FF现场总线与智能仪表技术

1、基于FF现场总线的智能仪表组态技术摘要2.1 FF智能仪表简介2.1.1 IF 表2.1.2 FI 表2.1.3 TT 表2.1.4 PT 表2.1.5 FP 表3.1.6 FY 表3.2 功能块3.3 FF智能仪表组态技术 4.3.1 功能块连接4.3.1.1 PID 控制4.3.1.2 申级控制4.3.2 FF智能仪表的特点4.3.3 组态注意事项 4.3.3.1 修改参数4.3.3.2 模态切换4.3.3.3 设备冲突4.3.3.4 功能块调度5.4焦炉控制系统应用举例 5.4.1 炼焦工艺5.4.1.1 焦炉煤气主管压力控制 64.1.2 机焦侧分烟道吸力控制 64.1.3 焦炉煤气主

2、管流量控制 64.2 控制系统体系结构 6.4.3 控制回路组态6.4.4 控制性能分析8.4.5 系统中应用智能仪表的优点9.5 结束语9.参考文献1.0附录1.1.摘要现场总线技术的发展促进了现场仪表数字化、智能化、网络化。自“九五” 攻关以来,HART协议和FF协议智能仪表与系统的开发在我国得到迅速发展 , 并已取得大批成就。但是由于现场总线是一项较新的技术，且FF总线协议复杂， FF智能仪表组态参数颇多，对现场调试和维护人员专业知识、技术水平等要求 很高。因此本文从实际应用角度介绍 FF智能仪表及其组态技术，以利于FF智 能仪表的推广应用。关键词：FF现场总线；智能仪表；功能块；组态1

3、 FF智能仪表简介FF智能仪表是嵌入微处理器、实时嵌入式操作系统和FF现场总线协议栈，具有传感测量、数字通信、自动补偿、自动诊断、分散控制、信息存储等功能的 仪表。目前国际上较为常见的FF现场总线智能仪表类型及用途主要有以下几种。1.1 IF 表亦称“电流信号到现场总线信号变送器”，它是将4-20mA电流信号转换 成现场总线信号，用于将传统的4-20mA输出的模拟仪表连接到现场总线控制系 统中，适用于企业控制系统改造，可以很大程度上保护用户原有的可利用的模拟 仪表资源，减少用户投资。1.2 FI 表亦称“现场总线到电流信号变送器”，它是将现场总线信号转换成 4-20mA 电流信号，用于现场总线

4、控制设备与需要 4-20mA电流输入信号的仪表的连接， 也是现场总线与4-20mA电流控制的执行机构及控制装置的控制信号转换设备 ， 适用于现场总线控制系统与 420mA电气转换器或电动调节阀的连接，有利 于保留企业控制系统改造中的可利用的执行设备。1.3 TT 表亦称“现场总线温度变送器”，它是将PT100、CU50等热电阻信号转换成 现场总线信号，适用于现场总线控制系统中对温度信号的采集。1.4 PT 表亦称“现场总线智能压力变送器”，它是将压力信号转换成现场总线信号， 适用于现场总线控制系统中对压力、流量、液位等信号的采集。1.5 FP 表亦称“现场总线到气动信号转换器”，它是将从总线接

5、收的输入信号按比例 转换成3- 15psi气压信号,连接到非现场总线类型的气动阀门定位器上 ,用于 代替模拟的电/气转换器，控制系统中的气动阀门。1.6 FY 表亦称“现场总线气动阀门定位器”，它是将现场总线信号转换成相应的压力 输出控制阀门到所需位置，实现气动阀门的定位控制。2功能块功能块是参数、算法和事件三者的完整组成。它由输入参数、输出参数、内 含参数及操作算法定义，并使用一个位号（Tag）和一个OD索引识别。功能块的 执行是按周期性调度或事件驱动的。功能块外部连接结构具有通用性，左边是一 组输入参数，右边是一组输出参数。不同的功能块主要是内部执行的算法和实现 的功能不同。FF现场总线智

