FCS和现场总线仪表在液体CO2生产装置的应用

王佑兵

(海洋石油富岛有限公司，海南 东方 572600)

随着计算机、网络通信、自动控制及信息化等技术的发展，特别是现场总线的问世和发展，使工业自控技术进入了一个全新的发展时代[1]。海洋石油富岛有限公司环保气体装置利用化肥二期合成氨尿素装置平衡富余的0.6亿m3/a CO2气体，并综合利用，建成30kt/a食品级液体CO2和干冰装置，设计采用现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)，该系统具有控制分散化、诊断智能化及性能稳定等优点。FCS系统较DCS的优势：信号采用数字模式传输提高了系统的精度和鲁棒性；大量的现场设备管理信息进入系统，提高了可操作性、可靠性、运行质量和管理水平；控制高度分散，提高了系统的自治、可靠性和易扩展性；在控制层完全开放互可操作；节省设备、材料、施工、维护费约40%[2]。在此，笔者对FCS系统和现场总线仪表在液体CO2生产过程中的应用以及应用过程中遇到的问题进行详细说明。

1 系统硬件配置

30kt/a食品级液体CO2和干冰装置选用FCS-MB10-SG-T(10路支线)型带现场终端器的总线组合安全栅模块，标准的现场总线安全栅为总线现场设备提供连接，并含有集成短路保护功能，任一现场仪表短路不会影响其他仪表。防爆设计应用在Zone 2/Div 2区域。该安全栅带总线电源指示灯和支线短路状态指示灯。配有两路干线(trunk)接口，10路支线(spur)接口，每一支线接口建议挂一台设备，设备的最大工作电流46mA，支线最大短路电流59mA，干线与支线的最大允许压降1.1V，总线电缆的规格12～24AWG，电缆允许的最大标称截面2.5mm2。安全栅的最小输入电压10.5V，以保证支线输出电压在全负荷下不低于9.3V，设备电压至少不低于9.0V。每个安全栅挂8台总线仪表，另有两路备用。带总线阀门定位器的网段，总线定位器的数量未超过两台，调节阀的控制均由总线阀门定位器实现。本装置共使用8块该型总线安全栅，从投产至今，未出现任何故障，稳定性和可靠性较高。

总线接线箱使用FCS-951010型(10Spur for Fieldbus Megablocks)，密封性和接地性能较好。使用至今未有渗水、受潮这类影响总线仪表运行的情况发生。

FF通信卡件专用板采用的是AEF90-00型端子板，每个端子板挂4个网段，每个网段与端子板的连接处均串接有一个YCB138终端器(100Ω电阻串接1μF电容)。该终端器实际上是一种网终匹配器，与传输线的特性阻抗相同，使得因反射波造成的总线信号失真最小，提高了总线传输数字信号的稳定性。总线端子板一端连接总线电源，另一端通过连接器连接到ALF111总线通信卡。

FF通信卡件采用ALF111型，冗余设计，保证了总线通信的安全可靠。

总线电源选用9111-NI FNICO POWER SUPPLY-IIC现场总线不易燃概念电源(FNICO：Fieldbus Non Incendive concept)，输入电压20～30V(DC)，主机电源(Host Power)14～32V(DC)、30mA。一侧接FF通信卡专用板，另一侧接现场总线安全栅，危险区域等级Zone2/Div2。该总线电源未采用冗余设计，投产使用至今未出现故障。

2 总线拓朴结构

拓扑结构指不同FF设备之间的连接。FF总线支持点对点、树形、鸡爪型及混合型等多种拓扑结构。实际使用时，多数情况下采用鸡爪型拓扑结构，如图1所示。

图1 鸡爪型总线拓扑结构

3 现场总线仪表的应用

3.1 总线阀门定位器

30kt/a食品级液体CO2和干冰装置共选用7台YVP110型总线定位器，FF总线定位器采用串行双向通信，提高了互操作性，可通过不同的软件进行设置。另外，总线定位器将功能块分散，即使DCS出现故障，定位器依然可以实现自身调节控制功能。YVP110定位器既可用于直行程调节阀，亦可用于角行程调节阀，响应来自现场总线控制系统的命令，对调节阀执行机构进行控制。在应用过程中，不仅体现了FF现场总线的优势，更集中体现了其自身优越的功能，如Matches功能，自动识别带阀门的定位器、行程中的非线性和死区、使用非线性PID技术进行先进控制，实现精准的阀门测定，减少了误差，同时具有关紧和全开功能，达到精确控制关紧点和全开点的目的、可进行阀门循环次数累计、阀门行程累计和阀门接近开闭时间的累计，对调节阀的监测和预防维修有重要作用。

