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    燕山石化運(yùn)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(hù)與現(xiàn)場(chǎng)儀表管理，現(xiàn)就職于中石化北京燕山分公司運(yùn)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(shuō)明了改造方案的整體設(shè)計(jì)，分析了儀表控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)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(yùn)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(jì)；運(yùn)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(jì)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(bào)警信息和操作行為記錄，對(duì)故障的分析和處理帶來(lái)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(yùn)轉(zhuǎn)，給工藝的穩(wěn)定生產(chǎn)帶來(lái)了不利的影響。

    改造前，共有兩個(gè)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(jī)柜室集中在一個(gè)操作室，而冷凝水站是另外一個(gè)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(jī)柜間和中央控制室，同時(shí)將冷凝水站控制室取消，所有儀表信號(hào)移入到鍋爐和水處理的機(jī)柜間，以便減少人力、集中整合、規(guī)范管理。

    因?yàn)殄仩t和水處理裝置今后同時(shí)開、停工的機(jī)會(huì)極少，所以決定水處理和鍋爐分別安裝兩套獨(dú)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(jī)柜和水處理三3套PLC機(jī)柜以及鍋爐連鎖保護(hù)系統(tǒng)的歐姆龍PLC機(jī)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(tái)儀表操作臺(tái)，同時(shí)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(gè)工程師站，且兼作歷史站，6個(gè)操作員站，1個(gè)OPC站,下面重點(diǎn)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(jì)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(yùn)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(diǎn)的分配：按照設(shè)計(jì)的I/O表對(duì)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(cè)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(duì)組態(tài)的控制方案進(jìn)行動(dòng)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(zhǎng)環(huán)境、過程工程師環(huán)境。其中操作員環(huán)境的級(jí)別最低，僅能對(duì)PID控制塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，如手/自動(dòng)切換、內(nèi)/外給定切換，調(diào)節(jié)給定值、閥位輸出值。班長(zhǎng)環(huán)境可以對(duì)PID參數(shù)、報(bào)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(duì)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(shì)記錄、定義趨勢(shì)組趨勢(shì)點(diǎn)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(chǎng)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(shí)，調(diào)節(jié)閥全關(guān)；標(biāo)尺刻度為100%時(shí)，調(diào)節(jié)閥全開。因此對(duì)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(gè)特點(diǎn)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(shí)時(shí)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(chǎng)控制站、通信控制站等系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的連接，完成節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通訊。包括現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(gè)模塊內(nèi)置雙冗余IO BUS從站接口）。采用I/O BUS 現(xiàn)場(chǎng)總線與各個(gè)I/O 模塊及智能設(shè)備連接，實(shí)時(shí)、快速、高效的完成過程或現(xiàn)場(chǎng)通訊任務(wù)[1]。

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

    2.3.1現(xiàn)場(chǎng)控制器

    現(xiàn)場(chǎng)控制器配置兩個(gè)冗余的主控單元( SM203) , 都帶有掉電程序保護(hù)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(gè)主控單元進(jìn)行熱備份, 它們同時(shí)接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù), 兩個(gè)主控單元同時(shí)做控制運(yùn)算, 但只有一個(gè)輸出運(yùn)算結(jié)果, 且通過雙口RAM 實(shí)時(shí)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(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài), 而且切換過程是無(wú)擾動(dòng)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(gè)層次,操作員站通過配置冗余網(wǎng)卡與冗余交換機(jī)形成了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)冗余 ，每個(gè)主控單元設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)絡(luò)的雙冗余結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了冗余配置。

