现场总线控制技术在 3万 NM3/H 空分装置上的应

用

2007 年 11 月 1 日

江铜集团贵溪冶炼厂张卫华

1. 工程介绍 为了应对国内外铜市场的需求和竞争，江西铜业股份有限公

司决定提升其旗下的贵溪冶炼厂铜冶炼产能，新建一座 30 万吨级铜冶炼厂，采用世界上最先进的闪速炼铜工艺技术。与其配套的过程自动化仪表控制技术和设备经综合考察、了解设备厂商和用户，决定采用以 FF 总线仪表为主，传统仪表为辅的混合式控制方案。闪速炉、硫酸主工艺流程选用爱默生公司的 DeltavFF 总线控制系统，主要的配套装置空分系统选用横河公司的 CS3000FF 总线控制系统。整个工程于 2005年 12 月 2 日开工建设， 2007 年 8 月 1 日建成投产，自动化仪表控制系统投运至今，运行稳定、可靠，这也标志着 FF 现场总线控制技术在江铜新 30 万吨级铜冶炼厂应用获得了成功。这里主要介绍横河公司的 CS3000FF 总线控制系统在贵冶 3万 NM3/H 空分装置中的应用。

2. 现场总线控制系统的网络结构及配置 贵冶 3 万 NM3/H 空分装置主要由空气压缩系统、空气预冷系统、分子筛统、冷端和热端增压膨胀机系统、氧和氩精馏系统、高纯氧系统、液体储存系统、冷却水循环系统等构成。I/O 点数总计为 582 点，分类如下： AI 148 AO 74 DI 151 DO 79 RTD 130选用横河公司最新推出的 CS3000R3 控制系统，采用 VNET/IP千兆以太网控制网络结构，配置 2 台操作员站， 1 台工程师站， 1 台设备管理站， 1 台冗余控制站（ 7 个节点）。

HIS64工程师站 HIS63操作站

ASCII 打印机

打印机

PRM设备管理站

VNET/IP控制网

贵冶5#制氧控制CS3000系统结构图

EC401

EC401

AFV10

AFV10

PWOR

SB401

SB401

PWOR

ALF111

ALF111

ALF111

ALF111

ALF111

ALF111

ALF111

ALF111

NODE1

NODE2

SB401

SB401

PWOR

ALF111

ALF111

ALF111

ALF111

ALF111

ALF111

ALF111

ALF111

NODE3

SB401

SB401

PWOR

ADV551

ADV551

ADV551

ADV551

ADV151

ADV151

AAR145

NODE4

SB401

SB401

PWOR

AAR145

AAR145

AAR145

AAR145

AAR145

AAR145

AAR145

AAR145

NODE5

SB401

SB401

PWOR

ADV151

ADV151

AAI841

AAI841

AAI841

AAI841

AAI141

AAI141

NODE6

SB401

SB401

PWOR

ADV151

ADV151

AAI841

AAI841

AAI841

AAI841

AAI141

AAI141

NODE7

ADV151

HIS62操作站

FF 现场总线设备具体配置• 现场总线控制卡 ALF111 16 块，采用 8 对冗余方式，占整个控制系统

2 个节点（ NODE2 和 NODE3 ）。

• 设置 32 条网段，实际使用 28 条网段， 4 条网段备用，网段结构为鸡

爪型结构，平均每条网段 6 台 FF 设备，配置最少的一条网段为 4 台FF 设备，配置最多的一条网段为 8 台 FF 设备。下图所示为网段连接结构示意图。

触点去

冗余专用电缆至 卡

屏蔽接地

自电源开关来

仪表地

保护地

机柜室

现 场

现场接线箱

• 网段辅助设备全部采用 MTL 公司的产品，每条网段设置了总线电源 F600A 和防浪涌保护器 FP32 。

• 总线电缆采用国产电缆（八益电缆厂生产）。主干线电缆为铠装金属丝屏蔽电缆，型号为 BJYC3Y32 H1 1X2X0.8 （ 18AGW ） ; 分支线电缆为非铠装金属丝屏蔽电缆，型号为 BJYC3Y2 –H11X2X0.8 （ 18AGW ）。

