現(xiàn)場(chǎng)總線在冶金建材工業(yè)中的運(yùn)用范文

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本文作者：房啟超李培松斯可克單位：江蘇淮鋼集團(tuán)有限公司冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院

經(jīng)過(guò)多年的論證和爭(zhēng)論,國(guó)際電工委員會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)IEC61158中,最終采納了多種現(xiàn)場(chǎng)總線于一體的折中方案,看起來(lái)是把最終選擇推給了用戶(hù),但從技術(shù)角度看這種選擇并非是無(wú)章可循的。通過(guò)對(duì)不同現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn)的深入分析后,我們認(rèn)為選用哪種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的主要依據(jù)是:應(yīng)用對(duì)象的類(lèi)型和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的種類(lèi)。本文首先分析冶金工業(yè)自動(dòng)控制及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的特點(diǎn)和基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn),然后介紹基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線在冶金工業(yè)應(yīng)用的實(shí)例。

1冶金工業(yè)自動(dòng)控制的特點(diǎn)

冶金工業(yè)雖然屬于流程工業(yè),但它的控制內(nèi)容卻是熱工過(guò)程控制(典型的如加熱爐)和運(yùn)動(dòng)邏輯控制(典型的如軋鋼)的混合,其中許多還帶有批控制的特性(如轉(zhuǎn)爐煉鋼等)。冶金工業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備既有溫度、壓力、流量、液位變送器和調(diào)節(jié)閥等熱工儀表,也有位置編碼器、調(diào)速電機(jī)這類(lèi)機(jī)械量測(cè)量和運(yùn)動(dòng)邏輯控制設(shè)備等。冶金工業(yè)熱工過(guò)程控制系統(tǒng)中回路控制所占比例通常不大,而采集檢測(cè)占大部分。冶金工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)大部分屬非易燃爆炸性質(zhì),少數(shù)需防爆的(如煤氣)也可劃歸I類(lèi)防爆區(qū)從而可使用隔爆技術(shù)。因此每條總線上可掛較多設(shè)備(如16臺(tái)),有節(jié)省90%電纜的明顯效果。

冶金工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)仍存在許多不易測(cè)量的參數(shù)和不易控制的過(guò)程,所以軟測(cè)量(即間接測(cè)量)和先進(jìn)的控制策略(如專(zhuān)家系統(tǒng))等也是非常需要的。冶金工業(yè)環(huán)境較惡劣,主要是溫度、粉塵、振動(dòng)和電磁干擾等,需要現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有較強(qiáng)的環(huán)境承受能力。

從經(jīng)濟(jì)角度看,冶金工業(yè)屬于大規(guī)模工業(yè),特別是大、中型企業(yè)設(shè)備投資巨大,物流、資金流規(guī)模巨大,使其有經(jīng)濟(jì)實(shí)力使用高檔次的自動(dòng)控制設(shè)備。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力也使其不得不提高其自動(dòng)控制水平,它們已經(jīng)或正要實(shí)現(xiàn)從檢測(cè)到企業(yè)管理各層次、全系統(tǒng)的信息化和自動(dòng)化。但是,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)又使得利潤(rùn)趨于微薄,特別是中、小型企業(yè)不得不降低自動(dòng)控制設(shè)備的檔次,其自動(dòng)化水平往往還停留在基本檢測(cè)和必要的單機(jī)控制。

2基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的低速總線H1直接聯(lián)接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(變送器,閥門(mén)等),支持傳統(tǒng)的兩線制供電和本質(zhì)安全。高速總線HSE用于大量的H1總線鏈接橋路或與集中的控制器聯(lián)接,與DCS控制總線有些類(lèi)似。與其它現(xiàn)場(chǎng)總線一樣,FF是全數(shù)字化的通信總線。FF現(xiàn)場(chǎng)總線采用設(shè)備描述技術(shù)和互可操作測(cè)試,使其開(kāi)放性和互可操作性最好,不同公司的產(chǎn)品可做到像4~20mA設(shè)備一樣即接即用。

