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    燕山石化運保中心儀表一部 邵奎星

    邵奎星（1981-）男，北京人，碩士研究生，助理工程師，主要從事控制系統(tǒng)的維護與現(xiàn)場儀表管理，現(xiàn)就職于中石化北京燕山分公司運保中心儀表一部。

    摘要：本文介紹了HOLLiAS公司分散控制系統(tǒng)在燕山石化一熱力二部鍋爐和水處理裝置的改造應(yīng)用，詳細(xì)說明了改造方案的整體設(shè)計，分析了儀表控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，重點闡述了在系統(tǒng)組態(tài)和調(diào)試中需要注意的問題，最后總結(jié)了系統(tǒng)改造后的運行效果。

     Abstract :This article describes the Distributed Control System Company HOLLiAS Yanshan Petrochemical boilers and water equipment plant reconstruction application，a detailed description of the overall design of programs, analyze the structure of the instrument control system and focuses on the system configuration and commissioning issues that need attention， Finally, to run the system after the operating effect.

    關(guān)鍵詞：鍋爐和水處理裝置；整體設(shè)計；運行效果

    Key words：Boiler and water equipment ;Overall design;Operating effect

    1 引言

    北京燕山石化一熱力二部的1#鍋爐、2#鍋爐、公用工程、冷凝水站、水處理裝置原為常規(guī)儀表系統(tǒng)和低端的GE9030、LG等系統(tǒng)，在線PID調(diào)整能力極為不便，不利于工藝優(yōu)化調(diào)整，此外由于儀表使用年限已久，控制精度低，維修頻繁，經(jīng)常造成計量誤差；不具備數(shù)據(jù)采集能力，也沒有集中監(jiān)控系統(tǒng)，不能查詢報警信息和操作行為記錄，對故障的分析和處理帶來了很多不便。隨著幾套裝置不斷進(jìn)行工藝流程改造和技術(shù)革新改進(jìn)，硬件配置日趨飽和、軟件版本日漸淘汰、備品備件大多停產(chǎn)的局面，不利于生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)、安全運轉(zhuǎn)，給工藝的穩(wěn)定生產(chǎn)帶來了不利的影響。

    改造前，共有兩個操作室，一熱力二部的1#鍋爐、2#鍋爐、公用工程、水處理的操作室和機柜室集中在一個操作室，而冷凝水站是另外一個操作室，在熱力廠檢修期間，儀表一部和工藝部門人員協(xié)商分別建立鍋爐和水處理的機柜間和中央控制室，同時將冷凝水站控制室取消，所有儀表信號移入到鍋爐和水處理的機柜間，以便減少人力、集中整合、規(guī)范管理。

    因為鍋爐和水處理裝置今后同時開、停工的機會極少，所以決定水處理和鍋爐分別安裝兩套獨立的DCS系統(tǒng)。2010年4月HOLLiAS公司的MACSV4.5.1控制系統(tǒng)投標(biāo)成功。

    2 系統(tǒng)方案

    2.1 DCS改造方案

    本次系統(tǒng)改造，推倒了鍋爐的兩套盤裝機柜和水處理三3套PLC機柜以及鍋爐連鎖保護系統(tǒng)的歐姆龍PLC機柜，增上3套系統(tǒng)柜，3套I/O端子柜，1套配電柜，2套網(wǎng)絡(luò)柜，9臺儀表操作臺，同時取消所有墻壁電源，從電氣引入兩路電源，一路UPS，一路市電，設(shè)2個工程師站，且兼作歷史站，6個操作員站，1個OPC站,下面重點敘述的是MACSV4.5.1 DCS系統(tǒng)在本次改造中的應(yīng)用。

