基于現(xiàn)場總線技術(shù)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(guān)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(shù)的應用使得能源的利用率及生產(chǎn)效率大幅提高。構(gòu)建一個集裝置生產(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(chǔ)?；谶@個出發(fā)點，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)的自動化控制方案，替換原有非智能現(xiàn)場控制設(shè)備，包括馬達、閥門定位器、變送器等測量儀表設(shè)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(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(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(shè)備進行交互，更重要的是它的規(guī)模可變性，這一優(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(shè)備，節(jié)省工程費用。以下是利用該系統(tǒng)特點提出的設(shè)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(shè)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(shè)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(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(shè)備，如智能執(zhí)行機構(gòu)，馬達控制器等，對于測量儀表，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(shè)備。

(5) 為確保控制系統(tǒng)的安全性和高可靠性，必須對以下關(guān)鍵部位實行冗余設(shè)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(shè)計;

·控制器(CPU)卡件和通信卡件采用 1:1 冗余設(shè)計;

·連接機架間的數(shù)據(jù)線冗余設(shè)計;

·控制系統(tǒng)間的控制通信網(wǎng)絡、交換機等通信設(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(shù)參數(shù)進行測試和計算，每個控制器的各項參數(shù)設(shè)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(gòu)設(shè)計及功能描述

2.1 控制網(wǎng)絡架構(gòu)的設(shè)計

基于現(xiàn)場智能設(shè)備的工廠管控網(wǎng)是一種規(guī)?？勺兊拈_放式結(jié)構(gòu)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(gòu)建一個工藝控制自動化、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)行機構(gòu)、馬達控制器等現(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)絡層

由圖中結(jié)構(gòu)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(shè)備信息、操作信息等集成起來，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)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。[!--empirenews.page--]

(4) 辦公網(wǎng)絡層

生產(chǎn)網(wǎng)經(jīng)過防火墻與辦公網(wǎng)共享生產(chǎn)信息和集團網(wǎng)絡連接實現(xiàn)集團內(nèi)信息共享，實現(xiàn)設(shè)備維修管理信息、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、庫存管理等生產(chǎn)資源的調(diào)配和管控一體化。

3 現(xiàn)場總線設(shè)備在裝置中的應用及項目設(shè)計要求

基于工廠管控網(wǎng)技術(shù)的 DeltaV 系統(tǒng)能夠很好地兼容來自各種現(xiàn)場總線設(shè)備。本裝置的智能控制設(shè)備如馬達、變頻馬達控制器全部采用 Profibus DP 設(shè)備，智能傳感器、變送器等測量儀表、閥門執(zhí)行機構(gòu)則采用FF 現(xiàn)場總線，對于涉及到安全系統(tǒng)的儀表，則全部采用 HART 協(xié)議儀表。以下是項目中的 FF 現(xiàn)場總線設(shè)備和 DP 設(shè)備的特點及設(shè)計應用要求。

3.1 基金會現(xiàn)場總線的應用與設(shè)計基礎(chǔ)

在碳酸二苯酯裝置改造擴建項目中，對現(xiàn)場總線設(shè)備的選用有明確的要求，必須是經(jīng)過測試的證實個體故障發(fā)生時對整個段內(nèi)的其他設(shè)備無影響。該項目采用的 FF 現(xiàn)場總線設(shè)備主要有薩姆森(SAMSON)智能執(zhí)行機構(gòu)、E + H(Endress + Hauser)、西門子(Sie-mens)、威卡(WIKA)、泰科(TYCO)等供應商的壓力、液位、溫度、流量變送器，F(xiàn)F 現(xiàn)場總線網(wǎng)段共 220 個，平均每個網(wǎng)段掛 5. 3 臺 FF 總線設(shè)備。在 FF 現(xiàn)場總線設(shè)計、組態(tài)過程中，嚴格遵守如下規(guī)定:

