FF現(xiàn)場總線與智能儀表技術(shù)

1、基于FF現(xiàn)場總線的智能儀表組態(tài)技術(shù)摘要2.1 FF智能儀表簡介2.1.1 IF 表2.1.2 FI 表2.1.3 TT 表2.1.4 PT 表2.1.5 FP 表3.1.6 FY 表3.2 功能塊3.3 FF智能儀表組態(tài)技術(shù) 4.3.1 功能塊連接4.3.1.1 PID 控制4.3.1.2 申級控制4.3.2 FF智能儀表的特點4.3.3 組態(tài)注意事項 4.3.3.1 修改參數(shù)4.3.3.2 模態(tài)切換4.3.3.3 設(shè)備沖突4.3.3.4 功能塊調(diào)度5.4焦?fàn)t控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例 5.4.1 煉焦工藝5.4.1.1 焦?fàn)t煤氣主管壓力控制 64.1.2 機(jī)焦側(cè)分煙道吸力控制 64.1.3 焦?fàn)t煤氣主

2、管流量控制 64.2 控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 6.4.3 控制回路組態(tài)6.4.4 控制性能分析8.4.5 系統(tǒng)中應(yīng)用智能儀表的優(yōu)點9.5 結(jié)束語9.參考文獻(xiàn)1.0附錄1.1.摘要現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了現(xiàn)場儀表數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。自“九五” 攻關(guān)以來,HART協(xié)議和FF協(xié)議智能儀表與系統(tǒng)的開發(fā)在我國得到迅速發(fā)展 , 并已取得大批成就。但是由于現(xiàn)場總線是一項較新的技術(shù)，且FF總線協(xié)議復(fù)雜， FF智能儀表組態(tài)參數(shù)頗多，對現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)人員專業(yè)知識、技術(shù)水平等要求 很高。因此本文從實際應(yīng)用角度介紹 FF智能儀表及其組態(tài)技術(shù)，以利于FF智 能儀表的推廣應(yīng)用。關(guān)鍵詞：FF現(xiàn)場總線；智能儀表；功能塊；組態(tài)1

3、 FF智能儀表簡介FF智能儀表是嵌入微處理器、實時嵌入式操作系統(tǒng)和FF現(xiàn)場總線協(xié)議棧，具有傳感測量、數(shù)字通信、自動補(bǔ)償、自動診斷、分散控制、信息存儲等功能的 儀表。目前國際上較為常見的FF現(xiàn)場總線智能儀表類型及用途主要有以下幾種。1.1 IF 表亦稱“電流信號到現(xiàn)場總線信號變送器”，它是將4-20mA電流信號轉(zhuǎn)換 成現(xiàn)場總線信號，用于將傳統(tǒng)的4-20mA輸出的模擬儀表連接到現(xiàn)場總線控制系 統(tǒng)中，適用于企業(yè)控制系統(tǒng)改造，可以很大程度上保護(hù)用戶原有的可利用的模擬 儀表資源，減少用戶投資。1.2 FI 表亦稱“現(xiàn)場總線到電流信號變送器”，它是將現(xiàn)場總線信號轉(zhuǎn)換成 4-20mA 電流信號，用于現(xiàn)場總線

4、控制設(shè)備與需要 4-20mA電流輸入信號的儀表的連接， 也是現(xiàn)場總線與4-20mA電流控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制裝置的控制信號轉(zhuǎn)換設(shè)備 ， 適用于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與 420mA電氣轉(zhuǎn)換器或電動調(diào)節(jié)閥的連接，有利 于保留企業(yè)控制系統(tǒng)改造中的可利用的執(zhí)行設(shè)備。1.3 TT 表亦稱“現(xiàn)場總線溫度變送器”，它是將PT100、CU50等熱電阻信號轉(zhuǎn)換成 現(xiàn)場總線信號，適用于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中對溫度信號的采集。1.4 PT 表亦稱“現(xiàn)場總線智能壓力變送器”，它是將壓力信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場總線信號， 適用于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中對壓力、流量、液位等信號的采集。1.5 FP 表亦稱“現(xiàn)場總線到氣動信號轉(zhuǎn)換器”，它是將從總線接

