基金會現場總線控制系統在武鋼煤氣二混合站的應用
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本文作者陳健生先生，武漢鋼鐵集團公司計控公司設備經理、高級工程師；張永清先生，工程師；袁慶平先生，高級工程師；肖漢發先生，工程師。
關鍵詞：冶金 控制系統 基金會現場總線
一 概要
武鋼燃氣廠煤氣第二混合站把煉鐵廠生產的高爐煤氣(以下簡稱高煤)和焦化廠生產的焦爐煤氣(以下簡稱焦煤)按用戶對熱值的要求進行配比混和，然后向大型、軋板、高線等十幾個用戶提供壓力、熱值穩定的混合煤氣。由于以前生產控制工藝本身存在缺陷，自混合站投運以來的十幾年間均無法實現系統的全自動跟蹤調節。在武鋼“二吹二”的系統工程中，由武鋼計控公司自主設計、設備選型、編程調試以及施工的“二混”項目，選用了冶金自動化研究院提供的美國Smar公司生產的基金會現場總線控制系統System302，同時采用目前國內所獨有的兩閥控制方案實現了系統的自動調節與控制。自投運以來系統運行穩定、調節品質較好。
二 系統控制方案的由來
圖1是改造前，二混的生產工藝流程以及控制原理示意圖?？刂频哪繕耸菍崿F混壓穩定，并能按用戶對熱值的要求通過焦煤和高煤的流量配比，實現熱值自動控制。
以前的控制系統采用四閥控制方案。前兩道閥門采用單回路壓力調節來調整混合前的壓力穩定。后道高煤閥也采用單回路壓力調節以保證混合壓力穩定，后道焦煤閥對焦煤和高煤的流量進行配比調節，實現對混合煤氣熱值的控制。生產實踐中，焦煤的混合前壓力為20~24kPa，高煤為21~25kPa，而用戶要求的混合壓力則為20±1kPa。但是由于管道中節流件、取壓部件、大小頭、管道以及閥門翻板的壓力損失，使得管道中的這些沿程阻力和局部阻力之和較大，后兩道閥門的閥前后可調壓差不足1kPa。而目前國內最好的蝶閥能滿足的可調比約為10:1，即使國外最好的蝶閥可調比可達到30:1，但采用四閥方案很難滿足閥門對可調比的要求，在實際生產過程中，四閥控制方案也根本無法實現。有鑒于此，為降低管道壓力損失，從而實現自動控制，本計控公司大膽采用國內尚無任何成功經驗的兩閥控制方案，取消前兩道壓力調節閥，并選用環型節流孔板來降低節流件上的壓力損失，以提高閥門前后的壓差來實現系統的自動控制方案?？紤]到整個系統的安全以及FF現場總線在過程控制領域的優勢，我們選用美國Smar公司的現場總線控制系統——System302。
三 控制系統硬件配置
本系統由單操作站作為HMI(人機接口)，PCI卡作為操作站SCADA的接口?？紤]到煤氣混合站的安全要求而選用了總線安全柵SB-302，同時為了便于總線的數字信號與普通模擬信號間的轉換和采集，采用Smar公司的帶有萬能現場總線接口模塊的PLC 產品LC-700?？偩€采用的是適合熱工過程自動化的H1低速總線，網絡拓撲采用的是較為安全可靠的樹型結構，整個控制系統硬件配置如圖2所示。
每個總線可掛4臺安全柵，每個安全柵后可掛3~4臺變送器或閥門定位器，較DCS系統節省70%電纜，這對于像控制室距現場遠達2km的工程(如我公司四混、三混)確有明顯節省材料和施工費用的效益。
控制和計算功能分布在變送器和閥門定位器中，系統硬件簡潔，沒有儀表盤柜，少量硬件僅布置在操作臺下，節省了控制室面積。由于是總線系統，布線極少且簡單。
四 系統控制策略
系統控制策略如圖3所示，圖中虛線框是物理的現場總線設備，實線框是下裝的軟件功能塊，設備間聯線表示通過現場總線的通信。這是一個壓力、流量串級調節和熱值配比調節系統，而且兩者間要實現零耦合，互不影響。這種控制完全分散的模式被稱為“雞腦神經”網絡，是一種高可靠的自控模式。目前國內像武鋼這樣的工況，每小時用量達5~10萬立方米的大型混合站，尚無成功的兩閥控制方案，寶鋼采用的是四閥分層調節。我們的控制方案關鍵在于首先通過熱值配比在計算塊中運算來避免流量的大幅波動，其次是采用了動態交叉限幅輸出選擇模塊，通過它來減小壓力和流量調節中帶來的相互間大的干擾，避免系統出現振蕩。控制策略是實現系統自動控制的基礎，同時它要保證把調節輸出信號間的干擾減小到最小，然后是通過參數的整定來避免調節信號間的耦合，使自動調節達到較好的品質。
五 工程調試中的問題和解決方法
1. 系統的互可操作
工程中實現了FF現場總線下System302與Fisher閥門定位器的互可操作。由于工程設計者選用了支持基金會總線協議的Fisher數字閥門定位器，這樣就存在一個System302與Fisher閥門定位器之間互可操作的問題。
互可操作是現場總線技術的重要特點之一。它包括兩方面的的含義：(1)設備的可互換性，指對于具有同一功能但來自不同廠家的設備可以實現互換；(2)設備的可互操作性，指不同廠家的設備可以實現互相通信，正確理解和交換數據的含義，完成系統所要求的功能。
FF 現場總線實現互可操作性有兩大關鍵技術：功能塊和設備描述(DD)。
