　　(3)在控制器内可以组态F&G系统控制逻辑，并输出DO点去驱动警报喇叭、报警灯、报警解除装置以及SIS系统的安全联锁动作。
　　(4)F&G系统控制器不仅通过一个双冗余Modbus串行数据链与DCS相连，而且各控制外站内的F&G控制器之间还通过基于双冗余的安全以太网相互连接，并连接到CCR中的3台F&G系统操作站，后者作为全厂火灾和可燃气体监视系统的备份，当DCS系统出现故障时，可以在中央控制室(CCR)内监视全厂的安全状况。同时在这3台F&G操作站的辅助盘上可远程操作灭火喷淋系统，以及全厂火灾和可燃气体报警声和光的测试，赛科的HHSE部门是每周检查测试一次。
　　(5)火灾和可燃气体网络同时也连接赛科公司和漕泾工业区的消防站，消防站内的F&G操作站可监视并发出指令通过F&G网络传送到各控制外站内的火灾和可燃气体控制器并向全厂发出警报。
　　(6)在有些生产装置内还安装有火焰电视摄像探头，通过独立的CCTV电缆连接到中央控制室的电视接收机上供操作员监视用。
　　3. 转动机械设备监视系统(MMS)
　　转动机械设备的位移和振动检测系统的MMS-3500机架除通过冗余的Modbus串行链接与本控制外站内的DCS通信外，同时通过仪表局域网与设置在控制外站内的机器状况监视数据采集器(DAQ)和设置在中央控制室(CCR)工程师室内(和维修大楼内)的MMS工程师站相连接。这样MMS-3500机架的位移和振动数据可传送至DAQ，而用户可通过连接仪表局域网访问MMS 3500和DAQ中的数据。机器状况监视服务器(DAQ)能分析和显示转动机械动态特性图形，它所需要的工艺过程实时数据是通过中央历史数据库(PI)与仪表局域网的连接来提供的。
　　4. 在线气相色谱分析仪系统(GC)
　　GC的控制器安放在有关生产装置的控制外站内，它除了通过双冗余Modbus串行链接与DCS通信之外，还通过仪表局域网连接到设置在中央控制室(CCR)工程师室内(或维修大楼内)的GC工程师站中，从而使得组态设计功能可在CCR工程师室内(或维修大楼内)执行，并能访问GC网络上所有的气相色谱仪，用于数据的采集、诊断、校准等。
　　5. 电气设备检测控制系统(MCC)
　　电气系统是使用智能开关装置对电机和其他电气设备进行控制。每个智能开关都带有基于微处理器的保护、监视和控制装置，电机控制总线将最多128个智能开关装置连接起来，并与各配电室内的数据集中器相连，它们是环形连接，如果总线中间断开不会影响与各电气设备的通信。
　　一个配电室内可能有多个数据集中器，它们通过双冗余Modbus串行链相互链接并与对应控制外站内的DCS通信链接。所有低压电机控制数据，电机运行状态和电机的功率均通过Modbus链接传送到DCS中显示。在中央控制室操作员能够通过各装置DCS操作员站画面上的电机操作画面访问所有的电机，同时在DCS中组态的联锁系统也通过双冗余Modbus串行链进行电机的启动、停止或启动禁止操作。但是SIS联锁系统需要进行电机的启动、停止或启动禁止操作时，则应采用硬连接线方式与电机控制回路连接。
　　
　　　　各配电室内的远方终端单元(REF 560)能够收集大功率高压电机绕组温度、功率等参数，电气供电分布系统的状态数据，并通过通信接口卡连接变频控制器(例如，西门子的Profibus变频通信总线)。
　　远方终端单元(REF 560)也通过Modbus串行链与对应控制外站内的DCS通信链接。
　　各配电室内(substation)的数据集中器(INSUM ICU)和远方终端单元(REF 560)由电气局域网络相链接，这是一个以太网(TCP/IP)，另外放置在各配电室内的SCADA系统工程师站也链接到这个网上，它可对整个配电分布系统的状态和所有电机运行状况进行监测，并可对它们进行工程组态。在中央控制室中安装有SCADA服务器，SCADA工程师站和低压电机工程师站，它们与此电气局域网络连接，同样可对整个配电分布系统的状态和所有电机运行状况进行监测，并可对它们进行工程组态。
　　6. 工厂信息(PI)网络
　　各生产装置的DCS中有一个负责记录和储存工艺数据的连续历史数据库应用工作站，它一方面与本装置的DCS控制网络连接采集DCS数据，同时通过专用网络(RAS)与其他装置的连续历史数据库应用工作站互相连接。此网络通过防火墙与设置在行政大楼办公室内的中央历史记录服务器(central PI)相连接。这个网络称工厂信息局域网(PI网络)，它将各生产装置的工艺数据传到全厂范围的中央历史数据库(central PI)中，供企业各部门查阅，并为其他管理软件和系统提供数据。
　　7. 先进控制和优化网络(APC网络)