5、收的輸入信號按比例 轉(zhuǎn)換成3- 15psi氣壓信號,連接到非現(xiàn)場總線類型的氣動閥門定位器上 ,用于 代替模擬的電/氣轉(zhuǎn)換器，控制系統(tǒng)中的氣動閥門。1.6 FY 表亦稱“現(xiàn)場總線氣動閥門定位器”，它是將現(xiàn)場總線信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的壓力 輸出控制閥門到所需位置，實現(xiàn)氣動閥門的定位控制。2功能塊功能塊是參數(shù)、算法和事件三者的完整組成。它由輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)、內(nèi) 含參數(shù)及操作算法定義，并使用一個位號（Tag）和一個OD索引識別。功能塊的 執(zhí)行是按周期性調(diào)度或事件驅(qū)動的。功能塊外部連接結(jié)構(gòu)具有通用性，左邊是一 組輸入?yún)?shù)，右邊是一組輸出參數(shù)。不同的功能塊主要是內(nèi)部執(zhí)行的算法和實現(xiàn) 的功能不同。FF現(xiàn)場總線智

6、能儀表含10種標(biāo)準(zhǔn)功能塊，如下表所示。符號功能塊名功能簡要描述AI模擬量輸入讀取現(xiàn)場模擬 信號AO模擬量輸出提供模擬輸出DI離散量輸入讀取現(xiàn)場開關(guān) 信號DO離散量輸出提供開關(guān)量輸 出值PID比例積分微分PID自動控制模 塊ML手動裝載人或設(shè)備設(shè)置 輸出BG加使IO滿足線性 函數(shù)CS控制選擇自動選取輸入 信號PD比例微分增量式輸出無 積分RC比例系數(shù)用于比例控制3 FF智能儀表組態(tài)技術(shù)3.1 功能塊連接現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)組態(tài)關(guān)鍵是對現(xiàn)場總線設(shè)備中功能塊參數(shù)的配置和對功 能塊關(guān)系的組合、連接及對功能塊調(diào)度參數(shù)的調(diào)整。3.1.1 PID 控制組態(tài)時一個功能的輸入?yún)?shù)只能與另一個功能塊的輸出參數(shù)連接，輸

7、出參數(shù)只能與另一個功能塊的輸入?yún)?shù)連接。如圖3.1.1PID控制塊連接圖。3.1.2 串級控制審級控制組態(tài)時同樣遵守一個功能的輸入?yún)?shù)只能與另一個功能塊的輸出 參數(shù)連接，輸出參數(shù)只能與另一個功能塊的輸入?yún)?shù)連接的規(guī)則。如圖 3.1.23.2 FF智能儀表的特點FF智能儀表在控制系統(tǒng)中體現(xiàn)出抗干擾能力強(qiáng)、可遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、有自診斷功 能、連接方便等特點，具有廣泛應(yīng)用前景。3.3 組態(tài)注意事項3.3.1 修改參數(shù)每次修改儀表功能塊參數(shù)時，首先要把功能塊的目標(biāo)模態(tài)選擇為 OOS狀 態(tài)(Out Of Service),儀表實際模態(tài)處于 OOS狀態(tài)時才能更改參數(shù)，更改后再把 功能塊的目標(biāo)模態(tài)選擇為 Auto等

8、所需狀態(tài)。3.3.2 模態(tài)切換當(dāng)PID功能塊實際模態(tài)是“IMAN或在“IMAN和“AUTO之間切換時，說明PID和AO功能塊之間通信有問題，可以通過調(diào)整功能塊調(diào)度間隔時間 來消除。3.3.3 設(shè)備沖突如果設(shè)備以臨時地址上線，說明該設(shè)備與總線上其它設(shè)備地址有沖突。將其地址更改為總線上設(shè)備沒有用過的可用地址即可解決問題。圖 3.1.13.3.4 功能塊調(diào)度對系統(tǒng)有用的AI、AO、PID等功能塊一定要加到功能塊調(diào)度應(yīng)用,并下載 到儀表中，否則功能塊實際模態(tài)將不能離開OOS狀態(tài)進(jìn)入Auto。4焦?fàn)t控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例4.1 煉焦工藝煉焦主要是對焦?fàn)t炭化室中的配合煤進(jìn)行高溫干儲，如圖4.1.干儲過程即是在隔

