上海賽科90萬噸/年乙烯FF總線技術的應用

　　一 概述
　　上海賽科90萬噸/年乙烯聯合裝置是目前世界范圍內生產規模最大、工藝技術最新、自動化系統集成度最高的石油化工聯合工廠，該工程總投資約27億美元。2005年3月18日，90萬噸/年乙烯裝置開車成功，標志著上海賽科乙烯工程所有的生產裝置、公用工程及輔助設施進入正常生產試運行。同時也表明，大規模采用FF現場總線控制技術在現代化大型石油化工聯合裝置中的應用獲得了成功。
　　上海賽科(SECCO)工程包括：90萬噸/年乙烯裝置等9套生產裝置及公用工程、輔助設施等。全廠設一個中央控制室，所有生產裝置的操作控制和生產管理全部集中。主控制室約800m2 ，其中設有全部操作員站和監視站，另外還有工程師站室、應用服務器室、通信光纜交換機室、UPS室、管理工程師室、工藝工程師室、操作培訓室、會議室、空調機室等。全廠設有15個控制系統外站，分別設在各個生產裝置中。各控制系統外站內安裝各種控制系統機柜，并設一臺帶工程師屬性操作站，面積大約50～300m2 ，全部按抗爆結構設計。最遠的控制外站到中央控制室的距離大約2.5km，各控制外站到中央控制室的各種信號全部采用雙冗余光纖電纜通信方式傳輸。
　　

　　
　　　　二 全集成自動化系統
　　上海賽科乙烯聯合裝置共有10套DCS系統分別控制9套生產裝置及公用工程(OSBL)。所有其他監視控制系統都有自己的網絡系統，但同時通過Modbus與DCS通信，使操作員能夠在DCS上監視這些系統的狀況。各種系統之間通過網絡連接構成全集成自動化系統。網絡連接的安全可靠性是十分重要的。網絡的通信方式應采用工業標準或是專用局域網標準、串行數據鏈接。為了確保網絡通信的安全可靠，對網絡的設計提出如下原則要求：
　　(1)一般監視系統網絡，可采用單路通信網絡；
　　(2)重要的控制、聯鎖系統網絡，采用雙冗余通信網絡；
　　(3)對于重要的網絡要求有最高等級的安全性。管理系統的網絡與生產系統網絡在連接時應該配備防火墻，從而防止未經授權的信息由一個網絡傳播到另一個網絡。在易受攻擊的計算機和工作站上還應安裝防病毒軟件。
　　(4)除了與生產過程相連的檢測和控制設備外，DCS內部的控制網絡上不應與外部系統有直接的連接。
　　(5)數據庫和應用軟件的使用應通過密碼保護的手段，使其限制在授權用戶的范圍內。
　　(6)整個現場范圍內的通信光纜應至少有50%的冗余量。同時為了在一路通信光纜發生損壞情況下不影響通信的正常進行，應使用兩種光纜路徑敷設(一路走地下埋設，另一路走架空電纜橋架)。
　　1. 安全聯鎖(SIS)系統網絡
　　SIS系統與外部DCS的相關設備連接，主要有：
　　(1)通過冗余的Modbus串行鏈與DCS接口，顯示SIS系統的檢測數據；
　　(2)通過HART通信與DCS系統的AMS應用工作站連接，用于資產管理；
　　(3)通過OPC總線與DCS系統的收集報警和事件歷史(SOE)的應用工作站連接，收集SIS系統的報警和事件。
　　SIS系統內部也通過網絡通信將設置在中央控制室的設備與控制外站內的控制器連接起來構成整個SIS系統網絡，它們有：
　　(1)通過冗余的安全以太網(HPRO-S)將各裝置控制外站內的SIS的控制器與設置在中央控制室內的公用的SIS控制器通信連接，輔助操作臺上的緊急按鈕和旁路開關通過硬導線作為DI點輸入到中央控制室內的公用SIS控制器，這樣聯鎖系統用的緊急切斷開關動作和旁路開關狀態可以通過安全以太網進入到設置在控制外站內的SIS控制器中，參加聯鎖邏輯運算。
　　(2)設置在中央控制室內的SIS系統工程師站通過ELOPII總線與10個裝置衛星站內的SIS控制器通信連接，這樣在中央控制室可以對全廠10個SIS系統分別進行工程組態。但在各控制外站內利用PC機也可以對本站內的SIS系統進行工程組態。
