基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的 DCS 應用

0 引言

某外資碳酸二苯酯廠(chǎng)的改擴建項目中，要求對原有 20 萬(wàn)噸/年產(chǎn)量的裝置進(jìn)行相關(guān)工藝單元的優(yōu)化改造、擴充，并新增兩個(gè)全新工藝單元，以實(shí)現擴建后產(chǎn)能達到 40 萬(wàn)噸/年，新工藝技術(shù)的應用使得能源的利用率及生產(chǎn)效率大幅提高。構建一個(gè)集裝置生產(chǎn)操作監控、設備狀態(tài)監控、資產(chǎn)管理、資源分配、經(jīng)營(yíng)及市場(chǎng)管理一體化的自動(dòng)化控制系統是實(shí)現裝置生產(chǎn)高效益和提高競爭優(yōu)勢的基礎?；谶@個(gè)出發(fā)點(diǎn)，本文提出采用基于工廠(chǎng)管控網(wǎng)技術(shù)的 DeltaV 系統作為控制系統，以現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)設備為基礎的自動(dòng)化控制方案，替換原有非智能現場(chǎng)控制設備，包括馬達、閥門(mén)定位器、變送器等測量?jì)x表設備，改變原安全系統(SIS)通過(guò)Modbus 連接 DCS 和生產(chǎn)網(wǎng)的模式，引入 Modbus TCP /IP 技術(shù)連接安全系統和 DCS 系統。

1 控制系統的選用及系統的硬件配置

1.1 控制系統選用及應用要求

碳酸二苯酯裝置自動(dòng)化控制系統采用艾默生公司的具有工廠(chǎng)管控網(wǎng)結構體系的控制系統，該系統基于FF 總線(xiàn)技術(shù)，采用標準的開(kāi)放式協(xié)議進(jìn)行操作，可以與企業(yè)內已聯(lián)網(wǎng)的全部智能現場(chǎng)設備進(jìn)行交互，更重要的是它的規?？勺冃?，這一優(yōu)勢提供未來(lái)系統進(jìn)一步改擴建的靈活性及充分利用原有的控制系統設備，節省工程費用。以下是利用該系統特點(diǎn)提出的設計要求:

(1)考慮到系統的可靠性和安全性，由 DCS 控制器承擔主要的過(guò)程控制計算，所有的復雜控制算法都由 DCS 控制器完成，現場(chǎng)總線(xiàn)設備不參與控制及計算。

(2)充分利用系統規?？勺冃蕴攸c(diǎn)，在控制網(wǎng)絡(luò )里安裝兩臺專(zhuān)用應用站，安裝 OPC 服務(wù)器、設備管理系統服務(wù)器等應用軟件，且互為冗余。安裝兩臺遠程DCS 操作站，滿(mǎn)足用戶(hù)在現場(chǎng)進(jìn)行系統的操作、監控與維護等工作。

(3) 借助于管控網(wǎng)結構良好的開(kāi)放特性，安全系統(SIS)和 DCS 系統之間的通信采用基于 Modbus 的TCP / IP 的通信方式，這種方式可以把 ESD 控制器通過(guò)交換機和任意多個(gè) DCS 控制器之間信息共享，利用網(wǎng)絡(luò )中的核心交換機引入 GPS 時(shí)間，實(shí)現 DCS 和 ESD系統的時(shí)間同步。

(4) 盡可能使用總線(xiàn)智能設備，如智能執行機構，馬達控制器等，對于測量?jì)x表，非安全相關(guān)的儀表設備必須選用 FF 智能儀表，安全相關(guān)的模擬量?jì)x表設備必須選用帶 HART 通信功能的智能儀表，開(kāi)關(guān)量信號采用 NAMUR 類(lèi)型，變頻和非變頻馬達控制器選用 Profibus DP 通信協(xié)議的智能設備。

(5) 為確?？刂葡到y的安全性和高可靠性，必須對以下關(guān)鍵部位實(shí)行冗余設計:

·控制系統柜、網(wǎng)絡(luò )柜的電源采用相互獨立的兩路 UPS 供電系統 1:1 冗余設計;

