基地式调节器的应用_卞爱民

基地式调节器的应用 Application of Field Mounted Controller 卞爱民1 王 凯1 彭 新2 上海工业自动化仪表研究所1 上海 200233 广州珠江气体工业有限公司2 珠江 510730 摘 要 分析了基地式调节器发展及应用状况和电子式基地调节器的优点 并以Moore 公司 348FIELDPAC 基地式调节器为例 介绍 了基地式调节器的功能 特点及其典型应用 关键词 基地式调节器 智能化 PID控制 现场总线 Abstract The development and applicable conditions of field mounted controllers as well as the advantages of electronic field mounted controllers are analyzed With Moore 348FIELDPAC controller as example the functions and features of the filed mounted controller and the typical applications are presented Keywords Field mounted controller Intelligentization PID control Fieldbus 0 引言 所谓基地式调节器就是集变送 调节 指示或记 录 手自动切换及调节参数设定于一身且能在恶劣的 现场环境下工作的集成式仪表 由于基地式调节器可 以安装在一次检测元件或终端执行元件附近 缩短了 信号传递的时间 有利于改善调节的品质 其次 基地 式调节器安装在操作位置附近 观察方便 直观 因此 在很长一段时间内基地式调节器得到了广泛的应用 然而随着生产简单过程向大型化 连续化 集成化和复 杂化方向发展 与之相应的控制技术 控制理论 控制 系统和控制工具都发生了很大的变化 特别是随着 DCS SCADA 等系统的发展 管理日益集中 因此基地 式调节器的使用日趋减少 随着微处理器的广泛使用 人们又从集散型控制 系统 DCS 的最初概念 危险分散 管理集中 出 发 提出了彻底将电子元器件故障的危险分散到每个 回路 即将 PID 等调节功能集成到变送器中 然后采 用数字通信的办法将 I O 总线直接引到现场 与变送器 相联接 这就是基地式仪表及现场总线出现的社会基础 与技术基础 基地式调节器在这种形势下又获得了新的 生命 它用集成的办法把变送 调节 显示 调校 操作 通 信等功能集于一身 体现出智能化现场仪表的特点 1 基地式调节器的发展及应用状况 最初的基地式调节器包括国产 B 系列和 KF 系 列 由于当时的调节仪表大多还是以气动式仪表为主 因此 B系列和 KF 系列的调节器称为气动式基地调节 器 调节部件以喷嘴 挡板等机械部件为主 由于机械 部件容易磨损 控制组态是以人工调整机械部件来实 现 因此长期使用后调节品质会变差 随着电子技术 的发展 出现了带 PID 调节功能的智能式变送器 主要 包括美国 MOORE公司的 340D 系列和美国 SMAR 公司 的 LD301 系列 由于受变送器本身的限制 这种调节器 不能接入外部反馈信号 故难以实现手 自动无扰动切 换 随后美国 MOORE 公司推出名为 348FIELDPAC 的 基地式调节器 它比带 PID 功能的智能式变送器多了 一个全功能的显示屏 增加了 70 多个运算功能块 可 以通过自行组态 实现复杂 PID 调节 并可接入多种 I O 信号 故可实现手 自动无扰动切换 表 1 为 3 种基 地式调节器的比较如下 气动式基地调节器 典型产品 国产 B系列 从 Honeywell 技术引进 KF 系列 广东仪表厂 使用情况 维护困难 安装复杂 调节稳定性差简 单 PID调节不能进行数据通信 人工调整机械部分 适用范围 温度 压力 液位 差压 简易电子基地调节器 典型产品 340D 美国 Moore 