工业以太网在化工厂综合自动化系统中的应用

卢 倩 王福元 崔 治

(盐城工学院机械工程学院，江苏 盐城 224051)

0 引言

目前，现场总线是自动化领域的主流技术之一[1]，但由于现场总线技术是针对现场的机器设备、控制对象而研发的专有通信控制系统，因此每一套控制系统实际上就是一套独立的数据传输通信系统[2]，不同的现场总线控制系统不可避免地会出现彼此无法兼容、无法通信的现象，由此造成了“信息孤岛”[3]。分布式工业以太网能够有效地避免上述情况的发生，但如何利用工业以太网实现化工厂的综合自动化控制一直是化工生产企业的技术难题之一[4]。

本文结合广西田东县某化工厂三氯乙酰氯车间的自动化改造工程，采用分布式工业以太网替代现场总线构建一体化的综合自动化控制平台，以此探讨分布式工业以太网在化工厂综合自动化系统中的应用。

1 化工自动化控制系统设计概述

1.1 化工生产流程及控制要点

该化工厂的三氯乙酰氯制备工艺流程如图1所示。利用氯气和硫磺作为原料，经过氯化反应、酰化反应、一级氧化、二级氧化和精馏之后得到最终成品三氯乙酰氯。在如图1所示的三氯乙酰氯制备工艺流程中，氯化、酰化、一级氧化和二级氧化均是在反应釜中进行的，需要对反应釜内的温度和压力进行监测与控制，以确保三氯乙酰氯的纯度和质量。

图1 三氯乙酰氯制备工艺流程图Fig.1 Technological process of trichloroacetyl chloride

通过现场调研发现，目前三氯乙酰氯车间的生产，除了氯气泄漏时系统会自动报警外，其他都需手动控制。工人需要时刻对各个反应釜的温度和压力进行巡检，当某个反应釜的温度和压力异常时，通过手动调节压力阀门或者通氯阀来实现对反应釜压力和温度的调整，从而保证反应釜内氯化、酰化及氧化反应的正常进行。

如果采用传统的现场总线对三氯乙酰氯车间进行综合自动化控制改造，需要对现场内的众多设备的不同接口分别设计并配置适宜的现场通信协议。但通常现场总线繁冗复杂，因此从现场反应釜的分布来看，采用现场总线并不可行。相反，如果采用工业以太网作为自动化控制的平台，则只需要完成通信控制网络的布线，即可实现将整个车间内的设备都纳入到综合自动化控制网络平台中[5]，不但组网成本大幅下降，而且有利于系统的后期维护。

1.2 总体建设目标与内容

为了进一步提高化工厂的综合管理水平和企业的核心竞争力，真正实现以信息化带动工业化，保障安全生产，必须要对该化工厂进行基于工业以太网的综合自动化改造。改造建设的总体目标是:实现生产控制的信息化、自动化、网络化和集成化。建成后的监测系统将是一个有易于扩充、升级和管理使用的远程网络综合管理平台。该系统将实现数据信号采集、各监控点实时数据传输、存储资料智能检索、人机交互等功能相结合的安全生产监测和分级管理系统，充分满足了化工厂现代化生产的需要。

系统控制采用主控中心集中式管理模式，采用模块化、可扩展的设计思路，可根据化工厂实际需要不断扩充、升级，既有效保护了项目的投资，又使系统不会落后。基于工业以太网的自动化改造的具体建设内容如下。

①建立统一的数据采集平台，将生产所需的各生产设备、机电设备及其他需要实现实时监测的设备接入化工厂内部，并通过统一的数据采集平台和数据传输网络实现各生产设备、机电设备的自动化监测，为无人值守提供技术支撑。

②在人机交互系统设计中，系统需具备设备运行工况监测、系统运行状态/参数的统计查询与自动存储、定期生成报表等功能，全面实现对生产设备、机电设备的数字化、信息化管理。

③系统所采集监测到的参数与系统内的报警临界值进行对比，当被监测参数异常超限时，自动报警，并根据参数的超限状态自动控制通氯阀和压力阀，以调节反应釜的温度和压力，确保生产稳定可靠进行。

④将原有的氯气泄漏报警集成到该工业以太网综合自动化网络平台中，以实现三氯乙酰氯车间内的生产、报警的联动控制。

2 综合自动化平台设计

2.1 系统架构设计

本文所设计的分布式综合自动化平台采用工业以太网作为数据传输网络的架构介质，将三氯乙酰氯车间生产工艺流程的每一个采集点都纳入自动监控网络的传输范围内，从而方便构建分布式自动监控系统。具体的综合自动化平台网络架构设计原理图如图2所示。

图2 综合自动化平台网络架构图Fig.2 Network structure of the integrated automation platform

图2中，基于分布式工业以太网的自动监控系统网络架构分为以下几个层次。

①传感仪表层

为了实现对生产工业流程的全程监控，必须选用合适的传感器对反应釜内的压力和温度进行实时监测，传感器采用4～20 mA电流信号作为传输介质，将模拟量信号传输到数据采集模块中。

②数据采集层

数据采集模块接收传感器传送过来的模拟量信号，采集模块通过网络RJ45接口，借助于TCP-IP通信协议或者工业以太网Modbus-TCP协议实现模拟量数据信号的网络传输，从而构建基于分布式工业以太网的网络架构，实现全局域网内的数据传输。

