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现场总线在冶金建材工业中的运用

2012/10/08 阅读:

本文作者:房启超李培松斯可克单位:江苏淮钢集团有限公司冶金自动化研究设计院

经过多年的论证和争论,国际电工委员会在标准IEC61158中,最终采纳了多种现场总线于一体的折中方案,看起来是把最终选择推给了用户,但从技术角度看这种选择并非是无章可循的。通过对不同现场总线技术特点的深入分析后,我们认为选用哪种现场总线技术的主要依据是:应用对象的类型和现场设备的种类。本文首先分析冶金工业自动控制及现场设备的特点和基金会现场总线(FF)的特点及优点,然后介绍基金会现场总线在冶金工业应用的实例。

1冶金工业自动控制的特点

冶金工业虽然属于流程工业,但它的控制内容却是热工过程控制(典型的如加热炉)和运动逻辑控制(典型的如轧钢)的混合,其中许多还带有批控制的特性(如转炉炼钢等)。冶金工业的现场设备既有温度、压力、流量、液位变送器和调节阀等热工仪表,也有位置编码器、调速电机这类机械量测量和运动逻辑控制设备等。冶金工业热工过程控制系统中回路控制所占比例通常不大,而采集检测占大部分。冶金工业过程控制系统大部分属非易燃爆炸性质,少数需防爆的(如煤气)也可划归I类防爆区从而可使用隔爆技术。因此每条总线上可挂较多设备(如16台),有节省90%电缆的明显效果。

冶金工业过程控制系统仍存在许多不易测量的参数和不易控制的过程,所以软测量(即间接测量)和先进的控制策略(如专家系统)等也是非常需要的。冶金工业环境较恶劣,主要是温度、粉尘、振动和电磁干扰等,需要现场设备有较强的环境承受能力。

从经济角度看,冶金工业属于大规模工业,特别是大、中型企业设备投资巨大,物流、资金流规模巨大,使其有经济实力使用高档次的自动控制设备。市场竞争的压力也使其不得不提高其自动控制水平,它们已经或正要实现从检测到企业管理各层次、全系统的信息化和自动化。但是,市场竞争又使得利润趋于微薄,特别是中、小型企业不得不降低自动控制设备的档次,其自动化水平往往还停留在基本检测和必要的单机控制。

2基金会现场总线(FF)的特点和优点

基金会现场总线的低速总线H1直接联接到现场设备(变送器,阀门等),支持传统的两线制供电和本质安全。高速总线HSE用于大量的H1总线链接桥路或与集中的控制器联接,与DCS控制总线有些类似。与其它现场总线一样,FF是全数字化的通信总线。FF现场总线采用设备描述技术和互可操作测试,使其开放性和互可操作性最好,不同公司的产品可做到像4~20mA设备一样即接即用。

与其它现场总线不同的是,FF-H1现场总线将控制分散到总线上的现场设备中,从而分散了控制风险,弱化甚至取消了集中的控制器,减少了系统硬件数量。目前FF支持的现场设备以热工过程仪表为主,例如温度、压力、流量、液位、浓度、酸碱度等变送器和调节阀。FF不排斥远程I/O设备,对于简单的信号采集来说,这仍然是最经济的选择。FF不排斥PLC,它把逻辑控制器仅看成一台智能现场设备。与复杂、低速的热工回路控制不同,简单快速的逻辑控制并不需要控制彻底分散,所以PLC还是相对集中的控制器。FF也不排斥PLC常用的总线,如Modbus等,对那些与H1总线无关的信息,可直接通过它们和上位机通信;对PLC中与H1总线有关的信息则通过接口卡和其它现场总线设备交换信息。

由于控制被分散到现场设备中,系统由有控制功能的智能设备垒砌而成,系统规模的变化主要在于智能设备的数量不同而无其它本质区别。这类系统的一个特点是:在小系统上被证明的功能,可以简单地推广到大系统上,而且系统规模越大,其优越性越突出。

