FF现场总线与智能仪表技术.doc

基于FF现场总线的智能仪表组态技术

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摘要 3
1 FF智能仪表简介 3
1.1 IF 表 3
1.2 FI 表 3
1.3 TT 表 3
1.4 PT 表 3
1.5 FP 表 3
1.6 FY 表 3
2 功能块 3
3 FF智能仪表组态技术 3
3.1 功能块连接 3
3.1.1 PID 控制 3
3.1.2串级控制 3
3.2 FF智能仪表的特点 3
3.3 组态注意事项 3
3.3.1修改参数 3
3.3.2模态切换 3
3.3.3设备冲突 3
3.3.4功能块调度 3
4 焦炉控制系统应用举例 3
4.1 炼焦工艺 3
4.1.1焦炉煤气主管压力控制 3
4.1.2机焦侧分烟道吸力控制 3
4.1.3焦炉煤气主管流量控制 3
4.2控制系统体系结构 3
4.3控制回路组态 3
4.4控制性能分析 3
4.5系统中应用智能仪表的优点 3
5 结束语 3
参考文献 3
附录 3

摘要
现场总线技术的发展促进了现场仪表数字化、智能化、网络化。自“九五”攻关以来, HART 协议和 FF协议智能仪表与系统的开发在我国得到迅速发展, 并已取得大批成就。但是由于现场总线是一项较新的技术, 且FF总线协议复杂， FF 智能仪表组态参数颇多, 对现场调试和维护人员专业知识、技术水平等要求很高。因此本文从实际应用角度介绍 FF 智能仪表及其组态技术, 以利于 FF 智能仪表的推广应用。
关键词：FF 现场总线; 智能仪表; 功能块；组态
1 FF智能仪表简介
FF智能仪表是嵌入微处理器、实时嵌入式操作系统和FF现场总线协议栈，具有传感测量、数字通信、自动补偿、自动诊断、分散控制、信息存储等功能的仪表。目前国际上较为常见的FF现场总线智能仪表类型及用途主要有以下几种。
1.1 IF 表
亦称 “电流信号到现场总线信号变送器”, 它是将 4-20mA 电流信号转换成现场总线信号,用于将传统的4-20mA输出的模拟仪表连接到现场总线控制系统中, 适用于企业控制系统改造, 可以很大程度上保护用户原有的可利用的模拟仪表资源, 减少用户投资。
1.2 FI 表
亦称“现场总线到电流信号变送器”, 它是将现场总线信号转换成 4-20mA 电流信号, 用于现场总线控制设备与需要4-20mA 电流输入信号的仪表的连接, 也是现场总线与 4-20mA 电流控制的执行机构及控制装置的控制信号转换设备, 适用于现场总线控制系统与 4￣20mA 电气转换器或电动调节阀的连接, 有利于保留企业控制系统改造中的可利用的执行设备。
1.3 TT 表
亦称“现场总线温度变送器”, 它是将PT100、CU50 等热电阻信号转换成现场总线信号, 适用于现场总线控制系统中对温度信号的采集。
1.4 PT 表
亦称 “现场总线智能压力变送器”, 它是将压力信号转换成现场总线信号, 适用于现场总线控制系统中对压力、流量、液位等信号的采集。
1.5 FP 表
亦称“现场总线到气动信号转换器”, 它是将从总线接收的输入信号按比例转换成 3- 15psi 气压信号, 连接到非现场总线类型的气动阀门定位器上, 用于代替模拟的电/气转换器, 控制系统中的气动阀门。
1.6 FY 表
亦称“现场总线气动阀门定位器”, 它是将现场总线信号转换成相应的压力输出控制阀门到所需位置, 实现气动阀门的定位控制。
2 功能块
功能块是参数、算法和事件三者的完整组成。它由输入参数、输出参数、内含参数及操作算法定义, 并使用一个位号(Tag)和一个 OD 索引识别。功能块的执行是按周期性调度或事件驱动的。功能块外部连接结构具有通用性, 左边是一组输入参数, 右边是一组输出参数。不同的功能块主要是内部执行的算法和实现的功能不同。FF 现场总线智能仪表含 10 种标准功能块, 如下表所示。