    2.2 DCS總體設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    2.2.1控制站組態(tài)

    MACSV4.5.1系統(tǒng)軟件是在WindowsXP 環(huán)境下運行和組態(tài)，所有軟件均為中文界面，組態(tài)和調(diào)試方便靈活。HOLLiAS系統(tǒng)控制站的組態(tài)內(nèi)容包括：搭好硬件布置圖，其中模塊和地址一定要一致。I/O點的分配：按照設(shè)計的I/O表對I/O模塊的每一通道進(jìn)行有關(guān)參數(shù)設(shè)置，如量程、單位、注釋等。回路組態(tài)：包括測量回路、控制回路、邏輯回路等組態(tài)。復(fù)雜控制回路，注意功能模塊的選用、命名、參數(shù)設(shè)定等方面的內(nèi)容。既可在線編程，也可離線編程，并采用軟連接方式對組態(tài)的控制方案進(jìn)行動態(tài)顯示和模擬操作。所有組件均可在線插拔、在線修改控制組態(tài)及在線修改過程畫面并下載。該DCS系統(tǒng)分為操作員環(huán)境、班長環(huán)境、過程工程師環(huán)境。其中操作員環(huán)境的級別最低，僅能對PID控制塊進(jìn)行簡單的操作，如手/自動切換、內(nèi)/外給定切換，調(diào)節(jié)給定值、閥位輸出值。班長環(huán)境可以對PID參數(shù)、報警數(shù)值進(jìn)行修改，而過程工程師環(huán)境為DCS系統(tǒng)中最高環(huán)境，可對所有的DCS組態(tài)內(nèi)容進(jìn)行修改。

    2.2.2操作站組態(tài)

    HOLLiAS系統(tǒng)操作站的組態(tài)內(nèi)容包括：流程圖畫面組態(tài)、趨勢記錄、定義趨勢組趨勢點及采樣周期等、控制組分配組態(tài)。為了滿足工藝操作人員的要求，即不管現(xiàn)場是風(fēng)開閥還是風(fēng)關(guān)閥，要求調(diào)節(jié)器的標(biāo)尺刻度為0%時，調(diào)節(jié)閥全關(guān)；標(biāo)尺刻度為100%時，調(diào)節(jié)閥全開。因此對于風(fēng)關(guān)閥需要將AO輸出反向，PID原作用方式取反即可，所有組態(tài)都要體現(xiàn)這個特點和原則。

    2.3 MACSV4.5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及構(gòu)成
  
               
                                    圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    第一層為100M高速冗余工業(yè)實時以太網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，用于系統(tǒng)中工程師站、操作站、現(xiàn)場控制站、通信控制站等系統(tǒng)節(jié)點的連接，完成節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通訊。包括現(xiàn)場控制站的數(shù)據(jù)下裝、操作控制和數(shù)據(jù)采集等。采用TCP/IP 通訊協(xié)議，通訊速率10/100Mbps。第二層采用現(xiàn)場總線技術(shù)（Profibus-DP），主要完成控制站內(nèi)部各I/O 模塊與主控單元的通訊。由雙冗余主控內(nèi)部的I/O總線網(wǎng)絡(luò)卡、雙冗余I/O總線、I/O總線模塊（每個模塊內(nèi)置雙冗余IO BUS從站接口）。采用I/O BUS 現(xiàn)場總線與各個I/O 模塊及智能設(shè)備連接，實時、快速、高效的完成過程或現(xiàn)場通訊任務(wù)[1]。

    為保證鍋爐和水處理裝置的運行可靠，在技術(shù)協(xié)議的簽訂中多方面考慮了整個系統(tǒng)的冗余。

    2.3.1現(xiàn)場控制器

    現(xiàn)場控制器配置兩個冗余的主控單元( SM203) , 都帶有掉電程序保護功能，主控單元上有硬件冗余切換電路及故障自檢電路。兩個主控單元進(jìn)行熱備份, 它們同時接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù), 兩個主控單元同時做控制運算, 但只有一個輸出運算結(jié)果, 且通過雙口RAM 實時更新數(shù)據(jù)。一旦工作中的主控單元發(fā)生故障, 備份主控單元自動進(jìn)入工作狀態(tài), 而且切換過程是無擾動的。

    2.3.2網(wǎng)絡(luò)冗余:

    MACS 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)由上到下分為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(即工業(yè)以太網(wǎng)) 和控制網(wǎng)絡(luò)(即Profibus-DP) 兩個層次,操作員站通過配置冗余網(wǎng)卡與冗余交換機形成了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)冗余 ，每個主控單元設(shè)計有兩套SNET網(wǎng)絡(luò)接口10/100Mbps自適應(yīng)，接口形式為RJ45，分配有不同的IP地址，即實現(xiàn)以太網(wǎng)絡(luò)的雙冗余結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場I/O卡件與系統(tǒng)控制器的Profibus-DP冗余互連,所以該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了冗余配置。