　　在具有APC先进控制的装置里，DCS控制网上有一个APC应用工作站，可采集DCS的有关数据。各装置的APC先进控制服务器通过OPC网络与对应装置的APC应用工作站连接。先进控制APC服务器中的计算结果，控制数据和DCS的过程实时数据是通过APC网络相互传送，可实时处理各种设定点及其他控制参数。APC应用工作站的主要功能是起OPC通信作用以及放置某些DCS中没有的中间计算功能模块。APC网络是冗余的。
　　另外APC服务器通过仪表局域网与操作员台上的一般用途PC机连接，这台PC机是操作员的APC控制的界面，可以进行投运APC操作，改变APC控制设定参数等。
　　8. 资产管理系统AMS
　　各装置的DCS系统都有一台AMS应用工作站，它通过HART通信协议总线与设置在对应装置控制外站内的SIS系统的I/O HART信号转换器连接，收集SIS系统的现场仪表的资产管理信息。同时FF总线现场设备的资产管理信息也被收集到这台AMS应用工作站。AMS系统能诊断现场设备的各种故障信息，并能对现场设备进行组态。
　　三 FF现场总线技术的应用
　　上海赛科的FF现场总线设备有10631台，2473个FF现场总线网段，平均每个网段上挂5.8台FF现场设备。
　　上海赛科乙烯工程大规模全面使用FF现场总线控制技术，它的通信速度能满足石油化工过程控制的要求。除部分仪表出现通信故障外，FF总线仪表运行基本正常，FF总线的优越性正在逐渐发挥作用。上海赛科成功应用FF总线技术的经验是：
　　(1)FF现场总线控制技术的进一步成熟。
　　(2)严格的FF现场总线设计规定。
　　(3)较完善的安装调试方法。
　　(4)各工程承包公司和现场总线设备供应商的通力合作，严格执行FF现场总线设计规定。
　　(5)FF现场总线设备供应商的丰富经验和它的全球支持能力等各种因素所致。
　　该工程实践证明，FF现场总线控制技术在大型石油化工装置大规模的应用是可行的。
　　1. FF现场总线的优点
　　(1)FF现场总线具有开放性、互操作性与互用性，FF现场总线基金会已为所有标准的功能模块和转换器模块提供了DD文件，供应商可拿来使用。同时供应商也可附加自己的特定特性，例如设备标定和故障诊断功能的人机接口的数据意义。所以不同供应商的产品可以互用。
　　(2)FF现场设备的智能化与功能自治化。现场总线设备将微处理器置入现场测量控制仪表中，具有数字计算和数字通信能力，实现一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号。将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能在现场总线设备中完成，FF现场设备还能完成控制的基本功能。
　　FF现场总线的压力和差压变送器如果测量量程不超过该传感器的最大量程范围，则在变送器的AI模块中通过设定XD-SCALE和OUT-SCALE参数就可以修改和设置该变送器的测量量程，无需像4～20mA传统变送器那样用标准信号发生器来改变和校验变送器的量程。
　　(3)FF现场总线控制功能高度分散化。
　　(4)数字信息技术发展迅速，为今后数字技术的应用打下了基础。FF现场总线系统为全数字化技术，准确性与可靠性高，各种功能更加强大，现场仪表和功能模块不断产生，为今后数字技术在控制系统中的进一步应用奠定基础。
　　(5)FF现场总线系统安装材料与调试工作量减少。现场总线系统的接线简单，设计规定一个现场总线网段最多连接9～12个现场总线设备，其中有增加3台现场总线设备的余量。仪表电缆、端子、电缆槽、桥架的用量减少，接线及查线的工作量减少。当需要增加现场总线设备时，可就近连接在现有现场总线网段上，既节省投资，又减少设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用30％以上。
　　由于FF总线现场设备的性能稳定，精确度高，量程改变方便等优点，实践说明在出厂已经调试合格的基础上，FF总线现场变送器和阀门定位器在安装前无需进行单表的校验调试，在安装后，如果在DCS的资源管理器中能够检查现场总线设备参数是正确的，则这台总线现场设备就是正常的，阀门的行程在DCS中做回路调试时再进行检查，节省了调试时间和调试费用。
　　(6)FF现场总线系统为降低设备的生命周期成本提供工具。由于FF现场总线控制设备具有更多的故障自诊断能力，并通过数字通信方式将诊断维护信息送往DCS，管理人员通过DCS的资产管理系统(AMS)查询所有仪表设备的运行情况，诊断维护信息，寻找故障，以便早期分析故障原因并快速排除，仪表设备状况始终处于维护人员的远程监控之中。与此同时，根据AMS系统提供的信息准确地制定大修或抢修的作业计划和备件准备，不必进行调节阀的周期性的轮流解体检修，缩短停工维修时间，节约维修费用，降低生命周期成本。