公司 LD301 美国 Smar公司 使用情况 维护方便 安装简单 调节稳定性优 简 单 PID调节 优 可进行数据通信 用组态器组态 适用范围 温度 压力 液位 差压 电子式基地调节器 典型产品 348FIELDPAC 美国 Moore 公司 使用情况 维护方便 安装简单 调节稳定性优 复 64 自动化仪表 第 26 卷第 9 期 2005 年 9 月 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol 26 No 9 September 2005 D OI 10 16086 j cn ki issn 1000 0380 2005 09 022 杂 PID 串级 PID 以及其他运算 可运行数据通信面板 上直接组态 适用范围 温度 压力 液位 差压 2 电子式基地式调节器的优点 由于 PID 报警等功能直接在仪表中实现 做 到了真正的危险分散 一个电子元器件的故障一般只 影响到一个回路 把危险的影响减少到了最小限度 智能式现场仪表通过 I O 总线与控制室仪表 相连接 仍然可以实现信息的集中管理 这是和以往 的基地式仪表的根本差别 而且由于 I O 总线是数字 式的 因此传递的信息量大大地多于模拟信号的信息 量 一般来说 HART 协议的 I O 总线在同一对导线上 可以实现 17 19 种信息的传递 包括现场仪表的量 程 另位迁移 限幅 报警 PID 参数的设定 给定值甚 至于包括现场仪表自身自诊断的结果 可以在控制室 或就地对此仪表进行标定或调校 充分体现了 危险分 散 管理集中 的原则 采用数字化的现场总线 每对现场总线可以连 接多台智能化现场仪表 大大地改变了以往一个现场 仪表一对导线引进控制室的局面 节约了导线 简化了 施工 降低了费用 3 348FIELDPAC 基地式调节器的特点 高度集成化 一台 348 FIELDPAC 中配备了 2 个单回路调节 器 3 路模拟量输入 2 路模拟量输出 可组成两个单回 路调节系统或是一个复杂调节系统 可在背部直接插入压力 差压变送器 可直接接入热电偶 热电阻 mV 信号 不必采用 温度变送器 可接受气动信号输入 也可直接输出气动信号 用户不必再配备电气转换器 可有二路开关量输入 四路 其中二路为继电 器 开关量输出 比一般的智能式变送器具有更丰富的算法 可 以方便地组态各种复杂的调节功能或逻辑功能 可承受恶劣的工作环境 它具有封闭的符合 IP65 等级的金属外壳 可以在 40 85 相对 湿度 5 100 的恶劣环境下工作 具有极好的防爆性能 有本安型 防爆型等几 种形式可供选择 最高可在 级 区 C 组或 D 组环境 下工作 有大的显示屏 可在宽广的视角内观察显示值 棒图或数码显示 可采用 HART 协议与上位仪表进行数据通信 4 348FIELDPAC 基地式调节器的典型应用 基地式仪表大多用于单回路控制系统 但由于数 字技术的应用 控制算法的品种已接近 DCS 的算法 因此它能实现如串级 比值 超驰等复杂控制系统 且 能对输入信号进行温压补偿或选择等信号处理 系统 的复杂程度受限于控制器的输入 输出数量以及每个 控制算法只能调用一次 但它完全可以实现比较复杂 的控制系统 这里仅以轴封压力控制系统 其工艺情况 如图 1 所示 为例加以说明 图 1 轴封压力系统简单工艺图 4 1 控制要求 轴封压力控制系统为一个分程控制系统 由一台 348FIELDPAC 基地式调节器控制辅汽阀和溢流阀 辅汽阀和溢流阀不是同时动作的 而是根据当前控制 输出的大小或控制辅汽阀 或控制溢流阀 控制原理 及组态图见图 2 功能块主要是 图 2 控制原理及组态图 模拟量输入块 FB01 模拟量输出块 FB03 FB29 设 定值高 低限功能 块 FB09 FB51 按 钮切换块 FB11 报警块 FB12 PID 控制器块 FB13 手 自动 切换块 FB14 FB55 设定值跟踪和保持块 FB17 算术 块 FB34 FB35 增益及偏置功能块 FB38 FB39 11通用 切换块 