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工廠管控網(wǎng)技術的應用實踐
發(fā)布日期：2016-03-04 來源：《上海設備管理》
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一、概述
拜耳材料科技有限公司是一家生產(chǎn)聚碳酸酯、聚氨酯、涂料等化工原材料的大型一體化基地，其工程分為多期，選擇的控制系統(tǒng)必須既能夠滿足當前的獨立控制，又能夠滿足日后構建整體可控、集成、信息共享的聯(lián)合化工廠的要求。工廠管控網(wǎng)（PlantWeb）融合了智能化的現(xiàn)場設備，提供了規(guī)模可變的平臺技術以及模塊化的軟件技術。本文通過對一期電解鹽酸裝置控制系統(tǒng)結構及特點進行闡述，介紹單套生產(chǎn)裝置的系統(tǒng)設計思路及一體化工廠的實現(xiàn)過程。
二、PlantWeb體系在裝置中的構架設計
1、裝置控制系統(tǒng)的配置
電解鹽酸裝置是一期工程中的基礎化學部分，主要作用是收集其他裝置的副產(chǎn)品—鹽酸，通過電解法生成氯氣，作為基礎原料提供給主裝置，最終實現(xiàn)氯的循環(huán)利用。
電解制氯生產(chǎn)主裝置自動化系統(tǒng)采用PlantWeb數(shù)字化工廠管控網(wǎng)架構，包括智能化設備、DeltaV控制系統(tǒng)和AMS智能設備管理等部分，輔助系統(tǒng)如氯壓縮機控制、電解槽監(jiān)控、大功率整流器控制及ESD系統(tǒng)均帶有獨立的控制系統(tǒng)。通過Modbus，Profibus等總線方式實現(xiàn)輔助系統(tǒng)與DeltaV系統(tǒng)的通信，形成系統(tǒng)間信息共享、相互合作的解決方案�，F(xiàn)場儀表設備主要采用基金會現(xiàn)場總線（FF）型設備，包括溫度、流量、液位、壓力檢測及閥門定位器等。事實證明，DeltaV控制系統(tǒng)能夠很好地兼容來自其他供應商的FF設備。另外，DeltaV控制系統(tǒng)的OPC服務器將生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳送至企業(yè)信息管理中心，由PIMS，LIMS，E＆A系統(tǒng)構成工廠MES，并與公司ERP系統(tǒng)連接，搭建管控一體化集成系統(tǒng)。
2、PlantWeb的架構設計
PlantWeb是一種基于現(xiàn)場的、規(guī)�？勺兊目刂葡到y(tǒng)，是區(qū)別于傳統(tǒng)DCS的網(wǎng)絡集成體系。它采用標準的開放式協(xié)議進行操作，并與企業(yè)內(nèi)已聯(lián)網(wǎng)的智能現(xiàn)場設備進行交互。此類現(xiàn)場設備具有報警、事件處理、高級診斷以及控制功能，可在任何地方進行過程控制。其結構由智能現(xiàn)場設備、規(guī)�？勺兊钠脚_、標準以及集成模塊化軟件組成。利用該系統(tǒng)良好的開放性，可以實現(xiàn)現(xiàn)場級采用現(xiàn)場總線方式，工廠級采用工業(yè)以太網(wǎng)標準，不同平臺的數(shù)據(jù)交換采用OPC協(xié)議。
針對電解鹽酸裝置輔助控制單元較多、控制較復雜、現(xiàn)場總線設備數(shù)量眾多的特點，系統(tǒng)架構設計采用圖1所示架構方式。
3、PlantWeb架構的功能
如圖1所示，鹽酸電解制氯生產(chǎn)裝置控制系統(tǒng)主要由DeltaV控制系統(tǒng)和生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)組成，前者執(zhí)行生產(chǎn)過程控制，后者通過OPC服務實現(xiàn)工廠網(wǎng)與控制網(wǎng)通信，將控制網(wǎng)上的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)收集至工廠網(wǎng)并與Office網(wǎng)連接，從而實現(xiàn)管控一體化。其結構設計包含以下幾個層次：