·控制器(CPU)卡件和通信卡件采用 1:1 冗余設計;

·連接機架間的數據線(xiàn)冗余設計;

·控制系統間的控制通信網(wǎng)絡(luò )、交換機等通信設備冗余，冗余的通信電纜一路走裝置的電纜橋架，一路走地下通信用的電纜井。采用冗余配置的設備有故障時(shí)系統會(huì )實(shí)現自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)的切換，并發(fā)送相應的報警信息。

1.2 控制系統硬件配置

控制系統包括 DCS 控制站 18 個(gè)，新增 DCS 控制站采用 MX 控制器，原有控制站的控制器升級為 MX控制器;ESD 控制站 8 個(gè)，新增 ESD 控制站采用 Hi-max;服務(wù)器 5 臺，包括 2 臺應用站，2 臺遠程操作站，1臺專(zhuān)家站;操作站 4 臺，工程師站 2 臺。I/O 點(diǎn)數如表1 所示。

項目執行過(guò)程中要對控制器的主要技術(shù)參數進(jìn)行測試和計算，每個(gè)控制器的各項參數設計要求:空余內存 >35%;空余存儲器 > 30%;DST 的備用點(diǎn) > 20%;每個(gè)控制站備用 I/O 通道 >20%。

表 1 I/O 點(diǎn)表

2 改造后控制系統的架構設計及功能描述

2.1 控制網(wǎng)絡(luò )架構的設計

基于現場(chǎng)智能設備的工廠(chǎng)管控網(wǎng)是一種規?？勺兊拈_(kāi)放式結構體系，方便系統擴容及原有資源的利用?？紤]到對現有系統資源的充分利用，降低控制網(wǎng)絡(luò )和生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò )的工程費用。項目只對控制網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行擴展，對于新增遠程操作站及 I/O 站，通過(guò)光纖接入新機柜室的冗余控制網(wǎng)絡(luò )柜的主副網(wǎng)上實(shí)現遠距離的控制。新機柜室的控制站通過(guò)以太網(wǎng)線(xiàn)連接至冗余通信柜，再通過(guò)光纖遠距離傳輸至原有通信柜的主副控制網(wǎng)絡(luò )中，實(shí)現與控制室網(wǎng)絡(luò )，生產(chǎn)網(wǎng)及辦公網(wǎng)絡(luò )的連通。新增操作站、服務(wù)器直接接入現有控制網(wǎng)的主副網(wǎng)中，以實(shí)現對工廠(chǎng)生產(chǎn)的控制操作和工藝信息、報警信息的監測。

利用現有系統的生產(chǎn)網(wǎng)、辦公網(wǎng)，構建一個(gè)工藝控制自動(dòng)化、儀表設備智能化、企業(yè)管理信息化的現代化工廠(chǎng)，系統架構如圖 1 所示。

圖 1 碳酸二苯酯裝置控制系統架構

2.2 功能描述

(1)智能現場(chǎng)設備層

主要分為三種類(lèi)型智能設備、測量?jì)x表:FF、Profi-bus 及 HART 協(xié)議類(lèi)型的變送器、執行機構、馬達控制器等現場(chǎng)智能設備，這些設備通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)與相應的智能 I/O 通信卡件接入控制系統，構成工廠(chǎng)管控網(wǎng)的第一層。

(2) 控制網(wǎng)絡(luò )層

由圖中結構看出，控制網(wǎng)絡(luò )中 DCS 系統是工藝生產(chǎn)流程的過(guò)程控制核心，實(shí)現對各種復雜工藝過(guò)程的控制、工藝和系統報警信息的監測等。安全系統是獨立的子系統，其通過(guò) Modbus TCP/IP 接入 DCS，實(shí)現信息的共享、互為操作。操作站和工程師站作為操作和日常維護的界面。

(3) 生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò )層

通過(guò) OPC 協(xié)議，將控制網(wǎng)上的生產(chǎn)信息、設備信息、操作信息等集成起來(lái)，實(shí)現對現場(chǎng)設備進(jìn)行遠程巡檢和診斷，對工藝操作信息、報警歷史數據等進(jìn)行存儲監控和分析。