因为现场总线技术具有很多常规仪表所不能替代的优点，随着用户对设备管理信息的要求越来越高，现场总线技术的应用已经势不可挡，现场总线技术必将在今后几年得到广泛应用。但是，现场总线技术在国内尚处于应用初期，人们可现场总线的了解还很少，如何在工程中应用更是知之甚少。本文详细阐述了基金会现场总线(FF)在南海石化项目的应用情况，供广大读者参考。
现场总线技术自从上世纪80年代以来，在石油、化工、汽车、食品等许多行业得到广泛地应用，但由于电力行业控制对象的危险性和重要性，所以在电力行业应用还没有得到推广。现场总线技术具有许多传统的控制技术无法比拟的优点，是未来控制技术的发展方向。目前，有许多现场总线协议，如Foundation Feildbus(FF)、Profibus、WorldFIP、ControlNet、lnterBus、P-net等，南海石化项目统一采用基金会现场总线技术(FF)。为减少工程造价，减少以后的运行维护工作量，项目要求尽最大的可能采用现场总线的应用。
现场总线技术是一种全数字、串行、双向的通讯系统，通过该系统将传感器、执行器与控制器等“现场”设备互相连接起来。典型的现场总线安装就是提供一个现场设备到主机的网络连接，这个连接是双向的、串行通讯连接。这种连接是用一对线将多个现场设备并联在一起，这与传统的4～20mA设备用单独的不同对线连接每一个设备到DCS系统有非常大的区别。下图展示了这点不同：
每个从主机系统到现场的部分就是一个段(Segment)，一段就是结束于终端电阴的H1总线的一部分。每一段由干线和分枝组成。干线就是连接主机系统(DCS)到现场的主线(Homerun)。分枝就是并行连接现场设备如变送器、控制阀的支线。接线盒用于干线和分枝的连接。一个供电电源通过连接到干线为所有在这个现场总线段上的现场总线设备供电。
1.0 南海石化项目现场总线系统构成
南海石化项目DCS控制系统选用横河(Yokogawa)CS3000系统，CS3000系统提供了现场总线控制站(FCS)，FCS运行和监视现场总线设备的现场总线功能块。FCS提供现场总线通讯模件(ALF111)用于现场总线设备的通讯控制。另外DCS控制系统还提供全厂资源(PRM)功能，这个功能是一个设备管理系统。它将运行相关的长期数据储存。PRM高效地处理现场总线设备的管理和维护工作。PRM还处理HART协议的设备管理和维护。现场总线系统构成见下图：
2.0 南海石化项目现场总线系统工程设计要求
现场总线设计过程本身与传统的系统设计类似，但是传统的系统设计中设备的布置和电缆表主要考虑接线柜的设计，DCS设计依据于I/O清单和工艺运行程序，不考虑电缆表或设备和接线盒的布置。而现场总线系统设计要考虑现场侧的详细设计。例如现场总线段的设计影响DCS系统的设计，DCS系统的设计依赖于设备的布置、电缆的设计。
2.1 现场总线应用原则
南海石化项目要求在所有过程控制设计时最大限度地应用现场总线，包括所有的成套设备。以下典型的过程控制回路需要应用现场总线：监视回路、简单的PID回路、串级控制回路、顺序控制回路、复杂控制回路。考虑安全原因，现场总线不可以应用于仪表保护系统(IPS)和消防系统(FGS)。开关量信号控制不能应用现场总线。
2.2 现场总线设备选型原则
现场总线设备选型应满足下列条件：
●互可操作性。所有现场总线设备必须与横河(Yokogawa)CS3000系统具有完全的互可操作能力，包括与之相关的先进的自诊断功能。
●现场总线功能快。虽然现场总线基金会已经定义了标准的功能块、先进的附加功能快。但是，不是所有的这些功能块都适合应用到现场设备中，有一些功能块还不能应用到现场设备中，或是还没有通过现场总线互可操人性试验。为了简化现场总线的设计和设备采购过程，所有的变送器被指定为AI功能块，所有的阀门定位器被定义为AO功能块。
