引言

蘇丹穆格萊德油田是由中國、馬來西亞、加拿大和蘇丹四方聯(lián)合體共同投資開發(fā)建設(shè)的大型油田，由8個衛(wèi)星油田組成，年產(chǎn)量1 500萬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（FF-Foundation Fieldbus）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS-FieldbusC ontrolSy stem）。現(xiàn)場 總 線 是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動化領(lǐng)域中計算機(jī)通信系統(tǒng)最底層的低成本網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)國際電工委員會IEC61158標(biāo)準(zhǔn)定義：現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線，具有全數(shù)字化、全分布、雙向傳輸、自診斷、低成本、開放性、互操作性、智能化等特點，在石油石化等領(lǐng)域獲得了非常成功的應(yīng)用。根據(jù)組織該項目控制系統(tǒng)安裝、組態(tài)和試運(yùn)的經(jīng)驗，介紹該裝置現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、安裝要點、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 總 線儀表：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)場總線網(wǎng)卡：F1840；集線器：RS2 FX/FX；電纜和多模光纜：UTP-5，多體模式。

2、 系統(tǒng)的安裝

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

現(xiàn)場總線既是電源線，又是信號線，為了確保電纜的覆蓋距離和所掛現(xiàn)場總線設(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)場設(shè)備和符合IEC61158-2推薦的電纜型號、采用中繼器、提高供電電壓外，還在安裝時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)至少覆蓋電纜總長度的90%，在電纜接線時，電纜無屏蔽的部分或不成為雙絞的部分應(yīng)小于總長度的2%，或小于8m，以長度短的為準(zhǔn)；屏蔽層只能一點接地；支線和干線的屏蔽層應(yīng)相連；存在高頻干擾時，應(yīng)采用電容接地；信號電纜應(yīng)與噪聲源隔離，現(xiàn)場總線信號和非現(xiàn)場總線信號不能同存于一根多芯電纜中；電纜敷設(shè)盡量不要交叉，無法避免時，應(yīng)保證正確的交叉角度。

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

中繼器是雙向電隔離器件，用來連接若干網(wǎng)段以形成一個較大網(wǎng)絡(luò)，其功能就是對輸入信號同步刷新并放大其電平，以克服信號沿信號線的衰減，網(wǎng)絡(luò)上的兩個設(shè)備之間最多不能超過4個中繼器。本質(zhì)安全是指通過限制危險區(qū)內(nèi)的能量來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，并通過法定機(jī)關(guān)的本質(zhì)安全認(rèn)證。每個危險區(qū)的網(wǎng)段只能安裝一個安全柵，不能冗余。一個通信端口只能連接一個安全柵，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，每個安全柵都可以引出一根危險區(qū)網(wǎng)段，這樣就構(gòu)成了一個大網(wǎng)絡(luò)。穩(wěn)壓電源按照IEC61158-2國際電工委員會的規(guī)定，電源必須有輸出阻抗，否則就會使通信信號短路，傳統(tǒng)電源在系統(tǒng)中不能直接使用，因為輸出阻抗幾乎為零。本項目沒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)備通過高速主站級網(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級別網(wǎng)絡(luò)之間不同的傳輸速度。成為H1段現(xiàn)場設(shè)備和HSE段高速主站之間的網(wǎng)關(guān)，本項目使用的鏈路設(shè)備是LD800HSE，每個鏈路設(shè)備可同時連接4個H1網(wǎng)段。為提高系統(tǒng)有效性，整個體系結(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)方式有離線和在線兩種，并可以永久地與所有現(xiàn)場儀表連接。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)工具自動完成。在線組態(tài)需要考慮參數(shù)的修改對生產(chǎn)過程的影響，方法與離線完全一樣。下面介紹離線方式下設(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)場總線級設(shè)備和主站級設(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)。每個設(shè)備必須配置一個資源塊、一個或多個轉(zhuǎn)換塊以及若干功能塊。當(dāng)設(shè)備接人網(wǎng)絡(luò)時，為保證設(shè)備組態(tài)與對應(yīng)設(shè)備正確關(guān)聯(lián)，必須為系統(tǒng)中眾多設(shè)備模塊賦予位號標(biāo)識，同一模塊的位號標(biāo)識最多由32位字符組成，且不能重復(fù)，賦予位號標(biāo)識的原則是，對照過程和儀表流程圖（P&I D ），使資源塊的位號與物理設(shè)備的位號相同，讓轉(zhuǎn)換塊的位號與功能塊的位號一致，‘并加上后綴。選用的設(shè)備最好支持功能塊動態(tài)實例化，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。每個設(shè)備必須配置一個資源塊。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)對物理傳感器和執(zhí)行器接口。資源塊中沒有輸入輸出的參數(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)值可以由用戶設(shè)定，也可以由模塊自己設(shè)定。對于多數(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。每個設(shè)備都須配置一個或多個轉(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)行器類型的選擇和校驗、布線等，可以通過設(shè)置與每個輸入輸出相對應(yīng)的轉(zhuǎn)換塊參數(shù)來完成，輸入和輸出轉(zhuǎn)換塊分別與輸入和輸出類功能塊相關(guān)聯(lián)。通過設(shè)置輸入輸出類功能塊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，只能由用戶設(shè)置或設(shè)備自動配置。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)是對照過程及儀表流程示意圖（P&ID）中的過程控制和過程監(jiān)測方案，選擇適合的功能模塊，根據(jù)控制和監(jiān)測方案的要求，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的過程。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)布線時連接在一起的儀表。