    2.3.3系統(tǒng)機柜電源：

    每個系統(tǒng)機柜配置兩套獨立的供電電源，任何一路故障都不會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，可以自由地進(jìn)行在線無擾動切換，并無切換時間滯后；同時接收兩路交流電源，輸出多路24VDC給每個機籠的背板供電，背板再通過冗余電源卡件給I/O卡件供電。

    2.3.4 I/ O 模塊：
 
    現(xiàn)場控制站實現(xiàn)了所有I/ O 模塊的智能化, 將控制有效地分散到各個I/ O 模塊, 降低主控單元/ 主控模塊的負(fù)擔(dān), 使得板級運行狀態(tài)檢測和故障診斷能力得以提高。采用Profibus - DP 總線技術(shù)取代傳統(tǒng)的并行總線, 使各模塊的故障被有效地隔離[2]。所有模塊均帶有隔離電路, 將通道上竄入的干擾源與系統(tǒng)隔離。現(xiàn)場控制站的所有模塊上都帶有CPU , 每塊模板都周期性地進(jìn)行自診斷。而且由于采取了特殊保護措施, 系統(tǒng)中主控單元和所有模塊均可帶電拔插, 對系統(tǒng)的運行不會產(chǎn)生任何影響。這樣保證了系統(tǒng)在某些模塊發(fā)生故障時, 維護人員可以快速更換且不用停電, 從而縮短了故障處理的時間。

    3系統(tǒng)調(diào)試遇到問題及解決辦法

    3.1模塊在線插拔問題：

    盡管HOLLiAS系統(tǒng)聲稱帶電拔插模件不會產(chǎn)生不良影響。但如果工業(yè)生產(chǎn)正在進(jìn)行中, 還是盡量避免這樣做為好。在系統(tǒng)運行中發(fā)現(xiàn)模塊有問題時，可能導(dǎo)致在同一機籠內(nèi)的模塊因拔插過程引起同一槽位上的電源模塊或者其它模塊松動，導(dǎo)致該機籠內(nèi)其它模塊失效，其根本原因是HOLLiAS系統(tǒng)的模塊是機籠式槽位安裝。雖然熱拔插很少威脅系統(tǒng), 影響運行設(shè)備, 但是意外情況仍有可能發(fā)生。

    3.2機籠背板冗余供電和背板供電報警問題：
         
           
                               圖2 機籠示意圖

    SM130為后出線型IO 機籠，共有14 個槽位，由左至右依次可配置2 個冗余電源模塊和12個I/O 模塊。前面板上設(shè)有模塊站號撥碼開關(guān)、終端匹配撥碼開關(guān)和冗余Profibus-DP 從站輸入輸出接口；后面板上設(shè)有24VDC 電源輸入接口、電源故障報警輸出接口和12 個DB25 預(yù)制電纜插座。在機柜調(diào)試期間，發(fā)現(xiàn)和利時工程人員把機籠背板的供電處接的是單路24伏供電，為了保證該系統(tǒng)全部冗余，通過和和利時工程人員及時溝通，從24伏冗余模塊再取需要的幾路24伏電源，引入機籠背板24VDC系統(tǒng)電源接口。同時，把電源報警的冗余輸出接口引入DCS的DI卡，再單獨為每個機籠的電源報警做入DCS報警畫面，這樣可以為儀表維護人員巡檢時查找DCS背板供電狀態(tài)提供依據(jù)。然而如果由于每個機籠的冗余電源模塊故障引起的該機籠內(nèi)卡件失效，在工程師環(huán)境下不能發(fā)現(xiàn)，只能去系統(tǒng)柜內(nèi)看冗余電源模塊的故障燈是否報警，因為冗余電源模塊在DCS內(nèi)部沒有地址，所以在工程師環(huán)境下無法查找。

