淺析淺談故障安全控制系統(tǒng)的通信

　　隨著安全標(biāo)準(zhǔn)的推出和企業(yè)對(duì)安全系統(tǒng)重視度的不斷升級(jí)，根據(jù)裝置高溫高壓連續(xù)性的特點(diǎn)和電工組織IEC提出的STI3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求，公司在新建的化工裝置中選用了美國(guó)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(jí)分為4級(jí)，安全性能由低到高依次為SILl、SIL2、SIL3、SIL4。SIL3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是指每年故障危險(xiǎn)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(jìn)行通信。包括各大公司的Dcs（如HoneywellTPS、FoxboroIASeries、RosemountRS3、YokogawaCentumnXL/uXL/CS、BaileyControlsFisherProvoxCL6921、SiemensPKE3964R），同時(shí)FSC系統(tǒng)還可通過(guò)SMM（safetymanagementmodel）卡或以太網(wǎng)卡與霍尼韋爾的TPS及PKS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，通信接口冗余配置并帶自診斷功能，從而實(shí)現(xiàn)SOE功能、報(bào)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(dú)立原則設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，所有的I/0點(diǎn)都是獨(dú)立于DCS控制系統(tǒng)，甚至在一些非常重要的點(diǎn)會(huì)采用三選二或四選二聯(lián)鎖控制方案。但聯(lián)鎖點(diǎn)通常也是重要的控制點(diǎn)，所以在Dcs系統(tǒng)中有基于同一工藝位置的控制點(diǎn)，甚至為了可和安全性還會(huì)增加1~2個(gè)指示點(diǎn)。而通過(guò)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(jìn)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(jī)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(jī)，系統(tǒng)軟件和SOE（件可在Windowsg5/98/NT/2000的環(huán)境下運(yùn)行。RS-232/RS-485的通信接口，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的庫(kù)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(cè);SOE的報(bào)警和事件記錄;SOE的報(bào)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(guò)程出現(xiàn)的各種問(wèn)題，分辨率為10ms級(jí)，可通過(guò)打印機(jī)在線打印和存儲(chǔ)，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(chǎng)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(dòng)卡）。UO卡件包括DI卡、DO卡、AI卡以及AO卡。
　　
　　中央控制單元通過(guò)冗余輸入卡從現(xiàn)場(chǎng)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。控制程序?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(guò)一個(gè)專門的通信線路與冗余的CP同步。控制處理器對(duì)FSC硬件進(jìn)行連續(xù)的測(cè)試，以確保對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(dú)立并行運(yùn)行的控制器*冗余的控制器具有單套系統(tǒng)冗錯(cuò)的功能。即任何一套中央部分或I/O卡件的故障都不會(huì)停止生產(chǎn)過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng)自診斷發(fā)現(xiàn)一個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，CPU將強(qiáng)制其失效，確保其輸出的正確性。同時(shí)，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(shí)發(fā)生故障或電源故障時(shí)，系統(tǒng)輸出一個(gè)故障安全信號(hào)。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(jí)及IECl61508SIL3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)安全認(rèn)證。
　　
　　為了方便操作，輔操臺(tái)放于內(nèi)操室，上面安裝著一些硬手操開(kāi)關(guān)及報(bào)警指示燈。開(kāi)關(guān)主要是切換聯(lián)鎖的投用和解除，以及進(jìn)行一些閥門的強(qiáng)開(kāi)、強(qiáng)關(guān)，并帶有切換指示燈;報(bào)警指示燈分為聯(lián)鎖源報(bào)警燈及現(xiàn)場(chǎng)閥門回信報(bào)警燈兩種，報(bào)警指示燈具有區(qū)分*聯(lián)鎖源功能，同時(shí)*聯(lián)鎖源會(huì)出現(xiàn)不同頻率的閃爍，利用FSC的報(bào)警類型，組態(tài)可以很方便地實(shí)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(guò)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(shí)它還可以通過(guò)通信卡使它們同步工作;同時(shí)連續(xù)地測(cè)試外部系統(tǒng)和過(guò)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(dú)立并行的控制器組成，通信模塊負(fù)責(zé)其同步運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)自診斷發(fā)現(xiàn)一個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，CPU將強(qiáng)制其失效，它所對(duì)應(yīng)的另一個(gè)模塊將無(wú)擾動(dòng)切換，即當(dāng)一對(duì)CPU、一條總線、一塊I/O卡或一條WD信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)僅僅切除有故障的部分，其余部分不會(huì)受影響，確保其輸出的正確性。同時(shí)，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(shí)發(fā)生故障或電源故障時(shí)，系統(tǒng)輸出一個(gè)故障安全信號(hào)。
