本文作者陳健生先生，武漢鋼鐵集團(tuán)公司計控公司設(shè)備經(jīng)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(fā)先生，工程師。
關(guān)鍵詞：冶金　控制系統(tǒng)　基金會現(xiàn)場總線

一 概要

武鋼燃?xì)鈴S煤氣第二混合站把煉鐵廠生產(chǎn)的高爐煤氣(以下簡稱高煤)和焦化廠生產(chǎn)的焦?fàn)t煤氣(以下簡稱焦煤)按用戶對熱值的要求進(jìn)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(wěn)定的混合煤氣。由于以前生產(chǎn)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(xiàn)系統(tǒng)的全自動跟蹤調(diào)節(jié)。在武鋼“二吹二”的系統(tǒng)工程中，由武鋼計控公司自主設(shè)計、設(shè)備選型、編程調(diào)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(chǎn)的基金會現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)System302，同時采用目前國內(nèi)所獨有的兩閥控制方案實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)與控制。自投運以來系統(tǒng)運行穩(wěn)定、調(diào)節(jié)品質(zhì)較好。

二 系統(tǒng)控制方案的由來

圖1是改造前，二混的生產(chǎn)工藝流程以及控制原理示意圖。控制的目標(biāo)是實現(xiàn)混壓穩(wěn)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(xiàn)熱值自動控制。

以前的控制系統(tǒng)采用四閥控制方案。前兩道閥門采用單回路壓力調(diào)節(jié)來調(diào)整混合前的壓力穩(wěn)定。后道高煤閥也采用單回路壓力調(diào)節(jié)以保證混合壓力穩(wěn)定，后道焦煤閥對焦煤和高煤的流量進(jìn)行配比調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對混合煤氣熱值的控制。生產(chǎn)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(jié)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(diào)壓差不足1kPa。而目前國內(nèi)最好的蝶閥能滿足的可調(diào)比約為10:1，即使國外最好的蝶閥可調(diào)比可達(dá)到30:1，但采用四閥方案很難滿足閥門對可調(diào)比的要求，在實際生產(chǎn)過程中，四閥控制方案也根本無法實現(xiàn)。有鑒于此，為降低管道壓力損失，從而實現(xiàn)自動控制，本計控公司大膽采用國內(nèi)尚無任何成功經(jīng)驗的兩閥控制方案，取消前兩道壓力調(diào)節(jié)閥，并選用環(huán)型節(jié)流孔板來降低節(jié)流件上的壓力損失，以提高閥門前后的壓差來實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制方案。考慮到整個系統(tǒng)的安全以及FF現(xiàn)場總線在過程控制領(lǐng)域的優(yōu)勢，我們選用美國Smar公司的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)——System302。

三 控制系統(tǒng)硬件配置

本系統(tǒng)由單操作站作為HMI(人機(jī)接口)，PCI卡作為操作站SCADA的接口。考慮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(shù)字信號與普通模擬信號間的轉(zhuǎn)換和采集，采用Smar公司的帶有萬能現(xiàn)場總線接口模塊的PLC 產(chǎn)品LC-700。總線采用的是適合熱工過程自動化的H1低速總線，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎玫氖禽^為安全可靠的樹型結(jié)構(gòu)，整個控制系統(tǒng)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(tǒng)節(jié)省70%電纜，這對于像控制室距現(xiàn)場遠(yuǎn)達(dá)2km的工程(如我公司四混、三混)確有明顯節(jié)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(tǒng)硬件簡潔，沒有儀表盤柜，少量硬件僅布置在操作臺下，節(jié)省了控制室面積。由于是總線系統(tǒng)，布線極少且簡單。

四 系統(tǒng)控制策略


系統(tǒng)控制策略如圖3所示，圖中虛線框是物理的現(xiàn)場總線設(shè)備，實線框是下裝的軟件功能塊，設(shè)備間聯(lián)線表示通過現(xiàn)場總線的通信。這是一個壓力、流量串級調(diào)節(jié)和熱值配比調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而且兩者間要實現(xiàn)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(jīng)”網(wǎng)絡(luò)，是一種高可靠的自控模式。目前國內(nèi)像武鋼這樣的工況，每小時用量達(dá)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(diào)節(jié)。我們的控制方案關(guān)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(tài)交叉限幅輸出選擇模塊，通過它來減小壓力和流量調(diào)節(jié)中帶來的相互間大的干擾，避免系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。控制策略是實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制的基礎(chǔ)，同時它要保證把調(diào)節(jié)輸出信號間的干擾減小到最小，然后是通過參數(shù)的整定來避免調(diào)節(jié)信號間的耦合，使自動調(diào)節(jié)達(dá)到較好的品質(zhì)。

五 工程調(diào)試中的問題和解決方法

1. 系統(tǒng)的互可操作
工程中實現(xiàn)了FF現(xiàn)場總線下System302與Fisher閥門定位器的互可操作。由于工程設(shè)計者選用了支持基金會總線協(xié)議的Fisher數(shù)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(xiàn)場總線技術(shù)的重要特點之一。它包括兩方面的的含義：(1)設(shè)備的可互換性，指對于具有同一功能但來自不同廠家的設(shè)備可以實現(xiàn)互換；(2)設(shè)備的可互操作性，指不同廠家的設(shè)備可以實現(xiàn)互相通信，正確理解和交換數(shù)據(jù)的含義，完成系統(tǒng)所要求的功能。

