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基金会现场总线(Foundation Fieldbus)的发展动态

供稿:江苏华海测控技术有限公司 2008/1/24 9:55:00

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现场总线基金会自1984年成立以来,经过十年的发展,已经形成了一个开放的、全数字化的工业通信系统,并在上世纪末开始进入中国市场,推动了中国的工业自动化技术进步,并开始了大型全区域系统集成的应用,本文就其发展过程和特点概括地介绍一下。 一. 应用情况
一个开放式的总线协议,很重要的一点就是有多少设备支持这个协议。否则,这个协议的开放性就没有意义了。从2001年起,支持FF总线的产品越来越多。据统计,2002年通过FF基金会认证注册的产品增长了24%,累计达到137种。其中,压力仪表32种,温度仪表12种,流量仪表19种,物位仪表12种,分析仪表16种,阀门类仪表30种,高速以太网联接设备5种,调节仪表1中,其他仪表10种。有10个公司的控制系统能够联接FF总线的H1网段。它们是
ABB,Emerson(Delta-V)
Honeywell(Plantscape,Experion PKS)
Invensys, Smar(System302)
Yamatake(Industrial DEO), Yokogawa(Centum,Stardom)。
在具体工程方面,截至2002年6月,全球已经安装的FF总线仪表达到205,000台,已经安装的系统达到4000个。其应用领域如表一所示。
表一 (附件3)
另外,日本横河株式会社也有一组FF总线系统应用领域的统计数字。其中,
化工31%,石化21%
炼油12%,石油天然气8%
食品制药3%,电力3%
水处理3%,钢铁矿山3%
造纸2%,水泥1%
其他13%。
从以上的数据不难看出,石油、天然气、石油化工、化工领域的项目数占FF总线全部项目数的44.9%,说明石化领域目前是FF总线最主要的应用领域。
国际上著名的自动化咨询公司ARC咨询集团今年7月对60多个现场总线的用户、系统集成商和OEM厂商就他们对各种现场总线的看法、使用的领域、体现的价值以及投资回报的情况作了一次调查,结论如下:
(1)用户已经开始把现场总线技术纳入他们采购仪表和系统的选择对象。在多种现场总线协议中,基本集中在FF总线和PROFIbus两种。在这两种总线的选择中,有23% 的用户已经安装了FF总线H1的系统,15% 的用户在未来的三年内有计划安装H1系统。对于HSE设备,由于该技术发表时间不长,所以只有2%的用户已经安装了这种设备,但是有21%的用户表示在三年之内将安装HSE设备。
PROFIbus PA的情况是,有9%的用户已经安装PROFIbus PA设备,有6%的用户打算在三年内安装这种设备。同时有18% 的用户已经安装了PROFIbus DP的设备,并有12% 的用户有今后购买这种设备的意向。
(2)在应用项目的规模上,目前主要用于中小项目。被调查对象的项目数大体情况如表二所示。
表二 (附件4)
但实际上,现场总线系统已经逐步在大型和超大型规模系统中得到采用。据报道,目前已经在使用的FF总线系统的最大规模已经达到12000台仪表。我国广西惠州新建的大型石化装置约采用数千台FF总线仪表,自动化的总投资达到5000万美元。上海SECCO新建的石化装置也全部采用FF总线技术和仪表,合同金额达到3000万美元。
(3)ARC还对现场总线的采用是作为新装置还是老装置扩张还是替换老装置的情况做了调查。针对这60多个用户,其结果是如表三所示。从表中可以看出,用户在设计新装置和替换老的DCS、PLC系统时,考虑采用现场总线的比例已经超过60%,也就是说,用户开始逐步接收现场总线技术了。
表三 (附件5)
现在在我国已经安装的FF总线系统已经超过100个,当然大部分是中小系统。最近报道厦门湘鲁(音译)石化有限公司,一期投资为6亿美元。生产纯净对苯二酸,是世界上第一个在本安区域使用FF总线的PTA工厂。该系统在本安区域,有161个网段,挂接742台FF总线设备。另外自备锅炉还有38个网段,挂接173台FF总线设备。平均一个网段挂接4台设备。采用的系统是Emerson公司的产品。 二. 关于国际标准
由于各方利益的冲突,致使9种现场总线协议都包含在IEC-61158国际标准中。但是,这种情况却是用户所不欢迎的。因此,各现场总线协议组织又开始互相合作,希望在协议的应用层形成统一的规范,从而使用户在使用中得到方便。
