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现场总线控制技术 在 3 万 NM3/H 空分装置上的应用. 江铜集团贵溪冶炼厂 张卫华. 2007 年 11 月 1 日. 1. 工程介绍.

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现场总线控制技术在3万NM3/H空分装置上的应用

江铜集团贵溪冶炼厂

张卫华

2007年11月1日


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1. 工程介绍

为了应对国内外铜市场的需求和竞争,江西铜业股份有限公司决定提升其旗下的贵溪冶炼厂铜冶炼产能,新建一座30万吨级铜冶炼厂,采用世界上最先进的闪速炼铜工艺技术。与其配套的过程自动化仪表控制技术和设备经综合考察、了解设备厂商和用户,决定采用以FF总线仪表为主,传统仪表为辅的混合式控制方案。闪速炉、硫酸主工艺流程选用爱默生公司的DeltavFF总线控制系统,主要的配套装置空分系统选用横河公司的CS3000FF总线控制系统。整个工程于2005年12月2日开工建设,2007年8月1日建成投产,自动化仪表控制系统投运至今,运行稳定、可靠,这也标志着FF现场总线控制技术在江铜新30万吨级铜冶炼厂应用获得了成功。这里主要介绍横河公司的CS3000FF总线控制系统在贵冶3万NM3/H空分装置中的应用。


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2.现场总线控制系统的网络结构及配置

贵冶3万NM3/H空分装置主要由空气压缩系统、空气预冷

系统、分子筛统、冷端和热端增压膨胀机系统、氧和氩精馏

系统、高纯氧系统、液体储存系统、冷却水循环系统等构成。

I/O点数总计为582点,分类如下:

AI 148 AO 74 DI 151 DO 79 RTD 130

选用横河公司最新推出的CS3000R3控制系统,采用VNET/IP

千兆以太网控制网络结构,配置2台操作员站,1台工程师站

,1台设备管理站,1台冗余控制站(7个节点)。


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FF现场总线设备具体配置

  • 现场总线控制卡ALF111 16块,采用8对冗余方式,占整个控制系统2个节点(NODE2和NODE3)。


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  • 设置32条网段,实际使用28条网段,4条网段备用,网段结构为鸡

    爪型结构,平均每条网段6台FF设备,配置最少的一条网段为4台FF设备,配置最多的一条网段为8台FF设备。下图所示为网段连接结构示意图。


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  • 网段辅助设备全部采用MTL公司的产品,每条网段设置了总线电源F600A和防浪涌保护器FP32。

  • 总线电缆采用国产电缆(八益电缆厂生产)。主干线电缆为铠装金属丝屏蔽电缆,型号为BJYC3Y32 H1 1X2X0.8(18AGW);分支线电缆为非铠装金属丝屏蔽电缆,型号为BJYC3Y2 –H11X2X0.8(18AGW)。


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  • 为了实现对FF现场总线设备的在线监测和动态维护管理,本工程引入了工厂资源管理(PRM)系统。

  • FF现场总线仪表配置161台件:

    仪表类型 数量 厂商

    EJA系列压力、差压变送器 82 横河

    EJX系列压力、差压变送器 14 横河

    3095多参量流量变送器 1 罗斯蒙特

    AXF系列电磁流量计 4 横河

    YTA系列双路温度变送器 2 横河

    3787阀门定位器 56 萨姆森

    3730-5阀门定位器 1 萨姆森

    SIPART PS2FF阀门定位器 1 西门子


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3.FF现场总线设计和安装以及组态应注意的问题

网段设计

网段设计应充分参考<<FF现场总线设计安装指南>>,相互关联的FF现场总线

仪表尽可能设置在同一条网段上,特别要注意宏周期和控制模块执行时间的确

定,至于是否需要采用网段浪涌保护还是设备浪涌保护应视具体环境定,应尽可

能选用大容量的网段供电设备。另外,在网段设计时,最好把现场FF仪表的位号

和分配的地址提供给设备供应商,否则,在实施时FCS系统读上来的FF设备全都

是设备出厂时的缺省值,只能一台一台确认,给组态带来诸多麻烦。此外,可以

借助于FF设备厂商提供的“现场总线网段设计工具”来检查网段设计是否满足要

求。

对于链路调度器(LAS)的考虑,一般把主LAS设计在H1卡上,后备LAS设计

在网段上的某一台通讯任务较轻的设备中。然而,在设计FCS系统时一般都是采

用冗余的H1卡,故本工程把后备的LAS设置在冗余的H1卡上,这样做可以减少FF

仪表费用。

总线仪表功能块设计

受网段通讯速率的限制,一般在一条网段上设计的PID调节功能块不应超过2

个;功能块总运行周期时间达到0.25秒的总线设备最好设计为1台,最多不能超

过3台。另外,在设计FF仪表时不要选用工程应用中不需要的功能块,这样可减少

设备费用。


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下图所示为FF仪表标准的单回路PID功能块设计案例。

在本工程中,模拟量输入AI块(5FI1101)始终设计在变送器上,模拟量输出AO块(5FCV1101)始

终设计在阀门定位器上,标准的单回路PID功能块(5FICA1101)一般设置在阀门定位器上。对于串

级控制回路,主回路控制PID功能块在FCS控制器里执行,而副PID功能块在阀门定位器里执行。


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CS3000FCS控制系统中,所有放置在现场总线仪

表装置中的功能块,操作人员都可以通过FCS系统转换

成 FF仪表面板块来进行操作和监视,但要注意的是AO

块必须置于串级, FF-PID功能块才能进行手自动切换

操作,否则只能通过AO块进行手动控制阀门。

复杂回路的PID功能块一般设计在FCS控制器里执

行,如带有温压补正运算(5FCL102)等。在本工程中,

所有带温压补正运算的PID调节功能块、分程控制块

等,均设计在FCS系统控制器中处理。


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图示为FF仪表复杂回路PID功能块设计案例


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FF电缆施工要求

在现场施工中,对FF电缆和管缆的敷设以及FF

仪表设备的安装做以下规定:

  • 敷设的电缆两端必须印有电缆标识,主干和分支电缆的接线遵循橙色线接正极、浅兰色线接负极。

  • 电缆/管缆尽量通过专用桥架敷设,最小弯曲半径应大于FF电缆外径的12倍,敷设的距离应尽量的短、尽量避免高温和高粉尘场所、尽量避免大功率电器设备,如果不能避开以上场所,则电缆应当穿保护管敷设。所敷设的FF电缆不允许有破损以免造成多点屏蔽接地。

  • 主干电缆屏蔽接地要求:外层屏蔽铠装钢丝接电气保护地;在仪表室端,内层屏蔽通过泄漏线连接到网段供电电源设备(F600A)的网段接线S端子上后再连接到仪表系统地上,在现场端,内层屏蔽通过泄漏线连接到Megablock分接盒上的TRUNK-IN主网段中的S端子上;中间任何地方对地要求绝缘良好。


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  • 分支电缆屏蔽接地要求:外层屏蔽金属丝连接到现场分接箱的保护地;内层屏蔽通过泄漏线连接到分支电缆屏蔽接地要求:外层屏蔽金属丝连接到现场分接箱的保护地;内层屏蔽通过泄漏线连接到Megablock分接盒上的各分支网段中的S端子上,注意单端接地,接到现场设备上的支线电缆的屏蔽线必须剪断,并用热缩套管封装好,不得与机壳和仪表地连接。

  • 主干和分支FF电缆接线两端必须套热缩套管以免屏蔽线接触外壳形成多点接地。特别要注意的是室外设备的接线端必须要有防水措施,以确保电缆信号线之间以及对地的绝缘良好。

  • 必须按照《FF总线系统工程指南》中现场总线电缆检验标准,验收主干和分支电缆的施工。


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4.分支电缆屏蔽接地要求:外层屏蔽金属丝连接到现场分接箱的保护地;内层屏蔽通过泄漏线连接到应用中遇到的问题

在回路调试和装置开车过程中,FF现场总线回路使用情况正常。FF总线的通

讯速度完全满足工艺生产需要,FF总线设备工作稳定,性能良好。但也出现了一

些小问题,如某个网段通讯不正常,设备丢失等,通过FCS操作站或PRM设备资

源管理器可以发现故障网段上的故障标记,也可以使用MTL公司提供的FBT-3诊

断器检查网段上的信息。反映到FCS操作上,会出现过程CNF报警,过程数值不

变,PID面板块不能操作等等现象发生,具体遇到以下几方面的问题:

  • 故障设备干扰(网段中个别变送器质量不良出现软故障),造成网段通讯不正常,引起整条网段上设备丢失。

  • 总线电缆敷设问题,由于进总线接线盒的分支电缆被压破,引起分支电缆屏蔽线有二端接地现象,而造成信号干扰,另外现场总线设备现场接线端子进水,引起总线电缆绝缘下降等问题,最终都会引起干扰,造成网段通讯不正常,引起网络设备丢失。

  • 设备下载速度慢,与传统DCS的比较,FCS在修改组态参数时,下载速度要慢得多。

  • FF现场仪表与FCS系统的兼容性问题,主要体现在可监视和修改的参数方面,如CS3000系统与西门子PS2FF定位器,PID功能块就不能设置在阀门定位器上,只能设置在FCS控制器内等。


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5.分支电缆屏蔽接地要求:外层屏蔽金属丝连接到现场分接箱的保护地;内层屏蔽通过泄漏线连接到结束语

通过本工程的实践,我们认为FF现场总线控制技术与FCS设备已趋于

成熟,是今后过程自动化的发展方向,并确实感受到了如下优点:

  • 节省电缆及安装材料,减少了I/O卡件,工程量减少。

  • 可以降低设备维护费用,提高设备使用效率和装置的安全性。由于现场总线仪表的全数字、智能化以及PRM等设备管理软件的应用,使操作和维护人员能够及时获得设备的故障预测、报警等信息,大大的缩短了仪表标定、故障诊断和现场巡检乃至工艺故障准确判断时间,装置的非计划停车时间减少,且使设备全寿命周期预知管理成为可能

    但是任何事物都有其两面性。FF设备费用高,对设备维护人员的知识

    、技能水平要求也高,尤其是设备资源管理系统的应用比较复杂,需要专

    业人员才能用好等等。

    随着FF现场总线技术的飞速发展,相信上述缺憾会得到实质性改进,

    更多的企业将会应用这门新技术,我们将更加体验到新技术带给的好处。


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谢 谢!分支电缆屏蔽接地要求:外层屏蔽金属丝连接到现场分接箱的保护地;内层屏蔽通过泄漏线连接到


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