王佑兵

(海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600)

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)控制及信息化等技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)場總線的問世和發(fā)展，使工業(yè)自控技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展時(shí)代[1]。海洋石油富島有限公司環(huán)保氣體裝置利用化肥二期合成氨尿素裝置平衡富余的0.6億m3/a CO2氣體，并綜合利用，建成30kt/a食品級液體CO2和干冰裝置，設(shè)計(jì)采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System，F(xiàn)CS)，該系統(tǒng)具有控制分散化、診斷智能化及性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。FCS系統(tǒng)較DCS的優(yōu)勢：信號采用數(shù)字模式傳輸提高了系統(tǒng)的精度和魯棒性；大量的現(xiàn)場設(shè)備管理信息進(jìn)入系統(tǒng)，提高了可操作性、可靠性、運(yùn)行質(zhì)量和管理水平；控制高度分散，提高了系統(tǒng)的自治、可靠性和易擴(kuò)展性；在控制層完全開放互可操作；節(jié)省設(shè)備、材料、施工、維護(hù)費(fèi)約40%[2]。在此，筆者對FCS系統(tǒng)和現(xiàn)場總線儀表在液體CO2生產(chǎn)過程中的應(yīng)用以及應(yīng)用過程中遇到的問題進(jìn)行詳細(xì)說明。

1 系統(tǒng)硬件配置

30kt/a食品級液體CO2和干冰裝置選用FCS-MB10-SG-T(10路支線)型帶現(xiàn)場終端器的總線組合安全柵模塊，標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線安全柵為總線現(xiàn)場設(shè)備提供連接，并含有集成短路保護(hù)功能，任一現(xiàn)場儀表短路不會影響其他儀表。防爆設(shè)計(jì)應(yīng)用在Zone 2/Div 2區(qū)域。該安全柵帶總線電源指示燈和支線短路狀態(tài)指示燈。配有兩路干線(trunk)接口，10路支線(spur)接口，每一支線接口建議掛一臺設(shè)備，設(shè)備的最大工作電流46mA，支線最大短路電流59mA，干線與支線的最大允許壓降1.1V，總線電纜的規(guī)格12～24AWG，電纜允許的最大標(biāo)稱截面2.5mm2。安全柵的最小輸入電壓10.5V，以保證支線輸出電壓在全負(fù)荷下不低于9.3V，設(shè)備電壓至少不低于9.0V。每個(gè)安全柵掛8臺總線儀表，另有兩路備用。帶總線閥門定位器的網(wǎng)段，總線定位器的數(shù)量未超過兩臺，調(diào)節(jié)閥的控制均由總線閥門定位器實(shí)現(xiàn)。本裝置共使用8塊該型總線安全柵，從投產(chǎn)至今，未出現(xiàn)任何故障，穩(wěn)定性和可靠性較高。

總線接線箱使用FCS-951010型(10Spur for Fieldbus Megablocks)，密封性和接地性能較好。使用至今未有滲水、受潮這類影響總線儀表運(yùn)行的情況發(fā)生。

FF通信卡件專用板采用的是AEF90-00型端子板，每個(gè)端子板掛4個(gè)網(wǎng)段，每個(gè)網(wǎng)段與端子板的連接處均串接有一個(gè)YCB138終端器(100Ω電阻串接1μF電容)。該終端器實(shí)際上是一種網(wǎng)終匹配器，與傳輸線的特性阻抗相同，使得因反射波造成的總線信號失真最小，提高了總線傳輸數(shù)字信號的穩(wěn)定性。總線端子板一端連接總線電源，另一端通過連接器連接到ALF111總線通信卡。

FF通信卡件采用ALF111型，冗余設(shè)計(jì)，保證了總線通信的安全可靠。

總線電源選用9111-NI FNICO POWER SUPPLY-IIC現(xiàn)場總線不易燃概念電源(FNICO：Fieldbus Non Incendive concept)，輸入電壓20～30V(DC)，主機(jī)電源(Host Power)14～32V(DC)、30mA。一側(cè)接FF通信卡專用板，另一側(cè)接現(xiàn)場總線安全柵，危險(xiǎn)區(qū)域等級Zone2/Div2。該總線電源未采用冗余設(shè)計(jì)，投產(chǎn)使用至今未出現(xiàn)故障。

2 總線拓樸結(jié)構(gòu)

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指不同F(xiàn)F設(shè)備之間的連接。FF總線支持點(diǎn)對點(diǎn)、樹形、雞爪型及混合型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實(shí)際使用時(shí)，多數(shù)情況下采用雞爪型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 雞爪型總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 現(xiàn)場總線儀表的應(yīng)用