●现场总线设备的供电。现场总线设备可以从现场总线段上(回路供电)，也可以从就地供电(外供电)。总线供电典型的要求12～30mA 电流、9～32V电压，超过30mA供电电流的设备没有特殊情况，不被选用。项目推荐回路供电方式。
●链路主设备。现场总线设备不被指定为链路主设备，横河FCS系统在冗余的HI接口卡内提供了工作和备用的链路活动调度器(LAS)功能。
●设备升级。现场总线设备内部的软件有一定的版本，现场总线设备的软件经常改进、升级，而硬件不变。为了设备升级容易，现场总线设备应提供闪存，用于设备软件的在线升级，并且记录设备的应用软件版本、设备描述(DD)和公用文件格式(CFF)的版本。
2.3 危险的回路定义和应用
在危险性分析(HAZOP)阶段要对控制回路的危险程度分级，现场总线分段设计时要依据这些分析结果，危险程度等级应在段和回路图中体现。危险程度分级被分为下列三级：
●第一级
定义：回路控制失败将导致全厂停车，或损坏没有备用的重要的设备。
应用：阀门定位器和与它关联的测量仪表应位于同一H1段上，这一HI段上不允许有其他控制回路，但可以有其他监视仪表。
●第二级
定义：回路控制失败将导致危险形势，这种危险通过提醒运行员采取行动，可以避免全厂停车。或者回路控制失败将导致全厂停车，但对这种停车，工艺系统允许立刻恢复。
应用：阀门定位器和与它关联的测量仪表应位于同一H1段上，这一H1段上不允许有其他级别为1或2的控制回路，但可以有一个级别为3的控制回路或有其他监视仪表。
●第三级
定义：回路控制失败不会导致任何整个工艺单元停车危险，级别为3的阀门可以转到它的失败位置。
应用：同一H1段上可以有2～3个级别为3的控制回路的阀门定位器和与它关联的测量仪表，或其他监视仪表。
2.4 控制功能分配
为了简化现场总线执行的过程，所有与控制有关的功能将在DCS中实现，而不是现场设备。
2.5 现场总线段分组设计
为了充分地发挥现场总线技术的优点，现场总线段分组设计时，应尽可能地将同一控制回路的仪表分配到同一现场总线段。但为了方便现场总线的执行，这一要求不是强制的。
2.6 防爆区域分级
防爆区域分级为2区或安全的，应选用无火花型防爆设备EEx(n)。防暴区域分级为1区的，应选用隔爆型防爆设备EEx(d)。防暴区域分级为0区的，应选用本安型防爆设备EEx(ia)。
2.7 冗余
在主机系统横河CS3000和系统内配备下列冗余：DCS的30分种UPS备用电池电源冗余、DCS系统控制器电源模件冗余、DCS系统控制器(FCU)冗余、现场总线H1通讯模件ALF111(每两个卡件供4个现场总线段服务)冗余、现场总线电源和调节器冗余。
2.8 在H1总线上的物理设备要求
根据现场总线规范要求，每个现场总线段上最多可以连接32个现场总线设备。但实践证明，每个现场总线段上连接16个现场总线设备是切实可行的。为了最小程度降低现场总线设计影响，例如现场总线确认和调试相关的问题，南海石化项目要求，每个现场总线段上最多可以连接10个现场总线设备，同时要考虑回路的危险分级要求。
2.9 现场总线段备用设计要求
每个现场总线段上最多可以连接10个现场总线设备，包括20%备用容量，所以实际设计时，每个现场总线段上最多只可以连接8个现场总线设备。特殊情况下，超过8个现场总线设备时，要对现场总线段设计进行验证。
2.10 现场总线段执行时间要求
所有现场总线段执行时间为1000毫秒。其中预定的通讯时间为700毫秒，非预定的通讯时间为300毫秒。功能块的执行和通讯时间不能超过最大允许时间，以确保满足最大的现场总段线负荷要求。通讯模件ALF111与各功能通讯时间不超过40毫秒，AI功能模块最大执行时间不超过100毫秒，AO功能模功最大执行时间不超过130毫秒，PID功能模块最大执行时间不超过160毫秒。任何超过要求的执行时间都不允许。