　　2. 火災和可燃氣體系統網絡(F&G)
　　在各裝置的控制外站內都安裝有火災和可燃氣體(F&G系統)控制器，它的作用是：
　　(1)通過Modbus串行數據鏈與Minerva-M80火災報警盤通信鏈接。后者又通過通信總線與可尋地址的火焰檢測器、煙霧檢測器、手動報警器等連接，這樣在控制器上可以采集到這些火災檢測信號。
　　(2)各種可燃氣體和有毒氣體檢測器的4～20mA信號作為AI點輸入到火災和可燃氣體控制器中，使控制器能夠采集到可燃氣體和有毒氣體信號。
　　(3)在控制器內可以組態F&G系統控制邏輯，并輸出DO點去驅動警報喇叭、報警燈、報警解除裝置以及SIS系統的安全聯鎖動作。
　　(4)F&G系統控制器不僅通過一個雙冗余Modbus串行數據鏈與DCS相連，而且各控制外站內的F&G控制器之間還通過基于雙冗余的安全以太網相互連接，并連接到CCR中的3臺F&G系統操作站，后者作為全廠火災和可燃氣體監視系統的備份，當DCS系統出現故障時，可以在中央控制室(CCR)內監視全廠的安全狀況。同時在這3臺F&G操作站的輔助盤上可遠程操作滅火噴淋系統，以及全廠火災和可燃氣體報警聲和光的測試，賽科的HHSE部門是每周檢查測試一次。
　　(5)火災和可燃氣體網絡同時也連接賽科公司和漕涇工業區的消防站，消防站內的F&G操作站可監視并發出指令通過F&G網絡傳送到各控制外站內的火災和可燃氣體控制器并向全廠發出警報。
　　(6)在有些生產裝置內還安裝有火焰電視攝像探頭，通過獨立的CCTV電纜連接到中央控制室的電視接收機上供操作員監視用。
　　3. 轉動機械設備監視系統(MMS)
　　轉動機械設備的位移和振動檢測系統的MMS-3500機架除通過冗余的Modbus串行鏈接與本控制外站內的DCS通信外，同時通過儀表局域網與設置在控制外站內的機器狀況監視數據采集器(DAQ)和設置在中央控制室(CCR)工程師室內(和維修大樓內)的MMS工程師站相連接。這樣MMS-3500機架的位移和振動數據可傳送至DAQ，而用戶可通過連接儀表局域網訪問MMS 3500和DAQ中的數據。機器狀況監視服務器(DAQ)能分析和顯示轉動機械動態特性圖形，它所需要的工藝過程實時數據是通過中央歷史數據庫(PI)與儀表局域網的連接來提供的。
　　4. 在線氣相色譜分析儀系統(GC)
　　GC的控制器安放在有關生產裝置的控制外站內，它除了通過雙冗余Modbus串行鏈接與DCS通信之外，還通過儀表局域網連接到設置在中央控制室(CCR)工程師室內(或維修大樓內)的GC工程師站中，從而使得組態設計功能可在CCR工程師室內(或維修大樓內)執行，并能訪問GC網絡上所有的氣相色譜儀，用于數據的采集、診斷、校準等。
　　5. 電氣設備檢測控制系統(MCC)
　　電氣系統是使用智能開關裝置對電機和其他電氣設備進行控制。每個智能開關都帶有基于微處理器的保護、監視和控制裝置，電機控制總線將最多128個智能開關裝置連接起來，并與各配電室內的數據集中器相連，它們是環形連接，如果總線中間斷開不會影響與各電氣設備的通信。
　　一個配電室內可能有多個數據集中器，它們通過雙冗余Modbus串行鏈相互鏈接并與對應控制外站內的DCS通信鏈接。所有低壓電機控制數據，電機運行狀態和電機的功率均通過Modbus鏈接傳送到DCS中顯示。在中央控制室操作員能夠通過各裝置DCS操作員站畫面上的電機操作畫面訪問所有的電機，同時在DCS中組態的聯鎖系統也通過雙冗余Modbus串行鏈進行電機的啟動、停止或啟動禁止操作。但是SIS聯鎖系統需要進行電機的啟動、停止或啟動禁止操作時，則應采用硬連接線方式與電機控制回路連接。