FF、HART和PROFIbus已经组成联合小组,加强在设备描述语言(DDL)方面的开发。他们希望在现有IEC61804-Part 2的基础上,开发出通用的规范,满足比较复杂的功能模块的要求。例如实现阀门特征,传感器校验曲线,运行趋势曲线等功能。这项规范的联合开发制订了四个前提:(1)现有的DD和EDD应能继续使用,不做任何修改;(2)新的元素应该有独立的操作系统和协议;(3)以IEC 61804-2 EDDL为开发基础;(4)要保护用户和制造商的投资利益。该规范分为两部分。第一部分是以IEC 61804-1《过程控制功能块》第一部分为基础制订的,名称为“系统全貌”;第二部分是以IEC61804-2《过程控制模块》第二部分为基础制订的,名称为“功能块概念和电子设备描述语言规范”。这两部分草稿已经在各球循环投票。计划在今年7月,结束这5个月的循环投票,并准备好国际标准的草案(DIF)。7月8日到8月15日,准备国际标准最终草案投票文件。8月15日开始为期2个月的最终草案国际标准投票。10月15日投票结束。争取11月1日成为正式国际标准。该标准的发布对今后不同总线之间互通信息将大有好处。尽管在工厂里可能采用了不同总线的产品和系统,但用户将可以用统一的界面和方法对不同的系统进行组态。
另一个重要的标准是关于本质安全防爆的标准。FF总线提出了现场总线结构下的本质安全防爆的新模型,叫做《FISCO》。《FISCO》提出,只要电缆的参数处在给定的限制值内,电缆的电容值和电感值不必再集中考虑,而仍能保证系统安全。同样,《FISCO》概念下的安全栅也不用规定电容和电感的允许值,因此,可以比传统的安全栅连接更多的设备。这项新技术已经被IEC批准为技术规范(但不是标准)。美国仪表学会(ISA)的SP12小组正在努力,要把《FISCO》列入美国国家标准(ANSI)。 三. 关于技术发展
2003年,FF基金会在技术发展方面提出了三个项目。它们是《灵活功能模块(FB CiHBA)规范》,《HSE冗余系统规范》和《安全仪表系统规范》。
《灵活功能模块规范》是在FF总线的基本功能模块和先进功能模块的基础上,为了满足离散控制、批量控制和混合控制的要求,开发的一种新型功能模块。它的输入、输出通道和编号以及内部的控制算法全部都由用户组态确定。只是把功能模块装在Function Block Shell里面,可以在FF总线协议下运行。这种完全由用户自己确定的功能模块不能装在现场仪表内,而是从上位设备进行软件下载,经过HSE、H1途径装入现场仪表运行。在FF的网站上还发布了灵活功能模块的应用范例。包括脱甲烷塔多变量控制,顺序静态启动,冷却水变速驱动控制,液位的简单开关量逻辑控制,维他命C发酵批量控制等。但是,业内专家认为,灵活功能模块的开发必然会牵涉设备描述语言(DD)的生成技术。而这项技术是被FF基金会垄断的。所以一般的企业将无法自己进行开发。
《HSE冗余系统规范》是为了防止由单电源、单网络和单接口构成的系统因为其中一部分故障而造成系统瘫痪。项目安排在今年2季度完成实验室试验和系统测试。3季度完成规范文稿,4季度完成Beta注册测试的准备工作。于2004年完成第一个产品的注册。
《安全仪表系统规范》是当前用户的热门话题。这个项目是FF基金会与德国T Ű V合作开发。该项目由四个用户(Exxon Mobile,Dupont,Shell,Saudi Aramco)和9个制造商(ABB,Emerson,HIMA,Honeywell,Mesto,Invensys,Rotok,Softing,Yokogawa)参与。在今年3季度提出应用导则和规范文本,2004年2季度完成初步规范,供FF成员审查。4季度完成最终规范文本和应用导则。 四. FF总线系统功能体系结构及火电厂FF总线系统设想框架
通过这几年的发展,新的FF总线系统的功能体系结构已经基本形成。结构图如图一所示,体系共分为五个层次。
最底层是H1层。它的特点是可以总线供电,可以通过中继器延长电缆距离。网段的调度设备(LAS)可以冗余。可以在仪表中运行功能块,使控制功能分散到现场仪表。可以用于本质安全防爆环境。
第二层是HSE层。它是高性能的控制干线,通讯速率达到100Mbit/s。采用标准以太网设备和网络。通过联接设备可以集成H1子系统。HSE可以选择冗余。通过HSE不但能够运行标准的功能块,而且可以运行灵活功能块,以满足批量控制和混合控制的需要。
第三层是OPC数据交换层(OPC DX)。在这一层,服务器与服务器之间可以交换数据。从而使数据可以用于支持各种应用软件包。例如,应用于ERP系统,资产管理系统(Asset Management),历史数据处理,最优化算法,数据仓库等。通过OPC Dx还可以与非FF系统进行数据交换。
第四层是上述的各种应用软件包在这一层运行。
第五层是MIS系统。将过程数据用于全厂管理。
图一 FF总线系统体系结构(附件1)
在上述的五层结构体系下,大致可以勾画出大型火电厂的系统结构,如图二所示。
图二 火电厂FF总线系统体系结构框架 (附件2)
从图二上可以看出,整个系统由燃料与燃烧子系统、锅炉管理子系统、汽轮机控制子系统和批处理(如化水程控等)子系统<

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