DCS电子布线技术应用

2020-09-27刘齐忠郭金凤

石油化工自动化 2020年5期

刘齐忠，郭金凤

(福建联合石油化工有限公司，福建泉港 362800)

进入21世纪以来，随着微电子和网络通信技术的发展及日益复杂化、大型化石化和煤化工工艺技术的需求，DCS得到了高度的重视和长足发展，应用越来越广泛。纵观目前DCS的应用情况，在用的技术主要有常规DCS(含无线智能仪表)、常规DCS/FFCS(FF Control System)及DCS电子布线技术等。其中，电子布线技术是在2010年前后诞生并投入实际应用的、继FF现场总线技术之后相对较新的DCS技术，并已连续在国内外石化及煤化工行业得到了成功的应用。

1 DCS技术发展历史及现状

DCS自1975年问世以来，经过四十多年的发展，虽然在系统体系结构上没有发生重大改变，但是经过不断地发展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。总的来说，DCS正在向着更加开放和高度集成、更加标准化和智能化的方向发展。

1.1 DCS的发展历史

1975年至20世纪80年代前期为第一代产品。1975年美国Honeywell首次推出了其综合分散控制系统TDC-2000(total distributed control-2000)，从此，过程控制进入了集散系统的新时期。其特点是：注重控制功能的实现，可实现分散控制和集中监视；但人机界面功能弱、控制简单、通信能力差、互换性差且成本高。

20世纪80年代中期至90年代前期为第二代产品。随着计算机的发展与网络开发使各控制厂商更多地采用商业计算机的技术，20世纪80年代末许多DCS厂商推出新一代的分散控制系统，其主要特征是新系统的局部网络采用MAP协议，引用了智能变送器与现场总线结构，在控制软件上引入PLC的顺序控制与批量控制，使DCS也具有PLC的功能。

20世纪90年代中期至21世纪初，各家DCS厂商以信息技术、先进控制技术和现场总线技术的发展为依托，先后推出了集成高速工业以太网、现场总线和先进控制器的第三代开放型DCS。其典型代表是日本横河的Centum3000，Honeywell的C300 PKS系统，Emerson的Delta V系统等；国内浙江中控的DCS也得到了长足的发展，在2010年以来其常规DCS和DCS/FFCS在石化行业得到了越来越多的应用，并取得了良好的业绩。

21世纪初以来，DCS在总体网络结构基本稳定的基础上，其控制层继前期应用FF现场总线技术之后，涉及I/O模块变革的电子布线技术也已问世，并在近年得到了推广和应用。

1.2 DCS现状

第三代常规DCS网络结构如图1所示，其结构主要分为3层：信息层、控制层和设备层(传感/执行层)，控制层和设备层的仪表在接线方式上不断创新：由模拟量进化为HART智能仪表、由点对点连接改变为1根电缆连接多台仪表的总线方式、再发展到当前较新的云I/O拓扑的电子布线结构方式。

图1 第三代常规DCS网络结构示意

1.2.1常规DCS结构模式

1)信息层。采集控制层的所有数据进行处理并上传至工厂信息管理网。

2)控制层。主要以控制器为主，由控制器核心处理器卡件、通信卡件和I/O卡件组成。其主要功能如下：

a)与其他PLC控制器的通信。经过Modbus RS-422/485/232或Modbus TCP/IP与其他PLC控制器的通信卡件连接。

b)与设备层的连接。经常规的I/O卡件初步处理接入的检测仪表测量信号数据后，由控制器模块运算后发出控制指令给现场调节仪表实施生产控制。

3)设备层。主要是温度、压力、流量、液位等4种检测仪表，气动和电动调节器执行机构，阀门及在线分析仪表等设备。另外，无线通信仪表目前也已在投入试用中。

1.2.2常规DCS和FF现场总线系统混用模式

该模式总体框架及上层结构与常规DCS相同，只是在控制层上根据现场实际情况采用冗余H1现场总线通行卡件，目前的成功应用实例是每对冗余的H1通行卡件(或每个Segment)最多可连接12个现场总线仪表。但复杂控制、涉及装置安全的关键控制回路和用于顺序控制的逻辑功能块的相关仪表设备仍采用常规I/O卡件的信号输入模式。

