工厂管控网技术的应用

2014-09-10席建华王豪

石油化工自动化 2014年1期

席建华，王豪

(1．上海交通大学自动化系，上海 200240；2．拜耳材料科技(中国)有限公司，上海 201507)

1 概述

拜耳材料科技有限公司是一家生产聚碳酸酯、聚氨酯、涂料等化工原材料的大型一体化基地，其工程分为多期，选择的控制系统必须既能够满足当前的独立控制，又能够满足日后构建整体可控、集成、信息共享的联合化工厂的要求。工厂管控网(PlantWeb)融合了智能化的现场设备，提供了规模可变的平台技术以及模块化的软件技术。笔者通过对一期电解盐酸装置控制系统结构及特点进行阐述，介绍单套生产装置的系统设计思路及一体化工厂的实现过程。

2 PlantWeb体系在装置中的构架设计

2．1 装置控制系统的配置

电解盐酸装置是一期工程中的基础化学部分，主要作用是收集其他装置的副产品——盐酸，通过电解法生成氯气，作为基础原料提供给主装置，最终实现氯的循环利用。

电解制氯生产主装置自动化系统采用PlantWeb数字化工厂管控网架构，包括智能化设备、DeltaV控制系统和AMS智能设备管理等部分，辅助系统如氯压缩机控制、电解槽监控、大功率整流器控制及ESD系统均带有独立的控制系统。通过Modbus，Profibus等总线方式实现辅助系统与DeltaV系统的通信，形成系统间信息共享、相互合作的解决方案。现场仪表设备主要采用基金会现场总线(FF)型设备，包括温度、流量、液位、压力检测及阀门定位器等。事实证明，DeltaV控制系统能够很好地兼容来自其他供应商的FF设备。另外，DeltaV控制系统的OPC服务器将生产数据传送至企业信息管理中心，由PIMS，LIMS，E&A系统构成工厂MES，并与公司ERP系统连接，搭建管控一体化集成系统。

2．2 PlantWeb的架构设计

PlantWeb是一种基于现场的、规模可变的控制系统，是区别于传统DCS的网络集成体系。它采用标准的开放式协议进行操作，并与企业内已联网的智能现场设备进行交互。此类现场设备具有报警、事件处理、高级诊断以及控制功能，可在任何地方进行过程控制。其结构由智能现场设备、规模可变的平台、标准以及集成模块化软件组成。利用该系统良好的开放性，可以实现现场级采用现场总线方式，工厂级采用工业以太网标准，不同平台的数据交换采用OPC协议。

针对电解盐酸装置辅助控制单元较多、控制较复杂、现场总线设备数量众多的特点，系统架构设计采用图1所示架构方式。

图1 电解盐酸制氯装置控制系统架构示意

2．3 PlantWeb架构的功能

如图1所示，盐酸电解制氯生产装置控制系统主要由DeltaV控制系统和生产信息管理系统组成，前者执行生产过程控制，后者通过OPC服务实现工厂网与控制网通信,将控制网上的生产过程数据收集至工厂网并与Office网连接，从而实现管控一体化。其结构设计包含以下几个层次：

1) 现场总线智能设备层。以FF，Profibus，HART及Modbus等协议类型的变送器，执行机构和变频马达等现场设备为主，此类设备通过相应类型的智能I/O通信卡件接入DCS，构成PlantWeb的第一层。与传统多芯线一对一硬接线方式不同，现场总线方式利用网络通信技术，实现数字化、多通道的传输技术，大大减少了布线成本；提高了传输过程中的抗干扰能力；降低了维护难度，实现了预测性维护。

2) DeltaV控制层。是实现对主装置工艺流程监测控制的核心部分，考虑到控制的可靠性和安全性，现场总线智能设备不参与过程控制，即除去辅助系统的自带独立控制系统外，所有的控制策略都由DCS完成。DeltaV控制系统采用开放的网络结构和各种国际标准通信协议，提供可靠的网络通信，实现对各种复杂工艺的控制，为建立企业管理网奠定基础。

