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1、浅谈故障安全控制系统的通信 随着安全标准的推出和企业对安全系统重视度的不断升级，根据装置高温高压连续性的特点和国际电工组织IEC提出的STI3级标准的要求，公司在新建的化工装置中选用了美国HoneWell公司的故障安全控制FSC(failsafecontrol)系统。国际电工组织IEC安全要求等级分为4级，安全性能由低到高依次为SILl、SIL2、SIL3、SIL4。SIL3级标准是指每年故障危险的平均概率为0.11。FSC系统具有符合MODBUS/RTU通信协议的标准通信接口，符合国际通信标准，可与任何具有同样通信接口的设备进行通信。包括各大公司的Dcs(如HoneywellTPS、Foxb
2、oroIASeries、RosemountRS3、YokogawaCentumnXL/uXL/CS、BaileyControlsFisherProvoxCL6921、SiemensPKE3964R)，同时FSC系统还可通过SMM(safetymanagementmodel)卡或以太网卡与霍尼韦尔的TPS及PKS系统实现点对点通信，通信接口冗余配置并带自诊断功能，从而实现SOE功能、报警功能、操作界面的集成以及HM历史数据共享等功能。故障安全控制系统是基于独立原则设计的系统中，所有的I/0点都是独立于DCS控制系统，甚至在一些非常重要的点会采用三选二或四选二联锁控制方案。但联锁点通常也是重要的控
3、制点，所以在Dcs系统中有基于同一工艺位置的控制点，甚至为了可和安全性还会增加12个指示点。而通过系统的通信，就可以在Dcs或工厂管理系统中显示数据，可以降低成本和更好地进行控制。一、故障安全控制系统配置故障安全控制系统硬件主要由PC机和FSC组成，核心部分是FSC。系统配置如图1所示。SOE站/工程师站采用PC机，系统软件和SOE(件可在Windowsg5/98/NT/2000的环境下运行。RS-232/RS-485的通信接口，可实现系统软件的库和逻辑图组态、修改和下载安装;I/0赋值功能；系统状态在线监测;SOE的报警和事件记录;SOE的报表打印以及组态的在线打印等。SOE事故记录功能能完
4、整记录系统本身及生产过程出现的各种问题，分辨率为10ms级，可通过打印机在线打印和存储，供日后事故分析。FSC控制站的硬件模块可分为CP中央控制模块、I/0输入/输出模块、FTA现场接线端子模块三部分。CP中央控制模块包括CPU、COM(通信卡)、WD(系统状态监视卡或称看门狗卡)、DBM(诊断和电池卡)以及VBD(竖向总线驱动卡)。UO卡件包括DI卡、DO卡、AI卡以及AO卡。中央控制单元通过冗余输入卡从现场读入数据，并按照逻辑图(FLD)中组态的控制程序执行。控制程序将执行结果传输到冗余输出端口。在具有冗余CP的FSC配置中，CP将操作结果通过一个专门的通信线路与冗余的CP同步。控制处理器
5、对FSC硬件进行连续的测试，以确保对现场的安全控制。冗余的中央控制器及冗余的I/O模块，这种2套独立并行运行的控制器完全冗余的控制器具有单套系统冗错的功能。即任何一套中央部分或I/O卡件的故障都不会停止生产过程。当系统自诊断发现一个模块发生故障时，CPU将强制其失效，确保其输出的正确性。同时，安全输出模块中的SMOD功能(辅助去磁方法)确保在两套系统同时发生故障或电源故障时，系统输出一个故障安全信号。这样确保了系统的高可靠性、高安全性及高可用性。按照DINVl9250标准，FSC-20044D配置符合TVAK6级及IECl61508SIL3级标准安全认证。为了方便操作，辅操台放于内操室，上面安
6、装着一些硬手操开关及报警指示灯。开关主要是切换联锁的投用和解除，以及进行一些阀门的强开、强关，并带有切换指示灯;报警指示灯分为联锁源报警灯及现场阀门回信报警灯两种，报警指示灯具有区分第一联锁源功能，同时第一联锁源会出现不同频率的闪烁，利用FSC的报警类型，组态可以很方便地实现。二、FSC系统内部通信FSC系统内的数据通信分系统总线(SBUS)、竖向总线(VBUS)、水平总线(HBUS)三层。FSC的核心CPU用于读取过程输入数据、执行逻辑控制程序，并将执行结果经VBD和HBD模块送到输出模块;同时它还可以通过通信卡使它们同步工作;同时连续地测试外部系统和过程设备的安全诊断以保证安全控制。FSC
7、2004D冗余系统内部通信总线如图2所示。FSC系统的内部通信的三条总线SBUS、VBUS和HBUS都冗余配置，即采用冗余CP及I/O接口的配置系统总线CP及I/O接口的配置遵循IEC61508所描述的2004D系统。2004D系统是由2套独立并行的控制器组成，通信模块负责其同步运行，当系统自诊断发现一个模块发生故障时，CPU将强制其失效，它所对应的另一个模块将无扰动切换，即当一对CPU、一条总线、一块I/O卡或一条WD信号出现故障时，系统仅仅切除有故障的部分，其余部分不会受影响，确保其输出的正确性。同时，安全输出模块中的SMOD功能(辅助去磁方法)确保在两套系统同时发生故障或电源故障时，系统