    3.3操作站和工程師站不間斷供電

    操作站和工程師站供電在我部門一般是這樣規(guī)定的，工程師站供電是UPS供電，操作站供電是一部分UPS，一部分市電或另一路UPS。這樣保證在斷一路UPS或市電電源的情況下，仍有部分操作站工作。而在此次項目中操作站和工程師站供電采用深圳天普圣公司生產(chǎn)的STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的輸出電源給操作站和工程師站供電，進(jìn)而保證在斷一路UPS或市電電源的情況下全部操作站和工程師站是正常工作的。
  
                  
                                 圖3 STS應(yīng)用示意圖

    工作原理：STS可以通過控制面板設(shè)定其中任意一路輸入電源為主電源，另一路輸入電源為備用電源。只有在主電源故障的情況下，STS才會自動在8ms內(nèi)從主電源切換到備用電源。STS的兩路靜態(tài)開關(guān)是嚴(yán)格互鎖， STS的所有的轉(zhuǎn)換都是快速的先斷后合，主備電源之間不會產(chǎn)生沖擊電流，所有的轉(zhuǎn)換都在小于8ms的時間內(nèi)完成。正常工作狀態(tài)下，在主電源處于正常的電壓范圍內(nèi)，負(fù)載一直連接于主電源。在主電源發(fā)生故障時，負(fù)載自動切換到備用電源，主電源恢復(fù)正常后，負(fù)載又自動切換到主電源。

    由于市電與標(biāo)準(zhǔn)正弦波在相位、幅值、頻率上存在差別，因此開車前必須進(jìn)行有效的UPS和市電反復(fù)自動/手動測試，此外在正常生產(chǎn)巡檢時觀察切換開關(guān)的動作，有可能由于市電的波動，UPS電源和市電不同相（相位差較大），兩路輸入電源不同相造成，切換時，因相位差而產(chǎn)生環(huán)流，造成開關(guān)跳；如果出現(xiàn)問題：需要測量兩個電源火線的電壓差是否小于30VAC，兩個電源零線電壓差是否小于5VAC。有一種電壓差超過額定值的STS就已經(jīng)自動切換了，其中一路電源UPS或市電必然離線。由于目前和利時系統(tǒng)工程部人員給中石化項目中都配備了STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的輸出電源，存在一定的隱患。筆者建議和利時系統(tǒng)工程部在做其他項目時，盡量不要采用這種配電方案。

    3.4利用WACSV4.5.1程序模塊制作首出記憶

    在MACSV4.5.1的控制邏輯中的庫管理的特殊算法庫加載后，在程序塊中調(diào)用首出記憶算法塊HSSC：
             
                            

    該算法塊用于事故記錄和首出原因分析。可以對最多8個數(shù)字信號源進(jìn)行故障監(jiān)視。待監(jiān)視的一組信號源中只要有一個發(fā)生故障，輸出端即置1，表明有故障發(fā)生；當(dāng)有多個信號源發(fā)生故障時，該算法塊能夠判斷哪個最先發(fā)生故障。并將相其對應(yīng)的輸出端置1。其它故障信號將不被記錄。這種狀態(tài)維持至通過I8復(fù)位后，模塊重新檢測故障信號。把鍋爐聯(lián)鎖點數(shù)的報警引入首出記憶模塊，就能達(dá)到事故軟抓捕的能力。然而由于DCS通常掃描速度不高，加上首出記憶模塊的自身特點的限制，根本達(dá)不到SOE級別的毫秒事故抓捕的能力。由于本裝置聯(lián)鎖點數(shù)有限，用此模塊完全可以滿足報警軟抓捕的能力。

    4結(jié)束語

    到2010年11月，鍋爐和水處理系統(tǒng)更換進(jìn)入了尾聲，改造后提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性、可操作性、開放性等方面。提供了更好的人機界面窗口，系統(tǒng)維護方便。改造后的DCS系統(tǒng)運行狀況良好，到目前為止未發(fā)現(xiàn)難以解決的系統(tǒng)問題。論文中可能存在不足，有待繼續(xù)改進(jìn)和完善，敬請批評指正！

    5參考文獻(xiàn)

    [1]和利時 MACSⅡDCS 在浮法玻璃生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J].自動化博覽.2003,2.

    [2]大型火電機組協(xié)調(diào)控制方案探討[J].技術(shù)縱橫,2007,9.

    摘自《自動化博覽》2011年第四期