3.1 總線閥門定位器

30kt/a食品級液體CO2和干冰裝置共選用7臺YVP110型總線定位器，F(xiàn)F總線定位器采用串行雙向通信，提高了互操作性，可通過不同的軟件進(jìn)行設(shè)置。另外，總線定位器將功能塊分散，即使DCS出現(xiàn)故障，定位器依然可以實(shí)現(xiàn)自身調(diào)節(jié)控制功能。YVP110定位器既可用于直行程調(diào)節(jié)閥，亦可用于角行程調(diào)節(jié)閥，響應(yīng)來自現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的命令，對調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。在應(yīng)用過程中，不僅體現(xiàn)了FF現(xiàn)場總線的優(yōu)勢，更集中體現(xiàn)了其自身優(yōu)越的功能，如Matches功能，自動(dòng)識別帶閥門的定位器、行程中的非線性和死區(qū)、使用非線性PID技術(shù)進(jìn)行先進(jìn)控制，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的閥門測定，減少了誤差，同時(shí)具有關(guān)緊和全開功能，達(dá)到精確控制關(guān)緊點(diǎn)和全開點(diǎn)的目的、可進(jìn)行閥門循環(huán)次數(shù)累計(jì)、閥門行程累計(jì)和閥門接近開閉時(shí)間的累計(jì)，對調(diào)節(jié)閥的監(jiān)測和預(yù)防維修有重要作用。

FF總線閥門定位器利用功能強(qiáng)大的CPU實(shí)現(xiàn)控制算法，可通過PID作用實(shí)現(xiàn)無余差控制，提高控制精度，F(xiàn)F總線定位器的控制精度通?？蛇_(dá)±0.20%。FF總線定位器的氣源消耗一般只占傳統(tǒng)電氣定位器的1/3，定位器輸出閥位與執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋閥位動(dòng)態(tài)偏差平均僅±0.05%。定位器的精確度提高，減少了閥門大量的無效行程，同時(shí)也使控制閥運(yùn)行部件的磨損減小，減少故障并延長了使用壽命。YVP110總線定位器具有自動(dòng)校驗(yàn)功能，檢查調(diào)節(jié)閥的反饋情況并自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，利用帶總線協(xié)議的HART通信器或相關(guān)軟件(如PRM等)進(jìn)行自動(dòng)校驗(yàn)[3]。

總線定位器包含有資源塊(Resource block)、轉(zhuǎn)換塊(Transducer block)和功能塊(Function block)，資源塊包含所有用來識別總線設(shè)備的數(shù)據(jù)，包括設(shè)備名稱、生產(chǎn)廠ID、序列號和影響其他設(shè)備模塊性能的參數(shù)，每臺總線設(shè)備只有一個(gè)資源塊。轉(zhuǎn)換塊包含所有數(shù)據(jù)和特定設(shè)備參數(shù)，將過程參數(shù)(傳感器或執(zhí)行器)和設(shè)備進(jìn)行連接傳遞?，F(xiàn)場總線基金會(FF)將輸入輸出功能塊設(shè)計(jì)成與硬件無關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)功能塊，因此需要在各種設(shè)備硬件通道和標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出功能塊之間有一個(gè)過渡環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換塊即實(shí)現(xiàn)此功能[4]。轉(zhuǎn)換塊通常包括傳感器和執(zhí)行器的信息、環(huán)境的信息及量程的標(biāo)定等參數(shù)，制造商還經(jīng)常把一些診斷功能、顯示功能及更多硬件的組態(tài)等設(shè)計(jì)成診斷轉(zhuǎn)換器塊、顯示轉(zhuǎn)換器塊、硬件轉(zhuǎn)換器塊等。YVP110的轉(zhuǎn)換塊菜單項(xiàng)包括Block information、Block mode、Dynamic variables、Configuration/Calibration、Diagnostics/Alerts及Query device等信息，其中Configuration/Calibrationa菜單項(xiàng)包括Block mode(塊模式)、Setup wizard(設(shè)置向?qū)?、General(常規(guī))、Actuator set(執(zhí)行器設(shè)定)、Tuning/Calibration(整定/校驗(yàn))、Operation set(操作設(shè)定)、Pressure set(壓力設(shè)定)、Temperature set(溫度設(shè)定)。功能塊是FF總線用戶層的主要內(nèi)容，負(fù)責(zé)FF現(xiàn)場總線設(shè)備的控制，如AI、AO及PID等，用戶可利用功能塊組態(tài)個(gè)性控制系統(tǒng)。

