基金會現(xiàn)場總線概述與總線儀表應(yīng)用

劉 娜，曾曉萍，康 瑾，李昭玲

（西北鉛鋅冶煉廠，甘肅白銀 730900）

1 基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)概述

基金會現(xiàn)場總線（FF 總線）是世界領(lǐng)先數(shù)字化協(xié)議的代表，在自動化領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。該協(xié)議以開放互聯(lián)模式的ISO/OSI 系統(tǒng)為基礎(chǔ)，取物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF 通信模型。在應(yīng)用層上增加用戶層，針對自動化測控應(yīng)用的實際需求，在信息的存取交換上定義出統(tǒng)一規(guī)則，運用通用功能塊集進行設(shè)備描述。

1.1 FF總線H1技術(shù)

過程控制、現(xiàn)場級接口和設(shè)備的集成主要采用通信速率為31.25 kbps 的 H1技術(shù)、H1的現(xiàn)場設(shè)備（如變送器與執(zhí)行器），在供電和傳輸信號上規(guī)定，必須使用現(xiàn)場總線雙絞線電纜。

現(xiàn)場儀表與其他設(shè)備通過H1技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自行控制，數(shù)字化的H1網(wǎng)絡(luò)，因為省去了I/O 轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，在很大程度上減少了工作站與計算機的負載。

1.2 FF總線下Controlnet技術(shù)

焙燒車間在以太網(wǎng)技術(shù)下采用Controlnet 控制網(wǎng)，H1總線儀表通過連接設(shè)備與Controlnet 控制網(wǎng)連接，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)絇LC 進行統(tǒng)一處理。

Controlnet 支持PLC 實現(xiàn)復雜的邏輯功能，增強了通過連接設(shè)備訪問H1 現(xiàn)場總線儀表的技術(shù)。Controlnet 連接還為用戶提供了不同廠家可以通過PLC互相交換數(shù)據(jù)和操作的設(shè)備，實現(xiàn)了不同子系統(tǒng)的集成，使得企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)緊密集成與自由交換信息已成為現(xiàn)實。

2 焙燒車間FF總線應(yīng)用實例

（1）焙燒車間通信網(wǎng)絡(luò)采用樹型拓樸網(wǎng)絡(luò)和分支拓樸網(wǎng)絡(luò)混合起來的組合拓樸結(jié)構(gòu)。其拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 焙燒車間總線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

焙燒車間應(yīng)用FF 現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)成車間級的控制系統(tǒng)，焙燒車間A-B 系統(tǒng)中FF 總線主站1788-CN2FFR（1788-EN2FFR）通過FF 總線Controlnet 進行連接，實現(xiàn)與PLC 的數(shù)據(jù)通信。主站通過無源背板總線連接6個FF-H1現(xiàn)場總線模塊，每個FF-H1現(xiàn)場總線模塊具有2個Controlnet 控制端口，Controlnet控制端口與PLC 連接，上傳儀表測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理，H1 端口掛接2～8 臺不等的H1 儀表設(shè)備，通過現(xiàn)場總線專用電纜與H1 儀表、閥門連接，采集FF-H1儀表信息，控制FF-H1閥門。

工程師站安裝工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件Wincc，具有標準OPC 接口，對FF-H1設(shè)備進行組態(tài)、下載、實時在線監(jiān)測。

（2）A-B 系統(tǒng)中FF 總線主站1788-CN2FFR（1788-EN2FFR）的調(diào)試實例。

電纜選擇：FF 總線電纜阻抗為100 ohms，為降低由線纜進入的外部噪聲，通常選用1×2×18 AWG的屏蔽雙絞線。選用電纜時盡可能選用專用的FF 總線電纜，并且選擇A 型電纜，使總線的允許長度達到最大。從站功能塊組態(tài)如圖2所示。

圖2 從站功能塊組態(tài)

permanent 塊一般不用更改設(shè)置，除非更改儀表的測量單位、測量參數(shù)。permanent 塊正常狀態(tài)下必須處于AUTO 模式，如果處于OOS 模式且無法切換至AUTO 模式，儀表即為故障或者損壞。

實例塊為用戶塊，一般儀表，如壓力變送器、料位計、流量計等，也不需要修改，只有在修改顯示單位或測量類型等高階參數(shù)時需要設(shè)置（在儀表表頭中設(shè)置也可）。實例塊正常運行時也需打到AUTO 狀態(tài)，個別功能塊復雜的儀表除外（如SIEMENS 閥門定位器，PID 塊需在LO 狀態(tài)，AO 塊需CAS 狀態(tài)）。

（3）典型儀表的功能塊參數(shù)設(shè)置。

Rosemount 巴類流量計參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

圖3 Rosemount巴類流量計參數(shù)設(shè)置

AI 功能塊的配置：當L_TYPE 設(shè)置為間接平方根時，XD_SCALE 和OUT_SCALE 分別對應(yīng)流量計算數(shù)值中的差壓計算值和流量輸入值；若L_TYPE 設(shè)置為直接，則XD_SCALE 和OUT_SCALE 的設(shè)置與輸出無關(guān)，功能塊輸出值為差壓，需要在PLC 程序中運用公式來計算流量。

