甘長能 陳 文 李 亮

(1.貴陽鋁鎂設計研究院有限公司,貴陽 550081；2.中電投貴州遵義產(chǎn)業(yè)發(fā)展公司,貴州 遵義 563000)

隨著控制系統(tǒng)和現(xiàn)場智能儀表的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術在現(xiàn)代企業(yè)工業(yè)過程控制中已得到廣泛應用。在眾多現(xiàn)場總線協(xié)議中，F(xiàn)F現(xiàn)場總線是在一對屏蔽雙絞線電纜上完成多臺現(xiàn)場儀表的供電和雙向數(shù)字通信[1～4]。FF能將PID及信號處理等30多種控制功能塊下放至現(xiàn)場的總線儀表中，從而減少和分散中央主控制系統(tǒng)的負荷。通過采用適當?shù)默F(xiàn)場總線技術，可有效節(jié)省控制系統(tǒng)硬件數(shù)量、投資、安裝費、維護費，加強智能設備的信息管理。較之于傳統(tǒng)的自控系統(tǒng)，現(xiàn)場總線技術的自控系統(tǒng)有以下優(yōu)勢：用現(xiàn)場總線數(shù)字信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬信號，測量精度高，抗干擾能力強；基于總線的現(xiàn)場儀表可以對量程和零點進行遠方設定，具有儀表工作狀態(tài)自診斷功能，能進行多參數(shù)測量和對環(huán)境影響的自動補償；現(xiàn)場自動化儀表設備集檢測、轉(zhuǎn)換、運算和控制功能于一體，既降低了成本，又增加了安全性和可靠性；所有現(xiàn)場設備直接通過一對傳輸線連接，易于安裝和維護，節(jié)省了施工費、電纜和橋架費、安裝耗材費、調(diào)試和維修成本；減少了大量的信號隔離器、端子柜及I/O模塊等硬件設備。

由于氧化鋁生產(chǎn)工藝的特殊性，氧化鋁工程中自動化儀表設備數(shù)量較多且布置較分散，這就造成了目前氧化鋁工程中自動化儀表信號電纜敷設工程量巨大、控制系統(tǒng)I/O點數(shù)過多、系統(tǒng)規(guī)模過大的問題。面對目前較為嚴峻的市場形勢，“微利經(jīng)營”已成為氧化鋁行業(yè)的新常態(tài)，降低建設成本就是增加業(yè)主利潤，因此在氧化鋁工程中，優(yōu)化自控方案、提升自控水平、降低自控成本勢在必行。為此，筆者設計了FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)，通過對控制策略、現(xiàn)場儀表選型、設計網(wǎng)段及驗算等內(nèi)容的研究與設計，以改善氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫系統(tǒng)的運行狀況。

1 氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程介紹①

氧化鋁焙燒爐是連續(xù)生產(chǎn)過程，焙燒爐通常采用煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)的煤氣作為燃料，煤的品質(zhì)不同，煤氣中硫化氫的含量也不同，一般在2.5～15.0g/Nm3，為達到氧化鋁焙燒爐煙氣中SO2不大于400mg/Nm3的排放標準，必須對煤氣進行脫硫處理。脫硫過程如圖1所示。

圖1 脫硫過程框圖

從煤氣發(fā)生爐出來的煤氣在經(jīng)過噴淋水洗塔冷卻除塵后，再經(jīng)過噴淋堿洗塔與脫硫堿液逆流接觸，脫除煤氣中大部分的硫化氫后進入超重力機與霧化好的脫硫液接觸，進一步脫除煤氣中殘余的硫化氫，經(jīng)氣液分離器分離后，凈化合格的煤氣直接送入氧化鋁焙燒爐。該脫硫工段還包括脫硫液的制取及循環(huán)利用等過程。

氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程煤氣處理量為165 000Nm3/h，工程按3×55 000Nm3/h設計，形成3套單元式的脫硫裝置，每套處理煤氣量55 000Nm3/h，脫硫效率達98%，脫硫后煤氣中的硫化氫不大于50mg/Nm3，系統(tǒng)壓損不大于3kPa。