通過HART375手操器對YVP110定位器進(jìn)行參數(shù)整定與行程校驗(yàn)。將HART375掛入總線定位器所對應(yīng)的網(wǎng)段進(jìn)入Fieldbus application菜單，該菜單包括On line(聯(lián)機(jī))、Utility(功用)和Fieldbus diagnostics(總線診斷)，聯(lián)機(jī)后即可自動(dòng)識別讀取該網(wǎng)段的總線設(shè)備清單，自動(dòng)校驗(yàn)前，首先要將該定位器對應(yīng)的Transducer block塊和Analog output block塊的Block mode(塊模式)置于O/S(Out of service)失效狀態(tài)。Block mode有Target(目標(biāo)模式)、Actual(實(shí)際模式)、Permitted(允許模式)和Normal(正常模式)4種；通常將TB塊和AO塊的Target(目標(biāo)模式)置于O/S狀態(tài)后即可進(jìn)行自動(dòng)校驗(yàn)，自動(dòng)校驗(yàn)完成后需將塊模式由O/S切換到Auto狀態(tài)。

進(jìn)入轉(zhuǎn)換塊二級子菜單Tuning/Calibration(整定/校驗(yàn))，該菜單項(xiàng)包括Auto tuning(自整定)、Selective tuning(選擇性整定)、Travel calibration(行程校驗(yàn))。選擇Travel calibration菜單后，閥門便自動(dòng)行程校驗(yàn)，校驗(yàn)完成后確認(rèn)各校驗(yàn)點(diǎn)的閥位準(zhǔn)確穩(wěn)定后，選擇Execute the calibration(執(zhí)行校驗(yàn))，本次行程校驗(yàn)完成并保存結(jié)果。

閥門控制參數(shù)在自整定后一般不需要再做整定。在閥門檢修、更換定位器、閥門動(dòng)作故障及工況改變等情況下，需進(jìn)行參數(shù)自整定，經(jīng)驗(yàn)用戶亦可通過Servo manual tuning(伺服手動(dòng)整定)調(diào)整Gain、Reset、Rate、Rate Gain、Deadband、Offset及Advanced parameter等控制參數(shù)值進(jìn)行手動(dòng)整定。

YVP110型總線定位器在自整定過程中曾出現(xiàn)Auto_Tune_Result=Large hysteresis(大的滯后)和Auto_Tune_Result=Gain measurement failed error(增益測量失敗錯(cuò)誤)，經(jīng)過處理后參數(shù)整定都恢復(fù)正常。從使用效果來看，7臺YVP110總線定位器穩(wěn)定性好、控制準(zhǔn)確、故障低，應(yīng)用過程中未出現(xiàn)設(shè)備故障損壞的現(xiàn)象。

3.2 總線變送器

裝置中總線變送器共有66臺，主要包括DY025/050渦街流量計(jì)、EJX118A液位變送器、EJX430A壓力變送器、EJA430A壓力變送器、EJX410A差壓變送器和YTA320溫度變送器。另有一臺IF302總線轉(zhuǎn)換器，12塊TF02總線溫度轉(zhuǎn)換模塊。下面具體介紹總線儀表在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題和解決辦法。

橫河總線變送器使用以來未出現(xiàn)過本體故障損壞，EJA430A、EJX430A變送器在應(yīng)用過程中出現(xiàn)過DCS無指示故障現(xiàn)象，現(xiàn)場檢查變送器沒有故障錯(cuò)誤，系統(tǒng)檢查FF設(shè)備處于O/S狀態(tài)，Control drawing builder中的FF模塊與現(xiàn)場總線變送器通信建立有故障，Online Download control drawing后，F(xiàn)F模塊恢復(fù)正常，現(xiàn)場加壓檢測，DCS顯示正確。

FRQ-301(DY025渦街流量計(jì))在流量小時(shí)儀表顯示為零，流量大時(shí)偶然有顯示。現(xiàn)場檢查該表的流向、直管段及位置等安裝正確，用示波器檢測，傳感器對流量的反應(yīng)信號很弱，初步分析為工藝管道內(nèi)有水，因此在-20℃迅速結(jié)冰，使傳感器無法起振，從而導(dǎo)致此故障。

Smar IF302總線轉(zhuǎn)換器將現(xiàn)場露點(diǎn)儀AN-301的4～20mA有源信號轉(zhuǎn)換成FF信號，由于穿線接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器損壞。更換新表下裝后，主控指示超限-130℃，現(xiàn)場露點(diǎn)儀實(shí)際指示-55℃，主控儀表-100～20℃，檢查新表固件版本、CF/DD文件與損壞轉(zhuǎn)換器版本一致。再次進(jìn)行下裝：進(jìn)入Fieldbus Builder，選中7ALF111-2進(jìn)入Device registration(設(shè)備注冊)菜單，執(zhí)行Device ID acquisition(獲取設(shè)備ID)，讀取設(shè)備Address和Device ID后復(fù)制粘貼新設(shè)備ID；進(jìn)入File菜單后Download，在Download confirmation(下裝確認(rèn))畫面，勾選AN-301前的Initial download(初始化下裝)項(xiàng)和后面的Block parameters are the scope of the loading(塊參數(shù)在下裝范圍)項(xiàng)，確認(rèn)后執(zhí)行下裝。