（1）現(xiàn)場總線智能設備層
以FF、Profibus、HART及Modbus等協(xié)議類型的變送器、執(zhí)行機構和變頻馬達等現(xiàn)場設備為主，此類設備通過相應類型的智能Ｉ/Ｏ 通信卡件接入DCS，構成PlantWeb的第一層。與傳統(tǒng)多芯線一對一硬接線方式不同，現(xiàn)場總線方式利用網(wǎng)絡通信技術，實現(xiàn)數(shù)字化、多通道的傳輸技術，大大減少了布線成本；提高了傳輸過程中的抗干擾能力；降低了維護難度，實現(xiàn)了預測性維護。
（2）DeltaV 控制層
是實現(xiàn)對主裝置工藝流程監(jiān)測控制的核心部分，考慮到控制的可靠性和安全性，現(xiàn)場總線智能設備不參與過程控制，即除去輔助系統(tǒng)的自帶獨立控制系統(tǒng)外，所有的控制策略都由DCS完成。DeltaV控制系統(tǒng)采用開放的網(wǎng)絡結構和各種國際標準通信協(xié)議，提供可靠的網(wǎng)絡通信，實現(xiàn)對各種復雜工藝的控制，為建立企業(yè)管理網(wǎng)奠定基礎。
（3）AMS和管理執(zhí)行層
PlantWeb架構體系中的AMS對所有符合HART、Profibus、FF等類型協(xié)議的智能化現(xiàn)場設備具有互可操作性和互用性，幫助用戶采集和管理現(xiàn)場設備信息，實現(xiàn)遠程對設備進行組態(tài)、標定、回路貫通及測量設備狀態(tài)等功能。DeltaV控制系統(tǒng)開放的網(wǎng)絡結構以及對OPC協(xié)議的支持，實現(xiàn)對控制網(wǎng)中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、事件報警信息、設備狀態(tài)信息及實驗室分析數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理；與企業(yè)ERP相連，實現(xiàn)備件采購、生產(chǎn)任務安排、任務完成情況統(tǒng)計、庫存管理、維修管理、設備優(yōu)化等管理職能，最終實現(xiàn)先進自動化控制技術與管理相結合的既定目標。
三、FF的設計組態(tài)與安裝
1、FF的設計與組態(tài)
在鹽酸電解裝置控制系統(tǒng)中，F(xiàn)F設備1562臺，壓力、溫度、流量變送器共1256臺，F(xiàn)F網(wǎng)段（Segment）共365個，平均每個網(wǎng)段掛4.1臺FF設備。在FF設計、組態(tài)過程中，嚴格遵守如下規(guī)定：
（1）根據(jù)網(wǎng)段總的功率負載、電源的容量、線上壓降及盡量降低通信負荷的原則，F(xiàn)F網(wǎng)段的設計必須滿足：每個段掛設備數(shù)量不超過6臺；本安防爆設備不超過4臺；具有調(diào)節(jié)作用的執(zhí)行機構不超過2臺；同一回路的測量、執(zhí)行器放在同一網(wǎng)段內(nèi)。
（2）現(xiàn)場總線電纜的技術規(guī)格應符合表１規(guī)定的內(nèi)容。
根據(jù)裝置要求，現(xiàn)場全部采用Ａ類總線電纜，不安裝中繼器，現(xiàn)場總線網(wǎng)段的長度盡可能低于1900m，分支的長度為1～200ｍ，這里網(wǎng)段總長度等于主干線和所有分支線的長度之和。
（3）為提高FF工作可靠性、穩(wěn)定性，同時在資金充沛的條件下，盡可能在初始設計和軟硬件組態(tài)時考慮降低FF設備在總線網(wǎng)段上的通信量。在一個段中減少所掛設備總數(shù)，在控制回路中盡可能避免引入回路之外的參數(shù)，因為跨功能塊或網(wǎng)段之間的參數(shù)引用會大幅提高網(wǎng)段上的通信量。應使用經(jīng)過DeltaV驗證的FF智能設備。
