现场总线促进所有过程

低功率双绞现场总线仍在不断取代过时的点对点接线,它能更好的传输数据且以太网或无线版本更能支持全球范围内兴起或更新的各种过程应用。Jim Montague撰文。

在充斥各种以太网、无线和智能接口的当下,与其他实干的技术一样,主要的现场总线通信协议及其双绞接线低功率网络栖身在低调的现场中,它在全球过程应用中扮演着功不可没却默默无闻的角色。与前辈们相比,除了传递更为复杂的数据以外,现场总线及其自身以太网或无线版本越来越多的取代各种硬接线,在自它问世以来便不断争取的大型点对点安装领域也获得了一席之地。

譬如,San Jacinto Tizate地热发电项目地处尼加拉瓜Léon附近,在马那瓜西北部约90千米处。项目现场约10,000英亩(大于40平方千米)处于Nicaraguan洼地中,沿途70千米为Cordillera de Maribios活跃火山链,预计其总产能为277兆瓦。

San Jacinto项目分两期建设,2012年1月和12月已开建两座36兆瓦的电厂。在美洲,尼加拉瓜依赖石油程度最高,而人均所得电力最低且能耗成本最高,因此该项目的电力产能对该国非常重要。然而,与其他任何地热或替代能源项目一样,将这些电厂投入商业运营必须克服一些非常问题。该项目最早授权给内华达州里诺市的Ram Power Corp. (http://ram-power.com)和它在爱达荷州黑利市的设计工程公司Power Engineers Inc. (www.powereng.com)来进行。根据更新的现场勘测和技术评估,Ram Power 和 Power Engineers决定采用单闪冷凝汽轮机来完成这个两期工程,这种设计能最高效和经济的提取地热能。产出井和蒸汽田支持设施建成后,单闪技术注入高温高压,两期地热卤水进入低压分离器。

生成的蒸汽被送入Fuji汽轮机中产生电能,随后保持液体形态注回井内的地热储集层中再次加热。

地下电能

图1:San Jacinto Tizante项目两座36兆瓦电厂都采用Softing推出的FG-110 FF网关Ethernet转换,光纤布线和Modbus TCP/IP,以便企及远程蒸汽田井中的现场设备,并将厂区中央DCS与远程设备和各自的本地Foundation现场总线区段相连。

简化与节省

然而,由于San Jacinto project项目远程蒸汽田井和中央控制建筑之间距离较远,Ram Power 和 Power Engineers决定并和设计了一个分布控制系统来运行电厂,且在中控室内选装传统DCS和控制器。这些控件能在各独立井中,通过Modbus TCP/IP和光纤Ethernet布线与Softing(http://industrial. softing.com) FG-110 FF网关转换进行通信。网关转换集结了井内远程现场设备和它们的本地Foundation现场总线(FF)区段,并支持现场设备与电厂整体控制系统的数据交换。尽管各井与电厂的距离遥远,但与过时的硬接线相比,以现场总线为基础的网络和它们的现场控制(CiF)功能同样能省去大量的接线、时间和成本。

此外,每个FG-110 FF网关至多可与四个FF H1区段相连,最多运行64个现场设备。网关与其链路设备采用以Windows为基础的FF工具配置各个现场设备,定义必要的软件功能模块链路和进度。随后,FF配置、FF链路活动调度器(LAS)和FF时间控制共同定义和执行CiF。

最后,San Jacinto还配置了冗余压力过程值,以便从网关CiF特性中获益更多。输入选择器(IS)功能块能保障冗余,结果数据发送至PID功能块计算出新的输入值。“完成对所有备选方案的考察研究后,Ram Power敲定采用FG-110 FF网关,而Power Engineers负责网关的配置与安装工作。”Power Engineers的控制系统工程师Tom McAuliffe解释说,“San Jacinto地热井田中安装了四个FG-110 FF网关,过去一年它们稳定的发挥着效用。Power Engineers还对Softing就如何增强网关性能提出了几点建议,这些修改将在未来发布的固件版本中问世。”

再回到传统能源领域,过去在许多大型过程控制工程中已经安装或采用Foundation现场总线,这些大型工程包括:卡塔尔Shell公司的Pearl GTL设施,印度古吉拉特邦Reliance Industries公司的Jamnagar精炼厂。援引Fieldbus Foundation(www.fi eldbus.org)全球市场经理Larry O’Brien所言,这座庞大的原油精炼厂已有超过30,000个设备,近期公布的一份协议表示现有规模将扩大两倍。大多数新兴过程控制项目都建设于亚洲等发展中地区,O’Brien补充说FF也在北美和欧洲等发达地区不断扩大其影响范围,其中包括印第安纳BP公司Whiting精炼厂和德克萨斯阿瑟港Motiva设施等。“过程公司非常清楚自身现代化必须在未来二三十年内发挥效力,所以肯定不愿重复使用建厂之初就拥有且已有50年历史的点对点网络,”O’Brien继续说:“这就是他们选择Foundation现场总线、HART与WirelessHART的原因,也就解释了为什么这些现场总线技术能同时以每年两位数的速度攀升。”

