FF 总线仪表在铜冶炼DCS 系统中的应用

2021-06-17刘文灿郑智炜

有色设备 2021年2期

刘文灿,郑智炜

(云南铜业科技发展股份有限公司,云南昆明 650101)

0 引言

FF 总线是一种全数字、双向传输、多点通讯、由总线供电,用于连接智能设备和自动化系统的通讯链路,总线系统可以将具备通讯能力、控制能力、测量等功能的现场控制设备作为网络节点,将它们互连为网络。FF 总线型仪表是实施嵌入式微处理操作系统和FF 现场总线协议,具备传感测量、数字通信、自动补偿等功能的仪表。本文主要介绍了FF总线仪表在某40 万吨铜冶炼项目DCS 系统中的应用。

1 FF 总线以及仪表的特点

1.1 FF 总线的特点

FF 总线全称为基金会现场总线(Foundation Fieldbus),它分为H1 低速和H2 高速两级总线。本文主要介绍H1 现场总线仪表的应用,H1 的通讯速率为31.25 kbps,遵循的是IEC 61158 Type1 协议。整个通讯模型分为物理层、通讯层以及用户层三个分层,如图1 所示。其中通讯层又分为数据链路层、现场总线报文规范和现场总线访问子层。整个通讯协议是基于令牌式通讯协议进行。

图1 FF 通讯模型

1.2 FF 总线型仪表的特点

FF 总线型仪表的供电为9～32 VDC,在用户层中,定义了设备的功能模块、设备描述、功能文件。连接总线型仪表能够读取到FF 仪表的三种模块信息,分别是转换块、资源块以及功能块。转换块主要为传感器界面,记录了仪表的测量组态、设备的运行状态、标定信息。资源块记录了设备的特性,包括了位号、厂家等基础信息。功能块定义了过程控制功能。FF 总线型仪表的最大特点是:(1)能够提供大量的设备信息;(2)仪表本身具备控制功能,能够将DCS 的控制模块下装到现场仪表中。

2 FF 总线型仪表在铜冶炼DCS 系统中的组态

2.1 FF 总线型仪表与DCS 连接的拓扑结构

FF 总线型仪表与DCS 连接的拓扑结构主要为树形拓扑结构,如图2 所示。

整个硬件部分从上到下包括了FF 总线卡件、供电模块、电源调节模块、总线集电器、终端电阻和FF 总线仪表。整个拓扑结构的优点在于,通过安装在现场的总线集电器可以方便现场仪表的接入。与传统的4～20 mA 仪表相比大大节省了从仪表直接接入DCS 卡件的电缆数量。一个H1 卡件有两个端口组成,每个端口可连接一个现场总线网段。每个网段最多可支持16 个设备,因此一个卡件上最多可以接入32 个设备。

2.2 FF 总线型仪表的组态

该铜冶炼项目涉及到的仪表类型主要为智能型阀门、流量计、温度计、压力变送器、液位计等常规仪表。各种仪表的组态方式各有不同。

2.2.1 温度仪表

该项目所用到的测温点单是闪速炉部分所用的数量将近2 000 个,如此大数量的测温点全部都需要接入DCS 系统中。使用FF 总线仪表的温度变送器大大节省了所需的卡件数量。按照一个网段执行时间为1 s,最大设备数为12 个来计算,一个H1 卡件接入24 个848 T 温度变送器,一个848 T 的温度变送器最多可以接入8 个温度测点,一个H1 卡件就可以接入192 个温度测点。表1 为FF 卡件与使用传统的RTD 卡件的使用数量的对比表。

表1 FF 的HI 卡件与使用传统的RTD 卡件的使用数量

测温元件接入到FF 总线中,需要用到具备FF功能的温度变送器,主要为接单回路的644 变送器,以及接多回路的848 T 温度变送器。将测温元件按照正确的接线方式接入变送器后,需要对变送器进行设置。选择正确的测温元件的类型以及需要显示的单位后。再将FFAI 模块对应到相应的卡件上就完成了组态。848 T 温度变送器的设置以及编程组态,如图3 所示。