　　
　　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(gè)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(shí)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(zhǎng)度為5m。一端連接安裝在CP槽上的VBD（豎向總線驅(qū)動(dòng)卡）;另一端連接安裝在I/0槽上的HBD（水平總線驅(qū)動(dòng)卡）所在槽位的背面插座，用于實(shí)現(xiàn)CP卡件與UO卡件的縱向通信。
　　
　　2.3水平總線（HBUS）
　　
　　（HBUS）水平總線（HBUS）主要是實(shí)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(dòng)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(guò)串行線路與其他計(jì)算機(jī)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(gè)CPzui多可容納四個(gè)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(gè)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(shí)，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(jī)等外部設(shè)備之間的通信。每塊通信卡可有上下兩個(gè)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(shí)可根據(jù)實(shí)際情況組合，它的zui終型號(hào)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(hào)就為10024/I/F。
　　
　　對(duì)于冗余的CP來(lái)說(shuō)，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(hào)要放在10024/./后面。
　　
　　10024/./.標(biāo)準(zhǔn)通信卡的上下兩個(gè)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。可在組態(tài)時(shí)根據(jù)實(shí)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(hù)、監(jiān)裝及SOE實(shí)時(shí)記錄、歷史記錄。可用一臺(tái)PC機(jī)來(lái)完成上述任務(wù)，因此組態(tài)中定義其連接接口為:FSC機(jī)柜CP中的COM1模塊的B口和PC機(jī)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(kāi)放型控制系統(tǒng)，以Windows2O00為操作系統(tǒng)，采用開(kāi)放的實(shí)時(shí)控制網(wǎng)。FSC與PKS都是Honewell公司的產(chǎn)品，因此通信采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(duì)冗余的通信卡，10024/H/I和10018/E/I。三對(duì)冗余的通信接口（10018/E/I只有一對(duì)通信口），一對(duì)用于內(nèi)部通信（RS-422方式），一對(duì)用于連接SOE/工程師站（RS-232方式）;另一對(duì)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(dá)2MbpS，傳輸距離可達(dá)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(guò)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(kāi)關(guān)量和模擬量的字節(jié)數(shù)，其中一個(gè)開(kāi)關(guān)量DI/DO占1位，一個(gè)字節(jié)為8位;模擬量（Float型）則是4個(gè)字節(jié)為一個(gè)數(shù)據(jù)。對(duì)通信口組態(tài)，如表1所示。　　
　　在定義完通信卡后，建立通信點(diǎn)，LOC為COM，定義通信點(diǎn)的相對(duì)位置，然后將通信點(diǎn)設(shè)置到邏輯中。再對(duì)程序編譯、下裝、調(diào)試。
　　
　　4.2.2PKS的組態(tài)步驟
　　
　　由于兩個(gè)系統(tǒng)之間通過(guò)以太網(wǎng)連接，因此在PKS系統(tǒng)中沒(méi)有配置的通信卡，只需在PKS提供的工具QuiCkBuild中定義通信點(diǎn)即可。在QuiCkBuild中定義CONFSCl（開(kāi)關(guān)量）和CONFSC2（模擬量）兩個(gè)通信器，再定義通信點(diǎn)，對(duì)通信點(diǎn)的定義要寫(xiě)入位號(hào)、量程及在PVSourceAddress處，開(kāi)關(guān)寫(xiě)入CONFSClXXX、模擬量寫(xiě)入CONFSC2XXXXfSc42OmA（XXX,XXXXX數(shù)值為在FSC中所定義的通信地址）。
　　
　　五、結(jié)束語(yǔ)
　　
　　通過(guò)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(guò)實(shí)例，詳細(xì)介紹了FCS強(qiáng)大的通信功能，但是為保證FSC系統(tǒng)的獨(dú)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(yùn)行兩年，末發(fā)生通信故障。在DCS系統(tǒng)中可實(shí)時(shí)監(jiān)視FSC中I/0點(diǎn)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(shí)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。