　　
　　　　各配電室內的遠方終端單元(REF 560)能夠收集大功率高壓電機繞組溫度、功率等參數，電氣供電分布系統的狀態數據，并通過通信接口卡連接變頻控制器(例如，西門子的Profibus變頻通信總線)。
　　遠方終端單元(REF 560)也通過Modbus串行鏈與對應控制外站內的DCS通信鏈接。
　　各配電室內(substation)的數據集中器(INSUM ICU)和遠方終端單元(REF 560)由電氣局域網絡相鏈接，這是一個以太網(TCP/IP)，另外放置在各配電室內的SCADA系統工程師站也鏈接到這個網上，它可對整個配電分布系統的狀態和所有電機運行狀況進行監測，并可對它們進行工程組態。在中央控制室中安裝有SCADA服務器，SCADA工程師站和低壓電機工程師站，它們與此電氣局域網絡連接，同樣可對整個配電分布系統的狀態和所有電機運行狀況進行監測，并可對它們進行工程組態。
　　6. 工廠信息(PI)網絡
　　各生產裝置的DCS中有一個負責記錄和儲存工藝數據的連續歷史數據庫應用工作站，它一方面與本裝置的DCS控制網絡連接采集DCS數據，同時通過專用網絡(RAS)與其他裝置的連續歷史數據庫應用工作站互相連接。此網絡通過防火墻與設置在行政大樓辦公室內的中央歷史記錄服務器(central PI)相連接。這個網絡稱工廠信息局域網(PI網絡)，它將各生產裝置的工藝數據傳到全廠范圍的中央歷史數據庫(central PI)中，供企業各部門查閱，并為其他管理軟件和系統提供數據。
　　7. 先進控制和優化網絡(APC網絡)
　　在具有APC先進控制的裝置里，DCS控制網上有一個APC應用工作站，可采集DCS的有關數據。各裝置的APC先進控制服務器通過OPC網絡與對應裝置的APC應用工作站連接。先進控制APC服務器中的計算結果，控制數據和DCS的過程實時數據是通過APC網絡相互傳送，可實時處理各種設定點及其他控制參數。APC應用工作站的主要功能是起OPC通信作用以及放置某些DCS中沒有的中間計算功能模塊。APC網絡是冗余的。
　　另外APC服務器通過儀表局域網與操作員臺上的一般用途PC機連接，這臺PC機是操作員的APC控制的界面，可以進行投運APC操作，改變APC控制設定參數等。
　　8. 資產管理系統AMS
　　各裝置的DCS系統都有一臺AMS應用工作站，它通過HART通信協議總線與設置在對應裝置控制外站內的SIS系統的I/O HART信號轉換器連接，收集SIS系統的現場儀表的資產管理信息。同時FF總線現場設備的資產管理信息也被收集到這臺AMS應用工作站。AMS系統能診斷現場設備的各種故障信息，并能對現場設備進行組態。
　　三 FF現場總線技術的應用
　　上海賽科的FF現場總線設備有10631臺，2473個FF現場總線網段，平均每個網段上掛5.8臺FF現場設備。
　　上海賽科乙烯工程大規模全面使用FF現場總線控制技術，它的通信速度能滿足石油化工過程控制的要求。除部分儀表出現通信故障外，FF總線儀表運行基本正常，FF總線的優越性正在逐漸發揮作用。上海賽科成功應用FF總線技術的經驗是：
　　(1)FF現場總線控制技術的進一步成熟。
　　(2)嚴格的FF現場總線設計規定。
　　(3)較完善的安裝調試方法。
　　(4)各工程承包公司和現場總線設備供應商的通力合作，嚴格執行FF現場總線設計規定。
　　(5)FF現場總線設備供應商的豐富經驗和它的全球支持能力等各種因素所致。
　　該工程實踐證明，FF現場總線控制技術在大型石油化工裝置大規模的應用是可行的。
　　1. FF現場總線的優點
