基于現(xiàn)場總線技術(shù)的 DCS 應(yīng)用

0 引言

某外資碳酸二苯酯廠的改擴(kuò)建項(xiàng)目中，要求對(duì)原有 20 萬噸/年產(chǎn)量的裝置進(jìn)行相關(guān)工藝單元的優(yōu)化改造、擴(kuò)充，并新增兩個(gè)全新工藝單元，以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)建后產(chǎn)能達(dá)到 40 萬噸/年，新工藝技術(shù)的應(yīng)用使得能源的利用率及生產(chǎn)效率大幅提高。構(gòu)建一個(gè)集裝置生產(chǎn)操作監(jiān)控、設(shè)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(dòng)化控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)裝置生產(chǎn)高效益和提高競爭優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)?；谶@個(gè)出發(fā)點(diǎn)，本文提出采用基于工廠管控網(wǎng)技術(shù)的 DeltaV 系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)，以現(xiàn)場總線技術(shù)設(shè)備為基礎(chǔ)的自動(dòng)化控制方案，替換原有非智能現(xiàn)場控制設(shè)備，包括馬達(dá)、閥門定位器、變送器等測量儀表設(shè)備，改變?cè)踩到y(tǒng)(SIS)通過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(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(yīng)用要求

碳酸二苯酯裝置自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用艾默生公司的具有工廠管控網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于FF 總線技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)的開放式協(xié)議進(jìn)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(shè)備進(jìn)行交互，更重要的是它的規(guī)?？勺冃?，這一優(yōu)勢(shì)提供未來系統(tǒng)進(jìn)一步改擴(kuò)建的靈活性及充分利用原有的控制系統(tǒng)設(shè)備，節(jié)省工程費(fèi)用。以下是利用該系統(tǒng)特點(diǎn)提出的設(shè)計(jì)要求:

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

(2)充分利用系統(tǒng)規(guī)?？勺冃蕴攸c(diǎn)，在控制網(wǎng)絡(luò)里安裝兩臺(tái)專用應(yīng)用站，安裝 OPC 服務(wù)器、設(shè)備管理系統(tǒng)服務(wù)器等應(yīng)用軟件，且互為冗余。安裝兩臺(tái)遠(yuǎn)程DCS 操作站，滿足用戶在現(xiàn)場進(jìn)行系統(tǒng)的操作、監(jiān)控與維護(hù)等工作。

(3) 借助于管控網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(jī)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(jī)引入 GPS 時(shí)間，實(shí)現(xiàn) DCS 和 ESD系統(tǒng)的時(shí)間同步。

(4) 盡可能使用總線智能設(shè)備，如智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，馬達(dá)控制器等，對(duì)于測量儀表，非安全相關(guān)的儀表設(shè)備必須選用 FF 智能儀表，安全相關(guān)的模擬量儀表設(shè)備必須選用帶 HART 通信功能的智能儀表，開關(guān)量信號(hào)采用 NAMUR 類型，變頻和非變頻馬達(dá)控制器選用 Profibus DP 通信協(xié)議的智能設(shè)備。

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

·控制系統(tǒng)柜、網(wǎng)絡(luò)柜的電源采用相互獨(dú)立的兩路 UPS 供電系統(tǒng) 1:1 冗余設(shè)計(jì);

·控制器(CPU)卡件和通信卡件采用 1:1 冗余設(shè)計(jì);

·連接機(jī)架間的數(shù)據(jù)線冗余設(shè)計(jì);

·控制系統(tǒng)間的控制通信網(wǎng)絡(luò)、交換機(jī)等通信設(shè)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(shè)備有故障時(shí)系統(tǒng)會(huì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無擾動(dòng)的切換，并發(fā)送相應(yīng)的報(bào)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(gè)，新增 DCS 控制站采用 MX 控制器，原有控制站的控制器升級(jí)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(tái)，包括 2 臺(tái)應(yīng)用站，2 臺(tái)遠(yuǎn)程操作站，1臺(tái)專家站;操作站 4 臺(tái)，工程師站 2 臺(tái)。I/O 點(diǎn)數(shù)如表1 所示。

項(xiàng)目執(zhí)行過程中要對(duì)控制器的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測試和計(jì)算，每個(gè)控制器的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)要求:空余內(nèi)存 >35%;空余存儲(chǔ)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(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)及功能描述

2.1 控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)場智能設(shè)備的工廠管控網(wǎng)是一種規(guī)模可變的開放式結(jié)構(gòu)體系，方便系統(tǒng)擴(kuò)容及原有資源的利用。考慮到對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)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(fèi)用。項(xiàng)目只對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展，對(duì)于新增遠(yuǎn)程操作站及 I/O 站，通過光纖接入新機(jī)柜室的冗余控制網(wǎng)絡(luò)柜的主副網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的控制。新機(jī)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(yuǎn)距離傳輸至原有通信柜的主副控制網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)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(xiàn)有控制網(wǎng)的主副網(wǎng)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠生產(chǎn)的控制操作和工藝信息、報(bào)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(gòu)建一個(gè)工藝控制自動(dòng)化、儀表設(shè)備智能化、企業(yè)管理信息化的現(xiàn)代化工廠，系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 碳酸二苯酯裝置控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 功能描述

(1)智能現(xiàn)場設(shè)備層

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

(2) 控制網(wǎng)絡(luò)層

由圖中結(jié)構(gòu)看出，控制網(wǎng)絡(luò)中 DCS 系統(tǒng)是工藝生產(chǎn)流程的過程控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種復(fù)雜工藝過程的控制、工藝和系統(tǒng)報(bào)警信息的監(jiān)測等。安全系統(tǒng)是獨(dú)立的子系統(tǒng)，其通過 Modbus TCP/IP 接入 DCS，實(shí)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(hù)的界面。

(3) 生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)層

通過 OPC 協(xié)議，將控制網(wǎng)上的生產(chǎn)信息、設(shè)備信息、操作信息等集成起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程巡檢和診斷，對(duì)工藝操作信息、報(bào)警歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行存儲(chǔ)監(jiān)控和分析。