(1)現(xiàn)場總線最大允許長度與電纜類型、網(wǎng)段的拓撲結(jié)構(gòu)及本質(zhì)安全要求等因素有關(guān)。本項目中 FF現(xiàn)場總線的通信速率采用 31. 25 kbit/s，現(xiàn)場總線電纜采用 18 AWG(A 型)屏蔽電纜，相應的性能參數(shù)見表 2。該類型的總線電纜在沒有中繼器時的最大總長度為 1 900 m，分支電纜的長度為 30 ～ 120 m。每個Segment 現(xiàn)場總線電纜總長度是所有支線電纜長度的總和加上干線電纜長度。每個 Segment 現(xiàn)場總線電纜總長度要依據(jù)總線供電設(shè)備的容量，是否采用本安回路、網(wǎng)段總的功率負載、線上壓降等進行計算。盡量降低通信負荷，F(xiàn)F 現(xiàn)場總線網(wǎng)段的設(shè)計必須滿足:每個非本安網(wǎng)段(Segment)掛設(shè)備數(shù)量不超過 8;每個本安網(wǎng)段掛接設(shè)備不超過 4 個;其中執(zhí)行機構(gòu)最多 2 個，在沒有變送器的網(wǎng)段上可掛接 3 個執(zhí)行機構(gòu);每個網(wǎng)段上保留 20%的備用量;同一回路的測量、執(zhí)行器放在同一網(wǎng)段內(nèi)。

表 2 現(xiàn)場總線電纜性能參數(shù)表

(2) 現(xiàn)場總線設(shè)備如果安裝在 I 區(qū)，總線供電電源要采用有安全柵功能的接線盒。總線可以直接給連接在該總線上的低功耗總線設(shè)備供電，但是對于一些高功耗的總線設(shè)備則需要采用單獨的供電回路。

對于連接在本安現(xiàn)場總線需要總線供電的總線設(shè)備，考慮到本質(zhì)安全總線上供電電流的有限性，在設(shè)計中要采用低功耗的現(xiàn)場總線設(shè)備。

需要采用單獨供電的總線回路中的供電設(shè)備要采用特殊的防爆措施進行有效地隔離，以保證外部供電電源和總線設(shè)備所連接的通信回路完全隔離。外部電源的能量在任何情況下都不允許轉(zhuǎn)移到本安總線上，以確保單獨供電設(shè)備和總線上的所有現(xiàn)場總線設(shè)備在危險區(qū)的安全使用。

(3) 網(wǎng)段拓樸結(jié)構(gòu)，項目設(shè)計中現(xiàn)場總線設(shè)備的現(xiàn)場安裝位置按所屬單元分布比較集中，適合采用樹形拓撲結(jié)構(gòu)。樹型拓撲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是由多個智能設(shè)備與公共接線箱連接的多條獨立現(xiàn)場總線支線組合而成的結(jié)構(gòu)，支線電纜只能從公共接線盒中即干線電纜引出，不能從其他支線電纜引出，以確保總線的可靠性要求?？偩€電纜的連接要保證支線電纜的屏蔽線絕緣一定要做好，各段總線的干線電纜的屏蔽線必須在機柜側(cè)的接地端子上接地，電纜對地絕緣良好，這一點對 FF 總線設(shè)備的正常使用非常重要;另外，在接線盒的各分支上增加防短路保護功能以確保通信信號不受干擾。樹型拓樸結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖 2 樹型拓樸結(jié)構(gòu)

3.2 Profibus DP 總線的應用及設(shè)計基礎(chǔ)

項目中所有的轉(zhuǎn)動設(shè)備控制均采用 SIEMENS 的Profibus DP 總線智能設(shè)備 SIMOCODE 馬達控制器和VFD - G120、VFD - G150 變頻馬達控制器，這種方案大大地增強了 DCS 對現(xiàn)場馬達控制的操作與監(jiān)控，在

項目設(shè)計時，主要遵循以下幾點要求:

(1) 現(xiàn)場馬達的控制設(shè)備采用的 SIMOCODE 控制模塊安裝在馬達控制中心(MCC)的機柜內(nèi)，每一個MCC 機柜都設(shè)計一個 DP 中繼器和一排終端集線器，在每個段上的最后一個總線設(shè)備都安裝終端電阻，根據(jù) DP 設(shè)備網(wǎng)絡圖，同一個網(wǎng)段上的 MCC 機柜通過中繼器連接到一起，與本網(wǎng)段上的 DP 通信卡連接。每個 MCC 柜內(nèi)的中繼器用來分開子網(wǎng)段，當一個子網(wǎng)段發(fā)生故障時不會影響同一個 DP 卡上的其他的子網(wǎng)段。