现场总线技术是从控制室向现场设备的一次大变革,使现场设备数字化、智能化、网络化。它带来的主要优点是:(1)来自现场设备的信息量增加几十倍,这些信息除用于控制以外,大量的用于维护、诊断和管理。控制系统从传统的I/O卡扩展到现场设备。许多原来要到现场完成的工作如校线、诊断、调试可方便地在控制室操作站上完成,原来需要停电的维护现在可在运行中进行。许多原来要手工完成的管理文档现在都由计算机自动生成和保存。(2)节省大量电缆(50%~90%),节省盘柜、硬件设备、控制室面积及相应的施工工作量,这是既先进又节省的技术。(3)硬件设备的简化,控制功能的分散,包括现场设备在内的实时自诊断技术都导致了控制系统可靠性的提高,而数字化又必然导致控制系统的精确度和鲁棒性的提高。

对于现场总线技术的优点,往往仅仅被简单地理解为/节省电缆0,实际上只有在我们尝试到充分信息化带来的好处后,才会发现节省电缆只不过是现场总线技术的表面和非首要的优点而已。

现举例说明如下。

图1是典型的基金会现场总线控制系统框图。此系统集成了仪表控制(彻底分散),电气逻辑控制(适度分散),信号采集(集中或远程I/O就地),先进控制和企业管理,即所谓EIC一体化,管控一体化。以一大型现代化高炉为例,它可分为炉顶、槽下配料、炉身、水渣、循环水、热风炉、制煤粉、喷煤粉、余压发电等部分,共使用约380台压力、流量、液位变送器,约100个控制阀门,数千个采集和逻辑信号。现场到控制室平均距离约250m。可以这样来粗略估算,对于380台变送器,100个阀门,只要用(380+100)/16=30根H1现场总线,而不是通常的480根电缆,节省450根,节约的长度为450@250=112500(m)。其余上千个开关量信号和温度信号则由分布在各现场的约20台PLC或远程I/O就近连接控制,而它们仅由2根冗余的Modbus总线与系统通信,估计节省60%的电缆。更重要的优越性是系统可通过现场总线直接、在线地管理、诊断和维护那些智能现场设备。将冶金工业自动控制的特点与基金会现场总线(FF)的特点和优点对比,可以说基金会现场总线(FF)在冶金工业应有较为广阔的应用前景。

3基金会现场总线在冶金工业的应用实例

例1:煤气混合控制中高炉、焦炉煤气通过混合调节达到压力和热值的稳定。为防爆采用本质安全系统,硬件连接如图2所示。一条H1现场总线共挂11台现场总线仪表,由3个安全栅进行限能隔离以保安全。所有控制计算都在现场总线仪表中完成,包括气体流量温压补偿、压力流量串级调节和热值修正配比调节。下装在现场总线仪表中的软件功能块的连接如图3所示。高炉煤气温度输入AI-t1、压力输入AI-p1和流量输入AI-f1经ARTH-1进行温度压力补偿后到PID-1功能块中进行副环调节,其设定值来自流量分配计算功能块ARTH-3,它的输入是来自混合煤气压力输入AI-p3经PID-3主环调节和热值调节PID-4的结果。当混合煤气压力波动时,同时调节高炉焦炉煤气的阀门开度,以维持压力稳定。而混合煤气热值波动时,则改变高炉、焦炉煤气的阀门开度的比例,以维持热值稳定。各虚线方框为现场总线仪表,方框内圆圈表示内装的软件功能块,功能块间的联线表示通过现场总线通信的信号连接。

例2:某6000m3制氧机(含提氩)成功地实现现场总线控制。

其系统为双操作站冗余,4条H1总线共挂32台现场总线仪表,完成出空冷塔空气压力控制;空冷塔液位控制;下塔液空液位控制;液氨蒸发器出水温度串级控制;空透出口压力防喘振调节;1#增压机出口压力控制;2#增压机出口压力控制;出冷箱污氮压力控制;粗氩液化器氩侧压力控制;粗氩液化器氮侧压力控制;纯氩塔上部压力控制;纯氩塔下部压力控制;纯氩泵出口压力控制;纯氩冷凝器液氮液位控制;粗氩冷凝器液空液位控制;粗氩塔下部液氩液位控制;纯氩塔蒸发器液氩液位控制;纯氩塔阻力控制;粗氩流量控制。还有15个手动遥控回路,共34个控制输出,另外还有85个模拟输入和77点温度输入,101个DI,62个DO,逻辑控制由一台PLC完成。本系统还通过DDE与其它系统成功地实现了信息交换。

现场总线在冶金建材工业中的运用

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