2 現(xiàn)場儀表選型

氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程現(xiàn)場儀表根據(jù)P&ID圖統(tǒng)計分析，共計77臺FF-H1儀表，包括22個溫度儀表、27個壓力儀表、6個流量儀表、13個液位儀表、3臺現(xiàn)場總線調(diào)節(jié)閥和6臺現(xiàn)場總線電流轉(zhuǎn)換器。在FF總線儀表的設計與選型方面，需遵循如下原則：

a. 現(xiàn)場儀表符合FF現(xiàn)場總線標準，具備FF設備認證標志；

b. 具備FF現(xiàn)場總線儀表所需功能塊和設備診斷功能；

c. 具備總線供能功能，且要求消耗電流在10～30mA、供電電壓9～32V(DC)；

d. 極性不敏感，能快速、安全地連接現(xiàn)場。

另外，由于現(xiàn)場總線儀表的控制功能是在現(xiàn)場實現(xiàn)，因此還要根據(jù)不同的應用場合和工藝過程選用帶有不同功能模塊的FF儀表。即便是同類型被測變量的變送器，根據(jù)工藝過程所需的功能模塊不同，所具有的功能也不同。而且現(xiàn)場總線儀表的版本不同，其所帶功能模塊的類型和數(shù)量也不同。

本次氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程最終選擇的是橫河FF總線儀表。

3 現(xiàn)場總線系統(tǒng)

氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程系統(tǒng)設計采用一對AC800M控制器，每個控制器帶一塊CI860卡件(理論上最多能帶12塊)，每塊CI860卡件帶4個LD800HSE(ABB給的工程技術手冊上建議帶5～8個)，每個LD800HSE接2～3條H1(最多可接4條H1)，設計時根據(jù)儀表位置和儀表的關聯(lián)性，確定每條H1帶3～9臺FF設備(一般建議8～12臺)。

該FF現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)還包括工程師站、操作員站和設備管理各一臺，它們與控制站間通過高速以太網(wǎng)(FF HSE)進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，從而構(gòu)成車間級控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車間級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中工程師站安裝有現(xiàn)場總線設備組態(tài)軟件，完成對FF-H1設備的組態(tài)、下載及在線監(jiān)測等功能；同時，工程師站可以存儲歷史數(shù)據(jù)。操作員站安裝有工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件，可以監(jiān)控現(xiàn)場設備。設備管理計算機中安裝有智能設備管理軟件，可以對現(xiàn)場總線儀表進行在線監(jiān)測、維護和故障診斷，不必去設備現(xiàn)場檢查，設計有Windows XP界面，操作界面友好，操作簡易直觀。

3.1 網(wǎng)絡拓撲

FF現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)可為線形、樹形、星形或復合形。從經(jīng)濟和便于維護的角度考慮，本系統(tǒng)采用樹形結(jié)構(gòu)。樹形結(jié)構(gòu)就是在FF主干線的末端采用現(xiàn)場總線FF接線盒，將布置在接線盒附近的FF總線儀表和設備接入[1]，F(xiàn)F接線盒具有限流和短路保護功能。氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程FF現(xiàn)場總線儀表的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示，分支長度控制在30m內(nèi)。

圖3 FF現(xiàn)場總線儀表的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

3.2 總線回路的分段

FF總線系統(tǒng)工程指南要求，每個網(wǎng)段建議掛接少于10臺FF設備，應預留20%以上的備用量。本氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫FF總線控制系統(tǒng)在施工設計中也遵循上述要求，設計每個網(wǎng)段掛接3～9臺FF設備。系統(tǒng)設計時根據(jù)儀表位置圖、儀表的關聯(lián)性來劃分FF網(wǎng)段。同一個閉環(huán)控制回路的測量儀表和調(diào)節(jié)執(zhí)行回路設計在同一個FF總線網(wǎng)段，以減少通信負荷量和執(zhí)行時間[5]。分段情況見表1。

3.3 電纜總長度驗算

按FF總線系統(tǒng)工程指南的推薦，現(xiàn)場總線儀表使用的是經(jīng)過一致性測試的電纜，但由于信號沿電纜傳輸將逐步衰減，故每個網(wǎng)段必須要有長度的限制。

根據(jù)儀表位置圖，現(xiàn)場總線接線盒分布在就地離測點較近處，以減少布線長度，網(wǎng)段控制室至現(xiàn)場接線盒的主干電纜長度控制在200m內(nèi)，分支電纜控制在15～30m不等。為了簡化驗算過程，在對電纜長度、消耗電流和電壓降驗算時分支電纜取最長為30m。

選擇FF設備最多的網(wǎng)段作為驗算示例，電纜總長度=干線長度+支線1+支線2+…+支線9=200+30×9=470m，通過驗算，設計可使用A型電纜或B型電纜(表2)。

