隨著安全標(biāo)準(zhǔn)的推出和企業(yè)對安全系統(tǒng)重視度的不斷升級,根據(jù)裝置高溫高壓連續(xù)性的特點和電工組織IEC提出的STI3級標(biāo)準(zhǔn)的要求,公司在新建的化工裝置中選用了美國HoneWell公司的故障安全控制FSC(failsafecontrol)系統(tǒng)。電工組織IEC安全要求等級分為4級,安全性能由低到高依次為SILl、SIL2、SIL3、SIL4。SIL3級標(biāo)準(zhǔn)是指每年故障危險的平均概率為0.1‰~1‰。
FSC系統(tǒng)具有符合MODBUS/RTU通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)通信接口,符合通信標(biāo)準(zhǔn),可與任何具有同樣通信接口的設(shè)備進行通信。包括各大公司的Dcs(如HoneywellTPS、FoxboroIASeries、RosemountRS3、YokogawaCentumnXL/uXL/CS、BaileyControlsFisherProvoxCL6921、SiemensPKE3964R),同時FSC系統(tǒng)還可通過SMM(safetymanagementmodel)卡或以太網(wǎng)卡與霍尼韋爾的TPS及PKS系統(tǒng)實現(xiàn)點對點通信,通信接口冗余配置并帶自診斷功能,從而實現(xiàn)SOE功能、報警功能、操作界面的集成以及HM歷史數(shù)據(jù)共享等功能。
故障安全控制系統(tǒng)是基于獨立原則設(shè)計的系統(tǒng)中,所有的I/0點都是獨立于DCS控制系統(tǒng),甚至在一些非常重要的點會采用三選二或四選二聯(lián)鎖控制方案。但聯(lián)鎖點通常也是重要的控制點,所以在Dcs系統(tǒng)中有基于同一工藝位置的控制點,甚至為了可和安全性還會增加1~2個指示點。而通過系統(tǒng)的通信,就可以在Dcs或工廠管理系統(tǒng)中顯示數(shù)據(jù),可以降低成本和更好地進行控制。
一、故障安全控制系統(tǒng)配置
故障安全控制系統(tǒng)硬件主要由PC機和FSC組成,核心部分是FSC。系統(tǒng)配置如圖1所示。
SOE站/工程師站采用PC機,系統(tǒng)軟件和SOE(件可在Windowsg5/98/NT/2000的環(huán)境下運行。RS-232/RS-485的通信接口,可實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的庫和邏輯圖組態(tài)、修改和下載安裝;I/0賦值功能;系統(tǒng)狀態(tài)在線監(jiān)測;SOE的報警和事件記錄;SOE的報表打印以及組態(tài)的在線打印等。SOE事故記錄功能能完整記錄系統(tǒng)本身及生產(chǎn)過程出現(xiàn)的各種問題,分辨率為10ms級,可通過打印機在線打印和存儲,供日后事故分析。
FSC控制站的硬件模塊可分為CP中央控制模塊、I/0輸入/輸出模塊、FTA現(xiàn)場接線端子模塊三部分。CP中央控制模塊包括CPU、COM(通信卡)、WD(系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視卡或稱看門狗卡)、DBM(診斷和電池卡)以及VBD(豎向總線驅(qū)動卡)。UO卡件包括DI卡、DO卡、AI卡以及AO卡。
中央控制單元通過冗余輸入卡從現(xiàn)場讀入數(shù)據(jù),并按照邏輯圖(FLD)中組態(tài)的控制程序執(zhí)行??刂瞥绦?qū)?zhí)行結(jié)果傳輸?shù)饺哂噍敵龆丝凇T诰哂腥哂郈P的FSC配置中,CP將操作結(jié)果通過一個專門的通信線路與冗余的CP同步??刂铺幚砥鲗SC硬件進行連續(xù)的測試,以確保對現(xiàn)場的安全控制。
冗余的中央控制器及冗余的I/O模塊,這種2套獨立并行運行的控制器*冗余的控制器具有單套系統(tǒng)冗錯的功能。即任何一套中央部分或I/O卡件的故障都不會停止生產(chǎn)過程。當(dāng)系統(tǒng)自診斷發(fā)現(xiàn)一個模塊發(fā)生故障時,CPU將強制其失效,確保其輸出的正確性。同時,安全輸出模塊中的SMOD功能(輔助去磁方法)確保在兩套系統(tǒng)同時發(fā)生故障或電源故障時,系統(tǒng)輸出一個故障安全信號。這樣確保了系統(tǒng)的高可靠性、高安全性及高可用性。按照DINVl9250標(biāo)準(zhǔn),F(xiàn)SC-20044D配置符合TüVAK6級及IECl61508SIL3級標(biāo)準(zhǔn)安全認(rèn)證。
