FF 總線儀表在銅冶煉DCS 系統中的應用

劉文燦,鄭智煒

(云南銅業科技發展股份有限公司,云南 昆明 650101)

0 引言

FF 總線是一種全數字、雙向傳輸、多點通訊、由總線供電,用于連接智能設備和自動化系統的通訊鏈路,總線系統可以將具備通訊能力、控制能力、測量等功能的現場控制設備作為網絡節點,將它們互連為網絡。FF 總線型儀表是實施嵌入式微處理操作系統和FF 現場總線協議,具備傳感測量、數字通信、自動補償等功能的儀表。本文主要介紹了FF總線儀表在某40 萬噸銅冶煉項目DCS 系統中的應用。

1 FF 總線以及儀表的特點

1.1 FF 總線的特點

FF 總線全稱為基金會現場總線(Foundation Fieldbus),它分為H1 低速和H2 高速兩級總線。本文主要介紹H1 現場總線儀表的應用,H1 的通訊速率為31.25 kbps,遵循的是IEC 61158 Type1 協議。整個通訊模型分為物理層、通訊層以及用戶層三個分層,如圖1 所示。其中通訊層又分為數據鏈路層、現場總線報文規范和現場總線訪問子層。整個通訊協議是基于令牌式通訊協議進行。

圖1 FF 通訊模型

1.2 FF 總線型儀表的特點

FF 總線型儀表的供電為9～32 VDC,在用戶層中,定義了設備的功能模塊、設備描述、功能文件。連接總線型儀表能夠讀取到FF 儀表的三種模塊信息,分別是轉換塊、資源塊以及功能塊。轉換塊主要為傳感器界面,記錄了儀表的測量組態、設備的運行狀態、標定信息。資源塊記錄了設備的特性,包括了位號、廠家等基礎信息。功能塊定義了過程控制功能。FF 總線型儀表的最大特點是:(1)能夠提供大量的設備信息;(2)儀表本身具備控制功能,能夠將DCS 的控制模塊下裝到現場儀表中。

2 FF 總線型儀表在銅冶煉DCS 系統中的組態

2.1 FF 總線型儀表與DCS 連接的拓撲結構

FF 總線型儀表與DCS 連接的拓撲結構主要為樹形拓撲結構,如圖2 所示。

整個硬件部分從上到下包括了FF 總線卡件、供電模塊、電源調節模塊、總線集電器、終端電阻和FF 總線儀表。整個拓撲結構的優點在于,通過安裝在現場的總線集電器可以方便現場儀表的接入。與傳統的4～20 mA 儀表相比大大節省了從儀表直接接入DCS 卡件的電纜數量。一個H1 卡件有兩個端口組成,每個端口可連接一個現場總線網段。每個網段最多可支持16 個設備,因此一個卡件上最多可以接入32 個設備。

2.2 FF 總線型儀表的組態

該銅冶煉項目涉及到的儀表類型主要為智能型閥門、流量計、溫度計、壓力變送器、液位計等常規儀表。各種儀表的組態方式各有不同。

2.2.1 溫度儀表

該項目所用到的測溫點單是閃速爐部分所用的數量將近2 000 個,如此大數量的測溫點全部都需要接入DCS 系統中。使用FF 總線儀表的溫度變送器大大節省了所需的卡件數量。按照一個網段執行時間為1 s,最大設備數為12 個來計算,一個H1 卡件接入24 個848 T 溫度變送器,一個848 T 的溫度變送器最多可以接入8 個溫度測點,一個H1 卡件就可以接入192 個溫度測點。表1 為FF 卡件與使用傳統的RTD 卡件的使用數量的對比表。

表1 FF 的HI 卡件與使用傳統的RTD 卡件的使用數量

測溫元件接入到FF 總線中,需要用到具備FF功能的溫度變送器,主要為接單回路的644 變送器,以及接多回路的848 T 溫度變送器。將測溫元件按照正確的接線方式接入變送器后,需要對變送器進行設置。選擇正確的測溫元件的類型以及需要顯示的單位后。再將FFAI 模塊對應到相應的卡件上就完成了組態。848 T 溫度變送器的設置以及編程組態,如圖3 所示。

圖3 848T 溫度變送器設置以及組態

2.2.2 流量計、液位計、壓力變送器的組態

FF 的流量計、液位計、壓力變送器等儀表在進行編程組態前,需要對儀表進行設置位號,在轉換塊中設置好相對應的量程以及參數。確定好顯示的數值符合現場相應的工況后,進行編程組態。FF 儀表需要選用專門的FFAI 模塊,在設置時可以在AI 模塊的L_TYPE 中選取到直接模式,從儀表中讀取到對應的數值。因為FF 儀表中所含有的信息量較多,需要通過選擇不同的通道讀取所需的數值。圖4 介紹一個熱式流量計,可以通過選擇不同的通道讀取到質量流量、體積流量、累計流量等。