　　目前上海赛科的AMS系统诊断数据对于FF现场总线设备来说是来自现场总线网段的故障诊断通信信息，需要进入FF网段在线查阅。对于非FF现场总线设备来说是来自HART信号的故障诊断通信信息，可在AMS应用站上查阅。因此管理人员需要在两个地方查阅它们诊断信息。现在上海赛科正在升级AMS的版本(7.0)，使来自两个地方的诊断信息合并在一起，管理人员可在AMS应用站上方便地查阅现场设备的故障诊断信息。
　　(7)模型装置FF总线技术的应用投资分析，对FF总线技术与常规技术的投资比较。
　　结论：采用现场总线技术，降低建设投资的关键要素：提高总线网段(Segment)的使用率；采用国产总线电缆。(详见表格情况1至情况3)
　　天津安琪尔生产的国产FF总线电缆已经在国内大型装置的FF现场总线回路中得到使用，情况良好，为FF总线电缆的国产化和降低FF现场总线的建设投资起到了促进作用。
　　那种认为现场总线的优越性就是节省电缆是片面的观点，它的精髓在于全部信息化和智能化。现场总线是并不昂贵的高新技术，性能提高但总体节省(包括设计、设备、材料、施工、维护等)贯穿了系统的全生命和全周期，使用系统的规模越大，优越性将体现得越明显。
　　2. FF现场总线设计考虑
　　要使FF现场总线回路能够正常运行，总线回路的正确设计和组态非常重要。根据FF基金会总线系统工程指南要求和赛科使用经验，需要考虑如下几方面：
　　(1)FF现场总线网段的设计应考虑网段总的电流负载、电缆型号、总线干线长度、总线支线长度、电压降和现场设备数量等。H1总线网段上可挂的设备最大数量受到设备之间的通信量、电源的容量、总线可分配的地址、每段电缆的阻抗等因素的影响、总线的拓扑结构采用单鸡抓型。这些设计要求在FF基金会的有关文件中有明确规定。赛科项目设计中使用了Emerson过程管理公司提供的现场总线网段设计工具来设计和检查。
　　(2)为提高FF总线工作效率，在设计和组态时应该尽量减少FF设备在总线上的通信量。应尽量做到以下几点： 尽量将PID控制模块放在现场阀门定位器中，赛科项目中原则上将单回路和串级控制副回路的PID控制块放在智能阀门定位器中，这样就可减少DCS控制器与现场阀门定位器之间的通信量；写现场总线的静态参数时仅写有变化的参数，节约NVM(易挥发寄存器)资源，否则参数每秒种扫描一次很快就将NVM寄存器写满，使其失去寄存功能，必须调换了；在控制回路中应尽量减少该回路之外的参数引入到该回路的现场总线设备中，因为跨功能块、跨网段的引用数据会增加通信量。
　　3. FF现场总线安装和测试要点
　　赛科项目的现场总线使用经验表明现场总线回路故障的主要原因之一是来自网段上的干扰，而干扰的主要原因是现场总线网段和总线设备的不良安装。FF基金会总线系统工程指南(版本2.0)对安装提出了详细要求，赛科项目的经验是：
　　(1)现场总线网段对绝缘要求很高，为了防爆和防止总线回路受潮，规定采用增安型(EEx e)接线箱，电缆穿入接线箱时使用防爆电缆密封接头。
　　采用FF总线专用端子块与各总线现场设备连接。每个总线专用端子块具有短路保护作用，短路时指示灯亮，保证一个支路短路时不影响其他支路的正常工作，短路保护器将限制每个支路的短路电流不超过60mA。
　　(2)电缆屏蔽层的连接注意事项：
　　(a)在现场总线设备上，支线电缆的屏蔽线要剪断，并要用绝缘带包好，不能与表壳接地螺丝连接。各段总线电缆的屏蔽线应在接线箱内通过接地端子连接起来，屏蔽线只能在机柜侧(Marshalling)的端子接地，中间任何地方对地绝缘要良好，不能有多点接地情况，这样可以起到防止静电感应和低频(50Hz)干扰的作用。
　　(b)如果干线电缆是多芯电缆，则不同总线网段的分屏蔽线不应在接线箱(JB)内被互相连接在一起，也不能与总屏蔽线连在一起。
　　(c)电缆桥架要每隔一段距离接地情况一样。
　　(3)现场总线电缆和现场设备安装之后应该经过严格测试，电缆线间绝缘电阻、对地绝缘、线间和对地电容以及总线信号的波形测试等应符合FF基金会总线系统工程指南中的技术要求，各端子的连接必须紧固。
　　目前MTL公司能提供FBT3、FBT5、FBT6和FLUK公司的123示波器等FF总线网段测试设备，能检测现场总线网段上的各种故障情况，是目前有效的总线网段性能测试工具。
　　4. 现场总线故障检测和处理
　　根据赛科项目的经验，FF现场总线运行情况基本良好，但是有时也出现一些故障和问题。FF现场总线网段的主要故障现象表现为现场总线设备从网段上丢失，在DCS的事件记录中出现通信报警，丢失设备的指示值出现BAD(坏值)标记，PV值保持最后好值，阀门保持原来位置，控制模块出现报警(Module Alarm)，调节器从自动切换到手动模式等。