油田中心处理厂现场总线控制系统的安装、组态和调试

引言

苏丹穆格莱德油田是由中国、马来西亚、加拿大和苏丹四方联合体共同投资开发建设的大型油田，由8个卫星油田组成，年产量1 500万t。油田地面生产设施中心处理厂控制系统采用了ABB公司的基金会（FF-Foundation Fieldbus）现场总线控制系统（FCS-FieldbusC ontrolSy stem）.现场 总 线 是一种工业数据总线，是自动化领域中计算机通信系统最底层的低成本网络。根据国际电工委员会IEC61158标准定义：现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线，具有全数字化、全分布、双向传输、自诊断、低成本、开放性、互操作性、智能化等特点，在石油石化等领域获得了非常成功的应用。笔者根据组织该项目控制系统安装、组态和试运的经验，介绍该装置现场总线控制系统的体系结构、安装要点、组态和调试方法，以供同行参考。

1 油田地面生产设施控制系统的体系结构

中心处理厂控制系统所选设备如下：现 场 总 线仪表：2600T- Series， 600T- EN，TF202EX， TZID -C 120等；集成安全栅：M204；链路设备：LD800HSE；中央控制器：AC800FR；以太网卡：E1803；现场总线网卡：F1840；集线器：RS2 FX/FX；电缆和多模光缆：UTP-5，多体模式。

2 系统的安装

总线系统安装工作主要包括总线电缆安装和相关部件的选择与集成。

现场总线既是电源线，又是信号线，为了确保电缆的覆盖距离和所挂现场总线设备的数量以及系统的稳定性和可靠性，除了选择低功耗的现场设备和符合IEC61158-2推荐的电缆型号、采用中继器、提高供电电压外，还在安装时采用防噪抗噪的措施。主要有：使用屏蔽双绞电缆且屏蔽层应至少覆盖电缆总长度的90%，在电缆接线时，电缆无屏蔽的部分或不成为双绞的部分应小于总长度的2%，或小于8m，以长度短的为准；屏蔽层只能一点接地；支线和干线的屏蔽层应相连；存在高频干扰时，应采用电容接地；信号电缆应与噪声源隔离，现场总线信号和非现场总线信号不能同存于一根多芯电缆中；电缆敷设尽量不要交叉，无法避免时，应保证正确的交叉角度。

终端器是一个非常简单的器件，它本身并不通信。其功能一是防止因信号反射引起通信出错；二是把发射信号设备所产生的电流变化转换为跨在整个网络上的电压变化，使网络上的所有设备都能获取这个信号。网络由一个或多个网段组成，终端器应装在网段两端，一端一个，否则网络无法工作。

中继器是双向电隔离器件，用来连接若干网段以形成一个较大网络，其功能就是对输入信号同步刷新并放大其电平，以克服信号沿信号线的衰减，网络上的两个设备之间最多不能超过4个中继器。本质安全是指通过限制危险区内的能量来防止电气故障引起爆炸的方法。使用的安全栅必须符合IEC61158的规定，并通过法定机关的本质安全认证。每个危险区的网段只能安装一个安全栅，不能冗余。一个通信端口只能连接一个安全栅，为了充分的利用通信端口，可采用内置中继器的安全栅。从通信端口到安全栅只需引出一根安全区网段，每个安全栅都可以引出一根危险区网段，这样就构成了一个大网络。稳压电源按照IEC61158-2国际电工委员会的规定，电源必须有输出阻抗，否则就会使通信信号短路，传统电源在系统中不能直接使用，因为输出阻抗几乎为零。本项目没有采用以上分体元器件，而是将终端器、中继器、电源都集成到安全栅中。

链路设备通过高速主站级网络直接与主站连接，链路设备作为信息的缓冲器以兼顾两个级别网络之间不同的传输速度。成为H1段现场设备和HSE段高速主站之间的网关，本项目使用的链路设备是LD800HSE，每个链路设备可同时连接4个H1网段。为提高系统有效性，整个体系结构都采用了冗余方案。

3 系统组态

系统组态包括网络组态、设备组态和控制策略组态3个方面，使用的工程工具是CBF 7.1。该工具支持的组态方式有离线和在线两种，并可以永久地与所有现场仪表连接。网络组态主要为链路设备和通信端口分配网络和设置通信参数，这些工作基本上由组态工具自动完成。在线组态需要考虑参数的修改对生产过程的影响，方法与离线完全一样。下面介绍离线方式下设备组态和策略组态。

3.1 设备组态

设备组态主要是选择现场总线级设备和主站级设备，配置所选设备的资源块和转换块，设置资源块和转换块的参数。每个设备必须配置一个资源块、一个或多个转换块以及若干功能块。当设备接人网络时，为保证设备组态与对应设备正确关联，必须为系统中众多设备模块赋予位号标识，同一模块的位号标识最多由32位字符组成，且不能重复，赋予位号标识的原则是，对照过程和仪表流程图（PI D ），使资源块的位号与物理设备的位号相同，让转换块的位号与功能块的位号一致，‘并加上后缀。选用的设备最好支持功能块动态实例化，使得在系统中既使用标准功能块，也使用包含增强特征的扩展功能块，提高系统互操作性。每个设备必须配置一个资源块。资源块包含设备的整体信息，如诊断、校准、设备档案等信息，负责对物理传感器和执行器接口。资源块中没有输入输出的参数，即资源块中的参数都是内含参数，不能进行链接，只能用于模块的设置、操作和诊断，这些参数值可以由用户设定，也可以由模块自己设定。对于多数设备，资源块组态只需设置很少的参数，如模块模式参数，有时也设置特性选择参数、故障安全参数和清除故障安全参数等。通常资源块的目标模式设为自动。每个设备都须配置一个或多个转换块，它是物理1/0硬件和功能块之间的接口，因此，与1/0硬件相关的安装，如传感器和执行器类型的选择和校验、布线等，可以通过设置与每个输入输出相对应的转换块参数来完成，输入和输出转换块分别与输入和输出类功能块相关联。通过设置输入输出类功能块I/0硬件通道的参数，使同一设备中的功能块和转换块相关联。转换块有3种类型：输入、输出和显示。转换块中的所有参数都是内含参数，不能进行链接，只能由用户设置或设备自动配置。如同资源块组态一样，转换块组态需要设置的参数也很少，一般只有模块模式参数。

3.2 控制策略组态

控制策略组态是对照过程及仪表流程示意图（PID）中的过程控制和过程监测方案，选择适合的功能模块，根据控制和监测方案的要求，设置已选择功能块参数，在考虑功能块运行宏周期后，将选择的功能块链接起来的过程。控制策略的组织是根据它所控制的运行装置进行的，而不是根据布线时连接在一起的仪表。