也可以在Device panel界面選中AN-301后右鍵雙擊Display Device Info進(jìn)行Equalization(等值化)操作，等值化操作匹配FF-H1總線設(shè)備信息和Project database(項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫)設(shè)備信息。匹配過程中會核對設(shè)備信息(設(shè)備位號、節(jié)點(diǎn)地址、設(shè)備ID、設(shè)備等級、制造商ID、設(shè)備類型和設(shè)備版本)。軟件下裝條件：塊結(jié)構(gòu)及塊參數(shù)值等進(jìn)行比較，如兩者間有錯(cuò)配，在Device Panel執(zhí)行等值化，此時(shí)在FF-H1總線設(shè)備信息或項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫信息中選擇一個(gè)作為Master(主設(shè)備信息)，主設(shè)備信息反射未被選做主設(shè)備信息的信息，因此兩者會進(jìn)行匹配。在執(zhí)行等值化過程中，項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫的設(shè)備信息基本上被作為主設(shè)備信息。等值化操作過程：process of Generation(生成過程)、process of download to Device(下裝到設(shè)備)和process of reflection to control drawing builder(反射到控制圖組態(tài)器)。

CO2壓縮機(jī)C0101A主機(jī)軸承溫度TI-116A主控顯示CNF狀態(tài)，檢查TF02總線溫度變送器本體故障，該總線溫度變送器現(xiàn)場側(cè)接Pt100熱電阻，輸出端接現(xiàn)場總線安全柵，該溫度點(diǎn)為壓縮機(jī)軸承溫度高高聯(lián)鎖點(diǎn)，關(guān)系到CO2壓縮機(jī)的安全運(yùn)行，屬裝置重要溫度點(diǎn)之一。TF02已無備件，用TMT85-B1A2B總線溫度變送器替換。由于替換設(shè)備的制造廠不同，因而CF/DD文件也需要替換并進(jìn)行相應(yīng)的組態(tài)和下裝：

a. 將新變送器的CF/DD文件拷入C:CS3000engBkprojectCO2FieldbusCF DDFILE文件夾(系統(tǒng)默認(rèn)文件夾路徑)，進(jìn)入Device Registration后更新功能性文件和設(shè)備描述文件(Update capabilities File/DD File)；

b. 進(jìn)入Fieldbus Builder選中TN-116A，右鍵點(diǎn)擊Delete device(刪除設(shè)備)；

c. 進(jìn)入File菜單后Download；

d. 選中7ALF111-3后右鍵進(jìn)入Device registration(設(shè)備注冊)菜單，點(diǎn)擊Device recognition registration(設(shè)備識別注冊)；

e. 將功能塊AI-01塊中的Block tag name(塊位號名)修改為TI-116A；

f. TN-116A下拉菜單中選中轉(zhuǎn)換塊TB-S1，右鍵進(jìn)入Parameter edit，將相關(guān)參數(shù)(Pt100、2-wire及sensor1等)組態(tài)好后進(jìn)入File菜單Download；

g. 下裝control drawing。

4 結(jié)束語

FCS和現(xiàn)場總線儀表在海洋石油富島有限公司環(huán)保氣體裝置利用化肥二期合成氨尿素裝置平衡富余的0.6億m3/a CO2氣體，并綜合利用，建成的30kt/a食品級液體CO2和干冰裝置在應(yīng)用過程中效果較好，系統(tǒng)硬件的可靠性較高，現(xiàn)場總線儀表的故障率也非常低，極大地降低了儀表設(shè)備的維修成本。該裝置現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線儀表的選型與配置對同行具有一定的借鑒意義。

[1] 魏華.基于FF的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在60萬噸甲醇項(xiàng)目中的應(yīng)用[C].第八屆工業(yè)儀表與自動(dòng)化學(xué)術(shù)會議論文集.上海:《自動(dòng)化儀表》編輯部,2007:23～28.

[2] 斯可克.(FCS)工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)例[J].化工自動(dòng)化及儀表,1999,26(1):59.

[3] 石洪坡.鐘耀球.橫河FF總線定位器YVP110的應(yīng)用[C].2011中國有色金屬行業(yè)儀表自動(dòng)化學(xué)術(shù)會議論文集.北京:中國有色金屬學(xué)會,2011:45～53.

[4] 斯可克.基金會現(xiàn)場總線功能塊原理及應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽,2004,21(2):83～84.