另外，FF总线控制器和先进控制器采用TCP/IP的通信模式直接挂到工业以太网上作为控制层的独立设备实施控制功能。

1.2.3采用电子布线技术的常规DCS模式

该模式仍采用常规DCS的结构，只是采用电子布线技术，将现场信号直接接入I/O通道；或直接将I/O卡件机柜(箱)放置于现场，采用光纤通信至现场机柜间的控制器。

2 DCS的发展趋势

在第三代DCS成型后二十余年以来，其技术的发展均是在基本网络架构的基础上实施创新：

1)在软件功能上进一步提升管理水平和先进控制模块的性能，以契合工业4.0技术的发展潮流。

2)在控制层向下至设备层，在仪表信号接线方式上取得了突破，相继推出了各种智能仪表(含无线智能仪表)、FF现场总线仪表和电子布线技术。

总体来说，其信息层的软件平台和控制层还不能打破供货商之间的品牌壁垒，无法做到相互兼容。这就导致了一方面市场上各种品牌相互之间竞争激烈；另一方面在系统投用后用户的管理难度大、检维修成本高，且技术转向难。

为打破这一壁垒，美国开放集团(The Open Group)组织一个新的面向流程工业控制技术的标准化活动，即开放流程自动化论坛OPAF(open process automation forum)。在选择现有的、卓有成效的适用工业标准的基础上，综合开发新的系列标准。在2019年2月该组织正式推出了开放流程自动化标准(O-PASTM)1.0版，提出了一个与供应商无关的新一代控制系统的概念验证系统参考架构。OPAF概念验证系统基本实现了可互操作性、可交换或可替代性、组态和应用的可移植性，以及应用开发的灵活性。供应商提供的硬件、软件产品构成的系统，产品之间的互操作性都按照标准实现，无需通过网关或通过软件转换；参与构成系统的同类型部件都可以个别的和自由地在供应商间替代。

该系统的主要原理是：利用软件容器化技术，构成一个分布式控制节点(DCN)，其中可容纳所需的各种APP功能软件，如监控和管理DCN的APP、现场总线和工业以太网的APP、现有的过程控制算法APP、新开发的过程控制算法APP等。

DCS演变为新一代的分布式控制系统示意如图2所示，新一代分布式控制系统的架构是：与现有第三代DCS的L1/L2相对应的系统架构是建立在分布式控制节点和单通道I/O模块，支持现场数据采集并实时进行数据运算处理、连接其他网络协议的实时通信接口；系统由许多个有I/O的DCN和无I/O的DCN，以及一个与云端连接、执行集中应用的DCN构成，DCN的数量可达数千个。属于L3的则是DCS的HMI功能、服务器、先进控制算法的运算功能以及MES的功能，可以运用由服务器构成的虚拟系统，在一种开放型的软件环境下实现。

图2 DCS演变为新一代的分布式控制系统示意

因此，如果OPAF的验证系统测试成功且进一步完善，由此而面世的新一代DCS将是真正意义上的开放型分布式控制系统：可以在通用软件平台上开发系统软件，市场上所有DCS软件功能模块和硬件产品均可兼容及互换。笔者认为，这也将是DCS技术近期可以预见的发展方向和趋势：向开放性、综合性、智能化、PC化和专业化方向发展。

3 电子布线技术简介

3.1 电子布线技术的概念及其工作原理

1)概念。是一种利用“电子线路”消除或取代物理布线的技术，即消除现场仪表信号从现场接线箱至中间接线柜再连接至I/O卡件的物理布线，并在电子特性化的端子上实现一次转换以减少相应的线缆连接。

2)工作原理。利用微电子技术发展的小型化、功能特定化等特征来促进DCS硬件及网络拓扑结构的变革；将常规接线端子数字化、特性化以取代传统I/O卡件，以成熟的光纤通信技术代替电流信号传输。传统I/O现场信号连接和电子布线技术现场信号连接分别如图3和图4所示。

图3 传统I/O现场信号连接示意

图4 电子布线技术现场信号连接示意

3.2 电子布线技术介绍

CHARM电子布线技术产品结构示意如图5所示。

图5 CHARM技术产品结构示意

从图5中可以看出，该电子布线技术由与控制器通信的冗余以太网接口、冗余直流24 V电源、通信模块(CIOC)、CHARM及含接线端子的CHARM安装底板组成。

每对冗余控制器可以支持16个CIOC模块，每块CIOC模块可以支持8个CHARM底板即96个信号通道，并可与4个独立的控制器通信。每块CIOC模块下有96个I/O通道独立的接线端子和特性化模块，将通道特性和卡件特性解绑以实现更灵活的系统配置；每个I/O通道可根据实际需要，选取特性化模块来处理不同类型的信号，比如：最常见的4～20 mA AI/AO，24 V(DC)DI/DO信号等；而CIOC卡件则负责I/O数据二次定标和智能设备信息解读并与控制器进行通信。

Emerson的DeltaV系统支持40多种CHARM模块，可以处理从RTD到230 V(AC)DI信号，从安全区信号到本质安全信号，从普通信号到安全联锁信号等各种类型的信号。