功能塊的選擇：本項目中可供選擇的功能塊種類有：輸入類、控制類、計算類和輸出類。

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，稱之為外部鏈接，通過網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)同一設(shè)備上功能塊的鏈接，稱之為內(nèi)部鏈接，該鏈接不需通過總線進(jìn)行通信，會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，盡可能將功能塊安排在一個設(shè)備中，使鏈路存在于設(shè)備內(nèi)部，從而減少鏈路通信時間。鏈接有3種：非串級向前、串級向前、串級向后，向前鏈路源頭的模塊被稱為高端或上游模塊，接收向前鏈路的模塊被稱為低端或下游模塊。基金會中串級是指從其他功能塊接收設(shè)定點信號的任何類型的功能塊，與傳遞上游模塊輸出到下游模塊串級設(shè)定點的串級向前相關(guān)聯(lián)，是從下游模塊反饋到設(shè)定點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。向前和向后串級鏈路通稱為串級結(jié)構(gòu)。

功能塊參數(shù)的設(shè)置主要針對如下功能塊：

（1） 輸入類功能塊：輸入類模塊通過轉(zhuǎn)換塊中的一個硬件通道訪問現(xiàn)場物理設(shè)備，如壓力、溫度、液位或流量變送器等，獲得其對應(yīng)基本數(shù)值，并將對應(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、阻尼和過程變量報警。根據(jù)信號類型和處理要求，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)、過程變量過濾時間參數(shù)、線性化類型參數(shù)、轉(zhuǎn)換器刻度參數(shù)、輸出刻度參數(shù)、狀態(tài)選項參數(shù)等。

（2） 控制類功能塊：控制類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。該類功能塊既有設(shè)定點選擇，又有輸出選擇，并支持串級結(jié)構(gòu)。該模塊一般具有過濾、設(shè)定點選擇和限幅、PID算法、輸出選擇和限幅、前饋、設(shè)定點跟蹤、輸出跟蹤以及過程變量和偏差報警等。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)、過程變量過濾時間參數(shù)、回算輸出參數(shù)、過程變量刻度參數(shù)、輸出刻度參數(shù)、前饋變量刻度參數(shù)、控制選項參數(shù)、模式遷移旁路參數(shù)等。

（3）計算類功能塊：計算類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，但不支持串級結(jié)構(gòu)，根據(jù)計算的函數(shù)不同，計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。

（4）輸出類功能塊：輸出類功能塊從其他功能塊接收設(shè)定點輸入，可能對數(shù)值進(jìn)行處理，然后通過轉(zhuǎn)換塊中的硬件通道傳遞給閥門定位器、電氣轉(zhuǎn)換器等物理輸出設(shè)備。輸出類功能塊有設(shè)定點選擇。它提供許多用戶對定位器所希望的功能，如限幅、信號反轉(zhuǎn)、實際位置讀回、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選項參數(shù)、故障安全時間參數(shù)、故障狀態(tài)值、過程變量刻度參數(shù)、轉(zhuǎn)換器刻度、輸出刻度參數(shù)、模式遷移選項等。

4 、系統(tǒng)調(diào)試

鏈路設(shè)備自動管理每一個網(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)備就自動對其進(jìn)行檢測，只要設(shè)備接人的網(wǎng)絡(luò)正確并正常工作，該設(shè)備就會與同一網(wǎng)絡(luò)的其他設(shè)備顯示在網(wǎng)絡(luò)的在線設(shè)備列表中。現(xiàn)場總線設(shè)備組態(tài)數(shù)據(jù)庫是以用戶定義的設(shè)備位號為基礎(chǔ)準(zhǔn)備的，與特定的物理設(shè)備沒有任何關(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：每一個現(xiàn)場總線設(shè)備都有一個唯一的32位字符的設(shè)備標(biāo)識符，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)識符就會被取到在線設(shè)備列表中，設(shè)備的位號也是在制造廠預(yù)組態(tài)的，只要設(shè)備組態(tài)的位號和其策略組態(tài)的位號與設(shè)備制造廠預(yù)組態(tài)的位號一致，該現(xiàn)場設(shè)備就會與其組態(tài)關(guān)聯(lián)。完成了設(shè)備及其位號的關(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)場儀表校驗。現(xiàn)場總線設(shè)備的校驗在控制室進(jìn)行。包括輸入校驗和輸出校驗。

輸入校驗：將一個已知的標(biāo)準(zhǔn)信號值加到變送器，并將該值寫人輸入類轉(zhuǎn)換塊的高低校準(zhǔn)點參數(shù)中，低點值不一定低于高點值，如在液位測量中的量程遷移。測量范圍的設(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，校準(zhǔn)點數(shù)值的單位在轉(zhuǎn)換模塊的校準(zhǔn)點單位參數(shù)中選擇。

輸出校驗：輸出校驗是強(qiáng)制電氣閥門定位器、信號轉(zhuǎn)換器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換塊輸出，在自校驗類型參數(shù)中選擇校驗類型，在自校驗命令參數(shù)中啟動校驗命令。由于總線閥門定位器具有自動安裝特性，定位器可自動使閥門做一次全行程全關(guān)和全開動作。除此之外，也需校驗回路的故障安全性能。

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

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

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