AC800F控制系统在硫酸工业中的应用

刘保兴 王现奇

摘  要：该文主要陈述了ABB品牌的DCS系统AC800F控制器，其具有性价比较高、功能齐全、可靠性高、操作简单和控制功能强等特点。DCS系统是集计算机技术、网络技术、控制技术為一体的高科技产品，现场控制器采用PM803F控制器以及冗余的配置方式，工程控制计算机安装Freelance2016版本的软件，在1台工控机上可以进行项目编程、调试，同时也可以监控工艺流程和现场设备的控制操作。

关键词：DCS;通信;网络;编程

中图分类号：TP273              文献标志码：A

0 前言

该文基于ABB公司的 AC800F控制器，提出了硬件分层和软件模块化的设计编程方案。将硫酸生产系统中相似的设备作为一类单独设计，构建思路清晰的控制流程，使架构更直观，为控制系统的维护、控制程序组态的修改以及软件系统的升级提供了便利和基础。硬件组态分为3级，一级是监控管理级，使用工业级硬件配置的计算机，二级是系统网络结构，三级为最底层的设备及过程控制器和分布式I/O。该套Freelance2016版本控制系统应用于冶炼及烟气处理中的硫酸生产，其可靠性高、通信抗干扰能力强、控制操作响应灵敏，便于后期的维护、修改和升级，而且对生产的影响很小。

1 工艺概述

烟气净化系统采用一级高效洗涤期器→气体冷却塔→二级高效洗涤器→一级电除雾器→二级电除雾器的工艺流程。干吸系统采用一级干燥，两级吸收，三次转化循环泵冷却温度的高效工艺，并与双接触转化工艺相对应。转化系统采用3+2式五段双接触式的高浓度二氧化硫转化技术工艺。硫酸循环水系统主要供给净化系统、干吸系统和转化系统等工序的设备冷却用水。废酸处理系统采用硫化钠法回收废酸中的砷和铜等有价元素。

2 DCS系统框架组成

2.1 框架组成要素和分级

DCS系统框架构成基本要素可分为监视控制主机（HMI）、工程调试组态主机（ES）、工业以太网、现场控制器、DCS光纤环网与交换机、PROFIBUS-DP通信及冗余器（RLM01）、CI840A和输入、输出卡件。依据监视控制和工程组态、调试用的计算机硬件功能的不同，框架结构从现场至监视控制分为设备级（底层）、网络通信级（中层）、监视控制管理级（上层）3级[1]。如图1所示。

监视控制管理级用于设备控制和信息记录、归档、报警、工艺流程及数据指标的监控，项目的组态与调试，根据生产工艺和控制系统需要，运用多台监视控制主机（计算机）和1台工程项目组态调试用主机（计算机）。计算机为工业级的硬件配置，安装专业版Windows10操作系统，Freelance2016版本的监控软件，该软件安装方便、所用时间短，具有科技感、高端感的可视化界面。Freelance工控主机安装有Freelance2016版本集成软件，集成软件可以安装仿真控制器，工程技术员在进行项目编程调试或现场无法连接控制器的情况下，可以使用仿真控制器，方便检查、测试和优化项目程序逻辑，纠正错误，提高工作效率。Freelance操作员监控主机通过监控软件，对现场设备运行状态及工艺流程、数据指标、控制指令等信息进行监视控制，由于过程控制器最多可与10个操作员站连接，AC800F最多可以组态100个操作员站用于操作和监控。操作员站支持Windows的双屏显示特点，在冶炼及烟气处理、硫酸生产控制室内可以使用该种技术。第三方软件可通过OPC服务器，还可以在线监视实时数据和工艺指标（可集成第三方PLC到操作员站）。

2.2 PROFIBUS通信

冶炼烟气处理工艺流程及硫酸制备过程信息数据和物理变量，通过S800系列不同型号的输入、输出卡件进行信息采集和控制指令输出。现场设备级（底层）采集到的烟气处理、硫酸制造的物理变量和现场设备状态信息，通过PROFIBUS或Modbus网络与PM803F控制器进行数据交换，实现硫酸工艺及生产的过程和指标的监视与控制。现场设备级（底层）中PM803F控制器是该套DCS系统的重要硬件元素，PROFIBUSDPV1（FI830F）卡件、PROFIBUS通信冗余器（RLM01）、CI840A、PROFIBUS通信线和输入、输出模块组成了纵向的PROFIBUS通信网络。为保证控制系统的可靠和稳定，将现场网络PROFIBUS通信与Modbus通信和PM803F控制器冗余配置。过程站的每个连接最大字节数为1 400个，每个I/O模块从站可连接多个物理变量。物理变量包括现场设备运行指令及反馈信号，比如差压变送器、液位计、流量计、阀门定位器等信息数据，以及测量设备及工艺介质的热电阻和热电偶信号，硫酸浓度及硫酸成品质量测量信号等。每种输入、输出模块带有通道保险丝或光电隔离等功能，可靠性高、抗干扰能力强。PROFIBUS-DP

