AC800M控制系统在烧碱项目中的冗余容错改造

赵洪娣（唐山三友氯碱有限责任公司，河北唐山063305）



AC800M控制系统在烧碱项目中的冗余容错改造

赵洪娣
（唐山三友氯碱有限责任公司，河北唐山063305）

摘要：介绍了AC800M在DCS系统冗余改造过程中的硬件结构及控制原理。简要阐述了系统组成及网络结构，控制器冗余、I/O站冗余以及程序组态防干扰措施。

关键词：AC800M；DCS；控制器；防干扰

唐山三友氯碱公司烧碱生产中的过程控制采用ABB公司AC800M版本DCS控制系统，采用先进的点对点型架构，基于标准的通用的IFIX软件和ABB卡件，支持总线冗余（系统总线和现场总线）和卡件冗余（控制器、I/O卡件），支持在线组态修改和故障诊断，是新一代自动化控制系统。

由于氯碱工艺生产属于危险化工工艺，对工艺参数和自动化控制要求非常严格，生产过程中共设计了一百多个联锁回路确保安全。一旦控制系统某个环节出了问题，将给生产和安全带来严重后果。烧碱一期投产时采用ABB公司的AC800M DCS控制系统，在生产中存在一些缺陷，如报警点容易丢失、操作站频繁死机、信号干扰对系统影响较大等。因此，针对整个DCS控制系统，该公司将原来不冗余的控制系统，升级为包括通讯网络冗余、控制器及模拟量和数字量输出卡冗余，在原有组态程序上增加过滤干扰信号的程序。

1　系统组成及网络结构

该项目DCS控制系统的上位机系统采用冗余操作员站，共配置了1台工程师站，8台点对点型的客户操作站，整套系统实际提供I/O点数3 500点。DCS控制系统配置一台工程师站，用于对DCS系统进行组态调试。在DCS控制系统正常投运后，操作员站通过OPC对工艺过程进行操作和监视。

整个系统遵循ABB的Industrial IT，分为Operate IT、Control IT、Field IT 3层，其中Operate IT采用第三方IFIX为人机界面软件，Control IT为AC800M组态软件PLC Control Builder AC 800M 4.1.0。

2　网络结构改造

ABB AC800M DCS控制系统共分2层网络，上层普通以太网，下层DP网。下层DP网连接冗余控制器和冗余CI840通讯站，每个冗余通讯站有1对通讯卡，通过PROFIBUS DP冗余通电缆连接到2个冗余控制器上，构成了下层DP网络的冗余。上层以太网与常用的以太网连接类似，工程师站以及操作站安装双网卡，分别通过冗余交换机连接，冗余交换机采用级联方式进行物理连接，这样无论哪个操作站或工程师站的哪路网络故障，都能确保通讯正常。

3　控制器及I/O站冗余

AC800M控制器是导轨安装式的模块化控制家族，模块包括CPU，通讯模块，电源模块及附件。每个CPU上有2个以太网口用于连接操作站，工程师站管理站或高级应用。2个以太网口可设置为冗余，用于提高系统利用率。控制器配置了2个RS232口，调试工具或与外部设备或系统进行通信。在CPU模块旁可以添加一系列的通讯模块或I/O模块。本项目选择S800 I/O为AC800M的本I/O站，以Profibus方式相连，各个层次都可以冗余配置，包括电源冗余，通信接口冗余，I/O模块冗余。

原有的通讯网络不能实现完全的冗余，当某个通讯模块CI830出现故障时，出现故障的CI830所在的整个从站出现通讯完全中断，后续站点通讯中断，会给生产带来严重后果，改造前系统结构见图1。对网络结构进行修改后，见图2。采用了具有冗余切换能力的CI840通讯模块，不但简化了网络结构，而且使整个网络实现了完全冗余。但考虑到工艺实际需求以及改造费用问题，此次改造只对通讯网络、输出卡件进行了冗余配置，包括模拟量输出卡（AO）和数字量输出卡（DO）。

该项目中的冗余AO卡是通过外二极管进行冗余连接，见图3。需要指出的是，在模拟信号（如4～20 mA）输出时，需要把2个输出卡通道AO1、AO2信号范围设置为0～20 mA，通道量程设置为-25%～100%，并通过判断卡件状态在程序中组态由哪个卡件进行输出，不输出的卡件输出电流为0，而输出通道由于组态程序限制范围为0～100%，那么对应电流就只能是4～20 mA，这样2个冗余卡输出值加起来正好是要求的输出电流，具体步骤见图3。