③PC终端

PC终端通过专用的组态软件实现对众多设备的参数变量的实时显示，并提供友好的人机交互界面，完成数据的查询、存储和报表统计等管理功能。

④驱动机构层

当被监测的参数变量异常超限时，由PC终端发出相应的控制指令，经过驱动机构层实现控制指令的放大和执行，输出到动作执行器，实现相关的报警动作或联动控制动作。

⑤动作执行层

动作执行层主要由通氯阀和压力阀构成，通氯阀的开度可以调节反应釜内的温度，压力阀的开度可以调节反应釜内的压力，它们通过接收来自PC终端发出的控制指令，经过驱动放大转变为阀门调节的开度大小，从而实现对化工生产工艺流程的自动控制。

2.2 系统功能设计

基于以太网的综合自动化系统是面向化工厂的生产运行设备而开发设计的，因此系统的主要功能是实现对生产设备及其他相关设备的运行状态参数的实时监测和自动控制。具体来说，本自动监控系统的功能主要包含以下几个方面。

①在线监测

通过布置合适的压力变送器和温度变送器，能够对生产过程中的压力与温度实现自动采集和实时监测。通过所选用的差压变送器和温度变送器，将设备的这两个运行参数采集到数据采集模块中，并通过以太网通信协议将数据发送至上位机客户端，客户端专门开发的上位机软件实现对设备运行参数的实时监测，从而为保证生产过程的连续性和可靠性提供基础性数据支撑[6]。

②数据查询

依靠上位机软件的功能开发，一方面实现了对在线监测数据的实时观察;同时，利用曲线图表反映设备运行状态的走势，轻松实现对数据的查询与访问，提高了数据的客观性与真实性;并对相关设备的性能状态参数作出合理的预估，提高对设备运行状态和性能的合理判断。另一方面，系统可自动对数据进行数据库存储操作，历史数据均保存在软件系统的数据库中，在对某些设备进行检修时，可以按照日期进行历史数据的查询[7]。

③生成报表与统计分析

上位机软件能够实现对数据的报表统计与分析，可以按照用户的需求自动生成Word或者Excel报表文件，从而为用户提供相关决策的数据支撑。

④超限报警与联动控制

基于工业以太网的综合自动监控系统，除了要能够实时显示各个数据采集器的数据之外，还要能够自动对数据进行监测，在数据超限时实施有效的报警，或者直接参与车间生产联动控制，实现相应的联动控制动作，从而确保整个车间生产过程的安全性与可靠性。

⑤权限管理与系统管理

权限管理主要是为了防止非操作人员或者非系统管理人员登录上位机软件之后，对软件系统误操作而造成损失。因此，上位机软件系统的登录界面分配了用户名和密码，只有经系统确认无误的人员才能够登录软件系统并进行操作;系统管理主要包含了系统导航管理、系统帮助管理、系统插件管理等内容，其主要作用是为了提高上位机自动监测软件的稳定性和可靠性，从而为化工厂设备的连续稳定、实时可靠监控保驾护航[8]。

3 综合自动化平台实现

3.1 系统硬件实现

①传感仪表的选型

传感仪表主要需要完成对反应釜内温度和压力的监测，因此需要选用高精度的温度变送器和压力变送器，需要注意的是，由于反应釜内主要进行氯化、酰化和氧化反应，因此要求温度变送器和压力变送器能够在高温高压的环境下正常工作，且必须具有一定的防腐蚀能力。

②数据采集模块的选型

数据采集模块主要是完成将传感仪表所监测采集到的温度模拟量和压力模拟量进行保存，并转换为数字量传输至上层的PC终端，这里选用模拟量采集模块完成对温度和压力的数据采集。模拟量采集模块自身集成了Modbus-TCP工业以太网通信协议，能够通过普通的RJ45网络接口实现数据的自动采集和以太网传输，大大减少了系统的程序开发设计量，这比采用PLC完成数据采集和传输简单很多。

③工业以太网的敷设

工业以太网的管线敷设全部采用明管敷设工艺，管线经角钢固定后沿楼板顶层走线，实现管线走线的合理化。

④驱动机构的设计

驱动机构是PC终端和动作执行机构的连接件，其主要功能是在实现输入输出隔离的同时完成由弱电到强电的转换。因此，驱动机构主要由光电隔离电路、功率放大电路和继电器输出电路三部分构成，最终实现将由PC终端所发出的弱电控制信号(控制指令，一般是开关量信号)转换为隔离与功率放大后的强电控制信号(阀门开度模拟量信号)，从而实现通氯阀和压力阀的开度调节，完成反应釜内部温度和压力的调节，实现无人值守的全自动化控制与管理。

3.2 系统软件实现

该分布式工业以太网自动化监控系统采用集成Modbus-TCP通信协议的模拟量采集模块代替PLC数据采集设备，实现了对现场反应釜温度和压力的采集。通过开关量输出模块，实现随着以太网通对控制指令的驱动放大及控制动作的执行，因此系统的软件设计得到了极大的简化，没有了繁杂的PLC程序编写，只需要借助于组态软件即可实现对现场设备自动监测参数变量的实时显示及超限报警和联动控制等功能。综合自动化平台流程如图3所示。

图3 综合自动化平台流程图Fig.3 Flowchart of integrated automation platform

4 结束语

随着以太网通信技术的飞速发展，工业以太网得到了迅速普及和应用。本论文结合化工厂实际的自动化改造项目，详细探讨了分布式工业以太网在化工领域综合自动化监控系统中的应用，给出了系统组网架构的具体方案和技术实现，有效提升了整个化工厂生产的自动化控制水平和信息化管理水平。该系统对工业以太网在化工领域内的应用有借鉴指导意义，值得推广应用。

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