FF总线阀门定位器利用功能强大的CPU实现控制算法，可通过PID作用实现无余差控制，提高控制精度，FF总线定位器的控制精度通常可达±0.20%。FF总线定位器的气源消耗一般只占传统电气定位器的1/3，定位器输出阀位与执行机构反馈阀位动态偏差平均仅±0.05%。定位器的精确度提高，减少了阀门大量的无效行程，同时也使控制阀运行部件的磨损减小，减少故障并延长了使用寿命。YVP110总线定位器具有自动校验功能，检查调节阀的反馈情况并自动调整控制参数，利用带总线协议的HART通信器或相关软件(如PRM等)进行自动校验[3]。

总线定位器包含有资源块(Resource block)、转换块(Transducer block)和功能块(Function block)，资源块包含所有用来识别总线设备的数据，包括设备名称、生产厂ID、序列号和影响其他设备模块性能的参数，每台总线设备只有一个资源块。转换块包含所有数据和特定设备参数，将过程参数(传感器或执行器)和设备进行连接传递。现场总线基金会(FF)将输入输出功能块设计成与硬件无关的标准功能块，因此需要在各种设备硬件通道和标准输入输出功能块之间有一个过渡环节，转换块即实现此功能[4]。转换块通常包括传感器和执行器的信息、环境的信息及量程的标定等参数，制造商还经常把一些诊断功能、显示功能及更多硬件的组态等设计成诊断转换器块、显示转换器块、硬件转换器块等。YVP110的转换块菜单项包括Block information、Block mode、Dynamic variables、Configuration/Calibration、Diagnostics/Alerts及Query device等信息，其中Configuration/Calibrationa菜单项包括Block mode(块模式)、Setup wizard(设置向导)、General(常规)、Actuator set(执行器设定)、Tuning/Calibration(整定/校验)、Operation set(操作设定)、Pressure set(压力设定)、Temperature set(温度设定)。功能块是FF总线用户层的主要内容，负责FF现场总线设备的控制，如AI、AO及PID等，用户可利用功能块组态个性控制系统。

通过HART375手操器对YVP110定位器进行参数整定与行程校验。将HART375挂入总线定位器所对应的网段进入Fieldbus application菜单，该菜单包括On line(联机)、Utility(功用)和Fieldbus diagnostics(总线诊断)，联机后即可自动识别读取该网段的总线设备清单，自动校验前，首先要将该定位器对应的Transducer block块和Analog output block块的Block mode(块模式)置于O/S(Out of service)失效状态。Block mode有Target(目标模式)、Actual(实际模式)、Permitted(允许模式)和Normal(正常模式)4种；通常将TB块和AO块的Target(目标模式)置于O/S状态后即可进行自动校验，自动校验完成后需将块模式由O/S切换到Auto状态。

进入转换块二级子菜单Tuning/Calibration(整定/校验)，该菜单项包括Auto tuning(自整定)、Selective tuning(选择性整定)、Travel calibration(行程校验)。选择Travel calibration菜单后，阀门便自动行程校验，校验完成后确认各校验点的阀位准确稳定后，选择Execute the calibration(执行校验)，本次行程校验完成并保存结果。

阀门控制参数在自整定后一般不需要再做整定。在阀门检修、更换定位器、阀门动作故障及工况改变等情况下，需进行参数自整定，经验用户亦可通过Servo manual tuning(伺服手动整定)调整Gain、Reset、Rate、Rate Gain、Deadband、Offset及Advanced parameter等控制参数值进行手动整定。

YVP110型总线定位器在自整定过程中曾出现Auto_Tune_Result=Large hysteresis(大的滞后)和Auto_Tune_Result=Gain measurement failed error(增益测量失败错误)，经过处理后参数整定都恢复正常。从使用效果来看，7台YVP110总线定位器稳定性好、控制准确、故障低，应用过程中未出现设备故障损坏的现象。

3.2 总线变送器

装置中总线变送器共有66台，主要包括DY025/050涡街流量计、EJX118A液位变送器、EJX430A压力变送器、EJA430A压力变送器、EJX410A差压变送器和YTA320温度变送器。另有一台IF302总线转换器，12块TF02总线温度转换模块。下面具体介绍总线仪表在应用过程中出现的问题和解决办法。

横河总线变送器使用以来未出现过本体故障损坏，EJA430A、EJX430A变送器在应用过程中出现过DCS无指示故障现象，现场检查变送器没有故障错误，系统检查FF设备处于O/S状态，Control drawing builder中的FF模块与现场总线变送器通信建立有故障，Online Download control drawing后，FF模块恢复正常，现场加压检测，DCS显示正确。