3) AMS和管理执行层。PlantWeb架构体系中的AMS对所有符合HART，Profibus，FF等类型协议的智能化现场设备具有互可操作性和互用性，帮助用户采集和管理现场设备信息，实现远程对设备进行组态、标定、回路贯通及测量设备状态等功能。DeltaV控制系统开放的网络结构以及对OPC协议的支持，实现对控制网中的生产数据、事件报警信息、设备状态信息及实验室分析数据的统一管理；与企业ERP相连，实现备件采购、生产任务安排、任务完成情况统计、库存管理、维修管理、设备优化等管理职能，最终实现先进自动化控制技术与管理相结合的既定目标。

3 FF的设计组态与安装

3．1 FF的设计与组态

在盐酸电解装置控制系统中，FF设备1 562台，压力、温度、流量变送器共1 256台，FF网段(Segment)共365个，平均每个网段挂4．1台FF设备。在FF设计、组态过程中，严格遵守如下规定：

1) 根据网段总的功率负载、电源的容量、线上压降及尽量降低通信负荷的原则，FF网段的设计必须满足：每个段挂设备数量不超过6台；本安防爆设备不超过4台；具有调节作用的执行机构不超过2台；同一回路的测量、执行器放在同一网段内。

2) 现场总线电缆的技术规格应符合表1规定的内容。

表1 现场总线电缆的技术规格

根据装置要求，现场全部采用A类总线电缆，不安装中继器,现场总线网段的长度尽可能低于1 900 m，分支的长度为1～200 m，这里网段总长度等于主干线和所有分支线的长度之和。

3) 为提高FF工作可靠性、稳定性，同时在资金充沛的条件下，尽可能在初始设计和软硬件组态时考虑降低FF设备在总线网段上的通信量。在一个段中减少所挂设备总数，在控制回路中尽可能避免引入回路之外的参数，因为跨功能块或网段之间的参数引用会大幅提高网段上的通信量。应使用经过DeltaV验证的FF智能设备。

4) 树型拓扑网络的应用。考虑到以后项目扩容时，可以再利用现有电缆,采用树型拓扑结构。实践证明，在硬件组态和网络/网段设备分配过程中，树型拓扑结构具有很好的扩展灵活性，可以在不影响其他设备运行前提下在线增加新设备。树型拓扑网络由单个与公共接线盒相连的独立现场总线组成，终端器连接于主干线电缆的末端，如图2所示。

图2 树型拓扑结构示意

3．2 FF安装要求

大量实践证实，以往现场总线故障率较高主要是由通信中断引起的，发生原因大部分是由于现场总线安装施工质量不符合要求，没有严格遵守总线电缆施工规范，比如电缆桥架安装不规范，电缆总屏蔽线和分屏蔽线连接不符合要求、接触不良、接线箱防水不好导致端子受潮或对地绝缘不符合要求等。总的来说，现场总线电缆的敷设、安装质量直接关系到现场总线仪表能否正常工作，所以在设计、施工阶段严格控制现场总线的质量是十分必要的。

1) 在施工单位进场前，实施FF设备安装和接线培训，培训的主要内容以《基金会现场总线接线和安装指南》、《31．35 Kbit/s基金会现场总线接线和安装指南》为主。

2) 考虑到基地靠海非常近，有雨水多、空气潮湿、腐蚀性强等特点，为防爆和避免总线回路受潮，满足现场总线网段对绝缘的高要求，规定所有接入接线箱的电缆必须采用防爆密封接头，所有接线箱必须采用增安型(EExe)。电缆桥架敷设时要求：总线信号与本安、非本安信号分开；强电信号和弱电信号分开；桥架间距大于400 mm。

3) 采用FF专用端子块与各现场总线设备连接。每个总线专用端子块具有短路保护作用，非正常时指示灯亮，确保各支路间不相互影响，短路保护器将每支路的短路电流限制在60 mA以下。检测电缆线间绝缘电阻、对地绝缘、线间和对地电容以及总线信号的波形测试等应符合FF系统工程指南中的技术要求。

4) 电解盐酸装置采用大功率整流器，现场电磁干扰大，在靠近大功率整流器的场所，系统对接地要求更严格：必须严格区分信号地和保护地，信号线接地电阻应小于1．5 Ω；现场总线设备的支线电缆屏蔽线在表壳端用绝缘胶带进行包扎隔离，为避免多端接地，屏蔽线不允许在接线盒端接地，接线盒至H1卡的总线电缆的屏蔽线要求连接至接线柜的接地母排，这样避免了接地电势，起到防止静电感应和低频(50 Hz)干扰的作用；要求将铠装钢丝在现场和机柜侧两端接地，起到预防雷击等高频干扰。

