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国产化FF现场总线控制系统在轻型动力装置上的应用

2013年03月13日 10:58

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　　1.引言
　　
　　现场总线（Fieldbus）是20世纪末期出现并发展起来的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。基金会现场总线（FF）以其技术*而成为一种竞争力的总线技术，经过多年的发展，已经形成了一个成熟的、开放的、全数字化的工业通信系统。现场总线基金会中国市场委员会（FFCMC）在报告中提到：“在中国，据不*统计，几百个大中项目遍及大江南北，其中不乏*大项目，如上海赛科石化、广东惠州中海壳牌石化工程和福建炼油乙烯工程，其规模之大让世人震惊，标志着FF技术在中国已经进入了大规模应用的新阶段。”
　　
　　国内相关单位较早对FF现场总线技术进行了攻关，技术水平已经处于世界前沿，包括芯片的研发、协议栈软件的研发等等，产品化应用也不断取得进展。沈阳中科博微自动化技术有限公司已经完成FF现场总线控制系统在轻型动力装置上的规模化应用。整个系统设计了36个FFH1网段，133台FF现场总线仪表，其中，21台总线电流转换仪表解决了传统4-20mA设备的总线接入问题；多通道温度采集仪表可以采集8个温度测点，节省了仪表设备费用。系统*采用国内自主产品，工程设计、实施、调试都是由自行完成。目前，系统已成功投运，系统运行稳定、可靠，同时在系统的维护和诊断管理方面方便了用户，节省了费用。
　　
　　2．工艺流程简介
　　
　　轻型动力装置包括燃烧室试验台、压气机试验台、整机试车台。燃烧室试验台由试验件、涡轮导向器、空气系统、油路系统、循环水冷却系统等构成，共计有8路流量、88路温度、55路压力测点，通过数据的测量，完成燃烧室的性能研究；压气机试验台由试验件、空气系统、增速箱系统、滑油系统等构成，共计有2路流量、26路温度、9路压力测点，通过数据的测量，完成压气机性能研究；整机试车台共计有3路流量、33路温度、16路压力测点，通过数据的测量，完成发动机性能研究。轻型动力装置的测点分布集中，控制回路的安全性和准确性要求高，非常适合采用FF现场总线控制系统。
　　
　　轻型动力装置FF现场总线控制系统全部采用沈阳中科博微自动化技术有限公司的FF总线认证产品，包括支持FF总线技术的网络化控制系统NCS4000，FF压力变送仪表、FF温度仪表、4通道FF电流转换仪表、8通道FF温度采集仪表，以及总线接线盒、电源和终端匹配器；总线电缆也由国内厂商提供，采用常州八益A型电缆。
　　
　　3.控制方案
　　
　　3.1.控制系统结构
　　
　　图1FF现场总线控制系统结构图
　　
　　现场设有2个控制室，分别为东测控室和北测控室，测控室间通过光纤连接。东测控室内设有主工程师站和工程师站，2套装配有NCS4000的控制柜，负责采集压气机、燃烧室试验台测量数据，同时测量辅助管道的温度、压力、流量等参数，并对阀门、变频器等设备进行控制；北测控室内设有主工程师站和程师站，1套装配有NCS4000的控制柜，负责采集整机试车台测量数据。
　　
　　（1）控制站：整个系统应用3套支持FFH1接入功能的NCS4000控制站，每套控制站中采用控制器冗余、IO冗余，保障系统安全可靠。传统IO模块通过电缆连接电磁流量计、变频设备、电机、油泵等信号；FFH1现场总线通讯模块下带有2个端口，即两个网段，通过现场总线电缆（主干网络）连接到现场总线接线盒，现场总线电缆（分支网络）连接现场总线仪表，每个现场总线接线盒zui多带6台FFH1智能仪表。在现场分布安装多个现场总线接线盒。
　　
　　（2）控制网络：主工程师站、工程师站、控制系统之间以高速以太网为通讯介质，应用FFHSE协议进行数据交互。控制网络为冗余配置，为通信提供了安全性和可靠性。
　　
　　（3）FF现场总线智能仪表：采用的仪表有沈阳中科博微自动化技术有限公司NCS-PT105IIS系列扩散硅智能压力变送仪表，NCS-PT105II系列智能差压变送仪表，NCS-TT108智能温度变送仪表，NCS-FI105现场总线电流输出变送仪表，NCS-IF105现场总线电流输入变送仪表。调节阀采用传统的4-20mA信号阀门，应用NCS-FI105现场总线电流输出变送仪表，NCS-IF105现场总线电流输入变送仪表可以将传统调节阀接入FF现场总线网段中，大大降低了成本，有利于FF现场总线技术的应用与推广；同时将所有的控制回路PID功能下放到FF现场总线仪表中执行，提高控制安全性和准确性，缩短了控制周期，降低了控制器的运行负荷，使得控制器有更多资源可以用于执行*控制功能。
　　
　　3.2.FF总线网段设计
　　
　　FF现场总线网段段的设计主要考虑了网段总的电流负载、电缆型号干线长度、支线长度、电压降和现场总线zui大挂接设备数量等，同时，还受网段危险性与可操作性的影响。具体设计如表1所示。
　　
　　表1网段设计表
　　

