淺談FF現場總線技術在海洋石油平臺上的應用

楊希桐

(天津市禾厘油氣技術有限公司,天津 300540)

淺談FF現場總線技術在海洋石油平臺上的應用

楊希桐

(天津市禾厘油氣技術有限公司,天津 300540)

現場總線是八十年代末在國際上發展起來的用于過程自動化等領域的現場智能設備互連通信網絡。在眾多的現場總線技術中,由現場總線基金會組織(Fieldbus Foundation,即FF)開發的基金會現場總線(以下簡稱“FF現場總線”)在過程自動化領域中得到了廣泛的應用。FF現場總線是一項較新的技術,尤其是在我國海洋石油工程領域的應用,還相對較少,2002年中國海洋石油總公司才首次提出將FF現場總線技術應用于旅大油田開發項目。因此本文從理論聯系實際應用的角度進行介紹,以便海洋石油工程相關人員了解這項技術。

FF現場總線 網段拓撲 H1 HSE

以FF現場總線為信息通道構成了一種全分布式的自動化系統,其主要功能是對工業生產過程進行測量、信號變送、控制等。FF于1996年頒布了低速總線Hl標準,H1用于描述通信速率為31.25kb/s的現場總線網絡。為實現自動控制系統的控制功能,在H1和HSE(高速以太網)應用層之上增加了用戶層。用戶層包括了FF所定義的標準化的功能塊和功能塊應用進程,構成了自動化控制系統中實現控制功能的主要部分。

1 FF現場總線技術簡介

FF現場總線的網絡系統架構如圖1所示,在低速H1網段上掛接多個現場總線設備,完成現場的智能化儀表、控制器、執行機構、分散I/O等設備間的數字通信以及與控制系統間的信息傳遞。完整的H1網絡的基本構成部件有現場總線接口、終端器、總線電源、本質安全柵、現場設備、中繼器、網橋、傳輸介質等,每個分支通過鏈路設備連接到FF總線HSE高速網段,數據通過HSE網絡傳輸到各個服務器,進行數據處理。

2 FF現場總線的拓撲結構

現場總線拓撲結構根據工程要求,可采用不同的形式,比如點對點、樹型、分支或組合拓樸結構,不建議采用菊花鏈拓樸形式。

2.1 點對點拓撲結構

該拓樸由只包含兩個設備的網絡組成。網絡可以完全位于現場(如變送器和閥門,兩臺設備之上無任何連接)或是與主系統連接的現場設備(負責控制或監視)。

不要采用圖2所示的拓樸結構。除非是如下列出的特例,它是一種不經濟的方案。簡單的點對點(主機和每個總線的一個設備)不會常用,因為它每段只有一個測量或者控制設備,如同在傳統控制4～20mA時那樣,同每個具有多個設備的總線段相比沒有優點。

2.2 樹形拓撲

樹型拓樸網絡由單個與公共接線盒相連的獨立現場總線總線組成。該拓樸可用于主干線電纜的末端。如果同一網段上的設備彼此分離,但仍然在接線盒的總區域范圍之內,該拓樸是一種可行的方案。采用該拓樸時,必須考慮分支的最大長度。樹型拓樸結構如圖3所示。對現有電纜再利用時,這是首選的拓樸結構,因為它類似于傳統的安裝方式,并且可以充分利用已有的基本設施。在組態和分配網絡/網段設備時,該拓樸具有最大的靈活性。樹型拓樸適用于如下場合:改造項目,現場設備密度高的特定區域,采用高速以太網(HSE)。

圖1 FF分布式結構

圖2 點到點拓撲示例

圖3 樹形拓撲示例

圖4 分支拓撲示例

圖5 混合拓撲示例

圖6 菊花鏈拓撲示例

2.3 分支拓撲

現場總線設備通過一根稱之為分支的電纜與多站式總線網段連接,構成該拓樸。從技術角度看,該拓樸可行,但通常不是一種經濟的方案。支線的長度可以從lm到l20m,長度小于1m的支線看作是一個接頭,如圖4所示。對于首次安裝,并且設備密度較低的區域,應采用帶分支的總線拓樸。分支應通過限流裝置(30mA,或按特定分支上設備的相應需要)與總線連接,從而提供短路保護。

2.4 混合拓撲

上述幾種拓樸混合使用時(如圖5所示,即為混合拓撲),必須遵循現場總線網絡/網段最大長度的所有規則,包括總長度中分支長度的計算。

2.5 菊花鏈拓撲

這種聯接方式,在一個段中現場總線電纜從一臺設備走到另一臺設備,在每個現場設備的端子上互連。使用這種拓撲安裝應該使用聯接器或一種接線方式,使得一臺設備的接線斷了不會影響整個段的工作。該拓樸由設備到設備的網絡/網段組成,連接位于現場設備的端部。菊花鏈拓樸如圖6所示。不采用菊花鏈拓樸的原因在于:運行狀態下,如果不中斷其他設備的服務,不能從網絡/網段上添加或刪除設備,不適合于維護。

3 FF型現場總線儀表在海洋石油平臺上的應用

海洋石油平臺的控制系統包括:過程控制系統(PCS)、緊急關斷系統(ESD)和火氣探測系統(Famp;G)。其PCS采用FF現場總線控制系統,H1采用FF現場總線,H2采用HSE 100M以太網。ESD采用安全儀表(SIS)控制系統,Famp;G采用專用的火/氣控制系統。常見工藝圖紙中所示PCS系統儀表(比如:)均標有FF字樣標志,為FF現場總線型儀表。設計人員應根據儀表控制系統的要求,采用合適的拓撲結構,組成FF現場總線控制系統。

4 結語

新技術的不斷應用正順應了海洋石油事業不斷健康發展的趨勢。隨著現場總線技術的發展及其越來越多的應用,FF現場總線系統在設計、調試、組態、維護、智能資產 管理、降低設備生命周期成本、防止災難性的事故發生以及降低勞動力成本等方面將為保持海洋石油的持續競爭力做出貢獻。

[1]Function Block Capabilities in Hybrid/Batch Applications AG-170 Revision 1.0 Fieldbus Foundation 1994-2002.

[2]Wiring and Installation 31.25 kbit/s, Voltage Mode, Wire Medium AG-140 Revision 1.0 1996 Fieldbus Foundation.

[3]基金會現場總線系統工程指南AG-181版本1.0-2003年12月Chairman End User Advisory Council Fieldbus Foundation.