劉文燦,鄭智煒

(云南銅業(yè)科技發(fā)展股份有限公司,云南 昆明 650101)

0 引言

FF 總線是一種全數(shù)字、雙向傳輸、多點(diǎn)通訊、由總線供電,用于連接智能設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的通訊鏈路,總線系統(tǒng)可以將具備通訊能力、控制能力、測(cè)量等功能的現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),將它們互連為網(wǎng)絡(luò)。FF 總線型儀表是實(shí)施嵌入式微處理操作系統(tǒng)和FF 現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議,具備傳感測(cè)量、數(shù)字通信、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ艿膬x表。本文主要介紹了FF總線儀表在某40 萬(wàn)噸銅冶煉項(xiàng)目DCS 系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 FF 總線以及儀表的特點(diǎn)

1.1 FF 總線的特點(diǎn)

FF 總線全稱為基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(Foundation Fieldbus),它分為H1 低速和H2 高速兩級(jí)總線。本文主要介紹H1 現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的應(yīng)用,H1 的通訊速率為31.25 kbps,遵循的是IEC 61158 Type1 協(xié)議。整個(gè)通訊模型分為物理層、通訊層以及用戶層三個(gè)分層,如圖1 所示。其中通訊層又分為數(shù)據(jù)鏈路層、現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范和現(xiàn)場(chǎng)總線訪問子層。整個(gè)通訊協(xié)議是基于令牌式通訊協(xié)議進(jìn)行。

圖1 FF 通訊模型

1.2 FF 總線型儀表的特點(diǎn)

FF 總線型儀表的供電為9～32 VDC,在用戶層中,定義了設(shè)備的功能模塊、設(shè)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(zhuǎn)換塊、資源塊以及功能塊。轉(zhuǎn)換塊主要為傳感器界面,記錄了儀表的測(cè)量組態(tài)、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、標(biāo)定信息。資源塊記錄了設(shè)備的特性,包括了位號(hào)、廠家等基礎(chǔ)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(diǎn)是:(1)能夠提供大量的設(shè)備信息;(2)儀表本身具備控制功能,能夠?qū)CS 的控制模塊下裝到現(xiàn)場(chǎng)儀表中。

2 FF 總線型儀表在銅冶煉DCS 系統(tǒng)中的組態(tài)

2.1 FF 總線型儀表與DCS 連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

FF 總線型儀表與DCS 連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要為樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖2 所示。

整個(gè)硬件部分從上到下包括了FF 總線卡件、供電模塊、電源調(diào)節(jié)模塊、總線集電器、終端電阻和FF 總線儀表。整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于,通過安裝在現(xiàn)場(chǎng)的總線集電器可以方便現(xiàn)場(chǎng)儀表的接入。與傳統(tǒng)的4～20 mA 儀表相比大大節(jié)省了從儀表直接接入DCS 卡件的電纜數(shù)量。一個(gè)H1 卡件有兩個(gè)端口組成,每個(gè)端口可連接一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段。每個(gè)網(wǎng)段最多可支持16 個(gè)設(shè)備,因此一個(gè)卡件上最多可以接入32 個(gè)設(shè)備。

2.2 FF 總線型儀表的組態(tài)

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

2.2.1 溫度儀表

該項(xiàng)目所用到的測(cè)溫點(diǎn)單是閃速爐部分所用的數(shù)量將近2 000 個(gè),如此大數(shù)量的測(cè)溫點(diǎn)全部都需要接入DCS 系統(tǒng)中。使用FF 總線儀表的溫度變送器大大節(jié)省了所需的卡件數(shù)量。按照一個(gè)網(wǎng)段執(zhí)行時(shí)間為1 s,最大設(shè)備數(shù)為12 個(gè)來(lái)計(jì)算,一個(gè)H1 卡件接入24 個(gè)848 T 溫度變送器,一個(gè)848 T 的溫度變送器最多可以接入8 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),一個(gè)H1 卡件就可以接入192 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。表1 為FF 卡件與使用傳統(tǒng)的RTD 卡件的使用數(shù)量的對(duì)比表。

表1 FF 的HI 卡件與使用傳統(tǒng)的RTD 卡件的使用數(shù)量

測(cè)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(cè)溫元件按照正確的接線方式接入變送器后,需要對(duì)變送器進(jìn)行設(shè)置。選擇正確的測(cè)溫元件的類型以及需要顯示的單位后。再將FFAI 模塊對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的卡件上就完成了組態(tài)。848 T 溫度變送器的設(shè)置以及編程組態(tài),如圖3 所示。

圖3 848T 溫度變送器設(shè)置以及組態(tài)

2.2.2 流量計(jì)、液位計(jì)、壓力變送器的組態(tài)

FF 的流量計(jì)、液位計(jì)、壓力變送器等儀表在進(jìn)行編程組態(tài)前,需要對(duì)儀表進(jìn)行設(shè)置位號(hào),在轉(zhuǎn)換塊中設(shè)置好相對(duì)應(yīng)的量程以及參數(shù)。確定好顯示的數(shù)值符合現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)的工況后,進(jìn)行編程組態(tài)。FF 儀表需要選用專門的FFAI 模塊,在設(shè)置時(shí)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(duì)應(yīng)的數(shù)值。因?yàn)镕F 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(shù)值。圖4 介紹一個(gè)熱式流量計(jì),可以通過選擇不同的通道讀取到質(zhì)量流量、體積流量、累計(jì)流量等。