2.11现场总线段接线设计要求
现场总线段接线设计与传统的DCS接线设计不同。见下图。传统的接线方式是：从就地接线盒到DCS接线柜干线电缆，通常采用20对对绞电缆，接线盒可以为20个现场设备提供接线，其中包括20%的备用。而现场总线干线(Homerun)电缆采用2对对绞分屏加总屏电缆，连接两个段，一对用于第一个H1总线段，另一对用于第二个H1总线段。每个H1总线段可以连接10个现场总线设备。现场总线设备通过单对屏蔽分枝电缆连接到接线盒。
现场总线拓扑结构。现场总线是一种网络技术，它有五种拓扑结构：点到点的拓扑结构，带支线的拓扑结构、菊花链拓扑结构、树型拓扑结构、混合型拓扑结构。树型拓扑结构也叫鸡爪型拓扑结构，南海项目要求采用树型拓扑结构，现场总线段通过干线电缆把现场公用接线盒连接一DCS接线柜(MDF)，就地的现场总线设备再用独立的双绞一连接到接线盒。这样如果某个设备故障，不会影响到其他设备的运行。如下图示：
其他任何拓扑结构的应用要慎用。
现场总线电缆类型要求。为了得到最好的现场总线特性，现场总线电缆应采用特殊设计的专用的分屏加总屏的对绞线，根据IEC标准的物理层要求典型的现场总线电缆应具有下列特点：
线径——18AWG(0.8mm2)，
屏蔽覆盖率——90%
最大哀减率——在39KHZ频率下为3db/km，
最大容抗——150pF/m，
特性阻抗——D 31.25KHZ频率下为1000hms±20%，
最大直流电阻——220hms/km，
但是对于标准的仪表电缆桥架来说，这种特殊设计的电缆应用的益处不是十分明显，所以为降伛工程造价，南海石化项目使用普通的分屏加总屏的对绞线电缆为现场总线系统设计。干线电缆(homerun cable)采用两对、1.0mm2、对绞、分屏加总屏、聚乙烯绝缘、聚氯乙烯护套、铠装电缆；分板电缆(spur cable)采用单对、10mm2、对绞、屏蔽、聚乙烯绝缘、聚氯乙烯护套、铠装电缆。
现场总线电缆长度要求。根据现场总线基金会规范ISA S50.02要求，一个现场总线段的最大允许长度应小于1900米，总的段长度应为干线长度加上所有的分支长度。经验发现，这个长度要求是保守的。现场总线的长度是为了限制因长度而引起的电压降和信号品质(如衰减和失真)的影响。为了避免计算每个现场总线段的物理负荷和减少现场总线段设计确认工作，南海石化项目要求：现场总线段的干线电缆长度≤500米，现场总线段的分支电缆≤75米。
现场总线电源容量要求。现场总线基金会规定最大的段电流应由电源调节装置限制在350毫安内。南海石化项目要求每个现场总线设备的最大电流不超过30毫安。最小操作电压。南海石化项目要求每个现场总线设备的最小操作电压为直流10伏特。
衰减率。现场总线的运行频率为39千赫兹，在此频率下现场总线电缆的哀减频率应小于3分贝/千米，或1千米后的信号衰减小于70%。现场总线变送器可以发送出峰-峰值为0.75伏特的信号，那么现场总线接收器就要能检测到峰-峰值为0.15伏特的信号。
屏蔽接地。所有现场总线信号线芯应在整个网络内得到保护，任何导体接地将引起在那个线上的所有现场总线设备失去通讯。
2.12 现场总线段设计确认
怎样考虑电缆长度、电压降、电源容量等在现场总线段确认计算的关系，参见下图：
本项目是将所有现场总线参数的最大值和默认值都需要录入INTOOLS数据库(一种仪表专业专用的工程设计软件)，现场总线段设计的确认工作用INTOOLS软件的现场总线段确认程序自动确认，然后给出报告，如果哪项要求不能满足，需调整相关参数。
2.13 现场总线接线盒的要求
现场总线接线盒必须有足够的空间容纳现场总线接线端子板。
南海石化项目根据要求统一采用RELCOM 848T端子板。
（转载）