• 为了实现对 FF现场总线设备的在线监测和动态维护管理，本工程引入了工厂资源管理（ PRM）系统。

• FF现场总线仪表配置 161台件： 仪表类型 数量

厂商 EJA 系列压力、差压变送器 82 横河 EJX 系列压力、差压变送器 14 横河 3095 多参量流量变送器 1 罗斯蒙特 AXF 系列电磁流量计 4 横河 YTA 系列双路温度变送器 2 横河 3787 阀门定位器 56 萨

姆森 3730-5 阀门定位器 1 萨姆

森 SIPART PS2FF 阀门定位器 1 西门子

3.FF 现场总线设计和安装以及组态应注意的问题网段设计 网段设计应充分参考 <<FF现场总线设计安装指南 >>，相互关联的 FF现场总线仪表尽可能设置在同一条网段上，特别要注意宏周期和控制模块执行时间的确定，至于是否需要采用网段浪涌保护还是设备浪涌保护应视具体环境定，应尽可能选用大容量的网段供电设备。另外，在网段设计时 ,最好把现场 FF仪表的位号和分配的地址提供给设备供应商，否则，在实施时 FCS系统读上来的 FF设备全都是设备出厂时的缺省值，只能一台一台确认，给组态带来诸多麻烦。此外，可以借助于 FF “ ”设备厂商提供的 现场总线网段设计工具 来检查网段设计是否满足要求。 对于链路调度器（ LAS）的考虑，一般把主 LAS设计在 H1卡上，后备 LAS设计在网段上的某一台通讯任务较轻的设备中。然而，在设计 FCS系统时一般都是采用冗余的 H1卡，故本工程把后备的 LAS设置在冗余的 H1卡上，这样做可以减少 F

F仪表费用。总线仪表功能块设计 受网段通讯速率的限制 ,一般在一条网段上设计的 PID调节功能块不应超过 2个；功能块总运行周期时间达到 0.25秒的总线设备最好设计为 1台，最多不能超过 3台。另外，在设计 FF仪表时不要选用工程应用中不需要的功能块 ,这样可减少设备费用。

下图所示为 FF仪表标准的单回路 PID功能块设计案例。 在本工程中，模拟量输入 AI块 (5FI1101)始终设计在变送器上 ,模拟量输出 AO块 (5FCV1101)始

终设计在阀门定位器上，标准的单回路 PID功能块 (5FICA1101)一般设置在阀门定位器上。对于串

级控制回路 ,主回路控制 PID功能块在 FCS控制器里执行 ,而副 PID功能块在阀门定位器里执行。

在 CS3000FCS 控制系统中 , 所有放置在现场总线仪表装置中的功能块 , 操作人员都可以通过 FCS 系统转换成 FF 仪表面板块来进行操作和监视 , 但要注意的是 AO块必须置于串级 , FF-PID 功能块才能进行手自动切换操作 , 否则只能通过 AO 块进行手动控制阀门。 复杂回路的 PID 功能块一般设计在 FCS 控制器里执行，如带有温压补正运算 (5FCL102) 等。在本工程中 ,所有带温压补正运算的 PID 调节功能块、分程控制块等 , 均设计在 FCS 系统控制器中处理。

图示为 FF 仪表复杂回路 PID 功能块设计案例

FF电缆施工要求 在现场施工中，对 FF电缆和管缆的敷设以及 FF仪表设备的安装做以下规定：

敷设的电缆两端必须印有电缆标识，主干和分支电缆的接线遵循橙色线接正极、浅兰色线接负极。

电缆 /管缆尽量通过专用桥架敷设，最小弯曲半径应大于 FF电缆外径的 12倍，敷设的距离应尽量的短、尽量避免高温和高粉尘场所、尽量避免大功率电器设备，如果不能避开以上场所，则电缆应当穿保护管敷设。所敷设的 FF电缆不允许有破损以免造成多点屏蔽接地。

