現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在鉛鋅冶煉行業(yè)智能儀表管理中的應(yīng)用

彭俊超,徐安江

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司,云南會澤 654200)

0 引言

云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤冶煉分公司于2013 年投料試車,設(shè)計產(chǎn)能6 萬t/a 粗鉛、10 萬t/a電鋅。項目主控制系統(tǒng)采用艾默生公司的DeltaV系統(tǒng),現(xiàn)場過程檢測儀表使用艾默生現(xiàn)場基金會FF總線和WirelessHart 無線儀表進行數(shù)據(jù)采集,集成度和兼容性好。

FF 總線、無線儀表的應(yīng)用為工廠的數(shù)據(jù)采集提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),馳宏會澤冶煉廠90%的過程測量儀表均選用Emerson 現(xiàn)場總線智能儀表,主要有多通道智能溫度變送器,單點智能溫度變送器,總線型數(shù)字閥門定位器(DVC),智能壓力變送器,電磁、渦街流量計,高準(zhǔn)質(zhì)量流量計,智能無線溫度變送器,智能無線壓力變送器,智能無線網(wǎng)關(guān)。針對儀表數(shù)量多,安裝位置分散、調(diào)試復(fù)雜的情況,采用AMS系統(tǒng)對所有智能儀表進行統(tǒng)一管理。

1 現(xiàn)場總線應(yīng)用

現(xiàn)場總線(Field bus)是一種全數(shù)字化的通訊技術(shù),在很多流程控制場合逐步取代了4～20 mA 信號的傳輸方式,與其相比,具備無可比擬的諸多優(yōu)勢:

(1)現(xiàn)場總線信號精度高:傳統(tǒng)的4～20 mA 信號在傳輸過程中易受到干擾,并需要進行A/D、D/A轉(zhuǎn)換,實際精度會下降。而總線技術(shù)屬于全數(shù)字通信技術(shù),無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換過程,抗干擾能力強。

(2)現(xiàn)場總線屬于多變量儀表:4～20 mA 只能傳遞一個測量值或輸出值,全數(shù)字現(xiàn)場總線可傳輸多個變量。

(3)現(xiàn)場總線多個儀表的信號都在同一根電纜傳輸,在實際工程中,節(jié)省大量電纜和施工安裝時間。

(4)全面的診斷信息,包含儀表的各種異常信息。例如閥門不到位,熱電偶斷線故障。故障信息通過數(shù)字信號傳送AMS 管理軟件等統(tǒng)一進行報警管理,方便儀表維護工程師進行故障查看和處理。

(5)對于某些現(xiàn)場總線儀表,不僅僅是數(shù)字的傳感器,而且含有PID 等控制功能,可以將儀表控制策略直接下載儀表中,執(zhí)行運算,運算的速度比傳統(tǒng)的控制方案有更好的實時性。將控制功能下放到現(xiàn)場儀表中[2],即使控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下,依然可以完成自主控制任務(wù),大大提供了控制系統(tǒng)的可靠性,這也是FCS(Field-Bus Control System)系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)保障。

(6)現(xiàn)場總線儀表可以通過軟件進行大規(guī)模的儀表管理,從而大大簡化了對儀表維護的工作量,并且能及時準(zhǔn)確的得到儀表的故障信息,提高可靠性和故障處理及時性。

(7)現(xiàn)場總線智能儀表是實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),如WirelessHart 協(xié)議的應(yīng)用。

2 FF 總線儀表

FF 現(xiàn)場總線包含H1 和HSE 兩種類型,H1 主要用于流程行業(yè)的過程自動化,總線速率為31.25 kbps,全雙工數(shù)字信號傳輸同時為總線供電,可應(yīng)用于供本質(zhì)安全區(qū)域。HSE 和H1 之間通過鏈路設(shè)備LD 連接。

圖1 FF 總線拓撲圖

圖2 FF 總線功能塊

馳宏鋅鍺會澤冶煉廠部署FF 總線儀表約5 000臺(套),其種類和網(wǎng)絡(luò)部署圖如下:

以鉛冶煉系統(tǒng)艾薩爐為例,現(xiàn)場所有工藝參數(shù)采用FF 現(xiàn)場總線儀表進行過程數(shù)據(jù)采集,FF 現(xiàn)場儀表是通過H1 卡與DeltaV 系統(tǒng)相連,H1 總線是一種31.25 kb/s 中等速率的局域網(wǎng)[1]。該區(qū)域設(shè)計11 條H1 支路,每條支路根據(jù)現(xiàn)場總線儀表的位置,配置1～2 個現(xiàn)場總線接線箱,每個總線接線箱可以連接最多8 塊總線儀表(最多2 臺閥門)。每塊H1卡有兩個Port,每個Port 可以最多可以接入16 個總線儀表,信號電纜采用#18AWG(0.8 mm2)的屏蔽雙絞線,理論支路距離和1 900 m。現(xiàn)場總線接線采用8 回路MTL 專用接線盒,帶終端電阻。

圖3 馳宏鋅鍺FF 總線儀表種類

圖4 總線接入系統(tǒng)

2.1 FF 儀表組態(tài)

FF 儀表的DD 文件中包括資源塊、傳感器塊和功能塊。資源塊由設(shè)備制造上進行定義,用戶不可修改,傳感器塊檢測接口,信息校驗,功能塊包含算法策略,用戶可以根據(jù)需要進行參數(shù)修改,DCS 系統(tǒng)FF 智能儀表組態(tài)步驟如圖6 所示。

