FF现场总线系统在氧化铝焙烧炉煤气脱硫工程中的设计与应用

甘长能 陈 文 李 亮

(1.贵阳铝镁设计研究院有限公司,贵阳 550081；2.中电投贵州遵义产业发展公司,贵州 遵义 563000)

随着控制系统和现场智能仪表的发展，现场总线技术在现代企业工业过程控制中已得到广泛应用。在众多现场总线协议中，FF现场总线是在一对屏蔽双绞线电缆上完成多台现场仪表的供电和双向数字通信[1～4]。FF能将PID及信号处理等30多种控制功能块下放至现场的总线仪表中，从而减少和分散中央主控制系统的负荷。通过采用适当的现场总线技术，可有效节省控制系统硬件数量、投资、安装费、维护费，加强智能设备的信息管理。较之于传统的自控系统，现场总线技术的自控系统有以下优势：用现场总线数字信号代替传统的模拟信号，测量精度高，抗干扰能力强；基于总线的现场仪表可以对量程和零点进行远方设定，具有仪表工作状态自诊断功能，能进行多参数测量和对环境影响的自动补偿；现场自动化仪表设备集检测、转换、运算和控制功能于一体，既降低了成本，又增加了安全性和可靠性；所有现场设备直接通过一对传输线连接，易于安装和维护，节省了施工费、电缆和桥架费、安装耗材费、调试和维修成本；减少了大量的信号隔离器、端子柜及I/O模块等硬件设备。

由于氧化铝生产工艺的特殊性，氧化铝工程中自动化仪表设备数量较多且布置较分散，这就造成了目前氧化铝工程中自动化仪表信号电缆敷设工程量巨大、控制系统I/O点数过多、系统规模过大的问题。面对目前较为严峻的市场形势，“微利经营”已成为氧化铝行业的新常态，降低建设成本就是增加业主利润，因此在氧化铝工程中，优化自控方案、提升自控水平、降低自控成本势在必行。为此，笔者设计了FF现场总线系统，通过对控制策略、现场仪表选型、设计网段及验算等内容的研究与设计，以改善氧化铝焙烧炉煤气脱硫系统的运行状况。

1 氧化铝焙烧炉煤气脱硫工程介绍①

氧化铝焙烧炉是连续生产过程，焙烧炉通常采用煤气发生炉生产的煤气作为燃料，煤的品质不同，煤气中硫化氢的含量也不同，一般在2.5～15.0g/Nm3，为达到氧化铝焙烧炉烟气中SO2不大于400mg/Nm3的排放标准，必须对煤气进行脱硫处理。脱硫过程如图1所示。

图1 脱硫过程框图

从煤气发生炉出来的煤气在经过喷淋水洗塔冷却除尘后，再经过喷淋碱洗塔与脱硫碱液逆流接触，脱除煤气中大部分的硫化氢后进入超重力机与雾化好的脱硫液接触，进一步脱除煤气中残余的硫化氢，经气液分离器分离后，净化合格的煤气直接送入氧化铝焙烧炉。该脱硫工段还包括脱硫液的制取及循环利用等过程。

氧化铝焙烧炉煤气脱硫工程煤气处理量为165 000Nm3/h，工程按3×55 000Nm3/h设计，形成3套单元式的脱硫装置，每套处理煤气量55 000Nm3/h，脱硫效率达98%，脱硫后煤气中的硫化氢不大于50mg/Nm3，系统压损不大于3kPa。

2 现场仪表选型

氧化铝焙烧炉煤气脱硫工程现场仪表根据P&ID图统计分析，共计77台FF-H1仪表，包括22个温度仪表、27个压力仪表、6个流量仪表、13个液位仪表、3台现场总线调节阀和6台现场总线电流转换器。在FF总线仪表的设计与选型方面，需遵循如下原则：

a. 现场仪表符合FF现场总线标准，具备FF设备认证标志；

b. 具备FF现场总线仪表所需功能块和设备诊断功能；

c. 具备总线供能功能，且要求消耗电流在10～30mA、供电电压9～32V(DC)；

d. 极性不敏感，能快速、安全地连接现场。

另外，由于现场总线仪表的控制功能是在现场实现，因此还要根据不同的应用场合和工艺过程选用带有不同功能模块的FF仪表。即便是同类型被测变量的变送器，根据工艺过程所需的功能模块不同，所具有的功能也不同。而且现场总线仪表的版本不同，其所带功能模块的类型和数量也不同。

本次氧化铝焙烧炉煤气脱硫工程最终选择的是横河FF总线仪表。

3 现场总线系统

氧化铝焙烧炉煤气脱硫工程系统设计采用一对AC800M控制器，每个控制器带一块CI860卡件(理论上最多能带12块)，每块CI860卡件带4个LD800HSE(ABB给的工程技术手册上建议带5～8个)，每个LD800HSE接2～3条H1(最多可接4条H1)，设计时根据仪表位置和仪表的关联性，确定每条H1带3～9台FF设备(一般建议8～12台)。

该FF现场总线控制系统还包括工程师站、操作员站和设备管理各一台，它们与控制站间通过高速以太网(FF HSE)进行连接，实现数据通信，从而构成车间级控制系统，其结构如图2所示。

图2 车间级控制系统结构

系统中工程师站安装有现场总线设备组态软件，完成对FF-H1设备的组态、下载及在线监测等功能；同时，工程师站可以存储历史数据。操作员站安装有工业监控组态软件，可以监控现场设备。设备管理计算机中安装有智能设备管理软件，可以对现场总线仪表进行在线监测、维护和故障诊断，不必去设备现场检查，设计有Windows XP界面，操作界面友好，操作简易直观。

