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摘要：根据笔者开发项目现场总线系统的设计和试运经验,全面介绍了现场总线系统的设计原则和方法。同时也介绍了与现场总线控制系统有关的术语和概念。设计原则主要涉及系统的开放性、有效性、安全性、有效性与安全性平衡以及经济适用性等原则;设计方法包含了设计周期的两个部分———概念设计和详细设计。详细设计主要涉及网络设计、设备选型、系统组态及文档创建等。为同类系统的设计提供了可以借鉴的原则和方法。
关键词：现场总线控制系统;有效性;安全性;设计过程
引 言
根据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、石化等领域获得了成功的应用。目前现场总线标准尚未统一,市场上主流产品有40种之多。现场总线控制系统的工程设计是根据生产工艺特点从市场上选择一种符合生产要求的现场总线产品并根据设计原则构建现场总线控制系统。笔者根据多年多套现场总线控制系统的设计、安装和试运经验,以苏丹穆格来得油田开发项目所使用的基金会现场总线系统为例,介绍现场总线控制系统的设计原则和设计方法,为现场总线控制系统的设计提供可以借鉴的经验。
1现场总线控制系统设计原则
1.1有效性原则
有效性是回路正常运行时间占总时间的百分比,其目的是尽量减少生产过程的损失。获得高有效性的工程实现方法有分散、诊断和冗余。分散包括网络分散、结构分散、设备物理位置分散、控制回路分散和有限停车等。冗余要求控制器冗余、链路设备冗余、I/O卡件冗余、通信模件冗余、连接介质冗余、变送器冗余和电源冗余等。除此之外,还有冗余分离、备份主设备等辅助备份技术。系统诊断是指设计中对现场总线设备丰富的状态字节和判断能力的利用,从而迅速确定过程问题、故障设备；减少平均修复时间、系统错误停车；实现备份设备间的正确切换等。另外,还有短路保护、本质安全、故障安全等辅助技术。容错是提高系统有效性的重要手段,容错是指系统在出现故障时仍能正常工作,同时又能查出故障的能力。容错包括三种功能:故障检测、故障鉴别、故障隔离。冗余是实现容错的工程方法。提高系统的诊断覆盖率水平,也可以提高系统有效性。有效性不影响系统的安全性,但系统的有效性低可能会导致装置和工厂无法进行正常生产。
1.2 安全性原则
安全性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。总线控制系统的安全性原则不同于安全相关系统。工程化的设计方法有现场系统诊断功能的利用、正确组态以及安全联锁功能的分散等。诊断包括通信故障诊断、取代差错检查、通信故障停车以及操作员通知等。正确组态包括设备组态和联锁组态。此处的分散是指将停车联锁功能置于现场总线控制设备或去往阀门定位器的通信中,从而实现安全分散。附加的安全性实现方法还有执行器位置反馈引用、动力源丢失保持以及冗余外输设计中的不一致检查等。
1.3经济适用原则
提高系统的有效性和可靠性,必然增加系统的成本。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆多余的冗余以及富余的安全等级是一种浪费。科学的设计方法就是根据实际的生产过程,选择合理的系统冗余度。现场总线控制系统具有强大的诊断判断功能,合理地组态,充分地利用可以在提高安全性,增加有效性的前提下,实现设计系统经济适用及够用的原则。
2 现场总线控制系统的设计方法
现场总线控制系统的工程设计与常规控制系统一样分为概念设计和详细设计两个阶段。
2.1 概念设计
现场总线变送器具有多通道和多制式的特点,可实现传统系统中多个变送器的功能。现场总线阀门定位器自带软限位参数,可减少系统的离散输入。现场总线变送器自带控制功能模块,统一了总线系统控制点和测量点。模拟和数字信号在现场总线系统中都以数字信号出现。因此,总线系统对模拟和数字以及输入和输出信号不再区别,工程设计初期不再像传统DCS那样分别计算检测、报警及控制“点”的数量,而只需根据工艺过程对控制系统的要求计算检测和控制设备的总数,并根据设备的物理和逻辑分布确定现场总线系统的初步拓扑结构,通信端口数,链路设备或接口模板数。并以此为基础生成系统设备物资清单。
2.2 详细设计
2.2.1 主站级网络设计
操作员对整个工厂的监视依赖于主站级网络的建立和运行,在控制回路使用位于不同现场级网络的设备时,跨越主站级网络的桥接必须使用。为此,工程设计时操作员站应备份,网络介质应冗余,集线器电源应独立,以确保系统有效性。主站级网络冗余有三个层次:介质冗余、整体网络冗余和以太网设备冗余。介质冗余完全工作在物理介质层,与使用协议无关。设备和端口的冗余是在较介质冗余更高的层次上实施的,与使用协议有关。
2.2.2 现场级网络设计
现场网络的拓扑结构主要有总线型和树形两种。区域内设备密度较低且分布范围较广时宜选用总线拓扑结构。根据设备清单确定现场网络数量,并计算网络端口和现场电源数量。依据选定的拓扑结构和电缆类型选择安装附件,原则上一条支线只连接一台设备。尽可能地让同一回路的设备处于同一网段中,避免不同网段间使用桥接功能,从而提高性能。现场级网络的设计应以贯穿故障条件下对系统影响最小为原则。现代工厂是区域和车间的合理划分,区域应有属于主站级网络的独立子网,子网由路由器相连。即使在冗余控制器或链路系统中,中央控制器或链路设备中不应超过30个控制回路。每个现场级网络应只包括一个或少数几个控制单元,最多只能有16台设备,对应最多8个回路。
2.2.3 总线电源设计
按照IEC611582要求,电源必须有输出阻抗,传统电源中应加装包含终端器的阻抗模块。为了提高系统有效性,总线电源和阻抗模块应冗余布置,且能无扰切换,实现冗余后的阻抗值应符合系统通信要求,此时内置中端器不能使用,必须使用一个独立外部中端器。主电源和备份电源以及阻抗模块之间的设计布局应有一定的安全间隔,以免单点电源故障使总线系统瘫痪。总线设备的工作电压大约为9～32VDC,功耗一般为12mA。选择电源的额定电流应不小于300mA。为便于系统的组网和安装,总线电源、阻抗模块、终端器一般集成在链路设备中,并采用多端口结构。
3 结束语
现场总线控制系统在硬件设计过程中，通过应用一些基本方法，进行控制系统可靠性设计、计算；并采用了几种设计方法，大大提高了控制系统的可靠性、降低了故障率。本控制系统通过多个现场实际应用，运行非常稳定，没有出现用户投诉产品的质量问题。
参考文献：
1] 李海泉，李刚编著.系统可靠性分析与设计[M].北京：科学出版社，2003年.
[2] 顾履平等著.实用可靠性技术[M].北京：机械工业出版社，1992.
[3] 谢云山，龚建宇，刘春雷等.ADM3053在CAN隔离接口应用中的EMC设计[J].自动化与仪器仪表，2012(5)．
论文作者:华启国
论文发表刊物:《防护工程》2019年第5期
论文发表时间:2019/6/10
标签：冗余论文; 系统论文; 现场总线论文; 控制系统论文; 设备论文; 总线论文; 有效性论文; 《防护工程》2019年第5期论文;