表2 各類電纜和使用長度

設計時采用帶支線保護功能的現(xiàn)場接線盒，有效防止了單臺儀表故障對整個網(wǎng)段造成的不良影響。

3.4 網(wǎng)段負載驗算

網(wǎng)段負載驗算包括消耗電流和電壓降的驗算，消耗電流驗算就是確認FF配電器的輸出電流是否大于所有FF設備的消耗電流的總和加上至少一個分支短路保護電流之和；電壓降驗算就是確認FF配電器的輸出電壓減去負載電流在電纜長度上的壓降和FF現(xiàn)場接線盒的電壓降后不小于9V(DC)[6]。

氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程電纜選用A型電纜，其特性為：單線對屏蔽，截面0.750mm2，最大長度1 900m，分布電阻44Ω/km。根據(jù)所選用的FF現(xiàn)場儀表，儀表設備消耗電流(mA)如下：

溫度儀表I117.0～22.0

壓力儀表I217.5

流量儀表I318.5

液位儀表I422.0

閥門控制器I526.0

電流轉(zhuǎn)換器I611.3

選擇FF設備最多的網(wǎng)段作為驗算示例(過程設計時其他網(wǎng)段驗算都一樣)，即選擇進入車間的汽、氣、水計量網(wǎng)段，9臺FF現(xiàn)場儀表，該網(wǎng)段接線示意圖如圖4所示。

圖4 FF設備最多的網(wǎng)段接線示意圖

該網(wǎng)段有溫度儀表、壓力儀表和流量儀表各3臺，F(xiàn)F配電器輸出電源24V(DC)/360mA，短路保護電流60mA。

網(wǎng)段電流消耗3×(I1+I2+I3)+60=3×(22+17.5+18.5)+60=234mA，小于FF配電器輸出的360mA，消耗電流驗算滿足條件。

網(wǎng)段電壓降為24-2×0.044×180×3×(I1+I2+I3)×0.001-2×0.044×30×22×0.001-1.5=20.72V，可見距離最遠、電流消耗最大的FF設備均能滿足電壓降不小于9V(DC)的要求。

4 現(xiàn)場總線系統(tǒng)接地

氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程系統(tǒng)接地設計采用單點控制室接地方式，即將每個網(wǎng)段的各支線與干線的屏蔽層連接起來，集中在一起在網(wǎng)段的一端(控制室端)接地[7](圖4中的虛線部分)。

采用該種接地方式的優(yōu)點是能抗較強的電磁波、諧波及雷擊等相關干擾[8]。但是設計過程特別要求整個網(wǎng)段的電纜屏蔽層不得與現(xiàn)場儀表和接線盒的機殼連接，因為該煤氣脫硫工藝過程有超重力高速旋轉(zhuǎn)設備，現(xiàn)場干擾強度大。

5 控制回路與組態(tài)策略

P&ID圖的設計在現(xiàn)場總線系統(tǒng)設計中僅是方案圖，只有根據(jù)P&ID圖設計出組態(tài)策略圖，才能通過FF現(xiàn)場總線的功能塊實現(xiàn)所需的控制功能。FF現(xiàn)場總線儀表的功能塊屬于軟儀表，完成同樣的控制運算功能，其功能的配置與組合可能不同，從而形成不同的控制策略，這也是現(xiàn)場總線儀表與模擬儀表的顯著差異[9]。

氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程系統(tǒng)主要控制回路見表3。

表3 主要控制回路

選取氣液分離器液位控制作為示例(過程設計時其他回路均一樣)，根據(jù)工藝氣液分離器出口壓力-液位的要求，串級控制回路相應的各功能塊組態(tài)策略示意圖如圖5所示。

圖5 功能塊組態(tài)策略示意圖

在現(xiàn)場軟件調(diào)試組態(tài)過程中，現(xiàn)場工程師根據(jù)控制回路組態(tài)策略圖進行FF現(xiàn)場儀表功能塊必要相關參數(shù)設置，下裝到現(xiàn)場儀表中即可運行，極大地減少了設備組態(tài)和調(diào)試時間。

6 結(jié)束語

氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程設計過程中，嚴格按照現(xiàn)場總線基金會系統(tǒng)工程指南的要求?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的施工、安裝、檢查驗收和調(diào)試過程對其成功投運至關重要，所以要不斷地關注每個階段的工作和整個現(xiàn)場總線系統(tǒng)的生命周期以確保現(xiàn)場總線系統(tǒng)運行正常。

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