基金会现场总线概述与总线仪表应用

刘 娜，曾晓萍，康 瑾，李昭玲

（西北铅锌冶炼厂，甘肃白银 730900）

基金会现场总线（FF 总线）是世界领先数字化协议的代表，在自动化领域占有举足轻重的地位。该协议以开放互联模式的ISO/OSI 系统为基础，取物理层、数据链路层、应用层为FF 通信模型。在应用层上增加用户层，针对自动化测控应用的实际需求，在信息的存取交换上定义出统一规则，运用通用功能块集进行设备描述。

1.1 FF总线H1技术

过程控制、现场级接口和设备的集成主要采用通信速率为31.25 kbps 的 H1技术、H1的现场设备（如变送器与执行器），在供电和传输信号上规定，必须使用现场总线双绞线电缆。

现场仪表与其他设备通过H1技术能够实现自行控制，数字化的H1网络，因为省去了I/O 转换子系统，在很大程度上减少了工作站与计算机的负载。

1.2 FF总线下Controlnet技术

焙烧车间在以太网技术下采用Controlnet 控制网，H1总线仪表通过连接设备与Controlnet 控制网连接，数据通过以太网传输到PLC 进行统一处理。

Controlnet 支持PLC 实现复杂的逻辑功能，增强了通过连接设备访问H1 现场总线仪表的技术。Controlnet 连接还为用户提供了不同厂家可以通过PLC互相交换数据和操作的设备，实现了不同子系统的集成，使得企业生产系统紧密集成与自由交换信息已成为现实。

（1）焙烧车间通信网络采用树型拓朴网络和分支拓朴网络混合起来的组合拓朴结构。其拓扑结构图如图1所示。

图1 焙烧车间总线网络拓扑结构图

焙烧车间应用FF 现场总线技术构成车间级的控制系统，焙烧车间A-B 系统中FF 总线主站1788-CN2FFR（1788-EN2FFR）通过FF 总线Controlnet 进行连接，实现与PLC 的数据通信。主站通过无源背板总线连接6个FF-H1现场总线模块，每个FF-H1现场总线模块具有2个Controlnet 控制端口，Controlnet控制端口与PLC 连接，上传仪表测量数据进行统一处理，H1 端口挂接2～8 台不等的H1 仪表设备，通过现场总线专用电缆与H1 仪表、阀门连接，采集FF-H1仪表信息，控制FF-H1阀门。

工程师站安装工业监控组态软件Wincc，具有标准OPC 接口，对FF-H1设备进行组态、下载、实时在线监测。

（2）A-B 系统中FF 总线主站1788-CN2FFR（1788-EN2FFR）的调试实例。

电缆选择：FF 总线电缆阻抗为100 ohms，为降低由线缆进入的外部噪声，通常选用1×2×18 AWG的屏蔽双绞线。选用电缆时尽可能选用专用的FF 总线电缆，并且选择A 型电缆，使总线的允许长度达到最大。从站功能块组态如图2所示。

图2 从站功能块组态

permanent 块一般不用更改设置，除非更改仪表的测量单位、测量参数。permanent 块正常状态下必须处于AUTO 模式，如果处于OOS 模式且无法切换至AUTO 模式，仪表即为故障或者损坏。

实例块为用户块，一般仪表，如压力变送器、料位计、流量计等，也不需要修改，只有在修改显示单位或测量类型等高阶参数时需要设置（在仪表表头中设置也可）。实例块正常运行时也需打到AUTO 状态，个别功能块复杂的仪表除外（如SIEMENS 阀门定位器，PID 块需在LO 状态，AO 块需CAS 状态）。

（3）典型仪表的功能块参数设置。

Rosemount 巴类流量计参数设置如图3所示。

图3 Rosemount巴类流量计参数设置

AI 功能块的配置：当L_TYPE 设置为间接平方根时，XD_SCALE 和OUT_SCALE 分别对应流量计算数值中的差压计算值和流量输入值；
若L_TYPE 设置为直接，则XD_SCALE 和OUT_SCALE 的设置与输出无关，功能块输出值为差压，需要在PLC 程序中运用公式来计算流量。