（4）樹型拓撲網(wǎng)絡的應用�？紤]到以后項目擴容時，可以再利用現(xiàn)有電纜，采用樹型拓撲結構。實踐證明，在硬件組態(tài)和網(wǎng)絡/網(wǎng)段設備分配過程中，樹型拓撲結構具有很好的擴展靈活性，可以在不影響其他設備運行前提下在線增加新設備。樹型拓撲網(wǎng)絡由單個與公共接線盒相連的獨立現(xiàn)場總線組成，終端器連接于主干線電纜的末端，如圖2所示。
2、FF安裝要求
大量實踐證實，以往現(xiàn)場總線故障率較高主要是由通信中斷引起的，發(fā)生原因大部分是由于現(xiàn)場總線安裝施工質(zhì)量不符合要求，沒有嚴格遵守總線電纜施工規(guī)范，比如電纜橋架安裝不規(guī)范，電纜總屏蔽線和分屏蔽線連接不符合要求、接觸不良、接線箱防水不好導致端子受潮或?qū)Φ亟^緣不符合要求等�？偟膩碚f，現(xiàn)場總線電纜的敷設、安裝質(zhì)量直接關系到現(xiàn)場總線儀表能否正常工作，所以在設計、施工階段嚴格控制現(xiàn)場總線的質(zhì)量是十分必要的。
（1）在施工單位進場前，實施FF設備安裝和接線培訓，培訓的主要內(nèi)容以《基金會現(xiàn)場總線接線和安裝指南》、《31.35Kbit/s基金會現(xiàn)場總線接線和安裝指南》為主。
（2）考慮到基地靠海非常近，有雨水多、空氣潮濕、腐蝕性強等特點，為防爆和避免總線回路受潮，滿足現(xiàn)場總線網(wǎng)段對絕緣的高要求，規(guī)定所有接入接線箱的電纜必須采用防爆密封接頭，所有接線箱必須采用增安型（EExe）。電纜橋架敷設時要求：總線信號與本安、非本安信號分開；強電信號和弱電信號分開；橋架間距大于400mm。
（3）采用FF專用端子塊與各現(xiàn)場總線設備連接。每個總線專用端子塊具有短路保護作用，非正常時指示燈亮，確保各支路間不相互影響，短路保護器將每支路的短路電流限制在60mA以下。檢測電纜線間絕緣電阻、對地絕緣、線間和對地電容以及總線信號的波形測試等應符合FF系統(tǒng)工程指南中的技術要求。
（4）電解鹽酸裝置采用大功率整流器，現(xiàn)場電磁干擾大，在靠近大功率整流器的場所，系統(tǒng)對接地要求更嚴格：必須嚴格區(qū)分信號地和保護地，信號線接地電阻應小于1.5Ω；現(xiàn)場總線設備的支線電纜屏蔽線在表殼端用絕緣膠帶進行包扎隔離，為避免多端接地，屏蔽線不允許在接線盒端接地，接線盒至H1卡的總線電纜的屏蔽線要求連接至接線柜的接地母排，這樣避免了接地電勢，起到防止靜電感應和低頻（50Hz）干擾的作用；要求將鎧裝鋼絲在現(xiàn)場和機柜側兩端接地，起到預防雷擊等高頻干擾。
3、經(jīng)濟效益的提高
相比于傳統(tǒng)DCS及現(xiàn)場儀表設備，采用FF技術，項目成本得到顯著降低，設備預維護工作得到加強，項目施工和開工調(diào)試時間減少，在很大程度上不僅提高了裝置運行的可靠性，而且明顯地增強了經(jīng)濟效益。
（1）安裝成本的降低。與傳統(tǒng)項目相比較，電纜的使用量和接線工作顯著下降，傳統(tǒng)項目執(zhí)行過程中，需要采購大量的多芯線纜，從接線箱至中間轉接柜再連接至控制柜對應類型的卡件端子上。采用FF技術后，只需將現(xiàn)場設備連接至總線網(wǎng)段的接線盒上，將總線線纜連接至H1接口卡件對應端口上即可完成連線工作，同時能夠降低傳統(tǒng)項目中面臨的接線錯誤影響工期這一常見風險。
（2）縮短了調(diào)試時間，降低了維護工作量。FF類型儀表能夠在傳輸傳統(tǒng)測量信號的同時，提供儀表性能相關的診斷信息。在開車階段，F(xiàn)F支持的回路貫通能夠大幅縮短工期，減少由于接線問題帶來的工程延期；在運行階段，幫助維護人員排查線路問題。儀表需要進行維護時，能夠?qū)⒕S護信息直接以流程圖或者郵件等方式發(fā)送給相關的工作人員，提醒維護人員及時維護，避免導致更嚴重問題。設備故障需要進行更換時，儀表內(nèi)部的故障診斷信息幫助維護人員診斷和排查故障，加速故障的處理，降低維護工作量，并且能夠避免維護人員過多進入危險作業(yè)環(huán)境，真正實現(xiàn)預測性維護。
