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    1 背景和研究意義

      在國家大力提倡節(jié)約能源，發(fā)展綠色環(huán)保工業(yè)的前提下，生產環(huán)境污染的治理已經(jīng)提到議事日程，為了符合國家的產業(yè)發(fā)展政策，更好地保證苯酚生產裝置安全、穩(wěn)定、綠色環(huán)保開車的要求，提出通過自控集散控制系統(tǒng)，結合苯酚車間生產裝置環(huán)境污染的具體情況，進行點源治理。整個項目在原有DCS系統(tǒng)控制基礎上采用增加現(xiàn)場總線控制和OPC開放應用系統(tǒng)，以實現(xiàn)上級有效遠程監(jiān)控及通過互聯(lián)網(wǎng)進行時時監(jiān)管的目標。

    2 DCS自動化控制、總線控制的開放性技術介紹

    2.1 現(xiàn)有自控系統(tǒng)概述

      本裝置采用了Honeywell公司的TDC-3000LCN/UCN-PM(LM) 系統(tǒng)， 它是該公司于80年代末推出的第二代產品，具備當時的世界先進水平。

    2.1.1 該系統(tǒng)的技術特點

      該系統(tǒng)是一個開放性系統(tǒng)。采用了IEEE802.4和IS08802／4國際標準，以OSI模型為基礎，遵循MAP協(xié)議；
該系統(tǒng)通過計算機接口與工廠資本、財務、物流管理系統(tǒng)相連構成綜合管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)全裝置的優(yōu)化控制和優(yōu)化管理。

      為使裝置操作安全可靠，大多數(shù)系統(tǒng)的設備具備冗余性。

      控制系統(tǒng)構成： 就總體而言， 系統(tǒng)主要由基本系統(tǒng)（BASIC）、萬能控制網(wǎng)絡（Universal Control Network，UCN）和局部控制網(wǎng)絡（Local Control Network，LCN）組成，如圖1所示。

      2.1.2 通信網(wǎng)絡

      TDC3000的通信部分包括高速數(shù)據(jù)通路（HW）、局部控制網(wǎng)絡（LCN）和萬能控制網(wǎng)絡（UCN）三部分。

    2.1.2.1 HW通信系統(tǒng)

      HW是TDC3000的第一代通信網(wǎng)絡，它是基本系統(tǒng)中功能模塊與人機接口和上位計算機之間的信息傳遞通道。系統(tǒng)采用總線型結構和廣播式通信協(xié)議，由高速通路通信指揮器（HTD）“監(jiān)督”數(shù)據(jù)通信。

      2.1.2.2 LCN通信系統(tǒng)

      LCN網(wǎng)的主要功能是：擔負各模塊間的信息傳遞；通過有效的協(xié)議和高速通信確保信息的及時交換；通過1:1冗余配置和完善的信息檢錯功能提供高安全性的通信。

      2.1.2.3 UCN通信系統(tǒng)

      UCN網(wǎng)絡是一個高性能的回路級實時控制網(wǎng)絡，其采用IEEE802通信標準和令牌總線存取方式，傳輸速度是5Mbps。最多可帶32個冗余設備。UCN網(wǎng)絡支持網(wǎng)上設備間的點到點通信。UCN通過網(wǎng)絡接口模塊NIM與LCN相連，最多可以有20個UCN網(wǎng)絡和HW網(wǎng)絡連接到同一LCN上。UCN也采取雙重冗余電纜確保安全可靠性。
 

      2.1.3 軟件組態(tài)

      TDC3000提供了三部分系統(tǒng)軟件組態(tài)形式，分別是NCF組態(tài)、控制組態(tài)和畫面組態(tài)。

    2.2 現(xiàn)場總線控制及OPC系統(tǒng)技術理論介紹

    2.2.1 現(xiàn)場總線控制策略

    2.2.1.1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)介紹

      現(xiàn)場總線控制是指由現(xiàn)場總線與現(xiàn)場智能設備組成的控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線定義為安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。