    2.3.3系統(tǒng)機(jī)柜電源：

    每個(gè)系統(tǒng)機(jī)柜配置兩套獨(dú)立的供電電源，任何一路故障都不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，可以自由地進(jìn)行在線無(wú)擾動(dòng)切換，并無(wú)切換時(shí)間滯后；同時(shí)接收兩路交流電源，輸出多路24VDC給每個(gè)機(jī)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(chǎng)控制站實(shí)現(xiàn)了所有I/ O 模塊的智能化, 將控制有效地分散到各個(gè)I/ O 模塊, 降低主控單元/ 主控模塊的負(fù)擔(dān), 使得板級(jí)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)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(chǎng)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(hù)措施, 系統(tǒng)中主控單元和所有模塊均可帶電拔插, 對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行不會(huì)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(shí), 維護(hù)人員可以快速更換且不用停電, 從而縮短了故障處理的時(shí)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(huì)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(yùn)行中發(fā)現(xiàn)模塊有問題時(shí)，可能導(dǎo)致在同一機(jī)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(dòng)，導(dǎo)致該機(jī)籠內(nèi)其它模塊失效，其根本原因是HOLLiAS系統(tǒng)的模塊是機(jī)籠式槽位安裝。雖然熱拔插很少威脅系統(tǒng), 影響運(yùn)行設(shè)備, 但是意外情況仍有可能發(fā)生。

    3.2機(jī)籠背板冗余供電和背板供電報(bào)警問題：
         
           
                               圖2 機(jī)籠示意圖

    SM130為后出線型IO 機(jī)籠，共有14 個(gè)槽位，由左至右依次可配置2 個(gè)冗余電源模塊和12個(gè)I/O 模塊。前面板上設(shè)有模塊站號(hào)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(bào)警輸出接口和12 個(gè)DB25 預(yù)制電纜插座。在機(jī)柜調(diào)試期間，發(fā)現(xiàn)和利時(shí)工程人員把機(jī)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(shí)工程人員及時(shí)溝通，從24伏冗余模塊再取需要的幾路24伏電源，引入機(jī)籠背板24VDC系統(tǒng)電源接口。同時(shí)，把電源報(bào)警的冗余輸出接口引入DCS的DI卡，再單獨(dú)為每個(gè)機(jī)籠的電源報(bào)警做入DCS報(bào)警畫面，這樣可以為儀表維護(hù)人員巡檢時(shí)查找DCS背板供電狀態(tài)提供依據(jù)。然而如果由于每個(gè)機(jī)籠的冗余電源模塊故障引起的該機(jī)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(bào)警，因?yàn)槿哂嚯娫茨K在DCS內(nèi)部沒有地址，所以在工程師環(huán)境下無(wú)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(xiàng)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(huì)自動(dòng)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(huì)產(chǎn)生沖擊電流，所有的轉(zhuǎn)換都在小于8ms的時(shí)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(shí)，負(fù)載自動(dòng)切換到備用電源，主電源恢復(fù)正常后，負(fù)載又自動(dòng)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(dòng)/手動(dòng)測(cè)試，此外在正常生產(chǎn)巡檢時(shí)觀察切換開關(guān)的動(dòng)作，有可能由于市電的波動(dòng)，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(shí)，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(cè)量?jī)蓚€(gè)電源火線的電壓差是否小于30VAC，兩個(gè)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(dòng)切換了，其中一路電源UPS或市電必然離線。由于目前和利時(shí)系統(tǒng)工程部人員給中石化項(xiàng)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(shí)系統(tǒng)工程部在做其他項(xiàng)目時(shí)，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(kù)管理的特殊算法庫(kù)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(duì)最多8個(gè)數(shù)字信號(hào)源進(jìn)行故障監(jiān)視。待監(jiān)視的一組信號(hào)源中只要有一個(gè)發(fā)生故障，輸出端即置1，表明有故障發(fā)生；當(dāng)有多個(gè)信號(hào)源發(fā)生故障時(shí)，該算法塊能夠判斷哪個(gè)最先發(fā)生故障。并將相其對(duì)應(yīng)的輸出端置1。其它故障信號(hào)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(cè)故障信號(hào)。把鍋爐聯(lián)鎖點(diǎn)數(shù)的報(bào)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(diǎn)的限制，根本達(dá)不到SOE級(jí)別的毫秒事故抓捕的能力。由于本裝置聯(lián)鎖點(diǎn)數(shù)有限，用此模塊完全可以滿足報(bào)警軟抓捕的能力。

    4結(jié)束語(yǔ)

    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(jī)界面窗口，系統(tǒng)維護(hù)方便。改造后的DCS系統(tǒng)運(yùn)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(qǐng)批評(píng)指正！

    5參考文獻(xiàn)

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

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

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第四期