完成互可操作的具體步驟如下：
(1)安裝DD(設備描述文件)
由現場總線基金會定義的設備描述的路徑結構如下：
...\xxxxx\yyy\rrddvv.eee
其中：...\是主機系統所執行的訪問DD結構的路徑；
xxxxx是由現場總線基金會所確定的制造商識別號；
yyy是制造商定義的設備型號；
rr是制造商定義的設備版本號；
dd是由制造商確定的其設備所用設備描述(DD)的版本號；
vv是由制造商確定的其設備所用設備描述(DD)或通用文件(CFF)版本號；
eee是文件的的擴展名。
把Fisher的DD 拷貝到系統路徑下即可。
(2)完成系統配置
在070101.cff中加入：
MaximumNumber of linkage objects=50
MaximumNumber of linkage objects=2
在Standard.ini中加入:
005100 fisher
[005100 device by code ]:fisher device types
5400=DVC.5000f
005100 5400 07 01 80020310=RES
005100 5400 07 01 80020530=TRD
005100 5400 07 01 800201F0=AO
005100 5400 07 01 800202B0=PID
做完以上的工作，經過對功能塊間的數值傳遞測試和功能測試，就基本完成了Fisher閥門與Smar控制系統的互可操作。
2. 提高了系統的數據響應時間
系統共有設備16臺，掛在兩條總線上。調試中發現，理論上一條總線最多可掛16臺設備，但在實際中，由于策略復雜或總線上鏈接通信多，都可能導致系統數據響應較慢的問題。系統組態軟件SYSCON可顯示總線掃描的宏周期(Macro-cycle)，即所有功能塊和鏈接通信執行一次的時間，以500ms以下為宜。實際中使用了兩條總線，把相互關聯的設備置于同一條總線下，其中一條總線掛12臺設備，另一條掛5臺設備。若干個宏周期構成一個監控周期即所有和操作站交換的信息執行一次，需要3~5s，完全滿足了生產的要求。(經試驗，如16臺設備同掛在一條總線下，由于控制策略復雜，在操作站修改一個現場數據大約長達30s才能完成，顯然太慢。)
3. 系統參數的整定
系統投運開始階段，出現了閥門無法穩定，有大約10%的來回波動，自動投運時系統穩定性差，準確性不好的問題。經分析發現造成問題的原因為：(1)閥門本身的PID與系統PID作用迭加后造成了閥門的振蕩；(2)流量的濾波時間較短，是系統的穩定性差的一個原因；(3)流量和壓力之間有一定的耦合使得系統振蕩；(4)用戶不穩定，系統的擾動大；(5)加壓機的出口壓力變化較大，即閥前壓力波動大。
針對這些問題，從系統的角度綜合考慮穩定性、準確性、快速性來整定系統的參數，做了以下的工作：(1)把閥門本身的PID整定至最佳，力求穩定不振蕩，適當放棄快速性；(2)盡可能加長流量的濾波時間，以求得系統的穩定；(3)壓力調節回路和流量配比調節回路的PID參數整定應考慮被調對象的流程時間，通過整定時間常數來實現調節作用間的零耦合。
通過這樣一番整定，系統取得了非常好的效果?；靿悍€定在設定值的±0.3kPa，流量配比誤差為±500m3。
六 基金會現場總線技術的優越性
現場總線技術促使現場設備向數字化、智能化、網絡化發展，數字化和開放性是各種現場總線的基本特點。而現場設備的智能化，現場設備豐富的信息則是FF現場總線技術對比DCS/PLC的遠程I/O及其他類型現場總線的突出優勢。而這些優點又可通過“功能塊參數”來理解。FF現場總線的幾十個功能塊可分為3類(如表所示)。
每個功能塊有幾十個參數，所謂豐富的現場設備信息均在其中。按用途又可把功能塊參數分成系統用，過程變量、標定調整用，診斷報警、管理記錄用，于是在DCS概念的操作站和工程師站的原有功能上又增加了對現場設備管理的功能。
基金會現場總線過程變量參數由“數值”和“狀態”兩部分構成，其狀態表達數值是：“好”、“壞”、“不確定”和“未使用”；如果是壞，則系統不予采用該數值并采取措施，如自動轉手動、報警等。而且每種狀態還細分為若干子狀態，如傳感器故障、超越量程、通信錯誤、組態錯誤等。這事實上是將系統置于連續的自診斷狀態下，將減少停車檢查時間和維護量，提高系統可靠性。
又如閥門定位器的功能塊參數中包括了實際閥位，在操作站上很容易同時看到設定和實際閥位，而在DCS系統則要增加一根電纜和一個I/O點才行。
閥門定位器的功能塊參數中還包括了閥位小閉環的調節參數(P，I)，這樣在操作站上就可以將閥門本身品質調好。
閥門定位器的功能塊參數中還包括特性選擇、自動標定等，這給系統調試和運行帶來很大方便。
電容式壓力變送器中傳感器的電
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