FB49 12三路切换开关 FB71 4 2 工作原理 FB13是一个正作用控制器 当压力高时输出增 65 基地式调节器的应用 卞爱民 等 大 压力低时输出减小 分程是通过 FB38 FB39实现的 FB38 辅汽阀 一路为正增益零偏置 当输入 0 50 时 输出从 0 100 当输 入从 50 100 时 输出 保持 为 100 FB39 溢流阀 一路为正增益负偏置 当其输入从 0 50 时 输出保持为 0 当输入从 50 100 时 输出为 0 100 FB38 FB39方程式分别为 SO SA GA BA GO BO SA 2 SO SA GA BA GO BO SA 2 1 当压力较高时 FB13输出增大 50 FB14 辅 汽阀 的输出从 0 100 而 FB55 溢流阀 的输出保持 在 0 当FB13输出不断增大 50 FB14 辅汽阀 的 输出保持在 100 而 FB55 溢流阀 的输出从0 100 当压力较低时 FB13输出减小 50 FB14 辅汽阀 的 输出保持在 100 而 FB55 溢流阀 的输出从 100 0 当FB13输出不断减小 50 FB55 溢流阀 的输出保 持在 0 而FB14 辅汽阀 的输出从100 0 由于是一个 FB13控制两个阀门 如果不将反馈 信号引入 FB13会造成回路切换时有扰动 因此通过 FB12送出状态信号给 FB49 当输出 50 时 选择溢流阀的反 馈引入 FB13 由于 FB13的输出经过 FB38和 FB39后 阀门控制 指令都发生了变化 放大和偏置 因此阀位反馈信号 必须演算回到 FB13的原阀门控制指令 FB34和 FB35用 来实现这个功能 FB34 FB35方程式分别为 SO SA GA BA GO BO SA 0 5 SO SA GA BA GO BO SA 1 0 5 FB14 FB55同时进行手 自动切换 取 FB14的手 动状 态作跟踪命令 信号 由 于 FB55的状态是跟随 FB14 因此在操作面板上进行手 自动切换是同时改变 FB14和 FB55的状态 操作面板上的 A M 按钮是控制 FB14 而FB14是 在辅汽阀控制回路中 因此必须在辅汽阀控制回路 即 操作面板上 PB2 按钮的箭头显示在上方 中进行手 自 动切换才能有效 5 结束语 综上所述 一台 348FIELDPAC 基地式调节器能实 现复杂的控制要求 此调节器实现轴封控制系统的控 制只是电厂控制系统的一个范例 对于其它各种控制 系统 基地式调节器同样也能很容易地实现所需的控 制功能 这种控制由于投资合理 功能强大 安装和使 用方便 且能通过 HART 协议与 DCS 系统通信 因此适 合于 300MW 以上的新机组 尤其在机组大 小修时增 加个别设备的控制显得更加方便 参考文献 1 Moore Products Co User s Manual of APACS 348FIELDPACTMField Mounted Controller 1997 2 牛玉广 范寒松 计算机控制系统及其在火电厂中的应用 中国 电力出版社 2003 3 赵燕平 火电厂分散控制系统检修运行维护手册 中国电力出版 社 2003 修改稿收到日期 2005 05 31 第一作者卞爱民 男 1969年出生 1991 年毕业于上海大学 现为华 东理工大学在读硕士研究生 工程师 主要从事自动化仪表的应用 浙大中控 MultiF 多功能智能仪表家族又添新成员 为进一步满足广大用户对自动化控制的更高要求 浙大中控经过多年潜心研制的MultiF 多功能智能仪表新 成员 C3000 过程控制器即将推入市场 这一产品的推出是国内二次仪表发展一个新的里程碑 标志着二次 仪表将迈向多功能 网络化的发展阶段 C3000 过程控制器的开发延续了浙大中控先进的技术平台 产品采用 ARM7 高速微处 理器和 5 6 英寸 TFT 真彩液晶屏 并内置了 4 个 PID 调节模块和丰富的控制算法 强大的 实时操作软件使产品的应用更加人性化 通过用户自由编程和组态 可以实现设备管理 数 据库管理