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、多點通訊、由總線供電,用于連接智能設備和自動化系統(tǒng)的通訊鏈路,總線系統(tǒng)可以將具備通訊能力、控制能力、測量等功能的現(xiàn)場控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點,將它們互連為網(wǎng)絡。FF 總線型儀表是實施嵌入式微處理操作系統(tǒng)和FF 現(xiàn)場總線協(xié)議,具備傳感測量、數(shù)字通信、自動補償?shù)裙δ艿膬x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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(xié)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(shù)據(jù)鏈路層、現(xiàn)場總線報文規(guī)范和現(xiàn)場總線訪問子層。整個通訊協(xié)議是基于令牌式通訊協(xié)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(tài)、設備的運行狀態(tài)、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(xiàn)場儀表中。

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(jié)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(yōu)點在于,通過安裝在現(xiàn)場的總線集電器可以方便現(xiàn)場儀表的接入。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H1 卡件有兩個端口組成,每個端口可連接一個現(xiàn)場總線網(wǎng)段。每個網(wǎng)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(tài)

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(guī)儀表。各種儀表的組態(tài)方式各有不同。

2.2.1 溫度儀表

該項目所用到的測溫點單是閃速爐部分所用的數(shù)量將近2 000 個,如此大數(shù)量的測溫點全部都需要接入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。按照一個網(wǎng)段執(zhí)行時間為1 s,最大設備數(shù)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(tǒng)的RTD 卡件的使用數(shù)量的對比表。

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(tài)。848 T 溫度變送器的設置以及編程組態(tài),如圖3 所示。

圖3 848T 溫度變送器設置以及組態(tài)

2.2.2 流量計、液位計、壓力變送器的組態(tài)

FF 的流量計、液位計、壓力變送器等儀表在進行編程組態(tài)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(shù)。確定好顯示的數(shù)值符合現(xiàn)場相應的工況后,進行編程組態(tài)。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(shù)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(shù)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(xiàn)場儀表以及卡件中應用

在控制系統(tǒng)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(tài)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(tǒng)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(xiàn)整個閉環(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(wǎng)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(xiàn)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(shù)據(jù)參與到算法中。

2.2.4 鏈路調度器

FF 總線的通訊協(xié)議是基于令牌式的通訊協(xié)議,整個FF 網(wǎng)絡中要實現(xiàn)網(wǎng)絡中設備的調度,需要鏈路活動調度器(LAS)來執(zhí)行,LAS 的主要功能主要有:令牌傳遞、調度數(shù)據(jù)的發(fā)布、網(wǎng)上設備活動表的維護、數(shù)據(jù)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(wǎng)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(shù)據(jù)進行備份。一旦H1 卡件出現(xiàn)問題,在沒有備用鏈路調度器的網(wǎng)段上,該網(wǎng)段上的設備通訊將停止。而在有備用鏈路調度器的網(wǎng)上,將組態(tài)下裝到儀表中的控制回路將繼續(xù)進行該回路的運行。

3 AMS 設備管理系統(tǒng)以及常見故障處理

AMS 設備管理系統(tǒng)主要用于接入DCS 系統(tǒng)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(tǒng)的卡件信息以及儀表的拓撲結構,如圖6 所示。

圖6 AMS 系統(tǒng)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(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 在遠程對設備的運行狀態(tài)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(shù)的調整也可通過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(xiàn)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(xiàn)在FF 網(wǎng)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(jié)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(tài),需更換總線電源調節(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(wǎng)絡上儀表的通信故障。在涉及到多根主干電纜引入現(xiàn)場總線盒需注意不可將電纜屏蔽線串入其他網(wǎng)絡中。

4 結束語

FF 總線型儀表目前在該項目投產(chǎn)3 年多來,運行平穩(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(xiàn)故障時的運行風險,對提高生產(chǎn)效率起到了非常好的促進作用。