FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)在氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

甘長能 陳 文 李 亮

(1.貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴陽 550081；2.中電投貴州遵義產(chǎn)業(yè)發(fā)展公司,貴州 遵義 563000)

隨著控制系統(tǒng)和現(xiàn)場智能儀表的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)在現(xiàn)代企業(yè)工業(yè)過程控制中已得到廣泛應(yīng)用。在眾多現(xiàn)場總線協(xié)議中，F(xiàn)F現(xiàn)場總線是在一對屏蔽雙絞線電纜上完成多臺現(xiàn)場儀表的供電和雙向數(shù)字通信[1～4]。FF能將PID及信號處理等30多種控制功能塊下放至現(xiàn)場的總線儀表中，從而減少和分散中央主控制系統(tǒng)的負(fù)荷。通過采用適當(dāng)?shù)默F(xiàn)場總線技術(shù)，可有效節(jié)省控制系統(tǒng)硬件數(shù)量、投資、安裝費(fèi)、維護(hù)費(fèi)，加強(qiáng)智能設(shè)備的信息管理。較之于傳統(tǒng)的自控系統(tǒng)，現(xiàn)場總線技術(shù)的自控系統(tǒng)有以下優(yōu)勢：用現(xiàn)場總線數(shù)字信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬信號，測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)；基于總線的現(xiàn)場儀表可以對量程和零點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)方設(shè)定，具有儀表工作狀態(tài)自診斷功能，能進(jìn)行多參數(shù)測量和對環(huán)境影響的自動補(bǔ)償；現(xiàn)場自動化儀表設(shè)備集檢測、轉(zhuǎn)換、運(yùn)算和控制功能于一體，既降低了成本，又增加了安全性和可靠性；所有現(xiàn)場設(shè)備直接通過一對傳輸線連接，易于安裝和維護(hù)，節(jié)省了施工費(fèi)、電纜和橋架費(fèi)、安裝耗材費(fèi)、調(diào)試和維修成本；減少了大量的信號隔離器、端子柜及I/O模塊等硬件設(shè)備。

由于氧化鋁生產(chǎn)工藝的特殊性，氧化鋁工程中自動化儀表設(shè)備數(shù)量較多且布置較分散，這就造成了目前氧化鋁工程中自動化儀表信號電纜敷設(shè)工程量巨大、控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)過多、系統(tǒng)規(guī)模過大的問題。面對目前較為嚴(yán)峻的市場形勢，“微利經(jīng)營”已成為氧化鋁行業(yè)的新常態(tài)，降低建設(shè)成本就是增加業(yè)主利潤，因此在氧化鋁工程中，優(yōu)化自控方案、提升自控水平、降低自控成本勢在必行。為此，筆者設(shè)計(jì)了FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)，通過對控制策略、現(xiàn)場儀表選型、設(shè)計(jì)網(wǎng)段及驗(yàn)算等內(nèi)容的研究與設(shè)計(jì)，以改善氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

1 氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程介紹①

氧化鋁焙燒爐是連續(xù)生產(chǎn)過程，焙燒爐通常采用煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)的煤氣作為燃料，煤的品質(zhì)不同，煤氣中硫化氫的含量也不同，一般在2.5～15.0g/Nm3，為達(dá)到氧化鋁焙燒爐煙氣中SO2不大于400mg/Nm3的排放標(biāo)準(zhǔn)，必須對煤氣進(jìn)行脫硫處理。脫硫過程如圖1所示。

圖1 脫硫過程框圖

從煤氣發(fā)生爐出來的煤氣在經(jīng)過噴淋水洗塔冷卻除塵后，再經(jīng)過噴淋堿洗塔與脫硫堿液逆流接觸，脫除煤氣中大部分的硫化氫后進(jìn)入超重力機(jī)與霧化好的脫硫液接觸，進(jìn)一步脫除煤氣中殘余的硫化氫，經(jīng)氣液分離器分離后，凈化合格的煤氣直接送入氧化鋁焙燒爐。該脫硫工段還包括脫硫液的制取及循環(huán)利用等過程。

氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程煤氣處理量為165 000Nm3/h，工程按3×55 000Nm3/h設(shè)計(jì)，形成3套單元式的脫硫裝置，每套處理煤氣量55 000Nm3/h，脫硫效率達(dá)98%，脫硫后煤氣中的硫化氫不大于50mg/Nm3，系統(tǒng)壓損不大于3kPa。

2 現(xiàn)場儀表選型

氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程現(xiàn)場儀表根據(jù)P&ID圖統(tǒng)計(jì)分析，共計(jì)77臺FF-H1儀表，包括22個(gè)溫度儀表、27個(gè)壓力儀表、6個(gè)流量儀表、13個(gè)液位儀表、3臺現(xiàn)場總線調(diào)節(jié)閥和6臺現(xiàn)場總線電流轉(zhuǎn)換器。在FF總線儀表的設(shè)計(jì)與選型方面，需遵循如下原則：

a. 現(xiàn)場儀表符合FF現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，具備FF設(shè)備認(rèn)證標(biāo)志；

b. 具備FF現(xiàn)場總線儀表所需功能塊和設(shè)備診斷功能；

c. 具備總線供能功能，且要求消耗電流在10～30mA、供電電壓9～32V(DC)；

d. 極性不敏感，能快速、安全地連接現(xiàn)場。

另外，由于現(xiàn)場總線儀表的控制功能是在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)，因此還要根據(jù)不同的應(yīng)用場合和工藝過程選用帶有不同功能模塊的FF儀表。即便是同類型被測變量的變送器，根據(jù)工藝過程所需的功能模塊不同，所具有的功能也不同。而且現(xiàn)場總線儀表的版本不同，其所帶功能模塊的類型和數(shù)量也不同。

本次氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程最終選擇的是橫河FF總線儀表。

3 現(xiàn)場總線系統(tǒng)

氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用一對AC800M控制器，每個(gè)控制器帶一塊CI860卡件(理論上最多能帶12塊)，每塊CI860卡件帶4個(gè)LD800HSE(ABB給的工程技術(shù)手冊上建議帶5～8個(gè))，每個(gè)LD800HSE接2～3條H1(最多可接4條H1)，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)儀表位置和儀表的關(guān)聯(lián)性，確定每條H1帶3～9臺FF設(shè)備(一般建議8～12臺)。

該FF現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)還包括工程師站、操作員站和設(shè)備管理各一臺，它們與控制站間通過高速以太網(wǎng)(FF HSE)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，從而構(gòu)成車間級控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車間級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中工程師站安裝有現(xiàn)場總線設(shè)備組態(tài)軟件，完成對FF-H1設(shè)備的組態(tài)、下載及在線監(jiān)測等功能；同時(shí)，工程師站可以存儲歷史數(shù)據(jù)。操作員站安裝有工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件，可以監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備。設(shè)備管理計(jì)算機(jī)中安裝有智能設(shè)備管理軟件，可以對現(xiàn)場總線儀表進(jìn)行在線監(jiān)測、維護(hù)和故障診斷，不必去設(shè)備現(xiàn)場檢查，設(shè)計(jì)有Windows XP界面，操作界面友好，操作簡易直觀。

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

FF現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可為線形、樹形、星形或復(fù)合形。從經(jīng)濟(jì)和便于維護(hù)的角度考慮，本系統(tǒng)采用樹形結(jié)構(gòu)。樹形結(jié)構(gòu)就是在FF主干線的末端采用現(xiàn)場總線FF接線盒，將布置在接線盒附近的FF總線儀表和設(shè)備接入[1]，F(xiàn)F接線盒具有限流和短路保護(hù)功能。氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程FF現(xiàn)場總線儀表的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，分支長度控制在30m內(nèi)。