安全与灵活

除了简化过程网络,现场总线还能让许多应用摆脱传统固件的束缚。这种自由为许多用户带来了从前望而却步的利益,如更便捷的实现安全功能,阀门更便于监测与控制等。

譬如,亚伯达卡尔加里的Precision Drilling Corp. (www.precisiondrilling.com)是北美最大的钻探设备与服务供应商。Precision的Darcy Falardeau在报告中指出,Profinet等现场总线使其钻探装置与其他现场设备变得更加智能,从让整个钻探过程更为安全高效。“客户能从钻探设备的实时信息中获益,这正是我们的全新离心控制系统和Profinet网络所要实现的目标,” Precision公司完井与生产服务部门运营副总裁Falardeau说:“工程师与操作员现在可以通过Profinet实时监控离心机性能和其它支持设备的关键信息,如卧式泥浆罐等。这种集成能缩短停机时间,提升人员作业安全。而这两项正是目前性能主导市场的行业先决因素。当潜在问题产生时,我们能远程进行故障排查,省去了远赴现场的麻烦。结果自然是提升产能和促进安全操作。”

这是全新的离心控制和通信系统首次与Precision 1线超级单钻探设备配合使用。Precision 1线超级单钻探设备常见于页岩矿床钻探石油或天然气。离心机一般要求井深大于1,500米,钻探时清除并筛出钻探泥浆中的岩屑。泥浆在钻探时还扮演润滑剂的角色,因此必须想办法不断监测离心机性能。本系统中还包括软PLC,加上驻留于Phoenix Contact (www.phoenixcontact.com)工业PC上的HMI。软PLC控制分布式I/O、离心机的电机驱动,因而Profinet能与一切相连。

同理,果汁制造商Teisseire (www.teisseire.com)利用现场总线也获得了更优的绩效与灵活性。在近期经历了Britvic的收购后,该公司对法国克罗尔的主要生产厂进行了升级。升级设施包括:主生产线上增加了Bürkert Fluid控制系统(www.burkert.com)全新过程元件,日产量为300,000至550,000升果汁(图2)。Teisseire公司现场自动化与电气维护经理Stéphane Gonin解释,过去生产线的阀门控件已使用15年以上,且带有多个手动和自动阀头,无法有效配合或运转。同时,既有气源会产生大量油雾,阻碍升级成为更加卫生的阀门与控件。

因此,在每年三个月的停机时间里,Gonin与她的团队安装了Bürkert 8681控制头,能变更Teisseire过程阀门控制与开启的方式。实际上,Bürkert 8681系列专门针对卫生过程阀的分离式自动化进行了优化,它们安装于阀门旁边。这种方式将其转化为现场总线上的智能设备,避免先前阀门与控制柜间隔较长距离直接在空气中连接。分布式自动化也说明全新控制头能代替所有气压驱动、回馈与诊断功能,甚至还包括现场总线通信。这个团队还安装了全新的压缩空气系统和带DC回路的供电系统。

现场总线带来更加甜美的果汁

图2:Teisseire公司近期采用现场总线Bürkert 8681控制头升级了的果汁生产线,提升了整条生产线的效率与可靠性。

Gonin解释:“8681这种阀门控制头允许阀门气动控制,同时也提供手动激活、电反馈、视觉状态指示器、现场总线通信和定位感应等。”

未来前沿

正如以太网和无线已扩展了现场总线范围,各方也在不断合作,努力研发新技术,帮助实现这些应用。

“现场总线十分盛行,它在幕后担当着重要角色,”PI北美公司(www.us.profi net.com)——在北美地区管理Profibus与Profinet的一家贸易组织,副会长Carl Henning如是说,“值得注意的是,由于许多人还是首次认识现场总线,因此Profi –bus的销量仍大于以太网为基础的Profinet销量。”为了给这些现场总线用户提供帮助,PCN 技术公司(www.pcntechnology.com)在报告中指出,它的软件算法和硬件模块支持现场总线,通过互联网协议(IP)即可对用户进行访问,无需抛弃原有网络。“我们的设备浏览现有网络物理层结构并找到最适合现场总线共享者的信道,” PCN公司副执行主席Daniel Drolet说道:“这就使得高低带宽设备都能在相同的铜线下运行,而我们的固件与算法对它们进行控制,消除异常现象并使之高效运转。”

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