符号
功能块名
功能简要描述

AI
模拟量输入
读取现场模拟信号

AO
模拟量输出
提供模拟输出

DI
离散量输入
读取现场开关信号

DO
离散量输出
提供开关量输出值

PID
比例积分微分
PID自动控制模块

ML
手动装载
人或设备设置输出

BG
偏置
使IO满足线性函数

CS
控制选择
自动选取输入信号

PD
比例微分
增量式输出无积分

RC
比例系数
用于比例控制

3 FF智能仪表组态技术
3.1 功能块连接
现场总线控制系统组态关键是对现场总线设备中功能块参数的配置和对功能块关系的组合、连接及对功能块调度参数的调整。
3.1.1 PID 控制
组态时一个功能的输入参数只能与另一个功能块的输出参数连接, 输出参数只能与另一个功能块的输入参数连接。如图3.1.1PID控制块连接图。
3.1.2串级控制
串级控制组态时同样遵守一个功能的输入参数只能与另一个功能块的输出参数连接, 输出参数只能与另一个功能块的输入参数连接的规则。如图3.1.2
3.2 FF智能仪表的特点
FF 智能仪表在控制系统中体现出抗干扰能力强、可远程校准、有自诊断功能、连接方便等特点, 具有广泛应用前景。

3.3 组态注意事项
3.3.1修改参数
每次修改仪表功能块参数时, 首先要把功能块的目标模态选择为 OOS 状态(Out Of Service), 仪表实际模态处于 OOS 状态时才能更改参数, 更改后再把功能块的目标模态选择为 Auto 等所需状态。
3.3.2模态切换
当 PID 功能块实际模态是 “IMAN”或在“IMAN”和“AUTO”之间切换时, 说明 PID 和 AO 功能块之间通信有问题, 可以通过调整功能块调度间隔时间来消除。
3.3.3设备冲突
如果设备以临时地址上线, 说明该设备与总线上其它设备地址有冲突。将其地址更改为总线上设备没有用过的可用地址即可解决问题。

图3.1.1

图3.1.2

3.3.4功能块调度
对系统有用的 AI、AO、PID 等功能块一定要加到功能块调度应用, 并下载到仪表中, 否则功能块实际模态将不能离开 OOS 状态进入 Auto。
4 焦炉控制系统应用举例
4.1 炼焦工艺
炼焦主要是对焦炉炭化室中的配合煤进行高温干馏，如图4.1.干馏过程即是在隔绝空气条件下对炭化室中的煤进行加热的过程。
图4.1生产工艺流程
4.1.1焦炉煤气主管压力控制
该控制是通过检测气主管压力，调节主管翻板开度，保证主管煤气压力稳定，保证加热系统的安全和使用寿命。
4.1.2机焦侧分烟道吸力控制
该控制是通过检测分烟道吸力，调节烟道翻板开度，使烟道吸力稳定在设定值，保证烟气排放，减少热损失。
4.1.3焦炉煤气主管流量控制
该控制是通过检测煤气主管流量，调节煤气主管翻板开度，保证煤气主管流量稳定，满足焦炉加热需求。
4.2控制系统体系结构
该系统结构按网络类型可分为两层。上层采用100M以太网，主干采用光纤，横跨厂区，分支采用双绞线，延伸至控制室及厂调度室。
系统底层采用的是FFH1现场总线。总线分布成二个网段，每个网段控制一座焦炉。系统采用FFH1现场控制单元集成部分模拟仪表，采用FF智能仪表实现控制回路调节。主管压力和分烟道吸力检测采用FF智能压力表LD302-D1，主管流量检测采用FF智能差压表LD302-M2。控制回路输出采用现场总线到气动信号转换器FP302，控制翻板打开的角度。系统针对1、2号焦炉，监测工艺参数78个，实现控制回路6个，并将生产工艺参数通过以态网传输到厂调度系统，实现了监控管一体化。
4.3控制回路组态
FF智能仪表含有AI、AO、PID等10种标准功能块，控制系统组态时，可以通过设置功能块参数来改变功能块的执行功能。系统的控制策略决定了功能块的参数配置与组合方式。该系统FF智能仪表组态步骤如图4.3.1所示。通过工艺分析，系统对煤气主管压力与主管流量采用串级控制策略，如图4.3.2所示。压力控制做主回路，流量控制做副回路。通过控制主管压力保证焦炉加热系统安全，通过控制主管流量保证各燃烧室煤气流量，从而保证稳定加热。系统对机、焦侧烟道吸力2个回路采用PID控制策略，如图4.3.3所示，保证烟道吸力稳定和烟气排放。