3．3 经济效益的提高

相比于传统DCS及现场仪表设备，采用FF技术，项目成本得到显著降低，设备预维护工作得到加强，项目施工和开工调试时间减少，在很大程度上不仅提高了装置运行的可靠性，而且明显地增强了经济效益。

1) 安装成本的降低。与传统项目相比较，电缆的使用量和接线工作显著下降，传统项目执行过程中，需要采购大量的多芯线缆，从接线箱至中间转接柜再连接至控制柜对应类型的卡件端子上。采用FF技术后，只需将现场设备连接至总线网段的接线盒上，将总线线缆连接至H1接口卡件对应端口上即可完成连线工作，同时能够降低传统项目中面临的接线错误影响工期这一常见风险。

2) 缩短了调试时间，降低了维护工作量。FF类型仪表能够在传输传统测量信号的同时，提供仪表性能相关的诊断信息。在开车阶段，FF支持的回路贯通能够大幅缩短工期，减少由于接线问题带来的工程延期；在运行阶段，帮助维护人员排查线路问题。仪表需要进行维护时，能够将维护信息直接以流程图或者邮件等方式发送给相关的工作人员，提醒维护人员及时维护，避免导致更严重问题。设备故障需要进行更换时，仪表内部的故障诊断信息帮助维护人员诊断和排查故障，加速故障的处理，降低维护工作量，并且能够避免维护人员过多进入危险作业环境，真正实现预测性维护。

3) 现场侧控制。与传统仪表相比，FF类型仪表内部含有大量的运算和处理模块，能够自动实现运算和控制功能，因而利用FF技术，可以将控制策略下装至现场仪表，即便通信模块发生故障，现场依然在既定的控制策略下正常运行，提高了现场的可靠性。目前现场大概有30%的PID回路处于现场侧控制模式，与传统的DCS控制方式相比，控制直接由现场执行，运行的速度和独立性能够得到保证。

4) 支持各厂家设备选型。由于现场的各种设备来自不同的厂家，因而需要在相同或者不同网段上相互协作，实现既定的控制策略。选择FF类型设备，只需要选择其参数是否适用于工艺需求即可，不需要考虑生产厂家，网段支持设备即插即用，降低了选型难度，为用户提供了选型的自由度。

5) 项目初始阶段网段的带载量比较低，随着FF应用技术的不断推广，装置的不断增加，目前网段的带载量得到了增加。理论上每个网段的最大带载量是16台设备，根据该公司规范，项目在实施过程中，为了便于后期设备追加或者系统扩容且保证系统运行的稳定性，要求一个网段的带载量上限为8台设备。

4 DeltaV控制系统在装置中的应用

作为装置控制系统的最核心部分，DeltaV控制系统主要功能包括传统DCS对装置生产工艺的控制和监视、工艺流程画面的显示、管理报表的生成、历史趋势图和实时趋势图的显示、系统故障的诊断和监视等。工程师站和操作员站及控制器之间采用工业以太网，网络结构为点对点网络，通信速率为自适应10～100 Mbit/s，FF仪表则以31．25 Kbit/s 传输速率实现与H1接口卡件之间通信。该网络架构具有良好的可扩展性，便于后期进行系统规模的扩展以及新设备的追加。OPC服务器为企业管理层提供DeltaV控制系统的数据信息，实现数据在控制网络与外网间的共享，为管控一体化的实现奠定基础。

4．1 硬件配置

为了保证生产运行的安全性、长周期性，必须提高DeltaV控制系统的可靠性，实施关键部位的硬件冗余配置。主要包括主控制器冗余、机柜和CPU配电冗余、网络链路冗余(网络交换机、网络电缆、网络适配器和集线器冗余)。采取冗余配置后，主、从设备互为“备用”，即当系统检测到某一部件发生故障时，无需人工干预，系统将自动从故障部件切换到备用部件，不会造成系统运行的中断，从而最大限度地确保工艺生产的连续性。