下一代现场总线设备耦合器简化了化工厂的升级

今天的过程工业操作需要最先进的自动化技术，以降低原材料成本，提高产量，符合监管标准，并最大限度地提高收入。但工厂管理人员还必须确保控制系统在已安装资产的生命周期内提供可靠的运行和低的拥有成本。

尽管基于现场总线的控制系统已经在无数的应用中用于优化过程操作、仪器仪表和控制，但工程师们需要有效的解决方案来保护现场总线物理层免受短路、不当终止、干扰和其他潜在问题的影响。

通过使用最新一代的设备耦合器技术，工业设施可以从一开始就避免许多现场总线安装问题。目前的技术产品简化了现场总线系统的设计和扩展，最大限度地降低了资本设备成本，并大大减少了现场安装和故障排除设备所需的时间。

背景

亚什兰公司是全球领先的特种化学品解决方案供应商，客户遍及消费和工业市场。公司包括四个商业部门:亚什兰特种配料、亚什兰水技术、亚什兰性能材料和亚什兰消费市场，为100多个国家的客户提供服务。

2011年8月，亚什兰收购了国际专业产品公司(ISP)，后者六年前收购了BP在俄亥俄州利马的世界级1,4-丁二醇(BDO)生产业务。该工厂的年生产能力为65,000公吨BDO, BDO是常见工业和商业产品的中间原料。BDO经过进一步加工，可制造工程塑料、聚氨酯系统(如高尔夫球、滑板车轮、汽车保险杠)以及印刷油墨和清洗剂中的载体溶剂。

利马工厂的综合丁烷-丁二醇生产工艺将丁烷在空气中催化氧化与固定床脂肪酸加氢技术相结合。该设施在一个流化床反应器中将丁烷和空气加工成马来酸，在一个高压、富h2的固定床加氢反应器中将马来酸加工成BDO。它还使用了一个废气锅炉，以满足蒸汽和环境要求(图1)。

使用现场总线组网的原因

在决定建立利马BDO生产操作时，工厂经理寻求在不复杂和冗余的传统过程控制系统的情况下实现高可靠性。现场Ashland的过程控制专家John Rezabek表示:“在设计BDO工厂时，我们希望避免使用老式的模拟通信。我们为什么要建一座新工厂，把自己束缚在上世纪80年代的技术上?”

利马工厂没有采用传统的自动化技术，而是要求艾默生过程管理公司提供使用基金会现场总线协议的DeltaV DCS。这种全数字双向通信系统将来自不同供应商的可互操作现场设备(如传感器、执行器和控制器)在单个网络上相互连接。现场总线系统基础设施旨在减少整个工厂的布线数量和复杂性(图2)。

基金会现场总线还传输多个变量，从而减少了过程的可变性以及设备识别信息。该技术可以收集和传输可靠的仪器诊断信息，从而减少不必要的停机，提高安全性和合规性。

作为利马工厂基于现场总线的自动化体系结构的一部分，PID控制算法位于大多数数字阀门控制器中。此外，所有双元件发射机都配备了机载信号选择块。共有80个现场总线H1 (31.25 kbit/s)段连接大约600个现场总线仪表和阀门，处理150个控制回路。

该设施最初的400个离散I/O设备(大部分是开关阀)直接连接到过程控制器，后来又补充了数十个现场总线功能的开关阀。该系统还包括大约400个紧急停机I/O和200个RTD(电阻温度探测器)传感器和通过Modbus多路复用器集成的电机状态。

使用这种配置，整个现场总线体系结构(紧急关闭功能除外)由一个操作系统覆盖。

Rezabek表示，基德技术在利马BDO工厂的主要优势之一是它能够通过减少布线和全数字协议提供的非凡信心和准确性来降低资本成本和运营费用。快速、稳健和确定性的过程控制也被证明是一个显著的好处。

物理层注意事项

与传统的4-20 mA控制系统相比，基金会现场总线需要一些额外的考虑。仔细的规划和前期工程是任何现场总线项目成功的关键，最终用户必须注意物理层要求，如电源调节和段终止。