圖4 熱式流量計(jì)的AI 編程設(shè)置

2.2.3 PID 的控制在現(xiàn)場(chǎng)儀表以及卡件中應(yīng)用

在控制系統(tǒng)中,PID 控制為最常見的自動(dòng)控制。下文介紹的是該項(xiàng)目燒嘴的助燃風(fēng)閥門的自動(dòng)控制。編程組態(tài)如圖5 所示,為燒嘴的助燃風(fēng)閥門的PID 控制。

圖5 燒嘴的助燃風(fēng)的PID 控制

整個(gè)燒嘴的助燃風(fēng)控制系統(tǒng)主要有熱式流量計(jì)和閥門構(gòu)成,通過熱式流量計(jì)來(lái)測(cè)量助燃風(fēng)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(shí)現(xiàn)整個(gè)閉環(huán)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(fù)荷,涉及到單個(gè)卡件下的簡(jiǎn)單控制直接將PID 模塊分配到FF 儀表的運(yùn)算塊中。當(dāng)總線網(wǎng)段進(jìn)行令牌通訊時(shí),會(huì)通過鏈路調(diào)度器完成整個(gè)PID 控制,而涉及到多個(gè)卡件下的較復(fù)雜控制時(shí)需要下裝到控制器下。對(duì)于FF 總線型儀表的PID控制,PID 模塊還可以直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障做出反應(yīng),一旦模塊的輸入信號(hào)存在錯(cuò)誤,PID 模塊將自動(dòng)切換到手動(dòng)模式,阻止錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)參與到算法中。

2.2.4 鏈路調(diào)度器

FF 總線的通訊協(xié)議是基于令牌式的通訊協(xié)議,整個(gè)FF 網(wǎng)絡(luò)中要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的調(diào)度,需要鏈路活動(dòng)調(diào)度器(LAS)來(lái)執(zhí)行,LAS 的主要功能主要有:令牌傳遞、調(diào)度數(shù)據(jù)的發(fā)布、網(wǎng)上設(shè)備活動(dòng)表的維護(hù)、數(shù)據(jù)鏈接時(shí)間的同步。一般情況下,將HI 接口模塊為主的LAS 由它來(lái)負(fù)責(zé)全網(wǎng)的調(diào)度,而在FF總線型儀表中可以設(shè)置一些儀表作為備用的鏈路調(diào)度器,它可能對(duì)主LAS 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。一旦H1 卡件出現(xiàn)問題,在沒有備用鏈路調(diào)度器的網(wǎng)段上,該網(wǎng)段上的設(shè)備通訊將停止。而在有備用鏈路調(diào)度器的網(wǎng)上,將組態(tài)下裝到儀表中的控制回路將繼續(xù)進(jìn)行該回路的運(yùn)行。

3 AMS 設(shè)備管理系統(tǒng)以及常見故障處理

AMS 設(shè)備管理系統(tǒng)主要用于接入DCS 系統(tǒng)中的儀表管理,在設(shè)備連接視圖中,可以看到所有接入到DeltaV 系統(tǒng)的卡件信息以及儀表的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖6 所示。

圖6 AMS 系統(tǒng)下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在查看界面中只要輸入FF 儀表的位號(hào),就能看到FF 儀表的狀態(tài)。通過AMS 系統(tǒng)查找傳感器模塊可以查詢到儀表目前的狀態(tài),通過AMS 在遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行修改,對(duì)于零點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定,閥門進(jìn)行整定。對(duì)于一些常用參數(shù)的調(diào)整也可通過AMS 直接發(fā)送到儀表,極大節(jié)省了工作人員去現(xiàn)場(chǎng)儀表上設(shè)置的時(shí)間,同時(shí)對(duì)于一些傳感器故障FF儀表也會(huì)進(jìn)行自診斷,其診斷結(jié)果也可以通過AMS進(jìn)行查詢,為現(xiàn)場(chǎng)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(shè)備的位號(hào)、廠家、固件版本的信息。

在故障處理過程中,如果AMS 無(wú)法讀取FF 儀表的信息,那問題可能出現(xiàn)在FF 網(wǎng)絡(luò)上。常見的故障主要有:(1)FF 總線接線松動(dòng);(2)總線電源調(diào)節(jié)器故障,此時(shí)會(huì)造成該port 口下所有的FF 儀表都處于斷線狀態(tài),需更換總線電源調(diào)節(jié)器;(3)FF 儀表使用過程的不穩(wěn)定,造成該問題的主要原因是FF電纜接線不規(guī)范。主要可以從兩個(gè)方面進(jìn)行查找:①儀表本身的接地,儀表的信號(hào)導(dǎo)線不能用于接地,必須使用信號(hào)電纜以外的獨(dú)立導(dǎo)線;②FF 電纜接線,FF 電纜中的任一根線都不能接地,否則會(huì)造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上儀表的通信故障。在涉及到多根主干電纜引入現(xiàn)場(chǎng)總線盒需注意不可將電纜屏蔽線串入其他網(wǎng)絡(luò)中。

4 結(jié)束語(yǔ)

FF 總線型儀表目前在該項(xiàng)目投產(chǎn)3 年多來(lái),運(yùn)行平穩(wěn)。通過AMS 管理系統(tǒng)的配合下,電儀人員也能快速地對(duì)儀表的問題進(jìn)行判斷,極大提高了人員的工作效率。同時(shí)將部分控制回路下裝到儀表中,減少控制特殊介質(zhì)的閥門在卡件出現(xiàn)故障時(shí)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),對(duì)提高生產(chǎn)效率起到了非常好的促進(jìn)作用。