6、能仪表含10种标准功能块，如下表所示。符号功能块名功能简要描述AI模拟量输入读取现场模拟 信号AO模拟量输出提供模拟输出DI离散量输入读取现场开关 信号DO离散量输出提供开关量输 出值PID比例积分微分PID自动控制模 块ML手动装载人或设备设置 输出BG加使IO满足线性 函数CS控制选择自动选取输入 信号PD比例微分增量式输出无 积分RC比例系数用于比例控制3 FF智能仪表组态技术3.1 功能块连接现场总线控制系统组态关键是对现场总线设备中功能块参数的配置和对功 能块关系的组合、连接及对功能块调度参数的调整。3.1.1 PID 控制组态时一个功能的输入参数只能与另一个功能块的输出参数连接，输

7、出参数只能与另一个功能块的输入参数连接。如图3.1.1PID控制块连接图。3.1.2 串级控制审级控制组态时同样遵守一个功能的输入参数只能与另一个功能块的输出 参数连接，输出参数只能与另一个功能块的输入参数连接的规则。如图 3.1.23.2 FF智能仪表的特点FF智能仪表在控制系统中体现出抗干扰能力强、可远程校准、有自诊断功 能、连接方便等特点，具有广泛应用前景。3.3 组态注意事项3.3.1 修改参数每次修改仪表功能块参数时，首先要把功能块的目标模态选择为 OOS状 态(Out Of Service),仪表实际模态处于 OOS状态时才能更改参数，更改后再把 功能块的目标模态选择为 Auto等

8、所需状态。3.3.2 模态切换当PID功能块实际模态是“IMAN或在“IMAN和“AUTO之间切换时，说明PID和AO功能块之间通信有问题，可以通过调整功能块调度间隔时间 来消除。3.3.3 设备冲突如果设备以临时地址上线，说明该设备与总线上其它设备地址有冲突。将其地址更改为总线上设备没有用过的可用地址即可解决问题。图 3.1.13.3.4 功能块调度对系统有用的AI、AO、PID等功能块一定要加到功能块调度应用,并下载 到仪表中，否则功能块实际模态将不能离开OOS状态进入Auto。4焦炉控制系统应用举例4.1 炼焦工艺炼焦主要是对焦炉炭化室中的配合煤进行高温干储，如图4.1.干储过程即是在隔

9、绝空气条件下对炭化室中的煤进行加热的过程。称量后的 焦炭I 化学批 单种煤配合煤配合徵产品 居民区煤 F I /独，t J +储煤 > 配煤煤塔 > 高箍ftaf 净化一a外输T一煤气T 荒煤气图4.1生产工艺流程4.1.1 焦炉煤气主管压力控制该控制是通过检测气主管压力，调节主管翻板开度，保证主管煤气压力稳定， 保证加热系统的安全和使用寿命。4.1.2 机焦侧分烟道吸力控制该控制是通过检测分烟道吸力，调节烟道翻板开度，使烟道吸力稳定在设定 值，保证烟气排放，减少热损失。4.1.3 焦炉煤气主管流量控制该控制是通过检测煤气主管流量，调节煤气主管翻板开度，保证煤气主管流 量稳定，满足

10、焦炉加热需求。4.2 控制系统体系结构该系统结构按网络类型可分为两层。上层采用100M以太网，主干采用光纤, 横跨厂区，分支采用双绞线，延伸至控制室及厂调度室。系统底层采用的是FFH1现场总线。总线分布成二个网段，每个网段控制一 座焦炉。系统采用FFH1现场控制单元集成部分模拟仪表，采用FF智能仪表实现控制回路调节。主管压力和分烟道吸力检测采用FF智能压力表LD302-D1 ,主管流量检测采用FF智能差压表LD302-M2。控制回路输出采用现场总线到气 动信号转换器FP302,控制翻板打开的角度。系统针对 1、2号焦炉，监测工艺 参数78个，实现控制回路6个，并将生产工艺参数通过以态网传输到厂

11、调度系 统，实现了监控管一体化。4.3 控制回路组态FF智能仪表含有AI、AO、PID等10种标准功能块，控制系统组态时，可 以通过设置功能块参数来改变功能块的执行功能。系统的控制策略决定了功能块 的参数配置与组合方式。该系统 FF智能仪表组态步骤如图4.3.1所示。通过工 艺分析，系统对煤气主管压力与主管流量采用审级控制策略，如图 4.3.2所示。 压力控制做主回路，流量控制做副回路。通过控制主管压力保证焦炉加热系统安 全，通过控制主管流量保证各燃烧室煤气流量，从而保证稳定加热。系统对机、焦侧烟道吸力2个回路采用PID控制策略，如图4.3,3所示，保证烟道吸力稳定 和烟气排放。图4,3.1仪