Rezabek说:“现场总线项目的大多数挑战都是由于布线草率和不专业造成的。”“性能和可靠性问题最常见的原因是端子松动和屏蔽层接地不正确。经过13年的运营，我们发现通过扩展现有部分来集成新设备是非常有效的。我们最初的现场总线几乎覆盖了工厂的每个角落，并且有充足的备用容量。几乎任何支点都可以作为主干的延伸，在这一点上可以将更多的设备连接到耦合器上。虽然这种策略为我们节省了大量的劳动力、导管和电线(以及金钱)，但由于必须重新定位段的终止器，因此非常复杂。通常情况下，我们必须等几个月才能等到设备停机，才能移动终结者。”

所有现场总线段都需要适当的终止才能运行。特别是，在工厂启动和调试期间，过段或过段终止可能是一个重大问题。端子作为两端负载，以尽量减少反射，并将基于电流的信号转换为电压，以便设备可以读取。因此，每个段必须恰好有两个终止符。在某些情况下，多个终止器被放置在一个单独的段上，造成通信错误。

对接线盒和现场外壳的物理检查通常是定位和纠正端子数量的唯一方法(图3)。短路是现场总线安装中另一个常见的问题。维修技术人员可能会挤压电缆，腐蚀会削弱连接，泵和电机的振动会使电缆和连接器松动。

由于所有设备都是并行连接的，工厂操作人员必须关心如果任何一台仪器短路，整个现场总线段可能会发生什么。设计现场总线段的工程师面临的问题是采用某种形式的直刺短路保护，这些保护在设计中可能是主动的，也可能是被动的。限流方法限制了短路的功率可以拉到40到60 mA之间，同时也保持了段上的故障持续。额外的电流消耗会导致其他设备退出网络。因此，单限流短路的影响必须在有额外电源储备或每段设备较少的分段设计中考虑。

控制现代化项目

2012年10月，亚什兰开始对利马BDO工厂的基金会现场总线系统进行升级，这是过程工业中最早安装的此类系统之一。在为期三周的计划停机期间完成的工作范围包括对现有DeltaV系统的增强，以及在整个设施的60个设备分段上更换遗留的端子排、仪表接线、电源供应商和其他现场总线物理层组件。

在1999年工厂建设的时候，设备耦合器技术还不存在。控制系统设计人员不得不依靠接线端子，而接线端子不提供短路保护或对马刺进行电流限制。虽然这种方法便于现场接线，但如果技术人员无意中短路，则会引起维护活动的担忧。当终端接线块在工厂中使用时，工作人员也不能对位于第2分类区域的仪器进行带电工作。

这个问题的最初解决方案是使用快速断开连接器，它允许技术人员断开设备，而没有不必要的短路和关闭段的风险。然而，电气规范限制当局也要求安装断开开关，以符合危险区域要求(图4)。

多年来，许多断开开关因腐蚀和水而损坏，造成了运行负担(图5)。这促使工厂工程师寻找一种方法，在保持现有区域分类的同时，替换整个设施控制回路上的传统硬件。这项工作必须分两个阶段完成，第一阶段重点是消除安装设备一侧的开关，第二阶段致力于重新布线接线盒。

Rezabek指出，设备耦合器技术的选择在利马升级项目中尤为重要，因为设备耦合器涉及到工厂中的每个阀门。他和其他团队成员确定，如果拆除断开开关，需要一种结合短路保护和提供非燃烧马刺的耦合器设计。

作为过程控制系统和现场总线设备(如阀门或温度和压力变送器)之间的重要环节，设备耦合器可以比作链条的主环节。正如链条的强度取决于其最薄弱的环节一样，设备耦合器也必须出色地完成将设备输入连接和保护到总线上的指定任务。

通常情况下，现场总线设备耦合器通过快速方便地将现场总线设备连接或断开到所需的分段，减少了系统集成商的设计工作量和现场安装人员的布线工作量。除此之外，设备耦合器的各个特性对于现场总线系统是否能够快速启动和长期可靠地运行具有重要意义。

一种不同的耦合器方法

在利马BDO工厂控制系统现代化的准备过程中，项目工程师根据价格、性能和可靠性评估了许多替代现场总线物理层技术。他们最终选择安装MooreHawke的TRUNKGUARD系列200 (TG200)设备耦合器。

MooreHawke将其DIN导轨式TG200定位为“第四代”设备耦合器。从用于并行总线布线的早期型号开始，设备耦合器已经从使用保险丝来保护现场总线安装不发生故障，发展到使用限流技术来改善设备网络的保护。