FRQ-301(DY025涡街流量计)在流量小时仪表显示为零，流量大时偶然有显示。现场检查该表的流向、直管段及位置等安装正确，用示波器检测，传感器对流量的反应信号很弱，初步分析为工艺管道内有水，因此在-20℃迅速结冰，使传感器无法起振，从而导致此故障。

Smar IF302总线转换器将现场露点仪AN-301的4～20mA有源信号转换成FF信号，由于穿线接头密封不严进水导致转换器损坏。更换新表下装后，主控指示超限-130℃，现场露点仪实际指示-55℃，主控仪表-100～20℃，检查新表固件版本、CF/DD文件与损坏转换器版本一致。再次进行下装：进入Fieldbus Builder，选中7ALF111-2进入Device registration(设备注册)菜单，执行Device ID acquisition(获取设备ID)，读取设备Address和Device ID后复制粘贴新设备ID；进入File菜单后Download，在Download confirmation(下装确认)画面，勾选AN-301前的Initial download(初始化下装)项和后面的Block parameters are the scope of the loading(块参数在下装范围)项，确认后执行下装。

也可以在Device panel界面选中AN-301后右键双击Display Device Info进行Equalization(等值化)操作，等值化操作匹配FF-H1总线设备信息和Project database(项目数据库)设备信息。匹配过程中会核对设备信息(设备位号、节点地址、设备ID、设备等级、制造商ID、设备类型和设备版本)。软件下装条件：块结构及块参数值等进行比较，如两者间有错配，在Device Panel执行等值化，此时在FF-H1总线设备信息或项目数据库信息中选择一个作为Master(主设备信息)，主设备信息反射未被选做主设备信息的信息，因此两者会进行匹配。在执行等值化过程中，项目数据库的设备信息基本上被作为主设备信息。等值化操作过程：process of Generation(生成过程)、process of download to Device(下装到设备)和process of reflection to control drawing builder(反射到控制图组态器)。

CO2压缩机C0101A主机轴承温度TI-116A主控显示CNF状态，检查TF02总线温度变送器本体故障，该总线温度变送器现场侧接Pt100热电阻，输出端接现场总线安全栅，该温度点为压缩机轴承温度高高联锁点，关系到CO2压缩机的安全运行，属装置重要温度点之一。TF02已无备件，用TMT85-B1A2B总线温度变送器替换。由于替换设备的制造厂不同，因而CF/DD文件也需要替换并进行相应的组态和下装：

a. 将新变送器的CF/DD文件拷入C:CS3000engBkprojectCO2FieldbusCF DDFILE文件夹(系统默认文件夹路径)，进入Device Registration后更新功能性文件和设备描述文件(Update capabilities File/DD File)；

b. 进入Fieldbus Builder选中TN-116A，右键点击Delete device(删除设备)；

c. 进入File菜单后Download；

d. 选中7ALF111-3后右键进入Device registration(设备注册)菜单，点击Device recognition registration(设备识别注册)；

e. 将功能块AI-01块中的Block tag name(块位号名)修改为TI-116A；

f. TN-116A下拉菜单中选中转换块TB-S1，右键进入Parameter edit，将相关参数(Pt100、2-wire及sensor1等)组态好后进入File菜单Download；

g. 下装control drawing。

4 结束语

FCS和现场总线仪表在海洋石油富岛有限公司环保气体装置利用化肥二期合成氨尿素装置平衡富余的0.6亿m3/a CO2气体，并综合利用，建成的30kt/a食品级液体CO2和干冰装置在应用过程中效果较好，系统硬件的可靠性较高，现场总线仪表的故障率也非常低，极大地降低了仪表设备的维修成本。该装置现场总线控制系统和现场总线仪表的选型与配置对同行具有一定的借鉴意义。

[1] 魏华.基于FF的现场总线控制系统在60万吨甲醇项目中的应用[C].第八届工业仪表与自动化学术会议论文集.上海:《自动化仪表》编辑部,2007:23～28.

[2] 斯可克.(FCS)工程设计和应用实例[J].化工自动化及仪表,1999,26(1):59.

[3] 石洪坡.钟耀球.横河FF总线定位器YVP110的应用[C].2011中国有色金属行业仪表自动化学术会议论文集.北京:中国有色金属学会,2011:45～53.

[4] 斯可克.基金会现场总线功能块原理及应用[J].自动化博览,2004,21(2):83～84.