12、表组态步骤LD302-M2主管压力焦炉煤气 主管流量输出20. lOOkPaFP3U21输入 120kPa餐FF H!总线图4.3.2煤气主管压力流量审级控制LD3O2-D1焦刘分烟 道吸力FP3O2 1 输入 120kPa输出 20-lOOkPaFFH1总线>P1D*AO-图4.3.3机(焦)侧分烟道吸力PID控制4.4 控制性能分析焦炉煤气主管压力控制有其工艺特殊性，充分体现了FF智能仪表的优势。因此以焦炉煤气主管压力控制为例分析控制性能。炼焦生产中，焦炉加热系统每隔45min进行一次换向：关煤气一一空气与废 气交换开煤气。采用模拟仪表控制时，换向初期，因煤气主管流量瞬间为0,压力骤

13、然上升, 根据PID控制原理模拟仪表系统使加热系统翻板全开；换向后期，焦炉恢复加 热煤气，煤气主管瞬间增加供气，压力骤然下降，模拟仪表系统使翻板几乎全关， 之后经过25min左右的PID调节时间，系统才趋于稳定，这时下一次换向又快 开始了，系统始终处于动荡状态。采用FF智能仪表控制时，因智能仪表不仅能检测信号，而且能传递仪表检 测参数的质量信息，其控制回路运行状态也与仪表参数质量信息相关。换向初期,因煤气主管流量瞬间为0,压力骤然上升，根据PID控制原理，应使翻板全开， 但在超过参数测量范围而不超过仪表量程情况下，智能仪表检测这种参数质量为 坏(BAD),其保持上一个状态的翻板开度不变；换向后

14、期，焦炉恢复加热煤气， 煤气主管瞬间增加供气，压力下降到正常测量范围，智能仪表检测参数质量为好(GOOD),恢复正常控制，翻板开始调节。由图 4.4.1和图4.4.2可以看出，系统 超调量小，换向完成后5min左右，就基本恢复稳定。图4, 4. 1燥气主管压力流吊串级控制主回路曲线图4. 4. 2煤气主管压力流量串费捶丽副回路曲线4.5 系统中应用智能仪表的优点应用结果证明，FF智能仪表具有低成本、抗干扰能力强、互操作性好、可 靠性高、易维护等特点，体现了仪表数字化、智能化、网络化的优势，具有广泛 的应用前景。5结束语基于基金会FF现场总线智能仪表组态技术的发展正稳步高速进行。在世界范围内取得

15、合作和开发的良好态势， 在国内也同样达到很好的应用规模。 我们应 该在积极掌握其复杂和完整的理论的基础上，为更好地服务社会做出努力和贡献。参考文献1 .阳宪惠.现场总线技术及其应用.清华大学19942 .孔元发.热工自动控制设备.水利电力出版社.19943 .陈小枫.基金会现场总线体系结构.测控技术.19964 .斯可克.现场总线技术.自动化仪表.19975 .杨庆柏.现场总线与现场仪表.自动化博览.19976 .泰希林.现场总线技术论文选.计算机信息杂志社.19987 .卢伯英.现代控制工程.北京科学出版社.19808 .周泽魁.控制仪表与计算机控制装置.化学工业出版社.20029 .杨劲松

16、.计算机工业控制.中国电力出版社.200310 .约翰逊（美）.过程控制仪表技术.科学出版社.200211 . IEC/ISA . Fieldbus Foundation Specification Documents 1996附录评分标准根据一般学术评定的规则，参照本课程的实际，特制定如下评分标准表:指标指标解释分值得分1格式格式规范（含目录、图表、脚注、参 考义献等）。102摘要（内容提要）清晰界定（限定）研究的问题，清晰 说明研究方法和思路，清晰说明研究 结论。153问题界定问题界定清晰，研究目丘分明确， 抓住实质（要害）。154研究思路 （逻辑）研究思路清晰，文章层次消楚，逻辑 合理，合符