3.1 网络拓扑

FF现场总线的网络拓扑结构可为线形、树形、星形或复合形。从经济和便于维护的角度考虑，本系统采用树形结构。树形结构就是在FF主干线的末端采用现场总线FF接线盒，将布置在接线盒附近的FF总线仪表和设备接入[1]，FF接线盒具有限流和短路保护功能。氧化铝焙烧炉煤气脱硫工程FF现场总线仪表的网络拓扑结构如图3所示，分支长度控制在30m内。

图3 FF现场总线仪表的网络拓扑结构

3.2 总线回路的分段

FF总线系统工程指南要求，每个网段建议挂接少于10台FF设备，应预留20%以上的备用量。本氧化铝焙烧炉煤气脱硫FF总线控制系统在施工设计中也遵循上述要求，设计每个网段挂接3～9台FF设备。系统设计时根据仪表位置图、仪表的关联性来划分FF网段。同一个闭环控制回路的测量仪表和调节执行回路设计在同一个FF总线网段，以减少通信负荷量和执行时间[5]。分段情况见表1。

3.3 电缆总长度验算

按FF总线系统工程指南的推荐，现场总线仪表使用的是经过一致性测试的电缆，但由于信号沿电缆传输将逐步衰减，故每个网段必须要有长度的限制。

根据仪表位置图，现场总线接线盒分布在就地离测点较近处，以减少布线长度，网段控制室至现场接线盒的主干电缆长度控制在200m内，分支电缆控制在15～30m不等。为了简化验算过程，在对电缆长度、消耗电流和电压降验算时分支电缆取最长为30m。

选择FF设备最多的网段作为验算示例，电缆总长度=干线长度+支线1+支线2+…+支线9=200+30×9=470m，通过验算，设计可使用A型电缆或B型电缆(表2)。

表2 各类电缆和使用长度

设计时采用带支线保护功能的现场接线盒，有效防止了单台仪表故障对整个网段造成的不良影响。

3.4 网段负载验算

网段负载验算包括消耗电流和电压降的验算，消耗电流验算就是确认FF配电器的输出电流是否大于所有FF设备的消耗电流的总和加上至少一个分支短路保护电流之和；电压降验算就是确认FF配电器的输出电压减去负载电流在电缆长度上的压降和FF现场接线盒的电压降后不小于9V(DC)[6]。

氧化铝焙烧炉煤气脱硫工程电缆选用A型电缆，其特性为：单线对屏蔽，截面0.750mm2，最大长度1 900m，分布电阻44Ω/km。根据所选用的FF现场仪表，仪表设备消耗电流(mA)如下：

温度仪表I117.0～22.0

压力仪表I217.5

流量仪表I318.5

液位仪表I422.0

阀门控制器I526.0

电流转换器I611.3

选择FF设备最多的网段作为验算示例(过程设计时其他网段验算都一样)，即选择进入车间的汽、气、水计量网段，9台FF现场仪表，该网段接线示意图如图4所示。

图4 FF设备最多的网段接线示意图

该网段有温度仪表、压力仪表和流量仪表各3台，FF配电器输出电源24V(DC)/360mA，短路保护电流60mA。

网段电流消耗3×(I1+I2+I3)+60=3×(22+17.5+18.5)+60=234mA，小于FF配电器输出的360mA，消耗电流验算满足条件。

网段电压降为24-2×0.044×180×3×(I1+I2+I3)×0.001-2×0.044×30×22×0.001-1.5=20.72V，可见距离最远、电流消耗最大的FF设备均能满足电压降不小于9V(DC)的要求。

4 现场总线系统接地

氧化铝焙烧炉煤气脱硫工程系统接地设计采用单点控制室接地方式，即将每个网段的各支线与干线的屏蔽层连接起来，集中在一起在网段的一端(控制室端)接地[7](图4中的虚线部分)。

采用该种接地方式的优点是能抗较强的电磁波、谐波及雷击等相关干扰[8]。但是设计过程特别要求整个网段的电缆屏蔽层不得与现场仪表和接线盒的机壳连接，因为该煤气脱硫工艺过程有超重力高速旋转设备，现场干扰强度大。

5 控制回路与组态策略

P&ID图的设计在现场总线系统设计中仅是方案图，只有根据P&ID图设计出组态策略图，才能通过FF现场总线的功能块实现所需的控制功能。FF现场总线仪表的功能块属于软仪表，完成同样的控制运算功能，其功能的配置与组合可能不同，从而形成不同的控制策略，这也是现场总线仪表与模拟仪表的显著差异[9]。

氧化铝焙烧炉煤气脱硫工程系统主要控制回路见表3。

表3 主要控制回路

选取气液分离器液位控制作为示例(过程设计时其他回路均一样)，根据工艺气液分离器出口压力-液位的要求，串级控制回路相应的各功能块组态策略示意图如图5所示。

图5 功能块组态策略示意图

在现场软件调试组态过程中，现场工程师根据控制回路组态策略图进行FF现场仪表功能块必要相关参数设置，下装到现场仪表中即可运行，极大地减少了设备组态和调试时间。

6 结束语

氧化铝焙烧炉煤气脱硫工程设计过程中，严格按照现场总线基金会系统工程指南的要求。现场总线系统的施工、安装、检查验收和调试过程对其成功投运至关重要，所以要不断地关注每个阶段的工作和整个现场总线系统的生命周期以确保现场总线系统运行正常。

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