浅谈ABB DCS系统及Rosement 3051s FF仪表在甲醇制造业的应用

【摘　要】 本文阐述了DCS集散控制系统的现场总线在甲醇制造中的应用，介绍了ABB DCS系统及Rosemount 3051s现场总线仪表所具有的全数字化通信、分散控制、稳定性的优点，最后介绍了该系统下FF仪表的组态。 【关键词】 FF（Fieldbus Foundation）现场总线基金会　 DCS(Distributed Control System)集散控制系统　 Industrial IT工业控制系统 FCS (Field Bus  Control  System)现场总线控制系统 一、DCS 系统简述 　　自上个世纪80年代DCS问世以来，集散控制系统在近30年的发展过程中逐步完善、成熟,并在工业控制领域中占主导地位。其基本思想是分散控制集中管理。ABB DCS系统的典型结构是上、下位机系统及其通信网络,上位机称为操作站、工程师站或操作站与工程师站共用, 操作站实现控制系统的控制操作、过程状态显示、报警状态显示、历史数据的收集和各种趋势显示及报表生成与打印等；工程师站用来对软件组态、系统生成与下装程序等。下位机称为现场控制站，它也是一个小型的PC系统，除了CPU，存储器，通讯卡等设备以外，还附带有各种扩展卡件。现场控制站是对现场物理信号(包括开关信号，模拟量信号)进行实时采集并进行数据处理、控制运算,并将结果传送到上位机；系统的网络负责各种功能站之间的数据通信和联络。集散控制系统具有控制功能多样、操作简便、维护方便、可靠性高、便于与其他计算机联用等优点，这也是它有别于PLC的主要原因之一。 二、FF 现场总线描述 　　现场总线技术是上个世纪80年代诞生的网络通信技术，它不仅包含有过程控制信息交换，而且还包含设备管理信息的交流。通过现场总线，各种智能设备（智能变送器、调节法、分析仪和分布式I/O单元）可以方便地进行数据交换，过程控制策略可以完全在现场设备层次上实现，经历十多年的发展，国际上成立了现场总线基金会(Fieldbus Foundation,FF)，致力于开发国际上统一的现场总线协议。目前，使用较多的现场总线主要是基金会现场总线（FF总线）和PROFIBUS现场总线，应用现场总线技术可以将各种分布在控制现场的相关智能设备和I/O单元方便的连接在一起，构成控制系统，这种结构已经成为DCS发展的趋势，FF的体系结构参照ISO/OSI模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链路层和应用层，另外增加了用户层。FF提供两种物理标准：H1和H2。本文介绍Rosemount 3051s现场总线仪表是基于H1过程控制的低速总线，速率为31.25kbps,传输距离为200m、400m、1200m和1900m四种。H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、同轴电缆和光纤，协议符合IEC1158-2标准。 三、甲醇生产的简单介绍 　　以天然气为主要原料，辅助二氧化碳加压催化氢化制甲醇是目前工业上普遍采用的方法，以天然气加二氧化碳为原料反应原理：3CH4 2H2O CO2→4CH3OH 　　典型的流程包括：原料气制造，原料气净化，甲醇合成，初甲醇精馏等工序，整个工艺可以分为若干个工段：大气压缩，原料气精脱硫，原料气转换工段，转化气压缩，蒸汽制造，蒸汽冷凝，甲醇合成，初甲醇精馏，火炬，CO2制气，引风机透平—润滑油站，锅炉给水—润滑油站等工段。根据控制点可以设立两个冗余现场控制站，DCS 结构图如下：