      現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（簡稱FCS），是繼集散控制系統(tǒng)（簡稱DCS）基礎產生的新型控制系統(tǒng)，F(xiàn)CS系統(tǒng)是DCS系統(tǒng)的發(fā)展和延續(xù)。它是一個開放性的系統(tǒng)，采用通信協(xié)議一致的通訊模式。

      通過標準通訊協(xié)議可以使不同廠家的設備、不同類型的設備通過數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)信息通訊，構建成一個有機的互聯(lián)系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)只限于同種型號、同廠家的產品進行更換、相互通訊的局限性問題。

      2.2.1.2 FCS系統(tǒng)較DCS系統(tǒng)的優(yōu)勢

      （1）結構集約化

      相對DCS系統(tǒng)結構，F(xiàn)CS系統(tǒng)省去了端子柜、隔離器、I/O卡件、I/O控制單元等硬件設施，大大節(jié)約了硬件投入。由于采用總線連接，省去了大量電纜的投資。

      （2）容錯能力強，精度得到提高

      由于FCS系統(tǒng)使用了屏蔽邏輯、自校驗、錯誤自檢、定時監(jiān)督技術，因此容錯能力得到進一步增強。由于采用數(shù)據(jù)通訊，因此較DCS系統(tǒng)模擬量傳輸精度得到明顯提高。

      （3）抗干擾能力、控制精度明顯提高

      FCS系統(tǒng)可以就近對現(xiàn)場信號進行處理，而且以數(shù)字信號進行傳輸，采用智能化、數(shù)字化處理技術，因此較之模擬信號傳輸提高了抗干擾能力和控制精度。

      （4）節(jié)約控制回路費用

      FCS系統(tǒng)采用“一對多”控制方式，較DCS系統(tǒng)“一對一”控制模式省去了大量施工材料費用，一條電纜或雙絞線就可以帶很多設備，因此工程費用得到降低。

      （5）便于日常維護

      FCS系統(tǒng)所帶的設備通常帶有自診斷信息，通過自診斷信息可以實現(xiàn)現(xiàn)場設備的運行信息、故障狀態(tài)、潛在危險實時上傳，通知相關人員及時進行處理，大大減少了日常維護工作。

      （6）電機控制智能化

      通過FCS系統(tǒng)可以實現(xiàn)電機的單向和雙向控制，并可對電機的電流、電量、故障等狀態(tài)進行全面監(jiān)控，同時對電機接地、過流、相間不平衡進行綜合保護控制。

      2.2.1.3 現(xiàn)場總線控制方案的應用情況

      （1）現(xiàn)場總線控制常見通訊協(xié)議

      現(xiàn)場總線控制已經(jīng)廣泛應用于各個領域，其中基金會現(xiàn)場總線、PROFIBUS現(xiàn)場總線、LONWORKS現(xiàn)場總線、CAN現(xiàn)場總線、HART現(xiàn)場總線、DEVICE現(xiàn)場總線、MODBUS現(xiàn)場總線在全球的民用、工業(yè)控制系統(tǒng)中發(fā)揮各自的優(yōu)勢和作用。

      （2）現(xiàn)場總線在石化行業(yè)的應用

      現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在石化行業(yè)系統(tǒng)應用比較廣范，中海油目前已經(jīng)有許多成功應用案例。如中海石化公司的60萬噸/年甲醇項目（如圖2所示）、旅大油田開發(fā)的項目、南海殼牌80萬噸/年乙烯項目都是采用總線控制。

      現(xiàn)場總線系統(tǒng)不僅在石化領域內得到有效應用，在其他領域如火電廠、鋼鐵行業(yè)、水泥行業(yè)、煙草行業(yè)、建筑行業(yè)的樓宇智能控制、化纖行業(yè)、凈水處理、溫度檢控系統(tǒng)等多個行業(yè)中發(fā)揮了相當重要的作用。