為了方便操作,輔操臺放于內(nèi)操室,上面安裝著一些硬手操開關(guān)及報警指示燈。開關(guān)主要是切換聯(lián)鎖的投用和解除,以及進行一些閥門的強開、強關(guān),并帶有切換指示燈;報警指示燈分為聯(lián)鎖源報警燈及現(xiàn)場閥門回信報警燈兩種,報警指示燈具有區(qū)分*聯(lián)鎖源功能,同時*聯(lián)鎖源會出現(xiàn)不同頻率的閃爍,利用FSC的報警類型,組態(tài)可以很方便地實現(xiàn)。
二、FSC系統(tǒng)內(nèi)部通信
FSC系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)通信分系統(tǒng)總線(SBUS)、豎向總線(VBUS)、水平總線(HBUS)三層。FSC的核心CPU用于讀取過程輸入數(shù)據(jù)、執(zhí)行邏輯控制程序,并將執(zhí)行結(jié)果經(jīng)VBD和HBD模塊送到輸出模塊;同時它還可以通過通信卡使它們同步工作;同時連續(xù)地測試外部系統(tǒng)和過程設(shè)備的安全診斷以保證安全控制。FSC2004D冗余系統(tǒng)內(nèi)部通信總線如圖2所示。FSC系統(tǒng)的內(nèi)部通信的三條總線SBUS、VBUS和HBUS都冗余配置,即采用冗余CP及I/O接口的配置系統(tǒng)總線CP及I/O接口的配置遵循IEC61508所描述的2004D系統(tǒng)。2004D系統(tǒng)是由2套獨立并行的控制器組成,通信模塊負(fù)責(zé)其同步運行,當(dāng)系統(tǒng)自診斷發(fā)現(xiàn)一個模塊發(fā)生故障時,CPU將強制其失效,它所對應(yīng)的另一個模塊將無擾動切換,即當(dāng)一對CPU、一條總線、一塊I/O卡或一條WD信號出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)僅僅切除有故障的部分,其余部分不會受影響,確保其輸出的正確性。同時,安全輸出模塊中的SMOD功能(輔助去磁方法)確保在兩套系統(tǒng)同時發(fā)生故障或電源故障時,系統(tǒng)輸出一個故障安全信號。
FSC系統(tǒng)配置中冗余的CP可支持冗余通信,即配置了冗余通信卡。每個CP都有的接口與其通信的設(shè)備連接。
2.1系統(tǒng)總線(SBUS)
SBUS是CP卡件背板,主要實現(xiàn)控制卡間的通信。有5槽、7槽、12槽、17槽四種,通常用12槽。
2.2豎向總線(VBUS)
豎向總線(VBUS)為34芯扁平電纜,zui大長度為5m。一端連接安裝在CP槽上的VBD(豎向總線驅(qū)動卡);另一端連接安裝在I/0槽上的HBD(水平總線驅(qū)動卡)所在槽位的背面插座,用于實現(xiàn)CP卡件與UO卡件的縱向通信。
2.3水平總線(HBUS)
?。℉BUS)水平總線(HBUS)主要是實現(xiàn)I/O卡之間的通信。安裝在I/O槽上的HBD(水平總線驅(qū)動卡)連接VBUS,用扁平電纜(根據(jù)I/0卡的冗余情況可選用Al/A2l/A22)一端連接HBD卡;另一端連接到I/O槽上方的水平總線(HBUS)。
2.4通信卡
FSC系統(tǒng)的通信處理器允許FSC系統(tǒng)通過串行線路與其他計算機設(shè)備交換信息。通信卡都安裝在CP系統(tǒng)背板(系統(tǒng)總線SBUS)上,屬于CP卡。每個CPzui多可容納四個通信模塊8條通信線路,從右至左依次為COM1、COM2、COM3、COM4。所有的通信接口都采用光電隔離。FSC系統(tǒng)配置中冗余的CP可支持冗余通信。每個CP都有的接口與其通信的設(shè)備作連接。
通信卡有10024/·/·(標(biāo)準(zhǔn)通信卡)、10018/2/USMM通信卡(用于TPS)和10018/E/·(用于PlantScape)三種類型。
通信卡用于FSC系統(tǒng)中冗余CP之間的通信;構(gòu)成FSC網(wǎng)絡(luò)時,主FSC系統(tǒng)和從FSC系統(tǒng)之間的通信;與FSC工程師/SOE站的通信;與DCS以及打印機等外部設(shè)備之間的通信。每塊通信卡可有上下兩個通信接口,可支持串行通信RS-232(F)、RS-485(I)、光纖通信(G)、以及RS-422(H,用于冗余CP之間的通信)。在選型時可根據(jù)實際情況組合,它的zui終型號組合為10024/上口A/下口B。如主板為10024/1/1、上通信口為RS-485、下通信口為RS-232,其型號就為10024/I/F。
