基于現(xiàn)場總線技術的 DCS 應用

0 引言

某外資碳酸二苯酯廠的改擴建項目中，要求對原有 20 萬噸/年產(chǎn)量的裝置進行相關工藝單元的優(yōu)化改造、擴充，并新增兩個全新工藝單元，以實現(xiàn)擴建后產(chǎn)能達到 40 萬噸/年，新工藝技術的應用使得能源的利用率及生產(chǎn)效率大幅提高。構建一個集裝置生產(chǎn)操作監(jiān)控、設備狀態(tài)監(jiān)控、資產(chǎn)管理、資源分配、經(jīng)營及市場管理一體化的自動化控制系統(tǒng)是實現(xiàn)裝置生產(chǎn)高效益和提高競爭優(yōu)勢的基礎。基于這個出發(fā)點，本文提出采用基于工廠管控網(wǎng)技術的 DeltaV 系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)，以現(xiàn)場總線技術設備為基礎的自動化控制方案，替換原有非智能現(xiàn)場控制設備，包括馬達、閥門定位器、變送器等測量儀表設備，改變原安全系統(tǒng)(SIS)通過Modbus 連接 DCS 和生產(chǎn)網(wǎng)的模式，引入 Modbus TCP /IP 技術連接安全系統(tǒng)和 DCS 系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)的選用及系統(tǒng)的硬件配置

1.1 控制系統(tǒng)選用及應用要求

碳酸二苯酯裝置自動化控制系統(tǒng)采用艾默生公司的具有工廠管控網(wǎng)結構體系的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于FF 總線技術，采用標準的開放式協(xié)議進行操作，可以與企業(yè)內(nèi)已聯(lián)網(wǎng)的全部智能現(xiàn)場設備進行交互，更重要的是它的規(guī)?？勺冃裕@一優(yōu)勢提供未來系統(tǒng)進一步改擴建的靈活性及充分利用原有的控制系統(tǒng)設備，節(jié)省工程費用。以下是利用該系統(tǒng)特點提出的設計要求:

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

(2)充分利用系統(tǒng)規(guī)模可變性特點，在控制網(wǎng)絡里安裝兩臺專用應用站，安裝 OPC 服務器、設備管理系統(tǒng)服務器等應用軟件，且互為冗余。安裝兩臺遠程DCS 操作站，滿足用戶在現(xiàn)場進行系統(tǒng)的操作、監(jiān)控與維護等工作。

(3) 借助于管控網(wǎng)結構良好的開放特性，安全系統(tǒng)(SIS)和 DCS 系統(tǒng)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 控制器通過交換機和任意多個 DCS 控制器之間信息共享，利用網(wǎng)絡中的核心交換機引入 GPS 時間，實現(xiàn) DCS 和 ESD系統(tǒng)的時間同步。

(4) 盡可能使用總線智能設備，如智能執(zhí)行機構，馬達控制器等，對于測量儀表，非安全相關的儀表設備必須選用 FF 智能儀表，安全相關的模擬量儀表設備必須選用帶 HART 通信功能的智能儀表，開關量信號采用 NAMUR 類型，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(tǒng)的安全性和高可靠性，必須對以下關鍵部位實行冗余設計:

·控制系統(tǒng)柜、網(wǎng)絡柜的電源采用相互獨立的兩路 UPS 供電系統(tǒng) 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(shù)據(jù)線冗余設計;

·控制系統(tǒng)間的控制通信網(wǎng)絡、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系統(tǒng)會實現(xiàn)自動無擾動的切換，并發(fā)送相應的報警信息。

1.2 控制系統(tǒng)硬件配置

控制系統(tǒng)包括 DCS 控制站 18 個，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，新增 ESD 控制站采用 Hi-max;服務器 5 臺，包括 2 臺應用站，2 臺遠程操作站，1臺專家站;操作站 4 臺，工程師站 2 臺。I/O 點數(shù)如表1 所示。

項目執(zhí)行過程中要對控制器的主要技術參數(shù)進行測試和計算，每個控制器的各項參數(shù)設計要求:空余內(nèi)存 >35%;空余存儲器 > 30%;DST 的備用點 > 20%;每個控制站備用 I/O 通道 >20%。

表 1 I/O 點表

2 改造后控制系統(tǒng)的架構設計及功能描述

2.1 控制網(wǎng)絡架構的設計

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

利用現(xiàn)有系統(tǒng)的生產(chǎn)網(wǎng)、辦公網(wǎng)，構建一個工藝控制自動化、儀表設備智能化、企業(yè)管理信息化的現(xiàn)代化工廠，系統(tǒng)架構如圖 1 所示。

圖 1 碳酸二苯酯裝置控制系統(tǒng)架構

2.2 功能描述

(1)智能現(xiàn)場設備層

主要分為三種類型智能設備、測量儀表:FF、Profi-bus 及 HART 協(xié)議類型的變送器、執(zhí)行機構、馬達控制器等現(xiàn)場智能設備，這些設備通過現(xiàn)場總線與相應的智能 I/O 通信卡件接入控制系統(tǒng)，構成工廠管控網(wǎng)的第一層。

(2) 控制網(wǎng)絡層

由圖中結構看出，控制網(wǎng)絡中 DCS 系統(tǒng)是工藝生產(chǎn)流程的過程控制核心，實現(xiàn)對各種復雜工藝過程的控制、工藝和系統(tǒng)報警信息的監(jiān)測等。安全系統(tǒng)是獨立的子系統(tǒng)，其通過 Modbus TCP/IP 接入 DCS，實現(xiàn)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)絡層

通過 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，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備進行遠程巡檢和診斷，對工藝操作信息、報警歷史數(shù)據(jù)等進行存儲監(jiān)控和分析。