　　甲醇生产控制系统设计为：上位机七台，分别为工程师站，厂长室，调度室和四台操作员站，其中四台操作员站可以按工段来分配，比如说1#操作员站只能操作原料气制造及相关辅助设备部分，2#操作员站只能操作原料气净化及相关辅助设备部分，如此类推，每台计算机都可以显示各个工段流程画面，但只能操作各自工段的设备；下位机可设计为冗余的两对现场控制站，以及安全保护系统站等。 四、ABB DCS系统及FF仪表在甲醇生产的优点 　　甲醇的制造危险系数是极高的，从工艺气进入到管道开始，一直到精甲醇产品的生成，整个工艺所产生的物质都具有可燃性，生产过程复杂多变，并且生产环境带有潜在爆炸危险，在这一领域中对基于现场总线的新型控制系统提出了更高的要求： 1）、要有完备的防爆保护措施，以保证在爆炸危险环境中生产过程的绝对安全。 2）、系统本身要有很高的可靠性，以保证数据的可靠传输。 3）、对应“连续过程”这一特点，控制系统要有处理模拟数据的能力。 4）、所有现场设备可以在线插拔，而不影响系统的正常工作。 5）、系统实时加载稳定，通讯正常。 　　这就要求控制系统更加的智能化，灵敏化，以避免危险发生，一旦出现事故，也要把事故危险系数降到最低。ABB DCS系统设计具有极高的优越性，操作员站出现故障可以利用工程师站操作，工程师站和操作员站可以相互更换，保证上位机的可操作性，下位机做冗余设计，卡件可以即插即用，保证系统的稳定性，下设安全保护系统，增加了系统的灵敏度，等等诸多优点，加上 FF总线仪表的使用使DCS变成新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场设备，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能，即使上位机和下位机出现故障，只要通讯正常，就能维持现场仪表（FF仪表）的正常工作，摆脱了仪表本身对于系统的依赖，而且组态参数更改后加载不会引起资源中断（除非更改变量名，也就是更改了数据库），保证了系统的稳定性。系统结构图如下：

五、 系统组态 　　程序组态使用ABB Industrial IT下Control Builder F V7.1或以上版本，否则会不支持FF协议而无法组态。组态步骤： 1）、打开CBF程序，建立以yanshi 为程序名的程序

2）、组态硬件结构：先指定资源，再插入相关的卡件：电源模块SA801，以态网卡件 EI803，FF/HSE模块 FI840。

3）、HSE 硬件组态 　　先通过“库”导入相应的HSE性能文件后，可以在库里找到相关的设备性能文件，如图所示

　　再通过插入硬件即可，最后需要在协议对象里设置I/O信号，但要注意的是I/O编辑菜单里有使用（英文Usage）选择方法是：显示仪表要求选择“FF→EIC61131”，可以理解为FF现场总线符合国际电工委员会61131协议，控制仪表要求选择“EIC61131→FF”，可以理解为现场的仪表要接受H1送来的信号，定义标签，设置数据类型，信号起止，要注意的是FF信号只能唯一。

　　定义信号源：信号源优有H1和HSE两种，现场仪表是采集数据输送到系统，则源于H1，反之是源于HSE输送到现场仪表，对应于FF与EIC61131。

4）、现场仪表的组态 　　先要往库里面导入仪表的硬件识别文件后才能找到相关的仪表设备，再在H1链接下，插入仪表，仪表的IP地址会自动从20开始排列。

　　总线地址可以更改，理论上一根总线上可以挂15块总线仪表，但出自电源符合及通讯考虑，最好不要超过12块比较稳定。仪表设置优化，H1设定“建议”优化，以上数据除灰色背景数据不能修改外，其他数据都可以修改，但采用建议数据最优，这一步很重要，涉及到仪表内部的参数设置。

　　然后在H1 链接里插入功能块应用图，通过连接的设备找到相关的仪表，每块仪表在下拉菜单里找到用户要使用的功能块，对应的仪表连接到对应的FF信号，要注意：1、FB库里的功能块非仪表内部功能块，所以不能使用；2、仪表功能块只能使用一次，也只能在本仪表里选择导入，每个功能块导入以后自身会变成灰白色。

五）、仪表功能块的组态 　　仪表功能块的设置要选择仪表，找到其功能块，对功能块进行参数设置，一般要设置量程，单位，功能块类型等，Rosemoun 3051s现场总线仪表的功能块的类型很多，有源功能块（Resourece  Block），传感器功能块（Tancducer  Block），功能功能块（Function Block）。源功能块只有一块，设置设备类型：3051 Pressure或3051 Tempreture等，对应选择“关联”参数11。

　　传感器功能块有三块，主要作用是设置传感器功能类型，主要参数有：传感器量程范围设置，单位设置，表头显示参数的设置，报警点的设置等。

　　功能功能块设置通道功能，测量压力，温度等。 六、程序加载 　　程序检查无误后，在联机调试状态下加载程序，先对HSE链接设备初始地址指定，再加载设备即可，如果对单块仪表进行参数更改后，可以只对单个仪表加载而不需要对整个HSE 加载，这样可以减少对系统的影响，加载后，在功能块里可以直接通过鼠标连接，看见实时采集到的数据，但要注意的是每次修改传感器功能块参数时，先要把功能块选择“服务无效”（Out Of Service，OOS）此项选择“√”，再更改参数，加载后，在线取消“√”即可，这样更改的原因是仪表本身<< p="">