主干电缆屏蔽接地要求：外层屏蔽铠装钢丝接电气保护地；在仪表室端，内层屏蔽通过泄漏线连接到网段供电电源设备（ F600A）的网段接线 S端子上后再连接到仪表系统地上，在现场端，内层屏蔽通过泄漏线连接到 Megablock分接盒上的 TRUNK-IN主网段中的 S端子上；中间任何地方对地要求绝缘良好。

分支电缆屏蔽接地要求：外层屏蔽金属丝连接到现场分接箱的保护地；内层屏蔽通过泄漏线连接到 Megablock 分接盒上的各分支网段中的 S端子上，注意单端接地，接到现场设备上的支线电缆的屏蔽线必须剪断，并用热缩套管封装好，不得与机壳和仪表地连接。

主干和分支 FF 电缆接线两端必须套热缩套管以免屏蔽线接触外壳形成多点接地。特别要注意的是室外设备的接线端必须要有防水措施，以确保电缆信号线之间以及对地的绝缘良好。

必须按照《 FF 总线系统工程指南》中现场总线电缆检验标准，验收主干和分支电缆的施工。

4. 应用中遇到的问题 在回路调试和装置开车过程中， FF 现场总线回路使用情况正常。 FF 总线

的通讯速度完全满足工艺生产需要， FF 总线设备工作稳定，性能良好。但也出现了一些小问题，如某个网段通讯不正常，设备丢失等，通过 FCS 操作站或 PRM 设备资源管理器可以发现故障网段上的故障标记，也可以使用 MTL 公司提供的 FBT-3 诊断器检查网段上的信息。反映到 FCS 操作上，会出现过程 CNF 报警，过程数值不变， PID 面板块不能操作等等现象发生，具体遇到以下几方面的问题：

故障设备干扰（网段中个别变送器质量不良出现软故障），造成网段通讯不正常，引起整条网段上设备丢失。

总线电缆敷设问题，由于进总线接线盒的分支电缆被压破，引起分支电缆屏蔽线有二端接地现象，而造成信号干扰，另外现场总线设备现场接线端子进水，引起总线电缆绝缘下降等问题，最终都会引起干扰，造成网段通讯不正常，引起网络设备丢失。

设备下载速度慢，与传统 DCS 的比较， FCS 在修改组态参数时，下载速度要慢得多。 FF 现场仪表与 FCS 系统的兼容性问题，主要体现在可监视和修改的参数方面 , 如 CS

3000 系统与西门子 PS2FF 定位器， PID 功能块就不能设置在阀门定位器上，只能设置在 FCS 控制器内等。

5.结束语 通过本工程的实践 , 我们认为 FF 现场总线控制技术与 FCS 设备已趋

于成熟，是今后过程自动化的发展方向 , 并确实感受到了如下优点 :

节省电缆及安装材料，减少了 I/O 卡件，工程量减少。 可以降低设备维护费用 , 提高设备使用效率和装置的安全性。由于现场总

线仪表的全数字、智能化以及 PRM 等设备管理软件的应用 , 使操作和维护人员能够及时获得设备的故障预测、报警等信息，大大的缩短了仪表标定、故障诊断和现场巡检乃至工艺故障准确判断时间，装置的非计划停车时间减少，且使设备全寿命周期预知管理成为可能

但是任何事物都有其两面性。 FF 设备费用高，对设备维护人员的知识

、技能水平要求也高，尤其是设备资源管理系统的应用比较复杂，需要专业人员才能用好等等。 随着 FF 现场总线技术的飞速发展 , 相信上述缺憾会得到实质性改进，更多的企业将会应用这门新技术，我们将更加体验到新技术带给的好处。

谢 谢！