與其它現(xiàn)場(chǎng)總線不同的是,FF-H1現(xiàn)場(chǎng)總線將控制分散到總線上的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中,從而分散了控制風(fēng)險(xiǎn),弱化甚至取消了集中的控制器,減少了系統(tǒng)硬件數(shù)量。目前FF支持的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以熱工過(guò)程儀表為主,例如溫度、壓力、流量、液位、濃度、酸堿度等變送器和調(diào)節(jié)閥。FF不排斥遠(yuǎn)程I/O設(shè)備,對(duì)于簡(jiǎn)單的信號(hào)采集來(lái)說(shuō),這仍然是最經(jīng)濟(jì)的選擇。FF不排斥PLC,它把邏輯控制器僅看成一臺(tái)智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。與復(fù)雜、低速的熱工回路控制不同,簡(jiǎn)單快速的邏輯控制并不需要控制徹底分散,所以PLC還是相對(duì)集中的控制器。FF也不排斥PLC常用的總線,如Modbus等,對(duì)那些與H1總線無(wú)關(guān)的信息,可直接通過(guò)它們和上位機(jī)通信;對(duì)PLC中與H1總線有關(guān)的信息則通過(guò)接口卡和其它現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備交換信息。

由于控制被分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中,系統(tǒng)由有控制功能的智能設(shè)備壘砌而成,系統(tǒng)規(guī)模的變化主要在于智能設(shè)備的數(shù)量不同而無(wú)其它本質(zhì)區(qū)別。這類(lèi)系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)是:在小系統(tǒng)上被證明的功能,可以簡(jiǎn)單地推廣到大系統(tǒng)上,而且系統(tǒng)規(guī)模越大,其優(yōu)越性越突出。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是從控制室向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的一次大變革,使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。它帶來(lái)的主要優(yōu)點(diǎn)是:(1)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息量增加幾十倍,這些信息除用于控制以外,大量的用于維護(hù)、診斷和管理。控制系統(tǒng)從傳統(tǒng)的I/O卡擴(kuò)展到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。許多原來(lái)要到現(xiàn)場(chǎng)完成的工作如校線、診斷、調(diào)試可方便地在控制室操作站上完成,原來(lái)需要停電的維護(hù)現(xiàn)在可在運(yùn)行中進(jìn)行。許多原來(lái)要手工完成的管理文檔現(xiàn)在都由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成和保存。(2)節(jié)省大量電纜(50%~90%),節(jié)省盤(pán)柜、硬件設(shè)備、控制室面積及相應(yīng)的施工工作量,這是既先進(jìn)又節(jié)省的技術(shù)。(3)硬件設(shè)備的簡(jiǎn)化,控制功能的分散,包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在內(nèi)的實(shí)時(shí)自診斷技術(shù)都導(dǎo)致了控制系統(tǒng)可靠性的提高,而數(shù)字化又必然導(dǎo)致控制系統(tǒng)的精確度和魯棒性的提高。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),往往僅僅被簡(jiǎn)單地理解為/節(jié)省電纜0,實(shí)際上只有在我們嘗試到充分信息化帶來(lái)的好處后,才會(huì)發(fā)現(xiàn)節(jié)省電纜只不過(guò)是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的表面和非首要的優(yōu)點(diǎn)而已。