9、絕空氣條件下對炭化室中的煤進(jìn)行加熱的過程。稱量后的 焦炭I 化學(xué)批 單種煤配合煤配合徵產(chǎn)品 居民區(qū)煤 F I /獨，t J +儲煤 > 配煤煤塔 > 高箍ftaf 凈化一a外輸T一煤氣T 荒煤氣圖4.1生產(chǎn)工藝流程4.1.1 焦?fàn)t煤氣主管壓力控制該控制是通過檢測氣主管壓力，調(diào)節(jié)主管翻板開度，保證主管煤氣壓力穩(wěn)定， 保證加熱系統(tǒng)的安全和使用壽命。4.1.2 機(jī)焦側(cè)分煙道吸力控制該控制是通過檢測分煙道吸力，調(diào)節(jié)煙道翻板開度，使煙道吸力穩(wěn)定在設(shè)定 值，保證煙氣排放，減少熱損失。4.1.3 焦?fàn)t煤氣主管流量控制該控制是通過檢測煤氣主管流量，調(diào)節(jié)煤氣主管翻板開度，保證煤氣主管流 量穩(wěn)定，滿足

10、焦?fàn)t加熱需求。4.2 控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按網(wǎng)絡(luò)類型可分為兩層。上層采用100M以太網(wǎng)，主干采用光纖, 橫跨廠區(qū)，分支采用雙絞線，延伸至控制室及廠調(diào)度室。系統(tǒng)底層采用的是FFH1現(xiàn)場總線?？偩€分布成二個網(wǎng)段，每個網(wǎng)段控制一 座焦?fàn)t。系統(tǒng)采用FFH1現(xiàn)場控制單元集成部分模擬儀表，采用FF智能儀表實現(xiàn)控制回路調(diào)節(jié)。主管壓力和分煙道吸力檢測采用FF智能壓力表LD302-D1 ,主管流量檢測采用FF智能差壓表LD302-M2。控制回路輸出采用現(xiàn)場總線到氣 動信號轉(zhuǎn)換器FP302,控制翻板打開的角度。系統(tǒng)針對 1、2號焦?fàn)t，監(jiān)測工藝 參數(shù)78個，實現(xiàn)控制回路6個，并將生產(chǎn)工藝參數(shù)通過以態(tài)網(wǎng)傳輸?shù)綇S

11、調(diào)度系 統(tǒng)，實現(xiàn)了監(jiān)控管一體化。4.3 控制回路組態(tài)FF智能儀表含有AI、AO、PID等10種標(biāo)準(zhǔn)功能塊，控制系統(tǒng)組態(tài)時，可 以通過設(shè)置功能塊參數(shù)來改變功能塊的執(zhí)行功能。系統(tǒng)的控制策略決定了功能塊 的參數(shù)配置與組合方式。該系統(tǒng) FF智能儀表組態(tài)步驟如圖4.3.1所示。通過工 藝分析，系統(tǒng)對煤氣主管壓力與主管流量采用審級控制策略，如圖 4.3.2所示。 壓力控制做主回路，流量控制做副回路。通過控制主管壓力保證焦?fàn)t加熱系統(tǒng)安 全，通過控制主管流量保證各燃燒室煤氣流量，從而保證穩(wěn)定加熱。系統(tǒng)對機(jī)、焦側(cè)煙道吸力2個回路采用PID控制策略，如圖4.3,3所示，保證煙道吸力穩(wěn)定 和煙氣排放。圖4,3.1儀