8、输出一个故障安全信号。FSC系统配置中冗余的CP可支持冗余通信，即配置了冗余通信卡。每个CP都有专用的接口与其通信的设备连接。2.1系统总线(SBUS)SBUS是CP卡件背板，主要实现控制卡间的通信。有5槽、7槽、12槽、17槽四种，通常用12槽。2.2竖向总线(VBUS)竖向总线(VBUS)为34芯扁平电缆，最大长度为5m。一端连接安装在CP槽上的VBD(竖向总线驱动卡);另一端连接安装在I/0槽上的HBD(水平总线驱动卡)所在槽位的背面插座，用于实现CP卡件与UO卡件的纵向通信。2.3水平总线(HBUS)(HBUS)水平总线(HBUS)主要是实现I/O卡之间的通信。安装在I/O槽上的HBD
9、(水平总线驱动卡)连接VBUS，用扁平电缆(根据I/0卡的冗余情况可选用Al/A2l/A22)一端连接HBD卡;另一端连接到I/O槽上方的水平总线(HBUS)。2.4通信卡FSC系统的通信处理器允许FSC系统通过串行线路与其他计算机设备交换信息。通信卡都安装在CP系统背板(系统总线SBUS)上，属于CP卡。每个CP最多可容纳四个通信模块8条通信线路，从右至左依次为COM1、COM2、COM3、COM4。所有的通信接口都采用光电隔离。FSC系统配置中冗余的CP可支持冗余通信。每个CP都有专用的接口与其通信的设备作连接。通信卡有10024/(标准通信卡)、10018/2/USMM通信卡(用于TPS
10、)和10018/E/(用于PlantScape)三种类型。通信卡用于FSC系统中冗余CP之间的通信;构成FSC网络时，主FSC系统和从FSC系统之间的通信;与FSC工程师/SOE站的通信;与DCS以及打印机等外部设备之间的通信。每块通信卡可有上下两个通信接口，可支持串行通信RS-232(F)、RS-485(I)、光纤通信(G)、以及RS-422(H，用于冗余CP之间的通信)。在选型时可根据实际情况组合，它的最终型号组合为10024/上口A/下口B。如主板为10024/1/1、上通信口为RS-485、下通信口为RS-232，其型号就为10024/I/F。对于冗余的CP来说，系统中的第一块卡，即C
11、OM1，它的上口固定为CP之间的内部通信使用，该卡一定是10024/H./.。系统中如有10018/2/U、l0018/E/,。它们一定要放在10024./.标准通信卡的左侧，即根据编号要放在10024/./后面。10024/./.标准通信卡的上下两个通信接口可支持不同的通信协议，包括FSC-FSC、FSC-DC(develop-mentsystem,用于工程师站/SOE站)、MODBUSRTU(FSC-DCS)、RKE3964R等。可在组态时根据实际情况选用不同的协议。三、FSC与工程师站的通信工程师站的主要任务是组态、维护、监装及SOE实时记录、历史记录。可用一台PC机来完成上述任务，因此
12、组态中定义其连接接口为:FSC机柜CP中的COM1模块的B口和PC机的COM1口相连，用于工程师站与FSC系统的通信连接。四、FSC与PKS的通信4.1通信连接结构PKS作为公司最新推出的开放型控制系统，以Windows2O00为操作系统，采用开放的实时控制网。FSC与PKS都是Honewell公司的产品，因此通信采用了点对点的通信方式。所有的通信接口都是光电隔离的。本系统配备了两对冗余的通信卡，10024/H/I和10018/E/I。三对冗余的通信接口(10018/E/I只有一对通信口)，一对用于内部通信(RS-422方式)，一对用于连接SOE/工程师站(RS-232方式);另一对用于连接D
13、CS通信系统(RS-485方式)。其中RS-232协议通信速率为19.2kbpS，传输距离为15m。RS-485协议通信速率可达2MbpS，传输距离可达1.2km。FSC与PKS的通信连接图如图3所示。图3中:ICC1ICC5为FSC的内部通信连接;ECC1ECC3通信介质都为双绞线;FSC系统通过ECC2/ECC3挂在PKS系统的以太网网段中，因此在通信卡中需定义IP地址。4.2通信步骤4.2.lFSC的组态步骤定义COM卡，选择类型，定义需要通信的开关量和模拟量的字节数，其中一个开关量DI/DO占1位，一个字节为8位;模拟量(Float型)则是4个字节为一个数据。对通信口组态，如表1所示。
14、在定义完通信卡后，建立通信点，LOC为COM，定义通信点的相对位置，然后将通信点设置到逻辑中。再对程序编译、下装、调试。4.2.2PKS的组态步骤由于两个系统之间通过以太网连接，因此在PKS系统中没有配置专用的通信卡，只需在PKS提供的工具QuiCkBuild中定义通信点即可。在QuiCkBuild中定义CONFSCl(开关量)和CONFSC2(模拟量)两个通信器，再定义通信点，对通信点的定义要写入位号、量程及在PVSourceAddress处，开关写入CONFSClXXX、模拟量写入CONFSC2XXXXfSc42OmA(XXX,XXXXX数值为在FSC中所定义的通信地址)。五、结束语通过各种不同的连接方式和遵循不同的通信协议，FSC还可以与横河公司的CS系列、FoxboroIA系列等系统通信。本文通过实例，详细介绍了FCS强大的通信功能，但是为保证FSC系统的独立性和安全性，采用了数据从FSC到PKS的单向通信。系统已运行两年，末发生通信故障。在DCS系统中可实时监视FSC中I/0点的数据，在操作室中节省了联锁系统的监视站这一资源，同时作为DCS中同一位置的控制仪表的参考，为工艺操作提供了更多数据，提高了工艺操作的安全可靠性。