圖3 FF現(xiàn)場總線儀表的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2 總線回路的分段

FF總線系統(tǒng)工程指南要求，每個(gè)網(wǎng)段建議掛接少于10臺FF設(shè)備，應(yīng)預(yù)留20%以上的備用量。本氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫FF總線控制系統(tǒng)在施工設(shè)計(jì)中也遵循上述要求，設(shè)計(jì)每個(gè)網(wǎng)段掛接3～9臺FF設(shè)備。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)儀表位置圖、儀表的關(guān)聯(lián)性來劃分FF網(wǎng)段。同一個(gè)閉環(huán)控制回路的測量儀表和調(diào)節(jié)執(zhí)行回路設(shè)計(jì)在同一個(gè)FF總線網(wǎng)段，以減少通信負(fù)荷量和執(zhí)行時(shí)間[5]。分段情況見表1。

3.3 電纜總長度驗(yàn)算

按FF總線系統(tǒng)工程指南的推薦，現(xiàn)場總線儀表使用的是經(jīng)過一致性測試的電纜，但由于信號沿電纜傳輸將逐步衰減，故每個(gè)網(wǎng)段必須要有長度的限制。

根據(jù)儀表位置圖，現(xiàn)場總線接線盒分布在就地離測點(diǎn)較近處，以減少布線長度，網(wǎng)段控制室至現(xiàn)場接線盒的主干電纜長度控制在200m內(nèi)，分支電纜控制在15～30m不等。為了簡化驗(yàn)算過程，在對電纜長度、消耗電流和電壓降驗(yàn)算時(shí)分支電纜取最長為30m。

選擇FF設(shè)備最多的網(wǎng)段作為驗(yàn)算示例，電纜總長度=干線長度+支線1+支線2+…+支線9=200+30×9=470m，通過驗(yàn)算，設(shè)計(jì)可使用A型電纜或B型電纜(表2)。

表2 各類電纜和使用長度

設(shè)計(jì)時(shí)采用帶支線保護(hù)功能的現(xiàn)場接線盒，有效防止了單臺儀表故障對整個(gè)網(wǎng)段造成的不良影響。

3.4 網(wǎng)段負(fù)載驗(yàn)算

網(wǎng)段負(fù)載驗(yàn)算包括消耗電流和電壓降的驗(yàn)算，消耗電流驗(yàn)算就是確認(rèn)FF配電器的輸出電流是否大于所有FF設(shè)備的消耗電流的總和加上至少一個(gè)分支短路保護(hù)電流之和；電壓降驗(yàn)算就是確認(rèn)FF配電器的輸出電壓減去負(fù)載電流在電纜長度上的壓降和FF現(xiàn)場接線盒的電壓降后不小于9V(DC)[6]。

氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程電纜選用A型電纜，其特性為：單線對屏蔽，截面0.750mm2，最大長度1 900m，分布電阻44Ω/km。根據(jù)所選用的FF現(xiàn)場儀表，儀表設(shè)備消耗電流(mA)如下：

溫度儀表I117.0～22.0

壓力儀表I217.5

流量儀表I318.5

液位儀表I422.0

閥門控制器I526.0

電流轉(zhuǎn)換器I611.3

選擇FF設(shè)備最多的網(wǎng)段作為驗(yàn)算示例(過程設(shè)計(jì)時(shí)其他網(wǎng)段驗(yàn)算都一樣)，即選擇進(jìn)入車間的汽、氣、水計(jì)量網(wǎng)段，9臺FF現(xiàn)場儀表，該網(wǎng)段接線示意圖如圖4所示。

圖4 FF設(shè)備最多的網(wǎng)段接線示意圖

該網(wǎng)段有溫度儀表、壓力儀表和流量儀表各3臺，F(xiàn)F配電器輸出電源24V(DC)/360mA，短路保護(hù)電流60mA。

網(wǎng)段電流消耗3×(I1+I2+I3)+60=3×(22+17.5+18.5)+60=234mA，小于FF配電器輸出的360mA，消耗電流驗(yàn)算滿足條件。

網(wǎng)段電壓降為24-2×0.044×180×3×(I1+I2+I3)×0.001-2×0.044×30×22×0.001-1.5=20.72V，可見距離最遠(yuǎn)、電流消耗最大的FF設(shè)備均能滿足電壓降不小于9V(DC)的要求。

