HOLLiAS MACSTM系统在植物保护剂装置上的应用

赖建新，廖友辉

（杭州和利时自动化有限公司，杭州 310018）

0 引言

欧洲某世界500强和全球化工行业的领头企业，从20世纪90年代开始在中国大陆组建生产基地。为了融入中国本土，大部分管理层逐步实现了本地化，生产装备的本地化采购份额也在逐年加大，而对于生产装置中素有“大脑”之称的DCS和Batch等自控系统的本地化，却一直非常谨慎。植物保护剂是该公司投资在中国的一个精细化工生产装置，采用了和利时的DCS和Batch系统，实现了生产过程的配方管理、批次控制等功能；从2005年开始，和利时公司优质的项目管理和稳定可靠的系统，持续为该公司的聚异氰酸酯、催化剂、植物保护剂等装置提供了自控方面的硬件、软件、设计、实施及文档等服务，获得了该公司的一致认可；和利时的DCS和Batch等控制系统在这些项目上的成功、稳定运行，体现了以和利时公司为代表的国产控制系统具备与国外同行同台竞技的实力，为国产控制系统进一步国际化提供了检验的平台和试金石。

图1 水乳剂加工工艺流程图Fig.1 Flow chart of water emulsion processing

1 系统概述

生产植物保护剂为新型、绿色、环保化学农药，主要分为：水乳剂、悬浮剂。

水乳剂：最具“绿色”特性的剂型之一，其工艺流程大致如图1所示。

悬浮剂：是农药加工的一种新剂型。悬浮剂的工艺流程大致如图2所示。

植物保护剂装置的生产工艺复杂，工艺联锁和逻辑控制要求高，该装置进入DCS系统的控制联锁图就达150页（A4）之多；流程控制精度要求高，工艺控制指标苛刻，温度控制精度甚至高达0.2℃，反应釜解耦控制难度大，对DCS系统提出了很大挑战；产品的品种较多，变换频繁，要求系统具备随时根据订单来组织生产，即要求具备配方管理和批次控制等Batch功能；该公司基于自身积累的一套标准来要求DCS和Batch满足其使用习惯、系统维护、甚至控制算法功能等要求。

2 系统可行性论证

植物保护剂装置采用的自控系统是和利时第五代DCS系统——HOLLiAS-MACS和第二代Batch软件。HOLLiASMACS系统是和利时在总结二十多年的用户需求和众多行业应用特点，并积累前面四代DCS系统应用经验的基础上，综合自身核心技术与目前主流控制理念而推出的新一代DCS。

HOLLiAS-MACS系统综合和使用了国际主流的PROFIBUS-DP现场总线技术，通过利用先进的软件技术、网络技术、控制技术以及微电子技术，使该系统满足了高端DCS系统所必备的高可靠性、易用性、先进性等要求[1]。

2.1 高可靠性

HOLLiAS-MACS系统在设计理念、器件采购、流程制造、质量检测等各个环节保证其可靠性。至2018年，已成功运用于近20000个项目，足以证明HOLLiAS-MACS系统是成熟、可靠的系统。

2.2 易用性

图2 悬浮剂加工工艺流程图Fig.2 Flow chart of suspending agent processing

一个好的控制系统，应该体现好用易用的原则，不能让用户学习和使用起来感到枯燥或繁琐，而应该降低系统推广和使用的难度，使用户能快速地熟悉、掌握。HOLLiAS-MACS系统在软、硬件方面体现了易用性的两个原则：

1）易维护原则

易维护性：系统一般分为硬件和软件。

硬件的易用性，包括热插拔、无跳线、零接线、容错、智能运行诊断、故障快速定位、局部相关等。

软件的易用性，包括界面友好、标准化和模块化的软件组织方式、丰富的组态和在线帮助信息、快速在线查找相应的组态信息和参数。

2）易操作原则

易操作性：主要包括统一的界面、系统具有丰富的联机帮助和操作指导等。

2.3 先进性

HOLLiAS-MACS系统从多个角度考虑，确保系统的先进性。把它概括为以下几个方面：

标准化：包括：硬件设计、生产的标准化，软件开发的标准化，产品性能、接口和特点的标准化等。如：控制算法组态符合IEC61131-3标准。

高级功能的提供：除了传统的控制和监视外，还提供了众多的先进控制模块、专用控制模块、系统函数的调用接口、批量控制功能等。

新技术的采用：如总线技术的采用（支持PROFIBUS/HART/MODBUS等国际上常用现场总线）等。

一键切换功能：为了满足系统的国际化要求，在操作界面上支持多国语言随时切换，真正实现多语言一键自动切换功能。

通过上述论证、分析，HOLLiAS-MACS系统不仅能满足该公司基于自身积累的一套DCS系统标准，即：满足其使用习惯（风格统一）、系统维护（简单方便）、专用控制算法（自有控制算法模式）等标准，也满足植物保护剂装置对DCS系统高标准的技术要求，能够顺利完成植物保护剂装置复杂的过程控制任务。