      2.2.1.4 現(xiàn)場總線控制方案的進步性介紹

       從圖3可以看出，F(xiàn)CS系統(tǒng)相對DCS系統(tǒng)結構上改動不大，而且二者共有“集中管理、分散控制”的設計理念。不過，F(xiàn)CS系統(tǒng)在底層系統(tǒng)邏輯上較之DCS系統(tǒng)有較大改進。底層通信網(wǎng)能夠實現(xiàn)現(xiàn)場智能設備的數(shù)字通訊、雙向傳輸數(shù)據(jù)，并可進行多分枝結構間數(shù)字通訊。FCS系統(tǒng)先進性最突出的優(yōu)點是要求現(xiàn)場設備必須是數(shù)字化、智能化、完全實現(xiàn)現(xiàn)場底層信息開放化。

      2.2.2 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的控制類型

      現(xiàn)場總線共有7種類型，工業(yè)生產中常用的為PROFIBUS數(shù)據(jù)總線形式。該系統(tǒng)總線是德國西門子公司的總線標準，具有PA和DA兩種形式（PA可傳遞信號同時傳遞能量，DA僅能傳遞信號）。該總線協(xié)議已經(jīng)獲得全世界260個大型電氣生產廠商的支持，也幾乎是歐洲通用的通訊標準。

      2.2.3 PROFIBUS總線的特點

      （1）與計算機處理器相同的分時處理功能，提高了整個系統(tǒng)的控制功能。
      （2）通訊快速而且簡單，通訊方式可靠。
      （3）具有提高系統(tǒng)安全系數(shù)的冗余結構。
      （4）具有較少的軟件棧。
      （5）具有便于互聯(lián)互接的GSD和行規(guī)文件。
      （6）具有FISCO危險區(qū)域認證標準。
      （7）具有大容量的總線和大量高速設備，高速設備可以大量被系統(tǒng)掛接使用。
      （8）總線基于F/O接口和RS485通訊接口，通用性強。

      2.2.4 現(xiàn)場總線的DP連接方式

      （1）控制器之間的通信連接采用PROFIBUS總線進行連接。
      （2）總線中通信設備間采用主從式，共有兩種主方式。一種為CLASS 1通信管理周期方式（PLC設備等），另一種為CLASS 2SMART VISION 用于非循環(huán)通信方式，而是用于組態(tài)方式。

      （3）通信介質可以是雙絞線和光纜，以光纜居多。

    2.2.5 現(xiàn)場總線的PA連接方式

      （1）PA是現(xiàn)場總線通訊標準，能夠為現(xiàn)場儀表提供電源。
      （2）PROFIBUS總線可以控制分布，其中包括主設備的數(shù)據(jù)傳送和設備執(zhí)行功能塊。

      2.2.6 現(xiàn)場總線的組態(tài)說明

      （1）現(xiàn)場組態(tài)核心工具：用于調試和診斷的DIGTOOL（F2K-工程工具）；用于主控制器（主設備）的組態(tài)、診斷的MASTER工具；用于對附屬設備（從控制器）的組態(tài)、診斷工具SLAVE。
      （2）所有現(xiàn)場設備與遠程I/O開放，具有極大兼容性和開放性。
      （3）組態(tài)現(xiàn)場設備模板定義。
      （4）通過變量名連接I/O DATE與診斷數(shù)據(jù)到程序。
      （5）具有獨立的DP/VI-參數(shù)對話框。
      （6）具有設備類型管理功能-DTM（DEVICE TYPEMANAGER）。

      2.2.7 OPC的特點

      開放性：OPC是一個開放的通信接口規(guī)范，它提供了開放的界面模式， 支持幾何所有編程語言，如C++、VB、Java、HTML等。

      產業(yè)性：最終用戶和供應商無需在集成方面花費過多時間，并可節(jié)約開支。

      互聯(lián)性：最終用戶可以在諸多自動化設備系統(tǒng)中自由地使用客戶應用程序，例如HMI、SCADA、MES…，任何客戶程序都可和服務器連接（Plug & Play）。