图4.3.1仪表组态步骤

图4.3.2煤气主管压力流量串级控制

图4.3.3机（焦）侧分烟道吸力PID控制
4.4控制性能分析
焦炉煤气主管压力控制有其工艺特殊性，充分体现了FF智能仪表的优势。因此以焦炉煤气主管压力控制为例分析控制性能。
炼焦生产中，焦炉加热系统每隔45min进行一次换向：关煤气——空气与废气交换——开煤气。
采用模拟仪表控制时，换向初期，因煤气主管流量瞬间为0，压力骤然上升，根据PID控制原理模拟仪表系统使加热系统翻板全开；换向后期，焦炉恢复加热煤气，煤气主管瞬间增加供气，压力骤然下降，模拟仪表系统使翻板几乎全关，之后经过25min左右的PID调节时间，系统才趋于稳定，这时下一次换向又快开始了，系统始终处于动荡状态。
采用FF智能仪表控制时，因智能仪表不仅能检测信号，而且能传递仪表检测参数的质量信息，其控制回路运行状态也与仪表参数质量信息相关。换向初期，因煤气主管流量瞬间为0，压力骤然上升，根据PID控制原理，应使翻板全开，但在超过参数测量范围而不超过仪表量程情况下，智能仪表检测这种参数质量为坏(BAD)，其保持上一个状态的翻板开度不变；换向后期，焦炉恢复加热煤气，煤气主管瞬间增加供气，压力下降到正常测量范围，智能仪表检测参数质量为好(GOOD)，恢复正常控制，翻板开始调节。由图4.4.1和图4.4.2可以看出，系统超调量小，换向完成后5min左右，就基本恢复稳定。

4.5系统中应用智能仪表的优点
应用结果证明，FF智能仪表具有低成本、抗干扰能力强、互操作性好、可靠性高、易维护等特点，体现了仪表数字化、智能化、网络化的优势，具有广泛的应用前景。
5 结束语
基于基金会FF现场总线智能仪表组态技术的发展正稳步高速进行。在世界范围内取得合作和开发的良好态势，在国内也同样达到很好的应用规模。我们应该在积极掌握其复杂和完整的理论的基础上，为更好地服务社会做出努力和贡献。
参考文献
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7. 卢伯英.现代控制工程.北京科学出版社．1980
8. 周泽魁.控制仪表与计算机控制装置.化学工业出版社.2002
9. 杨劲松.计算机工业控制.中国电力出版社.2003
10. 约翰逊（美）．过程控制仪表技术．科学出版社．2002
11. IEC/ISA．Fieldbus Foundation Specification Documents． 1996

附录
评分标准

根据一般学术评定的规则，参照本课程的实际，特制定如下评分标准表：

指 标
指标解释
分值
得分
1
格 式
格式规范（含目录、图表、脚注、参考文献等）。
10

2
摘要
（内容提要）
清晰界定（限定）研究的问题，清晰说明研究方法和思路，清晰说明研究结论。
15

3
问题界定
问题界定清晰，研究目标十分明确，抓住实质（要害）。
15

4
研究思路
（逻辑）
研究思路清晰，文章层次清楚，逻辑合理，合符企业营运的一般理路。
20

5
研究方法
研究方法（如定量分析、案例分析）合理。
20

6
论 证
论证充分，配图合理，分析深入（能较好的理论联系实际）。
20

7
序 言
使用评定性的语言，进行辩证性、建设性和批判性的评价，并对文章作者予以鼓励和指导。
15

合 计
1-6项
100

第7项
15

最后得分

注：
1. 评分的办法：以100分（第1-6项）为基准，各项均按“扣分”后再计算。
2. 第7项“序言”，原则上不作要求，为鼓励学生学习交流，若文章作了序言，则实施“加分”原则，其最高分值为15分。
3. 整篇文章的分值上限为100分。