2.2 Wireless Hart 儀表

云南馳宏會澤冶煉在其16 萬噸鉛鋅項目多膛爐首次在鉛鋅行業(yè)進行應(yīng)用,最簡便地實現(xiàn)焙燒車間多膛爐信號的監(jiān)測。焙燒車間三臺多膛爐,爐高15 m,分布在廠房三層結(jié)構(gòu)中,爐膛溫度及壓力測點分布密集,采用傳統(tǒng)有線儀表電纜鋪設(shè)困難,現(xiàn)場急需找到有效的解決方案。多膛爐爐膛壓力及溫度的無線監(jiān)測,減少爐間布線,精確溫度測量,盡可能應(yīng)用自控先進技術(shù),建立行業(yè)示范工程如圖7 所示。

3 AMS 智能設(shè)備管理系統(tǒng)應(yīng)用

圖5 馳宏會澤冶煉廠艾薩爐總線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域圖

圖6 組態(tài)步驟

AMS 智能設(shè)備管理系統(tǒng)是Emerson 開發(fā)智能儀表管理平臺,基于Hart 和FF 開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)的可變規(guī)模平臺,完成工廠的智能儀表接入和管理,可完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析,所有的接入?yún)f(xié)議都是開放和標(biāo)準(zhǔn)的,方便第三方設(shè)備制造商接入[3]。該系統(tǒng)由不同的系統(tǒng)和軟件集成一個整體,是一種預(yù)測性維護的整體解決方案。基本功能包括診斷、組態(tài)、標(biāo)定和文檔處理,還以嵌入專門的管理軟件或插件,如Fisher 的ValveLink 等。診斷功能主要包括電子巡檢,可節(jié)約63%的巡檢勞力;詳細的儀表故障狀態(tài)和行動指南。

AMS 進行儀表組態(tài)及診斷:對于工廠已安裝的設(shè)備(智能儀表和閥門),AMS 終端準(zhǔn)確快速訪問每一臺智能儀表了解其運行情況。AMS 軟件人性化設(shè)計,操作和維護更方便直接,可通過遠程AMS 終端,對現(xiàn)場儀表進行組態(tài)、查找故障、調(diào)試所連接設(shè)備及保持這些設(shè)備的數(shù)據(jù)庫,預(yù)維護功能,對即將發(fā)生故障的設(shè)備預(yù)警。

4 效益

經(jīng)過該項目的應(yīng)用,筆者認為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是現(xiàn)代控制系統(tǒng)的發(fā)展方向,有以下優(yōu)點:

(1)系統(tǒng)可擴展性大大增強

現(xiàn)場總線先進控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)DCS 系統(tǒng)相比,信號接入方便,點位擴容時,在就近的現(xiàn)場總線控制箱進行接入即可,快速完成安裝、調(diào)試。

(2)包含豐富的診斷信息

現(xiàn)場總線先進控制系統(tǒng)診斷信息豐富,如執(zhí)行機構(gòu)的信號特性曲線、動態(tài)誤差曲線、驅(qū)動信號等數(shù)十個狀態(tài)信號;智能壓力儀表的導(dǎo)管、膜片、溫度、環(huán)境溫度等;可以全面的感知儀表測量狀態(tài)和自身的健康狀態(tài),所有的這些信息都集成到自動化系統(tǒng)中,做到對故障的及早排除提高生產(chǎn)效率和減少維護成本。

圖7 多膛爐無線儀表的安裝連接圖

圖8 無線自組網(wǎng)

圖9 無線儀表配置

(3)更強的過程控制性能

圖10 AMS 管理的儀表家族

圖11 AMS 管理總線儀表及診斷

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),可將控制策略下裝到現(xiàn)場智能儀表中執(zhí)行,降低控制系統(tǒng)負荷,控制風(fēng)險分散,多參量傳送,如一臺孔板流量計可以同時檢測過程管道中的溫度、壓力、體積流量、前后壓差,并將溫壓動態(tài)補償算法集成到儀表中,提高測量精度,組態(tài)方便。功能塊算法可根據(jù)工藝要求,先擇下裝在控制器或現(xiàn)場儀表中,實現(xiàn)任意地點控制,并實現(xiàn)同步執(zhí)行,實現(xiàn)高精度運算。控制策略分散在現(xiàn)場減少過程波動,減低信號延時。

(4)AMS 的應(yīng)用極大提高了智能儀表的調(diào)試、維護效益。

5 結(jié)語

隨著國家智能制造戰(zhàn)略的推進,越來越多的企業(yè)在智能工廠的建設(shè)上發(fā)力,智能工廠是以數(shù)據(jù)驅(qū)動工廠,網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化的儀表是智能工廠實現(xiàn)的數(shù)據(jù)來源,總線智能儀表,無線智能儀表因為其安裝方便、調(diào)試管理快捷、抗干擾能力強,診斷信息豐富,實現(xiàn)了真正的分散控制等優(yōu)越性,為智能工廠數(shù)據(jù)采集帶來更高精度、更低的延時和傳輸轉(zhuǎn)換成本等優(yōu)勢,必將會在將來的智能工廠的發(fā)展應(yīng)用中越來越廣泛。