浅谈ABBDCS系统及Rosement3051sFF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：



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功能块有记忆功能，只有在服务无效的情况下才能对数据进行更改。正常仪表的显示如下：



七、尾声
　　笔者亲自设计、安装并调试了河南蓝天集团中原甲醇厂新上的甲醇项目（控制系统实物图如下），并第一次组态好了ABB DCS 系统下的Rosemount 3051s现场总线仪表，剧调查，此系统也是第一次在化工行业下使用，而今后DCS系统的发展必将是以在DCS的基础上发展起来的FCS替代现在的DCS，因为FCS顺应了自动控制系统的发展潮流，能更加满足不断发展的新型工业控制系统。