是一种速度快、成本低的通信网络，应用于冶炼烟气处理和硫酸生产过程控制并与输入、输出卡件通信，这种网络信息交换是计算机网络通信向现场设备级的拓展和延伸。由于冶炼烟气处理和硫酸制备工艺、检测点分散、控制的设备不集中的特点，因此采用分布式输入、输出模块即S800系列硬件通道，硬件通道卡件支持热插拔。现场总线和所连接的PROFIBUS从站的组态和参数设置全部使用统一的工程工具Freelance工程师站来完成，不需要任何外部的组态工具。PROFIBUS设备可以通过GSD文件或FDT/DTM方式集成到AC800F系统中。管理和监控级通过以太网连接通信。AC800F系统的冗余技术，经过多年的现场实际使用证实了其在工业应用领域的使用价值。它可以满足工业现场对冗余的高要求，其硬件可以实现多种需求的冗余。包括网络冗余，电源冗余，控制器冗余和冗余的操作员站等。

2.3 系统网络

在硫酸生产系统中使用的是环网。通信不会发生堵塞、断网的情况，运行可靠、稳定。系统网络架构为工业以太网（上级）、过程控制器数据交换网络（中级），由光纤通信和MOXA 系列的EDS408A交换机组成，现场工艺信息数据及设备监视控制的PROFIBUS通信网络（下级）。Freelance工控机、Freelance操作员主机、过程控制器之间的信息交换应用工业以太网通信。中级网络应用环网而不是主干方式，避免了网络安全性隐患的出现，凸显了环网的优势。因为主干方式网络出现故障会影响一个区域，而环网故障只会影响某一个点。光纤和交换机通信使用距离较长，速度快，确保了过程控制层级的信息畅通和安全。工业以太网通信技术成熟，扩展性和兼容性较好，但传输距离不能太长。现场设备级网络应用PROFIBUS通信协议或Modbus通信协议。过程控制器通过PROFIBUS或Modbus网络实现与输入、输出卡件之间的信息数据交换，其传输速率有多种选择，为软件组态和硬件配置提供了方便，环境适应性强。三级网络框架配置灵活，中、上级网络通过网关和第三方软件实现横向通信，设备层网络（下级）可纵向拓展。

3 DCS程序的自定义编程

项目工程采用Freelance2016版本软件，包含硬件组态、数据处理、控制逻辑和网络通信，硬件组态图形化方式显示，直观明了。运用系统提供的自定义功能，跟据控制对象的特性，按照类编辑的思路组态自定义功能块，比如按风机、泵、阀门等分类，数字量、模拟量信号分类做出自定义功能块，该功能块可重复调用，这样既节省时间又提高效率，还能减少错误，简化了程序编辑，增强了程序的可读性[2]。

模块化程序编辑语言不仅有功能块和自定义功能，还有梯形图（LD）、指令表（IL）、顺控图（SFC）、结构化文本语言（ST），在该套硫酸生产控制系统中主要使用功能块（FBD）编程语言。程序易读、易懂、易修改。在程序编辑过程中可以使用交叉参考功能，非常容易查找。

4 结语

该文介绍关于AC800F系列DCS控制系统中硬件框架组成、通信网络的分级，并对PROFIBUS通信进行了简要说明，对系统网络架构组成及功能介绍、组态软件模块化编程、自定义功能的应用进行了介绍，将该网络结构及程序编辑方案应用于冶炼及烟气处理、硫酸生产工艺中，可以实现超低的硬件故障率、稳定的控制系统和流畅的网络通信，证明该套控制系统稳定、可靠并且技术的成熟。

参考文献

[1]宋鹏川，白焰，董楠.热电机组DCS硬件分层设计和模块化组态方法[J].热力发电，2011，10（10）：58-60.

[2]贺心燕，李国庆.软件工程理论和方法在火电厂DCS设计中的应用[J].科技信息，2009（30）：216-219.