圖4 熱式流量計的AI 編程設置

2.2.3 PID 的控制在現場儀表以及卡件中應用

在控制系統中,PID 控制為最常見的自動控制。下文介紹的是該項目燒嘴的助燃風閥門的自動控制。編程組態如圖5 所示,為燒嘴的助燃風閥門的PID 控制。

圖5 燒嘴的助燃風的PID 控制

整個燒嘴的助燃風控制系統主要有熱式流量計和閥門構成,通過熱式流量計來測量助燃風管道上的流量并將其作為PID 模塊的輸入端,PID 模塊的輸出直接連到閥門的控制AO 模塊上,反饋值直接返回到PID 的反饋端實現整個閉環控制。需要注意的是閥門的AO 模塊也需要選擇FFAO 模塊。為了降低控制器的負荷,涉及到單個卡件下的簡單控制直接將PID 模塊分配到FF 儀表的運算塊中。當總線網段進行令牌通訊時,會通過鏈路調度器完成整個PID 控制,而涉及到多個卡件下的較復雜控制時需要下裝到控制器下。對于FF 總線型儀表的PID控制,PID 模塊還可以直接對現場設備的故障做出反應,一旦模塊的輸入信號存在錯誤,PID 模塊將自動切換到手動模式,阻止錯誤的數據參與到算法中。

2.2.4 鏈路調度器

FF 總線的通訊協議是基于令牌式的通訊協議,整個FF 網絡中要實現網絡中設備的調度,需要鏈路活動調度器(LAS)來執行,LAS 的主要功能主要有:令牌傳遞、調度數據的發布、網上設備活動表的維護、數據鏈接時間的同步。一般情況下,將HI 接口模塊為主的LAS 由它來負責全網的調度,而在FF總線型儀表中可以設置一些儀表作為備用的鏈路調度器,它可能對主LAS 中的數據進行備份。一旦H1 卡件出現問題,在沒有備用鏈路調度器的網段上,該網段上的設備通訊將停止。而在有備用鏈路調度器的網上,將組態下裝到儀表中的控制回路將繼續進行該回路的運行。

3 AMS 設備管理系統以及常見故障處理

AMS 設備管理系統主要用于接入DCS 系統中的儀表管理,在設備連接視圖中,可以看到所有接入到DeltaV 系統的卡件信息以及儀表的拓撲結構,如圖6 所示。

圖6 AMS 系統下的拓撲結構

在查看界面中只要輸入FF 儀表的位號,就能看到FF 儀表的狀態。通過AMS 系統查找傳感器模塊可以查詢到儀表目前的狀態,通過AMS 在遠程對設備的運行狀態進行修改,對于零點進行標定,閥門進行整定。對于一些常用參數的調整也可通過AMS 直接發送到儀表,極大節省了工作人員去現場儀表上設置的時間,同時對于一些傳感器故障FF儀表也會進行自診斷,其診斷結果也可以通過AMS進行查詢,為現場的儀表故障處理提供了方向,而在資源塊中主要可以查詢到設備的位號、廠家、固件版本的信息。

在故障處理過程中,如果AMS 無法讀取FF 儀表的信息,那問題可能出現在FF 網絡上。常見的故障主要有:(1)FF 總線接線松動;(2)總線電源調節器故障,此時會造成該port 口下所有的FF 儀表都處于斷線狀態,需更換總線電源調節器;(3)FF 儀表使用過程的不穩定,造成該問題的主要原因是FF電纜接線不規范。主要可以從兩個方面進行查找:①儀表本身的接地,儀表的信號導線不能用于接地,必須使用信號電纜以外的獨立導線;②FF 電纜接線,FF 電纜中的任一根線都不能接地,否則會造成整個網絡上儀表的通信故障。在涉及到多根主干電纜引入現場總線盒需注意不可將電纜屏蔽線串入其他網絡中。

4 結束語

FF 總線型儀表目前在該項目投產3 年多來,運行平穩。通過AMS 管理系統的配合下,電儀人員也能快速地對儀表的問題進行判斷,極大提高了人員的工作效率。同時將部分控制回路下裝到儀表中,減少控制特殊介質的閥門在卡件出現故障時的運行風險,對提高生產效率起到了非常好的促進作用。