12、表組態(tài)步驟LD302-M2主管壓力焦?fàn)t煤氣 主管流量輸出20. lOOkPaFP3U21輸入 120kPa餐FF H!總線圖4.3.2煤氣主管壓力流量審級控制LD3O2-D1焦劉分煙 道吸力FP3O2 1 輸入 120kPa輸出 20-lOOkPaFFH1總線>P1D*AO-圖4.3.3機(jī)(焦)側(cè)分煙道吸力PID控制4.4 控制性能分析焦?fàn)t煤氣主管壓力控制有其工藝特殊性，充分體現(xiàn)了FF智能儀表的優(yōu)勢。因此以焦?fàn)t煤氣主管壓力控制為例分析控制性能。煉焦生產(chǎn)中，焦?fàn)t加熱系統(tǒng)每隔45min進(jìn)行一次換向：關(guān)煤氣一一空氣與廢 氣交換開煤氣。采用模擬儀表控制時，換向初期，因煤氣主管流量瞬間為0,壓力驟

13、然上升, 根據(jù)PID控制原理模擬儀表系統(tǒng)使加熱系統(tǒng)翻板全開；換向后期，焦?fàn)t恢復(fù)加 熱煤氣，煤氣主管瞬間增加供氣，壓力驟然下降，模擬儀表系統(tǒng)使翻板幾乎全關(guān)， 之后經(jīng)過25min左右的PID調(diào)節(jié)時間，系統(tǒng)才趨于穩(wěn)定，這時下一次換向又快 開始了，系統(tǒng)始終處于動蕩狀態(tài)。采用FF智能儀表控制時，因智能儀表不僅能檢測信號，而且能傳遞儀表檢 測參數(shù)的質(zhì)量信息，其控制回路運行狀態(tài)也與儀表參數(shù)質(zhì)量信息相關(guān)。換向初期,因煤氣主管流量瞬間為0,壓力驟然上升，根據(jù)PID控制原理，應(yīng)使翻板全開， 但在超過參數(shù)測量范圍而不超過儀表量程情況下，智能儀表檢測這種參數(shù)質(zhì)量為 壞(BAD),其保持上一個狀態(tài)的翻板開度不變；換向后

14、期，焦?fàn)t恢復(fù)加熱煤氣， 煤氣主管瞬間增加供氣，壓力下降到正常測量范圍，智能儀表檢測參數(shù)質(zhì)量為好(GOOD),恢復(fù)正?？刂?，翻板開始調(diào)節(jié)。由圖 4.4.1和圖4.4.2可以看出，系統(tǒng) 超調(diào)量小，換向完成后5min左右，就基本恢復(fù)穩(wěn)定。圖4, 4. 1燥氣主管壓力流吊串級控制主回路曲線圖4. 4. 2煤氣主管壓力流量串費捶麗副回路曲線4.5 系統(tǒng)中應(yīng)用智能儀表的優(yōu)點應(yīng)用結(jié)果證明，F(xiàn)F智能儀表具有低成本、抗干擾能力強(qiáng)、互操作性好、可 靠性高、易維護(hù)等特點，體現(xiàn)了儀表數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢，具有廣泛 的應(yīng)用前景。5結(jié)束語基于基金會FF現(xiàn)場總線智能儀表組態(tài)技術(shù)的發(fā)展正穩(wěn)步高速進(jìn)行。在世界范圍內(nèi)取得

15、合作和開發(fā)的良好態(tài)勢， 在國內(nèi)也同樣達(dá)到很好的應(yīng)用規(guī)模。 我們應(yīng) 該在積極掌握其復(fù)雜和完整的理論的基礎(chǔ)上，為更好地服務(wù)社會做出努力和貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)1 .陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用.清華大學(xué)19942 .孔元發(fā).熱工自動控制設(shè)備.水利電力出版社.19943 .陳小楓.基金會現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu).測控技術(shù).19964 .斯可克.現(xiàn)場總線技術(shù).自動化儀表.19975 .楊慶柏.現(xiàn)場總線與現(xiàn)場儀表.自動化博覽.19976 .泰希林.現(xiàn)場總線技術(shù)論文選.計算機(jī)信息雜志社.19987 .盧伯英.現(xiàn)代控制工程.北京科學(xué)出版社.19808 .周澤魁.控制儀表與計算機(jī)控制裝置.化學(xué)工業(yè)出版社.20029 .楊勁松

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