對于冗余的CP來說,系統(tǒng)中的*塊卡,即COM1,它的上口固定為CP之間的內(nèi)部通信使用,該卡一定是10024/H./.。系統(tǒng)中如有10018/2/U、l0018/E/,。它們一定要放在10024./.標(biāo)準(zhǔn)通信卡的左側(cè),即根據(jù)編號要放在10024/./后面。
10024/./.標(biāo)準(zhǔn)通信卡的上下兩個通信接口可支持不同的通信協(xié)議,包括FSC-FSC、FSC-DC(develop-mentsystem,用于工程師站/SOE站)、MODBUSRTU(FSC-DCS)、RKE3964R等??稍诮M態(tài)時根據(jù)實際情況選用不同的協(xié)議。
三、FSC與工程師站的通信
工程師站的主要任務(wù)是組態(tài)、維護、監(jiān)裝及SOE實時記錄、歷史記錄??捎靡慌_PC機來完成上述任務(wù),因此組態(tài)中定義其連接接口為:FSC機柜CP中的COM1模塊的B口和PC機的COM1口相連,用于工程師站與FSC系統(tǒng)的通信連接。
四、FSC與PKS的通信
4.1通信連接結(jié)構(gòu)
PKS作為公司推出的開放型控制系統(tǒng),以Windows2O00為操作系統(tǒng),采用開放的實時控制網(wǎng)。FSC與PKS都是Honewell公司的產(chǎn)品,因此通信采用了點對點的通信方式。所有的通信接口都是光電隔離的。本系統(tǒng)配備了兩對冗余的通信卡,10024/H/I和10018/E/I。三對冗余的通信接口(10018/E/I只有一對通信口),一對用于內(nèi)部通信(RS-422方式),一對用于連接SOE/工程師站(RS-232方式);另一對用于連接DCS通信系統(tǒng)(RS-485方式)。其中RS-232協(xié)議通信速率為19.2kbpS,傳輸距離為15m。RS-485協(xié)議通信速率可達2MbpS,傳輸距離可達1.2km。FSC與PKS的通信連接圖如圖3所示。
圖3中:ICC1~ICC5為FSC的內(nèi)部通信連接;ECC1~ECC3通信介質(zhì)都為雙絞線;FSC系統(tǒng)通過ECC2/ECC3掛在PKS系統(tǒng)的以太網(wǎng)網(wǎng)段中,因此在通信卡中需定義IP地址。
4.2通信步驟
4.2.lFSC的組態(tài)步驟
定義COM卡,選擇類型,定義需要通信的開關(guān)量和模擬量的字節(jié)數(shù),其中一個開關(guān)量DI/DO占1位,一個字節(jié)為8位;模擬量(Float型)則是4個字節(jié)為一個數(shù)據(jù)。對通信口組態(tài),如表1所示。
在定義完通信卡后,建立通信點,LOC為COM,定義通信點的相對位置,然后將通信點設(shè)置到邏輯中。再對程序編譯、下裝、調(diào)試。
4.2.2PKS的組態(tài)步驟
由于兩個系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)連接,因此在PKS系統(tǒng)中沒有配置的通信卡,只需在PKS提供的工具QuiCkBuild中定義通信點即可。在QuiCkBuild中定義CONFSCl(開關(guān)量)和CONFSC2(模擬量)兩個通信器,再定義通信點,對通信點的定義要寫入位號、量程及在PVSourceAddress處,開關(guān)寫入CONFSClXXX、模擬量寫入CONFSC2XXXXfSc42OmA(XXX,XXXXX數(shù)值為在FSC中所定義的通信地址)。
五、結(jié)束語
通過各種不同的連接方式和遵循不同的通信協(xié)議,F(xiàn)SC還可以與橫河公司的CS系列、FoxboroIA系列等系統(tǒng)通信。本文通過實例,詳細(xì)介紹了FCS強大的通信功能,但是為保證FSC系統(tǒng)的獨立性和安全性,采用了數(shù)據(jù)從FSC到PKS的單向通信。系統(tǒng)已運行兩年,末發(fā)生通信故障。在DCS系統(tǒng)中可實時監(jiān)視FSC中I/0點的數(shù)據(jù),在操作室中節(jié)省了聯(lián)鎖系統(tǒng)的監(jiān)視站這一資源,同時作為DCS中同一位置的控制儀表的參考,為工藝操作提供了更多數(shù)據(jù),提高了工藝操作的安全可靠性。