FF 現(xiàn)場總線實現(xiàn)互可操作性有兩大關(guān)鍵技術(shù)：功能塊和設(shè)備描述(DD)。

完成互可操作的具體步驟如下：

(1)安裝DD(設(shè)備描述文件)
由現(xiàn)場總線基金會定義的設(shè)備描述的路徑結(jié)構(gòu)如下：
...\xxxxx\yyy\rrddvv.eee
其中：...\是主機(jī)系統(tǒng)所執(zhí)行的訪問DD結(jié)構(gòu)的路徑；
xxxxx是由現(xiàn)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(shè)備型號；
rr是制造商定義的設(shè)備版本號；
dd是由制造商確定的其設(shè)備所用設(shè)備描述(DD)的版本號；
vv是由制造商確定的其設(shè)備所用設(shè)備描述(DD)或通用文件(CFF)版本號；
eee是文件的的擴(kuò)展名。
把Fisher的DD 拷貝到系統(tǒng)路徑下即可。

(2)完成系統(tǒng)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(jīng)過對功能塊間的數(shù)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(tǒng)的互可操作。

2. 提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)響應(yīng)時間
系統(tǒng)共有設(shè)備16臺，掛在兩條總線上。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，理論上一條總線最多可掛16臺設(shè)備，但在實際中，由于策略復(fù)雜或總線上鏈接通信多，都可能導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)響應(yīng)較慢的問題。系統(tǒng)組態(tài)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(zhí)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(guān)聯(lián)的設(shè)備置于同一條總線下，其中一條總線掛12臺設(shè)備，另一條掛5臺設(shè)備。若干個宏周期構(gòu)成一個監(jiān)控周期即所有和操作站交換的信息執(zhí)行一次，需要3~5s，完全滿足了生產(chǎn)的要求。(經(jīng)試驗，如16臺設(shè)備同掛在一條總線下，由于控制策略復(fù)雜，在操作站修改一個現(xiàn)場數(shù)據(jù)大約長達(dá)30s才能完成，顯然太慢。)

3. 系統(tǒng)參數(shù)的整定
系統(tǒng)投運開始階段，出現(xiàn)了閥門無法穩(wěn)定，有大約10%的來回波動，自動投運時系統(tǒng)穩(wěn)定性差，準(zhǔn)確性不好的問題。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)造成問題的原因為：(1)閥門本身的PID與系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)振蕩；(4)用戶不穩(wěn)定，系統(tǒng)的擾動大；(5)加壓機(jī)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(tǒng)的角度綜合考慮穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性來整定系統(tǒng)的參數(shù)，做了以下的工作：(1)把閥門本身的PID整定至最佳，力求穩(wěn)定不振蕩，適當(dāng)放棄快速性；(2)盡可能加長流量的濾波時間，以求得系統(tǒng)的穩(wěn)定；(3)壓力調(diào)節(jié)回路和流量配比調(diào)節(jié)回路的PID參數(shù)整定應(yīng)考慮被調(diào)對象的流程時間，通過整定時間常數(shù)來實現(xiàn)調(diào)節(jié)作用間的零耦合。

通過這樣一番整定，系統(tǒng)取得了非常好的效果。混壓穩(wěn)定在設(shè)定值的±0.3kPa，流量配比誤差為±500m3。

六 基金會現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)越性

現(xiàn)場總線技術(shù)促使現(xiàn)場設(shè)備向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，數(shù)字化和開放性是各種現(xiàn)場總線的基本特點。而現(xiàn)場設(shè)備的智能化，現(xiàn)場設(shè)備豐富的信息則是FF現(xiàn)場總線技術(shù)對比DCS/PLC的遠(yuǎn)程I/O及其他類型現(xiàn)場總線的突出優(yōu)勢。而這些優(yōu)點又可通過“功能塊參數(shù)”來理解。FF現(xiàn)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(shù)，所謂豐富的現(xiàn)場設(shè)備信息均在其中。按用途又可把功能塊參數(shù)分成系統(tǒng)用，過程變量、標(biāo)定調(diào)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(xiàn)場設(shè)備管理的功能。

基金會現(xiàn)場總線過程變量參數(shù)由“數(shù)值”和“狀態(tài)”兩部分構(gòu)成，其狀態(tài)表達(dá)數(shù)值是：“好”、“壞”、“不確定”和“未使用”；如果是壞，則系統(tǒng)不予采用該數(shù)值并采取措施，如自動轉(zhuǎn)手動、報警等。而且每種狀態(tài)還細(xì)分為若干子狀態(tài)，如傳感器故障、超越量程、通信錯誤、組態(tài)錯誤等。這事實上是將系統(tǒng)置于連續(xù)的自診斷狀態(tài)下，將減少停車檢查時間和維護(hù)量，提高系統(tǒng)可靠性。

又如閥門定位器的功能塊參數(shù)中包括了實際閥位，在操作站上很容易同時看到設(shè)定和實際閥位，而在DCS系統(tǒng)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(shù)中還包括了閥位小閉環(huán)的調(diào)節(jié)參數(shù)(P，I)，這樣在操作站上就可以將閥門本身品質(zhì)調(diào)好。

閥門定位器的功能塊參數(shù)中還包括特性選擇、自動標(biāo)定等，這給系統(tǒng)調(diào)試和運行帶來很大方便。

電容式壓力變送器中傳感器的電