所有电子布线技术相关组件都适用于防爆2区安装、-40～70 ℃宽温工作和G3防腐处理。

3.3 电子布线与常规DCS的技术比较

电子布线的特点及与常规DCS的技术比较见表1所列。

表1 电子布线与常规DCS的技术比较

续表1

4 应用实例

电子布线技术自2011年问世以来，先后在国内外得到了成功的应用。下面介绍国内石化行业和煤化工行业的两种不同形式的应用实例。

4.1 石化行业的应用实例

某项目是对老厂DCS的更新改造。其涵盖的装置主要有： 4 Mt/a常减压蒸馏装置、催化重整装置、焦化柴油加氢装置和催化柴油装置，总I/O点数约3×103点。

由于是老厂改造，其机柜间、工程师室和操作室空间紧张，且现场仪表设备和电缆敷设已经定型，现场仪表和DCS的维护管理存在明确的覆盖面，以DCS接线柜的仪表信号接线端子为界，所以，根据实际情况，该项目虽然选用了Emerson的电子布线技术，但也仅限于在机柜间，没有改变现场仪表设备的接线和电缆敷设方式。该项目的电子布线技术应用如图6所示。

图6 某石化企业DCS改造项目的电子布线技术应用示意

从项目实施情况看，效果很好，其优点有以下几个方面：

1)该项目2015年1月启动设计，2015年12月投入使用。从老系统拆除和新系统安装、调试及投用仅历时45 d。

2)减少接线柜、合理利用有限的机柜间空间，从另一个方面来说就是可以减少机柜间空间的需求。

3)故障率低，从2015年12月底投用至今，约3×103个电子布线卡件在正常工况下仅损坏2个。

4)故障状态下影响面小、成本低，只涉及1个I/O通道，DCS常规I/O卡件一般是8，16，32个通道，坏1个通道就需更换整块卡件。

5)新增设备接入方便，无需选择不同类型的I/O卡件，只需就近选用电子布线卡件接入即可；不受不同类型卡件备品备件和机柜空间的影响。

6)组态下载方便，可以单个通道下载，不影响其他通道。

4.2 煤化工项目应用实例

某项目为新建的煤化工项目，主要包括：乙烯裂解(含丁二烯)、聚烯烃、聚氯乙烯(PVC)、环氧乙烷(EO)、环氧丙烷/苯乙烯单体(PO/SM)和储运等装置和设施，总I/O点数约6.5×104点。

由于是新建项目，没有各种约束条件，所以该项目采用了完整的电子布线技术：从装置到机柜间，除SIS、气体检测器、氧分析仪和四线制仪表的电源使用主电缆外(20根左右)，其余都是从现场CHARM柜的CIOC通过光缆传输至控制器。即机柜间只安装了控制器、通信卡件及相关设施，CHARM柜及相关的配电设施均安装在装置现场。该项目DCS电子布线技术应用如图7所示。

图7 某煤化工项目DCS电子布线技术应用示意

从该项目的实际经验可以发现，该电子布线技术优点有以下几个方面：

1)由于CHARM机柜移至现场，且省去了I/O信号中间接线柜，从而在大幅降低综合系统成本的基础上，也大幅缩小对于现场机柜间空间的要求。

2)大幅节省从现场接线箱到现场机柜间(或控制室)的多芯电缆及桥架，大幅降低了项目仪表线缆、材料成本和施工量及相应的工程费用。如以现场CHARM机柜与现场机柜间的平均距离为200 m，现场主干电缆采用16芯阻燃铠装电缆(4.0元/m)考虑，6.5×104个I/O点所需电缆成本约650万元人民币，施工费用(按2元/m计费)约325万元人民币。光节约电缆一项就可降低项目成本975万元人民币，另外还有因机柜和电缆槽盒的减少其相应的施工费用也节省了很多。

3)标准化接线箱设计提高供货速度，减少集成环节，加快工程进度。每个CHARM柜80～96点，现场CHARM柜容许多个接线小组同时施工，只接CHARM柜侧和现场仪表处。穿电缆、做电缆头用时约2人×1.5 d，完成1个CHARM柜的接线工作,用时约1人×1天。

4)回路调试时，1个小组用时1 d完成约100台仪表。接线错误减少，问题处理更快。

然而，由于DCS的CHARM柜(或箱)安装在现场，且需现场配置供电设施，所以导致：一方面对现场安装区域的选择需慎重，另一方面不利于现场维护。特别是打破了DCS和现场仪表已经成型的运行维护界面，需重新界定其工作界面并培训。