但是，限流会在总线上放置额外的负载，从而影响其他设备。Moore Industries的第四代器件耦合器通过使用线尾传感自动终止和“折叠”短路保护解决了段终止和短路保护的常见问题(图6)。Rezabek承认，由于其复杂性和先进的功能，在安装这项新技术时有些不安。

“从表面上看，这些设备耦合器比具有竞争力的解决方案具有更多的功能，”他说。“我们想知道，像折叠短路保护和自动终止这样的功能，是否会与安装在现有分段上的电源、设备耦合器和其他设备产生兼容性问题。到目前为止，一切都如我们所料。当你需要它的时候，它就在那里，其余的时间它都被忽视了。我们已经能够在我们的细分市场上混合和匹配不同供应商的耦合器，没有任何困难。”

新型现场总线设备耦合器通过消除与线段终止相关的错误，包括因过端和欠端引起的故障，专门用于协助线段调试。他们还解决了过多的电流(从一个杂散短)，导致电压下降到低于9 V段阈值的问题。

使用自动终止功能，即使远程耦合器意外断开，段上的本地设备也能继续工作。这可以避免昂贵的停机时间和危险情况。当设备耦合器确定它是段上的最后一个现场总线结时，段终止自动激活。如果是，则段终止;如果不是，耦合器不会终止段，因为下游单元将承担这一责任。为了正确地终止段，技术人员不需要采取额外的操作，例如设置拨码开关或断开一个耦合器上的端子，然后在另一个耦合器上重新连接它们。

早期的设备耦合器使用短路保护，将故障电流限制在固定且总是较高的水平(通常为50至60 mA)，这可能导致其他设备故障。新的短路技术在不到5微秒的时间内检测到短路，并使用涓滴电流确定短路何时被清除。红色LED指示灯确认短路情况，在短路期间总电流在4 ~ 5ma之间。随着短接的移除，支路自动重新连接到现场总线段。

一个大型的工业过程操作可能有数百甚至数千个设备。如果实现了安全裕度，现场总线的全部功能都没有使用，那么所有额外段的成本可能会变得很大。

Rezabek说:“由于电力预算增加，你可以在不考虑短路的情况下连接测试设备。“如果我用其他类型的耦合器技术来构建一个段，我必须再增加50毫安的备用电源容量，这相当于两个设备的电流，以解决潜在的短路负载。”

TG200设备耦合器在连接测试设备的过程中提供帮助。它们带有标准的手持连接终端，允许手持测试设备通过安装的测试点将设备连接到设备耦合器即可连接。

Rezabek说:“我们工厂进行升级的部分已经成熟，因此自动终止功能允许我们根据需要动态扩展分段。”“我们并不担心增加设备，因为我们知道可以在不中断通信的情况下延长这段线路。”

项目整体成果

Ashland一直在使用新设备耦合器，该耦合器采用自动复位折叠保护，用于直刺短路保护。工厂的分段设计人员现在发现，他们能够使用最大可用功率，而不用担心“净空”。

该技术还通过提供更多的现场总线状态信息来帮助技术人员。每个支点上的绿色和红色led有助于确定设备是否有合适的电压。另外，LED显示是否在特定的设备耦合器上应用了终止器。

Rezabek在他的基金会现场总线安装中对物理层的改进有一个哲学观点。他说:“它(现场总线)就像电影中的背景音乐:如果音乐很好，你不会真正注意到它，你不会注意到它。”“自从安装了新设备以来，情况就是这样，我们预计这种情况会继续下去。我们已经有多年的成功经验，在特定的现场总线段上使用了一些折叠式设备耦合器，随着最近的升级，我们现在已经在工厂近75%的段上使用了这种耦合器，而且它们仍然工作良好。”

得益于精心设计的现场总线自动化解决方案，其中包括先进设备耦合器技术的实施，阿什兰利马BDO工厂提高了其整体运行可靠性和就绪性，并通过更大的系统设计灵活性，可以充分利用基金会现场总线提供的好处。

Jim McConahay, PE，是摩尔工业公司的高级现场应用工程师，专注于过程控制仪器，SCADA, SIS，现场总线，数据集中器和通信链路。

关键概念:

• 网络技术在不断发展，所以跟上最新的发展是值得的。
• 基础设施的改进可以为整个工厂提供更好的性能。
• 有效的技术部署通常取决于人员的表现和安装过程中的谨慎。

在线

欲了解更多信息，请访问:

www.ashland.com

www.fieldbus.org

www.miinet.com

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