(2) DCS 對馬達控制信號如啟動/停止信號、變頻器的轉(zhuǎn)速信號及轉(zhuǎn)速設(shè)定值、馬達的運行信號、電流過載及其他故障信號、功率信號等都由 Profibus 通信實現(xiàn)。但對于由 DCS 緊急停止馬達的控制，則由 DCS的 DO 輸出，通過硬接線到 MCC 柜實現(xiàn)。

(3) 依據(jù)設(shè)計要求，現(xiàn)場要求安裝啟動/停止操作柱及遠程和就地選擇開關(guān)，當開關(guān)撥到就地控制時，馬達啟動只能在現(xiàn)場啟動，當撥至遠程控制位時，由DCS 啟動。而停止馬達不受開關(guān)位置限制，就地和DCS 都可以在任何時候停止馬達的運行，該方案大大提高了馬達控制的靈活性和安全性。通過編程，可以實現(xiàn) DCS 遠程自動啟動馬達，而當出現(xiàn)緊急故障時，根據(jù)當時的情況既可以通過現(xiàn)場操作柱也可以通過DCS 發(fā)出停止馬達命令。

(4)DP 數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)置為 500 kbit / s，在不使用中繼器的情況下一個網(wǎng)段的最大傳輸距離是400 m。在通信過程中阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配都會導致信號反射，導致通信質(zhì)量和通信距離的降低。為了消除在通信電纜中的信號反射，確?？偩€上的設(shè)備無差錯的運行，必須確保接線質(zhì)量，嚴格設(shè)置每個物理網(wǎng)段中的各個節(jié)點設(shè)備的終端電阻，如圖3，網(wǎng)段中間站點的終端電阻要打到 OFF 位置，網(wǎng)段兩頭的終端電阻要打到ON 的位置。[!--empirenews.page--]

3.3 HART 協(xié)議智能儀表的應用及設(shè)計基礎(chǔ)

項目對于 HART 智能設(shè)備的應用，主要滿足于安全儀表系統(tǒng)的要求，由于安全系統(tǒng)對測量儀表的安全性和可靠性要求高，需要對每個回路進行 SIL 等級的計算。項目中采用滿足 SIL 等級要求的 HART協(xié)議測量儀表，在傳輸 4 ～ 20 mA 的信號上疊加了HART 協(xié)議的數(shù)字信號進行雙向數(shù)字通信，數(shù)據(jù)傳輸率為 1. 2 Mbit/s，采用雙絞同軸電纜最大傳輸距離可達 1 500 m。這樣既滿足安全系統(tǒng)接收 4 ～ 20 mA 的模擬 信 號 的 需 要，又 借 助 于 PlantWeb 組 件 中 的HART 技術(shù)，將 HART 設(shè)備中的豐富過程參數(shù)信息傳送至 DCS 內(nèi)嵌的資產(chǎn)管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)設(shè)備的診斷和管理功能。對于 HART 協(xié)議儀表測量設(shè)備，主要考慮以下幾點:

圖 3 DP 設(shè)備連接及終端電阻圖

(1) 每個 HART 儀表都通過一個分配器將信號分成兩路，一路 4 ～20 mA 信號接到 ESD 系統(tǒng)，一路接到 DCS，由 DCS 采集 HART 信號。

(2) 如果現(xiàn)場來的信號需要接入 DCS、ESD 系統(tǒng)外的其他子系統(tǒng)，需要串接兩個分配器則第一個分配器的輸出接入 DCS，以避免疊加在模擬信號上的數(shù)字信號失真。

4 結(jié)束語

本項目利用基于現(xiàn)場總線的工廠管控網(wǎng)結(jié)構(gòu)的自控系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了碳酸二苯酯廠 20 萬噸/年到 40 萬噸/年的改擴建工程，并將工程的工期由原計劃的 28個月縮減為 25 個月，這其中重要的原因之一就是項目采用基于現(xiàn)場總線技術(shù)的自控系統(tǒng)方案，這一方案的應用，很明顯縮短工程自控設(shè)備的安裝調(diào)試時間，使得工程得以提前開工試運行，為節(jié)省人工成本和縮短項目周期發(fā)揮了重要作用，為其他類似的工廠構(gòu)建一個工藝控制自動化、儀表設(shè)備智能化、企業(yè)管理信息化的現(xiàn)代化工廠提供參考。