　　(1)FF現場總線具有開放性、互操作性與互用性，FF現場總線基金會已為所有標準的功能模塊和轉換器模塊提供了DD文件，供應商可拿來使用。同時供應商也可附加自己的特定特性，例如設備標定和故障診斷功能的人機接口的數據意義。所以不同供應商的產品可以互用。
　　(2)FF現場設備的智能化與功能自治化。現場總線設備將微處理器置入現場測量控制儀表中，具有數字計算和數字通信能力，實現一對傳輸線接多臺儀表，雙向傳輸多個信號。將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能在現場總線設備中完成，FF現場設備還能完成控制的基本功能。
　　FF現場總線的壓力和差壓變送器如果測量量程不超過該傳感器的最大量程范圍，則在變送器的AI模塊中通過設定XD-SCALE和OUT-SCALE參數就可以修改和設置該變送器的測量量程，無需像4～20mA傳統變送器那樣用標準信號發生器來改變和校驗變送器的量程。
　　(3)FF現場總線控制功能高度分散化。
　　(4)數字信息技術發展迅速，為今后數字技術的應用打下了基礎。FF現場總線系統為全數字化技術，準確性與可靠性高，各種功能更加強大，現場儀表和功能模塊不斷產生，為今后數字技術在控制系統中的進一步應用奠定基礎。
　　(5)FF現場總線系統安裝材料與調試工作量減少。現場總線系統的接線簡單，設計規定一個現場總線網段最多連接9～12個現場總線設備，其中有增加3臺現場總線設備的余量。儀表電纜、端子、電纜槽、橋架的用量減少，接線及查線的工作量減少。當需要增加現場總線設備時，可就近連接在現有現場總線網段上，既節省投資，又減少設計、安裝的工作量。據有關典型試驗工程的測算資料表明，可節約安裝費用30％以上。
　　由于FF總線現場設備的性能穩定，精確度高，量程改變方便等優點，實踐說明在出廠已經調試合格的基礎上，FF總線現場變送器和閥門定位器在安裝前無需進行單表的校驗調試，在安裝后，如果在DCS的資源管理器中能夠檢查現場總線設備參數是正確的，則這臺總線現場設備就是正常的，閥門的行程在DCS中做回路調試時再進行檢查，節省了調試時間和調試費用。
　　(6)FF現場總線系統為降低設備的生命周期成本提供工具。由于FF現場總線控制設備具有更多的故障自診斷能力，并通過數字通信方式將診斷維護信息送往DCS，管理人員通過DCS的資產管理系統(AMS)查詢所有儀表設備的運行情況，診斷維護信息，尋找故障，以便早期分析故障原因并快速排除，儀表設備狀況始終處于維護人員的遠程監控之中。與此同時，根據AMS系統提供的信息準確地制定大修或搶修的作業計劃和備件準備，不必進行調節閥的周期性的輪流解體檢修，縮短停工維修時間，節約維修費用，降低生命周期成本。
　　目前上海賽科的AMS系統診斷數據對于FF現場總線設備來說是來自現場總線網段的故障診斷通信信息，需要進入FF網段在線查閱。對于非FF現場總線設備來說是來自HART信號的故障診斷通信信息，可在AMS應用站上查閱。因此管理人員需要在兩個地方查閱它們診斷信息。現在上海賽科正在升級AMS的版本(7.0)，使來自兩個地方的診斷信息合并在一起，管理人員可在AMS應用站上方便地查閱現場設備的故障診斷信息。
　　(7)模型裝置FF總線技術的應用投資分析，對FF總線技術與常規技術的投資比較。
　　結論：采用現場總線技術，降低建設投資的關鍵要素：提高總線網段(Segment)的使用率；采用國產總線電纜。(詳見表格情況1至情況3)
　　天津安琪爾生產的國產FF總線電纜已經在國內大型裝置的FF現場總線回路中得到使用，情況良好，為FF總線電纜的國產化和降低FF現場總線的建設投資起到了促進作用。