工艺位置	网段数量	FF智能总线仪表
涡轮导向器	1	8通道智能温度仪表3台，共计18个温度测点
空气系统	3	8通道智能温度仪表1台，共计7个温度测点；智能差压仪表3台；智能压力仪表6台；智能总线电流转换仪表5台
循环水系统	3	8通道智能温度仪表4台，共计27个温度测点；智能压力仪表7台，智能差压仪表3台
1段燃烧室	4	8通道智能温度仪表2台，共计12个温度测点；智能压力仪表14台；智能总线电流转换仪表4台
2段燃烧室	4	8通道智能温度仪表2台，共计12个温度测点；智能压力仪表14台；智能总线电流转换仪表4台
3段燃烧室	4	8通道智能温度仪表2台，共计12个温度测点；智能压力仪表14台；智能总线电流转换仪表4台
压气机	4	8通道智能温度仪表4台，共计26个温度测点；智能压力仪表9台；智能总线电流转换仪表4台
整机	6	8通道智能温度仪表5台，共计33个温度测点；智能压力仪表16台
其它	1	8通道智能温度仪表2台，共计11个温度测点；智能差压仪表1台
总计	30	133

　　总线电源采用24VDC、1A电源；主干线长度不超过100米，分支长度不超过30米；通讯速度为0.5秒；将控制回路中的智能仪表设备设计在同一网段中，每个网段zui多设计一个控制回路；由于轻型动力装置测量数据比较集中，网段设计为星型拓扑结构。
　　
　　整个系统共计设计36个网段，目前，实际使用30个网段，每个网段zui多挂接6台现场总线仪表，共计133台FFH1现场总线仪表，平均每个网段挂接3.7台现场总线仪表,留有2.3台现场总线仪表的余量。
　　
　　4.总结
　　
　　沈阳中科博微自动化技术有限公司的FF现场总线控制系统已经在元宝山污水处理厂、气化炉小试装置等多处现场进行了工程应用，均取得了预期的效果。在轻型动力装置上规模化的应用自主研发的FF现场总线控制系统、FF智能设备等硬件和软件产品，完成FF现场总线工程的实践应用，确实体会了FF现场总线技术的一些优势：节省电缆和安装材料，减少了工程量；可通过仪表进行标定；功能更好地分散，实现现场控制；提高了测量的精度；全部采用国产化的产品，为用户节省了费用。同时，从网段设计、FAT测试、工程实施、现场调试过程中，积累了FF现场总线技术工程化的经验，在FF现场总线技术探索路上迈出重要的一步。

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