（3）現(xiàn)場側控制。與傳統(tǒng)儀表相比，F(xiàn)F類型儀表內(nèi)部含有大量的運算和處理模塊，能夠自動實現(xiàn)運算和控制功能，因而利用FF技術，可以將控制策略下裝至現(xiàn)場儀表，即便通信模塊發(fā)生故障，現(xiàn)場依然在既定的控制策略下正常運行，提高了現(xiàn)場的可靠性。目前現(xiàn)場大概有30%的PID回路處于現(xiàn)場側控制模式，與傳統(tǒng)的DCS控制方式相比，控制直接由現(xiàn)場執(zhí)行，運行的速度和獨立性能夠得到保證。
（4）支持各廠家設備選型。由于現(xiàn)場的各種設備來自不同的廠家，因而需要在相同或者不同網(wǎng)段上相互協(xié)作，實現(xiàn)既定的控制策略。選擇FF類型設備，只需要選擇其參數(shù)是否適用于工藝需求即可，不需要考慮生產(chǎn)廠家，網(wǎng)段支持設備即插即用，降低了選型難度，為用戶提供了選型的自由度。
（5）項目初始階段網(wǎng)段的帶載量比較低，隨著FF應用技術的不斷推廣，裝置的不斷增加，目前網(wǎng)段的帶載量得到了增加。理論上每個網(wǎng)段的最大帶載量是16臺設備，根據(jù)該公司規(guī)范，項目在實施過程中，為了便于后期設備追加或者系統(tǒng)擴容且保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，要求一個網(wǎng)段的帶載量上限為8臺設備。
四、DeltaV控制系統(tǒng)在裝置中的應用
作為裝置控制系統(tǒng)的最核心部分，DeltaV控制系統(tǒng)主要功能包括傳統(tǒng)DCS對裝置生產(chǎn)工藝的控制和監(jiān)視、工藝流程畫面的顯示、管理報表的生成、歷史趨勢圖和實時趨勢圖的顯示、系統(tǒng)故障的診斷和監(jiān)視等。工程師站和操作員站及控制器之間采用工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡結構為點對點網(wǎng)絡，通信速率為自適應10～100Ｍbit/s，F(xiàn)F儀表則以31.25Kbit/s傳輸速率實現(xiàn)與H1接口卡件之間通信。該網(wǎng)絡架構具有良好的可擴展性，便于后期進行系統(tǒng)規(guī)模的擴展以及新設備的追加。OPC服務器為企業(yè)管理層提供DeltaV控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在控制網(wǎng)絡與外網(wǎng)間的共享，為管控一體化的實現(xiàn)奠定基礎。
1、硬件配置
為了保證生產(chǎn)運行的安全性、長周期性，必須提高DeltaV控制系統(tǒng)的可靠性，實施關鍵部位的硬件冗余配置。主要包括主控制器冗余、機柜和CPU配電冗余、網(wǎng)絡鏈路冗余（網(wǎng)絡交換機、網(wǎng)絡電纜、網(wǎng)絡適配器和集線器冗余）。采取冗余配置后，主、從設備互為“備用”，即當系統(tǒng)檢測到某一部件發(fā)生故障時，無需人工干預，系統(tǒng)將自動從故障部件切換到備用部件，不會造成系統(tǒng)運行的中斷，從而最大限度地確保工藝生產(chǎn)的連續(xù)性。
2、軟件組態(tài)
與傳統(tǒng)DCS組態(tài)一樣，DeltaV控制系統(tǒng)的組態(tài)包括創(chuàng)建項目數(shù)據(jù)庫、流程圖組態(tài)、用戶賬戶管理、電子安全鎖定義等。而物理件組態(tài)，則包括服務器配置、操作站配置、主控制器配置、I/O卡配置、網(wǎng)絡配置等內(nèi)容。在生產(chǎn)操作時，工藝操作人員通過操作站工藝畫面對整個裝置進行運行操作及控制。
五、結束語
PlantWeb技術在鹽酸電解工廠得到成功應用，為基地其他裝置的控制系統(tǒng)應用提供了豐富的應用經(jīng)驗�；匾黄贗nfra、PC、HDI、SPC等裝置采用了DeltaV控制系統(tǒng)，都取得了很好的控制效果，保證了各裝置的長、滿、優(yōu)生產(chǎn)，為日后實現(xiàn)管控一體化創(chuàng)造了條件。
作者：1、席建華 上海交通大學自動化系 2、王 豪 拜耳材料科技（中國）有限公司