图3 848T 温度变送器设置以及组态

2.2.2 流量计、液位计、压力变送器的组态

FF 的流量计、液位计、压力变送器等仪表在进行编程组态前,需要对仪表进行设置位号,在转换块中设置好相对应的量程以及参数。确定好显示的数值符合现场相应的工况后,进行编程组态。FF 仪表需要选用专门的FFAI 模块,在设置时可以在AI 模块的L_TYPE 中选取到直接模式,从仪表中读取到对应的数值。因为FF 仪表中所含有的信息量较多,需要通过选择不同的通道读取所需的数值。图4 介绍一个热式流量计,可以通过选择不同的通道读取到质量流量、体积流量、累计流量等。

图4 热式流量计的AI 编程设置

2.2.3 PID 的控制在现场仪表以及卡件中应用

在控制系统中,PID 控制为最常见的自动控制。下文介绍的是该项目烧嘴的助燃风阀门的自动控制。编程组态如图5 所示,为烧嘴的助燃风阀门的PID 控制。

图5 烧嘴的助燃风的PID 控制

整个烧嘴的助燃风控制系统主要有热式流量计和阀门构成,通过热式流量计来测量助燃风管道上的流量并将其作为PID 模块的输入端,PID 模块的输出直接连到阀门的控制AO 模块上,反馈值直接返回到PID 的反馈端实现整个闭环控制。需要注意的是阀门的AO 模块也需要选择FFAO 模块。为了降低控制器的负荷,涉及到单个卡件下的简单控制直接将PID 模块分配到FF 仪表的运算块中。当总线网段进行令牌通讯时,会通过链路调度器完成整个PID 控制,而涉及到多个卡件下的较复杂控制时需要下装到控制器下。对于FF 总线型仪表的PID控制,PID 模块还可以直接对现场设备的故障做出反应,一旦模块的输入信号存在错误,PID 模块将自动切换到手动模式,阻止错误的数据参与到算法中。

2.2.4 链路调度器

FF 总线的通讯协议是基于令牌式的通讯协议,整个FF 网络中要实现网络中设备的调度,需要链路活动调度器(LAS)来执行,LAS 的主要功能主要有:令牌传递、调度数据的发布、网上设备活动表的维护、数据链接时间的同步。一般情况下,将HI 接口模块为主的LAS 由它来负责全网的调度,而在FF总线型仪表中可以设置一些仪表作为备用的链路调度器,它可能对主LAS 中的数据进行备份。一旦H1 卡件出现问题,在没有备用链路调度器的网段上,该网段上的设备通讯将停止。而在有备用链路调度器的网上,将组态下装到仪表中的控制回路将继续进行该回路的运行。

3 AMS 设备管理系统以及常见故障处理

AMS 设备管理系统主要用于接入DCS 系统中的仪表管理,在设备连接视图中,可以看到所有接入到DeltaV 系统的卡件信息以及仪表的拓扑结构,如图6 所示。

图6 AMS 系统下的拓扑结构

在查看界面中只要输入FF 仪表的位号,就能看到FF 仪表的状态。通过AMS 系统查找传感器模块可以查询到仪表目前的状态,通过AMS 在远程对设备的运行状态进行修改,对于零点进行标定,阀门进行整定。对于一些常用参数的调整也可通过AMS 直接发送到仪表,极大节省了工作人员去现场仪表上设置的时间,同时对于一些传感器故障FF仪表也会进行自诊断,其诊断结果也可以通过AMS进行查询,为现场的仪表故障处理提供了方向,而在资源块中主要可以查询到设备的位号、厂家、固件版本的信息。

在故障处理过程中,如果AMS 无法读取FF 仪表的信息,那问题可能出现在FF 网络上。常见的故障主要有:(1)FF 总线接线松动;(2)总线电源调节器故障,此时会造成该port 口下所有的FF 仪表都处于断线状态,需更换总线电源调节器;(3)FF 仪表使用过程的不稳定,造成该问题的主要原因是FF电缆接线不规范。主要可以从两个方面进行查找:①仪表本身的接地,仪表的信号导线不能用于接地,必须使用信号电缆以外的独立导线;②FF 电缆接线,FF 电缆中的任一根线都不能接地,否则会造成整个网络上仪表的通信故障。在涉及到多根主干电缆引入现场总线盒需注意不可将电缆屏蔽线串入其他网络中。