    3 實施方案

      3.1 氧化尾氣工藝改造內容

      氧化尾氣活性炭吸附器并聯(lián)改為串聯(lián)操作，通過增加6個數(shù)字量DI輸入信號、6個數(shù)字量DO輸出信號、3個數(shù)字量組合點，修改DCS活性炭吸附器程序，實現(xiàn)苯酚裝置氧化單元排放尾氣的二臺活性炭吸附器串聯(lián)控制過程，避免原二臺活性炭吸附器兩臺并聯(lián)運行，一臺進行再生，導致超量的異丙苯被排放到大氣污染現(xiàn)象。這樣可提高吸附效率，使廢氣中的有機物從1520mg/m3下降到120mg/m3，解決了氧化尾氣污染物排放超標問題。

    3.2 其它工藝系統(tǒng)的改造內容

      通過增加除鹽器來實現(xiàn)PRU酚鈉鹽回收目標、實施精丙酮塔真空分立控制、更換OEC系統(tǒng)油萃取塔（T-502）及萃取油堿洗塔（T-503）、增加氧化進料洗滌塔（T-101）廢水回收處理等一系列工藝改造來降低裝置廢水COD的控制目標。

      3.3 基礎儀表自動化工程內容

（1）增加17點模擬量信號、12個控制回路、12個調節(jié)閥門的DCS設計組態(tài)、安裝調試工作。
（2）增加1個串級、2個比值、2個選擇切換、一個選擇調節(jié)的DCS設計組態(tài)、調試工作。
（3）完成復雜調節(jié)所增加的中間2個操作變量、2個邏輯控制變量、6個開關變量的DCS組態(tài)調試工作。
（4）增加7個數(shù)字量輸入信號、7個數(shù)字量輸出信號、3個組合點信號的DCS設計組態(tài)調試工作。
（5）修改活性碳吸附程序并調試投用。
（6）現(xiàn)場變送器、調節(jié)閥的安裝調試。
（7）現(xiàn)場一次表到控制室的儀表信號線的連接。

      3.4 實現(xiàn)上位遠程監(jiān)控的工程內容

      針對FCS結構局限性強的問題，采取了以下措施：通過OPC服務器把原有的DCS設備和新增的FCS連接在一起（如圖4所示），這樣可以實時上傳和監(jiān)控FCS和DCS中的設備參數(shù)，更好地實現(xiàn)系統(tǒng)開放性。這種結構的優(yōu)勢表現(xiàn)在：（1）降低了裝置停車的風險性。新增的FCS與DCS分開獨立運行，分散了系統(tǒng)設備占有率，降低了因DCS或FCS故障造成苯酚裝置全面停車的風險。（2）解決了信息流阻塞問題。由于FCS和DCS分別并行與上位機進行通訊，各自通過專用的OPC服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，因此整體信息數(shù)據(jù)互不干擾，提高了信息整體傳輸速率，完全可以避免信息流阻塞問題。（3）可以實現(xiàn)復雜回路調節(jié)功能。由于保留原有的DCS，因此不影響復雜回路調節(jié)功能發(fā)揮作用。（4）實現(xiàn)了DCS與FCS的優(yōu)勢互補，既解決了控制系統(tǒng)整體改造時間長、工作量大的困難，又節(jié)約項目資金投入，實現(xiàn)了系統(tǒng)開放性的目標。
 

      4 成效

      本裝置在工藝上采取上述治理措施后，在廢氣及廢水排放流量不變的情況下，使廢氣中的有機物從1520mg/m3下降到120mg/m3，使廢水的COD由8000～10000mg/l下降到2500mg/l以下。整個工藝控制改造過程，全部由集散控制系統(tǒng)DCS系統(tǒng)的組態(tài)和增加總線OPC控制功能得以實現(xiàn)，所有工藝過程參數(shù)實現(xiàn)了自動控制。并將所有關鍵數(shù)據(jù)通過OPC上傳到上級管理部門，達到總線控制系統(tǒng)先進性和開放性目標，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟效益和社會效益，為今后同類裝置控制系統(tǒng)改造提供可參考的價值和技術經(jīng)驗。

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張會泉（1974-）
男，吉林人，吉林石化公司染料廠儀表車間副主任，工程師，在讀工程碩士，一直從事儀表自動化專業(yè)工作。