（4）阀门定位器控制程序如图4所示。

图4 阀门定位器控制程序

AO 块配置：AO 块状态必须处于CAS 模式才能远程给定开度（图5）。

图5 AO块配置

PID 块配置：因为不使用仪表中自带的PID 调节功能，所以需要将PID 功能块旁路，PID 块必须处于LO 状态（图6）。

图6 PID块配置

为了有效控制焙烧炉沸腾层的温度达到更好的脱硫效果，保证矿砂充分燃烧及质量，风流量调节也是至关重要的。鼓风机为焙烧炉内矿砂提供燃烧所需的空气，由于正常燃烧焙烧炉处于负压状态，需要根据生产实际调节空气鼓入量，或者在停车状态下，将管线和炉内多余空气放空排出，保护焙烧炉。由于鼓风的管道管径较大，此处的阀径在1 000～2 000 mm，阀门需要的力矩较大，最开始采用气动蝶阀控制，投入生产使用后，气动蝶阀执行机构在两个极限位置会出现卡涩现象，小角度时推动力不足，大角度时蝶阀晃动，无法精准控制定位，阀体在安装位置晃动，压力传导带动管道上仪表流量显示值抖动，风量监测不准，对操作人员加料及燃烧程度判断有误导。

首先通过比较开关阀力与新加力大小，判断气缸扭矩是否满足开关阀要求。

将管钳与气动阀门联动轴卡死，加载3 000 N 的力（大约两个成年人身体的重力），观察阀门有无动作，气动阀门标准气信号20～100 kPa，远小于新加载的3 000 N，初步判断气动执行结构扭矩过小，推动力不足，阀门在小角度开关状态下不稳定，鼓风压力传导下仪表流量跳动，检测不准。

在无法更换管道安装位置的情况下，更换扭矩更大的阀门。不需要外部动力气源，通过带变速器的电气单元控制电机，电机通过蜗杆转动输出轴，驱动阀杆。根据加料量、风压调节阀门开度大小，调节风量，控制燃烧温度。电动执行机构通过4根应接线（2根反馈2根给定），对阀体开度进行精确控制，实现鼓风机控制器（从站）对电动阀门的控制，从站通过FF 总线通讯至AB logix 5000控制器，实际控制阀门开度由主站（AB logix 5000）控制。操作简单，稳定可靠，节省人力。

在全力建设智慧型企业背景下，生产大数据平台建立工艺过程数据控制模型，在掌握漏风量、焙烧炉需求风量、焙烧炉散热量、风压力、焙烧炉容积、职工操作监控、精矿品质、工艺过程化数据精确性，在掌握多方因素对生产工艺影响的逻辑关系基础上，通过生产因素输入及AUTO 计算、PID 调节反馈，通过FF 总线远程上位机操作，自行调整阀门开度，节省人力，操作简单。数据模型的建立需要极其庞大的数据作为基础，从提出到设计模型应用还有很长的路要走，可以作为焙烧炉鼓风机控制的研究方向。

（1）基于FF 现场总线技术，现场监控数据集成在车间调度系统中，为车间生产决策提供数据化辅助支持。

（2）PID 功能块下装在现场设备中，实现了真正的分散控制，将设备危险与控制功能分散开，安全可靠，维护量小。

（3）现场智能设备的预警功能，可以及时发现并排除设备潜在故障。

（4）智能设备管理软件的使用，延长了仪表和控制系统的生命周期，降低企业工控成本。

FF 总线技术与总线仪表组态技术的发展正稳步进行，在焙烧车间应用取得了良好效果。相关工作人员应该在掌握其复杂和完整理论的基础上，积极推进在企业中的应用。