現(xiàn)舉例說(shuō)明如下。

圖1是典型的基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)框圖。此系統(tǒng)集成了儀表控制(徹底分散),電氣邏輯控制(適度分散),信號(hào)采集(集中或遠(yuǎn)程I/O就地),先進(jìn)控制和企業(yè)管理,即所謂EIC一體化,管控一體化。以一大型現(xiàn)代化高爐為例,它可分為爐頂、槽下配料、爐身、水渣、循環(huán)水、熱風(fēng)爐、制煤粉、噴煤粉、余壓發(fā)電等部分,共使用約380臺(tái)壓力、流量、液位變送器,約100個(gè)控制閥門(mén),數(shù)千個(gè)采集和邏輯信號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)到控制室平均距離約250m。可以這樣來(lái)粗略估算,對(duì)于380臺(tái)變送器,100個(gè)閥門(mén),只要用(380+100)/16=30根H1現(xiàn)場(chǎng)總線,而不是通常的480根電纜,節(jié)省450根,節(jié)約的長(zhǎng)度為450@250=112500(m)。其余上千個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)和溫度信號(hào)則由分布在各現(xiàn)場(chǎng)的約20臺(tái)PLC或遠(yuǎn)程I/O就近連接控制,而它們僅由2根冗余的Modbus總線與系統(tǒng)通信,估計(jì)節(jié)省60%的電纜。更重要的優(yōu)越性是系統(tǒng)可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線直接、在線地管理、診斷和維護(hù)那些智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。將冶金工業(yè)自動(dòng)控制的特點(diǎn)與基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)對(duì)比,可以說(shuō)基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)在冶金工業(yè)應(yīng)有較為廣闊的應(yīng)用前景。

3基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線在冶金工業(yè)的應(yīng)用實(shí)例

例1:煤氣混合控制中高爐、焦?fàn)t煤氣通過(guò)混合調(diào)節(jié)達(dá)到壓力和熱值的穩(wěn)定。為防爆采用本質(zhì)安全系統(tǒng),硬件連接如圖2所示。一條H1現(xiàn)場(chǎng)總線共掛11臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線儀表,由3個(gè)安全柵進(jìn)行限能隔離以保安全。所有控制計(jì)算都在現(xiàn)場(chǎng)總線儀表中完成,包括氣體流量溫壓補(bǔ)償、壓力流量串級(jí)調(diào)節(jié)和熱值修正配比調(diào)節(jié)。下裝在現(xiàn)場(chǎng)總線儀表中的軟件功能塊的連接如圖3所示。高爐煤氣溫度輸入AI-t1、壓力輸入AI-p1和流量輸入AI-f1經(jīng)ARTH-1進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償后到PID-1功能塊中進(jìn)行副環(huán)調(diào)節(jié),其設(shè)定值來(lái)自流量分配計(jì)算功能塊ARTH-3,它的輸入是來(lái)自混合煤氣壓力輸入AI-p3經(jīng)PID-3主環(huán)調(diào)節(jié)和熱值調(diào)節(jié)PID-4的結(jié)果。當(dāng)混合煤氣壓力波動(dòng)時(shí),同時(shí)調(diào)節(jié)高爐焦?fàn)t煤氣的閥門(mén)開(kāi)度,以維持壓力穩(wěn)定。而混合煤氣熱值波動(dòng)時(shí),則改變高爐、焦?fàn)t煤氣的閥門(mén)開(kāi)度的比例,以維持熱值穩(wěn)定。各虛線方框?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線儀表,方框內(nèi)圓圈表示內(nèi)裝的軟件功能塊,功能塊間的聯(lián)線表示通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線通信的信號(hào)連接。

例2:某6000m3制氧機(jī)(含提氬)成功地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線控制。

其系統(tǒng)為雙操作站冗余,4條H1總線共掛32臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線儀表,完成出空冷塔空氣壓力控制;空冷塔液位控制;下塔液空液位控制;液氨蒸發(fā)器出水溫度串級(jí)控制;空透出口壓力防喘振調(diào)節(jié);1#增壓機(jī)出口壓力控制;2#增壓機(jī)出口壓力控制;出冷箱污氮壓力控制;粗氬液化器氬側(cè)壓力控制;粗氬液化器氮側(cè)壓力控制;純氬塔上部壓力控制;純氬塔下部壓力控制;純氬泵出口壓力控制;純氬冷凝器液氮液位控制;粗氬冷凝器液空液位控制;粗氬塔下部液氬液位控制;純氬塔蒸發(fā)器液氬液位控制;純氬塔阻力控制;粗氬流量控制。還有15個(gè)手動(dòng)遙控回路,共34個(gè)控制輸出,另外還有85個(gè)模擬輸入和77點(diǎn)溫度輸入,101個(gè)DI,62個(gè)DO,邏輯控制由一臺(tái)PLC完成。本系統(tǒng)還通過(guò)DDE與其它系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)了信息交換。