图1　改造前I/O结构图

图2　改造后I/O结构图

图3　AO卡冗余连接方式

首先，在DCS上新建2个不同AO卡件的AO点，名称为AO1、AO2，编写组态程序，利用卡件上通道状态，判断通道AO1、AO2卡件通道状态，如果AO1、AO2通道都为正常，那么就让AO2数值为-25%，通道输出为0，AO1通道由于PID块或手操器块限制数值在0～100%，那么所对应的电流是4～20 mA，而不会出现4 mA以下，这样2个冗余卡输出值加起来正好是要求的输出电流；如果AO1通道状态为故障，那么就让AO1数值为-25%，输出为0，AO2跟随PID块或手操块的数值输出，2个冗余卡输出电流加起来正好是要求的4～20 mA输出电流；如果AO2通道状态为故障，那么就让AO1数值为-25%，输出为0，AO1跟随PID块或手操块的数值输出，2个冗余卡输出电流加起来正好是要求的4～20 mA输出电流；如果2个通道都故障，那么就让AO1、AO2数值均为-25%，输出电流均为0，冗余卡输出电流加起来也为0，根据现场调节阀是故障开或故障关，阀门打开或关闭。

本项目中的数字量输出卡（DO）基本都是控制现场切断阀，切断阀是烧碱工艺中重要的控制装置，无论是在控制上还是在安全生产上都起到了非常重要的作用，目前该公司切断阀均采用单电磁阀控制，存在一定安全隐患，将现场重要切断阀由单电磁阀控制改为双电磁阀工作方式，避免切断阀误动作，造成不必要的联锁停车，具体步骤见图4。

图4　双电磁阀工作方式

首先，在DCS上新建2个不同DO卡件的DO点，名称为DO1、DO2，这2个DO点要求任何状态下都保持一致，下装程序运行软件；其次，A、B为不同DO卡件控制的电磁阀，其中，B电磁阀的输出口接A电磁阀的排放口。正常工作时，DO1和DO2同时带电，A、B电磁阀1、2连通，2、3关闭，切断阀处于打开位置；如A故障，其2、3连通时，B电磁阀的输出2经A电磁阀3、2连通，提供切断气源；再次，B电磁阀故障时2、3连通，A电磁阀2、3截止，切断阀保持原位。

4　输入端组态优化

由于烧碱工艺联锁控制点比较多，而这些点一大部分是设备的“停止”信号为高电平时触发或是某一监测点达到“高高”时满足联锁条件，如果外部环境出现干扰，使这些点的状态发生改变，就会满足DCS内的联锁条件，造成不必要的联锁停车，所以对DCS程序优化势在必行。具体做法是对每一个联锁点加上过滤程序，避免联锁停车。实现此功能的方法有很多，最简单的方法是利用开延时功能块，把每一个联锁条件做为开延时功能块的输入，输出作为联锁触发，具体原理见图5。

图5　联锁点过滤程序优化原理

5　冗余供电方案

该项目整套DCS系统及附件采用2种规格电源：220 VAC和24 VDC，所有操作站、控制器，直流稳压电源使用220 VAC电源，I/O站，交换机采用24 VDC直流电源。

24 V供电采用了2个适配器输出进行冗余，使用220 V供电的设备如操作站、控制站、稳压电源等设备通过冗余的2个220 V切换继电器分散供电，由于这些设备本身都设计成了冗余双机模式，因此，即使一个设备掉电也能保证整个系统正常运行。

UPS采用了2台30 kVA梅兰日兰品牌机型，220 VAC供电采用冗余供电模式，来自电气两路的220 VAC都进入UPS1、UPS2输入端，从2个UPS输出端进入切换继电器1、切换继电器2，2路220 VAC电源通过切换继电器接入所需仪表设备。当一路电源故障掉电时，切换继电器自动接入另一入电源。

6　其他注意问题

上述DCS控制系统冗余方案，着重在输出上进行了卡件和接线改造，不涉及输入上进行卡件和接线改造，主要是因为本项目中输入端满足联锁条件，基本是数值达到高高或是常开点闭合，即使发生卡件通道故障，数值上也是回零或是节点断开，不会触发联锁，所以避免干扰信号造成联锁误动作才是需要解决的，因此，只需在组态上加写过滤干扰块即可。

由于电脑长期运行免不了出现故障，该厂所有工序都采用2台电脑，确保1台电脑故障，可以使用另一台电脑，不至于影响生产。DCS系统的运行环境要求温度湿度要符合标准，因此，安装空调和采取防尘措施对系统的安全稳定运行是必要的。对系统微机、卡件、风扇等设备元件要进行定期除尘。

经过3年的观察，系统运行稳定，维护方便、操作简单，并且新系统比老系统故障率低，维修量小，干扰信号对系统的影响大大缩小，更能保证生产稳定运行。

Redundant fault tolerant reconstruction of AC800M control system in caustic soda project

ZHAO Hong-di
（Tangshan Sanyou Chlor-Alkali Co.，Ltd.，Tangshan 063305，China）

Abstract：This paper introduces the hardware structure and control principle of AC800M in the process of transformation of redundancy in DCS system. This paper briefly describes the system composition and network structure，redundant controllers and I/O station redundant，and program configuration anti interference measures are described.

Key words：AC800M；DCS；controller anti；interference

中图分类号：TQ114.26

文献标识码：B

文章编号：1009-1785（2016）04-0031-03

收稿日期：2015-12-24