3 系统初步设计

本项目系统测点共计有近2000个，有100多个Profibus-DP & Modubs通讯节点。具体情况见表1。

表1 I/O测点Table 1 I/O point

图3 系统网络结构图Fig.3 System network structure diagram

3.1 系统网络结构

该项目DCS系统配置1台工程师站，1台Batch服务器，2台历史站，20套现场操作员站。

现场控制站由1台主控柜和2台扩展柜组成。主控柜安装一对冗余控制器、冗余分布式电源模块以及若干I/O模块；扩展柜除安装冗余的分布式电源模块以及I/O模块之外，还为现场信号配置了安全栅。

整个项目配置一个电源柜，用于DCS系统设备以及现场仪表的配电。系统网络结构如图3所示。

3.2 系统的配置原则

HOLLiAS-MACS系统在配置时，遵循如下原则：

冗余原则：控制器、通讯总线、网络、电源等关键设备，采用1:1冗余。

裕量原则：系统空间和I/O模块配置预留≥15%。

负荷原则：系统负荷≤40%，网络负荷≤40%，电源负荷≤60%。

图4 通讯链路Fig.4 Communication link

完整原则：以满足系统需求为基本原则进行完整配置。

系统网络采用实时工业以太网，防网络风暴，双冗余结构，应用时可以保证在任何一条网络失效的情况下都不影响系统通信，实现现场控制站与系统操作员站、工程师站与服务器站的互连。

控制网络采用技术成熟的、可靠性高的高速现场总线网络——Profibus-DP现场总线。除了实现智能过程I/O模块与现场控制站主控单元的通信外，还用来链接70多个智能马达（MCC）和变频器的DP通讯，实现与DCS系统的无缝链接。通讯链路如图4所示。

4 系统工程设计

该项目的系统设计根据《合同》《技术协议》《开工联络会纪要》《设计资料》等技术资料和要求，包括：硬件设计、控制方案设计、软件设计、说明文档设计等，每项设计都必须通过双方审核、确认，才能进行其他相应的工作。下面分别介绍各个设计阶段的相应工作和要求。

4.1 硬件设计

根据《开工联络会纪要》和《技术协议》的要求，设计完整的《系统结构及布线文件》《系统接线图》和《第三方通讯地址表》等，详细地说明系统的“网络架构”“控制柜设备布置”“配电柜设备布置”“接线图”等各个功能部件的位置和名称[2]，如图5所示。

通过详细的集成设计，把零散的硬件集成为一个完整的系统，装配部门可根据该设计图进行装配工作，现场安装人员可以根据该设计图进行接、配线工作，用户可根据该设计图进行查线维护等工作。

4.2 控制方案设计

图5 工程项目系统结构及布线文件—控制柜设备布置Fig.5 System structure and wiring file of engineering project-equipment arrangement of control cabinet

图6 逻辑控制回路图Fig.6 Logical control loop diagram

控制方案设计必须符合该公司标准，系统在确保安全稳定的原则下提供更多的信息，减少信息盲区，方便操作和维护。在这些工程设计中，包括：仪表回路图、逻辑控制回路图、联锁控制图、顺序控制图、紧急停车系统图等；这些控制方案及回路图的设计，均需体现：信号来源和去向、标注来自的逻辑位号和逻辑图号、顺序步控制条件动作等，逻辑控制回路图如图6所示。

4.3 软件设计

软件设计包括：系统组态设计、工艺流程画面设计、报警设计、日志设计、报表设计、趋势设计、权限设计、区域设计等工作。下面着重主要介绍组态设计、工艺流程画面设计和区域设计。

1）组态设计：根据控制方案设计图，确定软件组态的设计风格和所使用的组态语言。

2）工艺流程画面设计：统一流程画面风格、操作面板、符号显示、相应的操作按钮等；统一的画面布局，一级（总貌）、二级（工段图）、三级（工艺详图）画面切换和递进到详细的工艺画面。流程画面一层一层展开，确保操作的安全性和层次性。对于工艺流程画面设计，突出以下特点：

以面向对象为中心的设计思路：如以一个阀门为例。

①显示/操作：该阀门位号和说明、开/关反馈状态、开/关命令状态、联锁状态、报警状态、信号品质、开/关限时显示与设置、开关控制、手自动切换等。

图7 面板控制Fig.7 Panel control

②链接/诊断：该阀门所在的流程图页面、此流程图页面所在的子总貌图、该阀门的联锁逻辑图，如果有多幅联锁逻辑图的话，弹出选择框、该阀门所在的趋势组画面、操作组画面、信号品质画面（含诊断信息、如位号质量状态，断线、短路、超时等）。

③报警/确认：该阀门报警信息及其确认。

④辅助/帮助：工程师辅助信息，如位号的接线图、仪表、模块、安全栅等设备的说明书；操作人员的帮助信息，如：面板的使用指南等。

在设备“面板”里，能够完成该设备全部的操作，具有很多重要的功能特点，如：强制与在线仿真、断线检测、短路检测等非常实用的功能，不仅减少在各软件或各画面之间的来回切换，还能在“面板”中迅速完成这些操作和诊断，为系统维护和回路测试提供了方便，如图7所示。