4 現(xiàn)場總線系統(tǒng)接地

氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)采用單點(diǎn)控制室接地方式，即將每個(gè)網(wǎng)段的各支線與干線的屏蔽層連接起來，集中在一起在網(wǎng)段的一端(控制室端)接地[7](圖4中的虛線部分)。

采用該種接地方式的優(yōu)點(diǎn)是能抗較強(qiáng)的電磁波、諧波及雷擊等相關(guān)干擾[8]。但是設(shè)計(jì)過程特別要求整個(gè)網(wǎng)段的電纜屏蔽層不得與現(xiàn)場儀表和接線盒的機(jī)殼連接，因?yàn)樵撁簹饷摿蚬に囘^程有超重力高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，現(xiàn)場干擾強(qiáng)度大。

5 控制回路與組態(tài)策略

P&ID圖的設(shè)計(jì)在現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中僅是方案圖，只有根據(jù)P&ID圖設(shè)計(jì)出組態(tài)策略圖，才能通過FF現(xiàn)場總線的功能塊實(shí)現(xiàn)所需的控制功能。FF現(xiàn)場總線儀表的功能塊屬于軟儀表，完成同樣的控制運(yùn)算功能，其功能的配置與組合可能不同，從而形成不同的控制策略，這也是現(xiàn)場總線儀表與模擬儀表的顯著差異[9]。

氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程系統(tǒng)主要控制回路見表3。

表3 主要控制回路

選取氣液分離器液位控制作為示例(過程設(shè)計(jì)時(shí)其他回路均一樣)，根據(jù)工藝氣液分離器出口壓力-液位的要求，串級控制回路相應(yīng)的各功能塊組態(tài)策略示意圖如圖5所示。

圖5 功能塊組態(tài)策略示意圖

在現(xiàn)場軟件調(diào)試組態(tài)過程中，現(xiàn)場工程師根據(jù)控制回路組態(tài)策略圖進(jìn)行FF現(xiàn)場儀表功能塊必要相關(guān)參數(shù)設(shè)置，下裝到現(xiàn)場儀表中即可運(yùn)行，極大地減少了設(shè)備組態(tài)和調(diào)試時(shí)間。

6 結(jié)束語

氧化鋁焙燒爐煤氣脫硫工程設(shè)計(jì)過程中，嚴(yán)格按照現(xiàn)場總線基金會系統(tǒng)工程指南的要求?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的施工、安裝、檢查驗(yàn)收和調(diào)試過程對其成功投運(yùn)至關(guān)重要，所以要不斷地關(guān)注每個(gè)階段的工作和整個(gè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的生命周期以確?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)運(yùn)行正常。

[1] 張思銳.FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)原則和分析[J].自動化博覽,2012,(9):100～104.

[2] 唐孟.基金會現(xiàn)場總線技術(shù)在石化裝置中的應(yīng)用[J].石油化工自動化,2012,48(6):50～52.

[3] 孫啟昌.基于現(xiàn)場總線環(huán)網(wǎng)的氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)[J].石油化工自動化,2013,49(1):15～18.

[4] 夏德海.現(xiàn)場總線的應(yīng)用分析[J].石油化工自動化,2012,48(1):10～12.

[5] 劉丹,于海斌,王宏,等.自主開發(fā)的FF現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)典型應(yīng)用[J].自動化儀表,2005,26(3):46～48.

[6] 楊艷慈,周現(xiàn)明,張新榮.FF現(xiàn)場總線在循環(huán)流化床鍋爐控制中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2006,(8):35～36.

[7] 龍蔚泓.談基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)工程指南3.X版與2.0版的差異[J].石油化工自動化,2011,47(5):14～19.

[8] 汪升.現(xiàn)場總線技術(shù)在選礦廠的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表,2013,40(8):996～999.

[9] 鄒益民,周哲民.現(xiàn)場總線儀表技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:80～114.