　　那種認為現場總線的優越性就是節省電纜是片面的觀點，它的精髓在于全部信息化和智能化。現場總線是并不昂貴的高新技術，性能提高但總體節省(包括設計、設備、材料、施工、維護等)貫穿了系統的全生命和全周期，使用系統的規模越大，優越性將體現得越明顯。
　　2. FF現場總線設計考慮
　　要使FF現場總線回路能夠正常運行，總線回路的正確設計和組態非常重要。根據FF基金會總線系統工程指南要求和賽科使用經驗，需要考慮如下幾方面：
　　(1)FF現場總線網段的設計應考慮網段總的電流負載、電纜型號、總線干線長度、總線支線長度、電壓降和現場設備數量等。H1總線網段上可掛的設備最大數量受到設備之間的通信量、電源的容量、總線可分配的地址、每段電纜的阻抗等因素的影響、總線的拓撲結構采用單雞抓型。這些設計要求在FF基金會的有關文件中有明確規定。賽科項目設計中使用了Emerson過程管理公司提供的現場總線網段設計工具來設計和檢查。
　　(2)為提高FF總線工作效率，在設計和組態時應該盡量減少FF設備在總線上的通信量。應盡量做到以下幾點： 盡量將PID控制模塊放在現場閥門定位器中，賽科項目中原則上將單回路和串級控制副回路的PID控制塊放在智能閥門定位器中，這樣就可減少DCS控制器與現場閥門定位器之間的通信量；寫現場總線的靜態參數時僅寫有變化的參數，節約NVM(易揮發寄存器)資源，否則參數每秒種掃描一次很快就將NVM寄存器寫滿，使其失去寄存功能，必須調換了；在控制回路中應盡量減少該回路之外的參數引入到該回路的現場總線設備中，因為跨功能塊、跨網段的引用數據會增加通信量。
　　3. FF現場總線安裝和測試要點
　　賽科項目的現場總線使用經驗表明現場總線回路故障的主要原因之一是來自網段上的干擾，而干擾的主要原因是現場總線網段和總線設備的不良安裝。FF基金會總線系統工程指南(版本2.0)對安裝提出了詳細要求，賽科項目的經驗是：
　　(1)現場總線網段對絕緣要求很高，為了防爆和防止總線回路受潮，規定采用增安型(EEx e)接線箱，電纜穿入接線箱時使用防爆電纜密封接頭。
　　采用FF總線專用端子塊與各總線現場設備連接。每個總線專用端子塊具有短路保護作用，短路時指示燈亮，保證一個支路短路時不影響其他支路的正常工作，短路保護器將限制每個支路的短路電流不超過60mA。
　　(2)電纜屏蔽層的連接注意事項：
　　(a)在現場總線設備上，支線電纜的屏蔽線要剪斷，并要用絕緣帶包好，不能與表殼接地螺絲連接。各段總線電纜的屏蔽線應在接線箱內通過接地端子連接起來，屏蔽線只能在機柜側(Marshalling)的端子接地，中間任何地方對地絕緣要良好，不能有多點接地情況，這樣可以起到防止靜電感應和低頻(50Hz)干擾的作用。
　　(b)如果干線電纜是多芯電纜，則不同總線網段的分屏蔽線不應在接線箱(JB)內被互相連接在一起，也不能與總屏蔽線連在一起。
　　(c)電纜橋架要每隔一段距離接地情況一樣。
　　(3)現場總線電纜和現場設備安裝之后應該經過嚴格測試，電纜線間絕緣電阻、對地絕緣、線間和對地電容以及總線信號的波形測試等應符合FF基金會總線系統工程指南中的技術要求，各端子的連接必須緊固。
　　目前MTL公司能提供FBT3、FBT5、FBT6和FLUK公司的123示波器等FF總線網段測試設備，能檢測現場總線網段上的各種故障情況，是目前有效的總線網段性能測試工具。
　　4. 現場總線故障檢測和處理
　　根據賽科項目的經驗，FF現場總線運行情況基本良好，但是有時也出現一些故障和問題。FF現場總線網段的主要故障現象表現為現場總線設備從網段上丟失，在DCS的事件記錄中出現通信報警，丟失設備的指示值出現BAD(壞值)標記，PV值保持最后好值，閥門保持原來位置，控制模塊出現報警(Module Alarm)，調節器從自動切換到手動模式等。