以面向对象思想的应用设计理念：在系统组态里，全面贯穿了面向对象的思想，即：操作人员看到的仪表位号已经不是单一的一个仪表位号，而是一个仪表设备。

以多语言在线切换为设计原则：系统内置字典实现语言翻译，使多语言功能的在线交互使用变得方便、易用，提供对不同使用者的多语言支持，满足用户中英或多语言一键切换的诉求。

3）区域设计：根据对操作区域的不同，只允许操作权限许可的区域。

4.4 Batch实现的功能

4.4.1 Batch功能块设计

功能块程序语言要求使用SFC（顺控），用此语言的目的是方便调试和维护，对当前该功能块运行的状态一目了然，当前状态的条件是否满足很清晰；编写功能块可以先按照预设功能编写逻辑顺控图（如“自动加料”动作），提列出主要的输入/输出变量，中间变量可以在编写程序过程中根据需要增加。

4.4.2 Batch人机交互

图8 功能块Fig.8 Functional block

图9 内部顺控图Fig.9 Internal sequence control diagram

在该界面中包含了Batch的控制配方信息，如控制配方号、批次产量、主配方名称、生产计划号、生产计划描述、控制配方名称、控制配方描述、单元程序、单元描述、操作名称、操作描述、操作状态、物料、物料量等14项信息；包含了该单元的搅拌状态、循环状态、保温状态等信息；以及动作步骤、动作信息和交互操作、操作参数信息等。

4.4.3 批次报表

以批次为单位记录该批次所有的生产过程和“足迹”，即批报表；批报表中包含了生产计划ID、控制配方ID、主配方名称、单元程序、操作步骤名称、操作步开始时间、操作步结束时间、参数名称以及参数值等。

图10 Batch人机交互Fig.10 Batch HMI

图11 批次报表Fig.11 Batch report

4.5 说明文档设计

对于一套完整的DCS系统而言，除了前面所提的《工程项目系统结构及布线文件》和《控制方案》等设计图纸外，还需要其他很大一部分的文档设计工作，且都必须针对于本项目，包括：系统组态数据表、硬件配置说明、系统功能设计说明书、组态手册、操作手册、外购设备说明书、维护手册、培训手册等文档设计。

通过这些文档的设计，项目组可以根据文档进行组态、编程、调试等，施工单位可根据这些文档进行安装、布线、接线等工作，现场使用部门能根据这些文档进行操作、维护、培训等工作。

5 系统测试与工厂验收

系统的测试和工厂验收，是和利时对产品的系统功能、设计可靠性等方面进行的重要品质监控环节，也是用户对系统性能和组态完整性的一次检阅。因此，此阶段的检查和测试对双方来说都是特别关注的节点。系统测试与工厂验收环节，结合了和利时自身的质量标准文件和用户提供的针对本项目的功能规范、质量体系等标准，从系统阶段性测试到出厂完整性测试的实施标准和步骤等进行了严格的标准设计和流程规划。内容包括：硬件测试、系统功能测试、操作站功能测试、控制站功能测试、高级算法测试、第三方设备通讯测试、异常恢复测试等。

控制站功能测试：分为通道测试、回路控制（通过信号发生器给实际值，或仿真方式赋强制值，检查控制回路的正确性和控制性能等）、顺序及逻辑控制、报警等4步。

高级算法测试：对于某些特殊的工艺环境和参数，需要定制特殊的功能块或采用编程语言进行编程来实现（如ST语言），高级算法实现的功能，根据业主、工艺或设计方提供的资料来完成。

第三方设备通讯测试：该项目的第三方设备较多，如：通过DCS系统内的马达控制功能块（SMTMCC），对智能马达设备进行监视和控制。

异常恢复测试：即带电热插拔测试（I/O模块、主控单元、电源模块等），检查这些异常及故障是否对系统的正常运行造成影响等。

标准的文件记录格式，即：检查的目的、参照的依据、检查的方法、评判的标准都分步列出，然后得出各阶段检查的结果或结论（存在的问题，如何解决，何时解决，检查通过、未通过的结论）。

最后，对本次系统测试和工厂验收（FAT）做一个整体结论，拟定FAT报告，对不合格项提出整改的方案、整改的时间、复查的时间等都需写进FAT报告中，成为该项目质量文档的一部分予以归档备查。

6 结论

植物保护剂装置规模不大，其I/O测点数量也不多，但实施的标准要求高，功能要求全，性能要求严，系统要求稳，文档要求细，而项目最终成功实施，既是对HOLLiAS MACSTM系统的一次性能验证，也是对和利时工程实施标准和团队能力的一次提升。植物保护剂装置从2013年投运以来，系统运行稳定、可靠，功能全部满足工艺要求，充分证明了和利时不仅能为国内外精细化工企业提供优质的DCS、Batch等自动化系统产品和完善的解决方案，也能为精细化工提供领先的行业工程实施标准和服务。进一步凸显国产自动化系统的产品性能和优势，不断提升Batch等软件的功能和成熟度，以满足精细化工行业对自动化、数字化、智能化的需求，既是HOLLiAS MACSTM系统走向国际化所需担负的责任，也是国产自动化系统在全球化背景下占有一席之地的希望所在。