（4）閥門定位器控制程序如圖4所示。

圖4 閥門定位器控制程序

AO 塊配置：AO 塊狀態(tài)必須處于CAS 模式才能遠程給定開度（圖5）。

圖5 AO塊配置

PID 塊配置：因為不使用儀表中自帶的PID 調(diào)節(jié)功能，所以需要將PID 功能塊旁路，PID 塊必須處于LO 狀態(tài)（圖6）。

圖6 PID塊配置

3 基于FF總線儀表下鼓風機空氣流量控制系統(tǒng)的改進

為了有效控制焙燒爐沸騰層的溫度達到更好的脫硫效果，保證礦砂充分燃燒及質(zhì)量，風流量調(diào)節(jié)也是至關(guān)重要的。鼓風機為焙燒爐內(nèi)礦砂提供燃燒所需的空氣，由于正常燃燒焙燒爐處于負壓狀態(tài)，需要根據(jù)生產(chǎn)實際調(diào)節(jié)空氣鼓入量，或者在停車狀態(tài)下，將管線和爐內(nèi)多余空氣放空排出，保護焙燒爐。由于鼓風的管道管徑較大，此處的閥徑在1 000～2 000 mm，閥門需要的力矩較大，最開始采用氣動蝶閥控制，投入生產(chǎn)使用后，氣動蝶閥執(zhí)行機構(gòu)在兩個極限位置會出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，小角度時推動力不足，大角度時蝶閥晃動，無法精準控制定位，閥體在安裝位置晃動，壓力傳導帶動管道上儀表流量顯示值抖動，風量監(jiān)測不準，對操作人員加料及燃燒程度判斷有誤導。

首先通過比較開關(guān)閥力與新加力大小，判斷氣缸扭矩是否滿足開關(guān)閥要求。

將管鉗與氣動閥門聯(lián)動軸卡死，加載3 000 N 的力（大約兩個成年人身體的重力），觀察閥門有無動作，氣動閥門標準氣信號20～100 kPa，遠小于新加載的3 000 N，初步判斷氣動執(zhí)行結(jié)構(gòu)扭矩過小，推動力不足，閥門在小角度開關(guān)狀態(tài)下不穩(wěn)定，鼓風壓力傳導下儀表流量跳動，檢測不準。

在無法更換管道安裝位置的情況下，更換扭矩更大的閥門。不需要外部動力氣源，通過帶變速器的電氣單元控制電機，電機通過蝸桿轉(zhuǎn)動輸出軸，驅(qū)動閥桿。根據(jù)加料量、風壓調(diào)節(jié)閥門開度大小，調(diào)節(jié)風量，控制燃燒溫度。電動執(zhí)行機構(gòu)通過4根應(yīng)接線（2根反饋2根給定），對閥體開度進行精確控制，實現(xiàn)鼓風機控制器（從站）對電動閥門的控制，從站通過FF 總線通訊至AB logix 5000控制器，實際控制閥門開度由主站（AB logix 5000）控制。操作簡單，穩(wěn)定可靠，節(jié)省人力。

在全力建設(shè)智慧型企業(yè)背景下，生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺建立工藝過程數(shù)據(jù)控制模型，在掌握漏風量、焙燒爐需求風量、焙燒爐散熱量、風壓力、焙燒爐容積、職工操作監(jiān)控、精礦品質(zhì)、工藝過程化數(shù)據(jù)精確性，在掌握多方因素對生產(chǎn)工藝影響的邏輯關(guān)系基礎(chǔ)上，通過生產(chǎn)因素輸入及AUTO 計算、PID 調(diào)節(jié)反饋，通過FF 總線遠程上位機操作，自行調(diào)整閥門開度，節(jié)省人力，操作簡單。數(shù)據(jù)模型的建立需要極其龐大的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，從提出到設(shè)計模型應(yīng)用還有很長的路要走，可以作為焙燒爐鼓風機控制的研究方向。

4 FF總線優(yōu)勢

（1）基于FF 現(xiàn)場總線技術(shù)，現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)集成在車間調(diào)度系統(tǒng)中，為車間生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)化輔助支持。

（2）PID 功能塊下裝在現(xiàn)場設(shè)備中，實現(xiàn)了真正的分散控制，將設(shè)備危險與控制功能分散開，安全可靠，維護量小。

（3）現(xiàn)場智能設(shè)備的預(yù)警功能，可以及時發(fā)現(xiàn)并排除設(shè)備潛在故障。

（4）智能設(shè)備管理軟件的使用，延長了儀表和控制系統(tǒng)的生命周期，降低企業(yè)工控成本。

5 結(jié)束語

FF 總線技術(shù)與總線儀表組態(tài)技術(shù)的發(fā)展正穩(wěn)步進行，在焙燒車間應(yīng)用取得了良好效果。相關(guān)工作人員應(yīng)該在掌握其復雜和完整理論的基礎(chǔ)上，積極推進在企業(yè)中的應(yīng)用。