基于现场总线技术的 DCS 应用

0 引言

某外资碳酸二苯酯厂的改扩建项目中，要求对原有 20 万吨/年产量的装置进行相关工艺单元的优化改造、扩充，并新增两个全新工艺单元，以实现扩建后产能达到 40 万吨/年，新工艺技术的应用使得能源的利用率及生产效率大幅提高。构建一个集装置生产操作监控、设备状态监控、资产管理、资源分配、经营及市场管理一体化的自动化控制系统是实现装置生产高效益和提高竞争优势的基础。基于这个出发点，本文提出采用基于工厂管控网技术的 DeltaV 系统作为控制系统，以现场总线技术设备为基础的自动化控制方案，替换原有非智能现场控制设备，包括马达、阀门定位器、变送器等测量仪表设备，改变原安全系统(SIS)通过Modbus 连接 DCS 和生产网的模式，引入 Modbus TCP /IP 技术连接安全系统和 DCS 系统。

1 控制系统的选用及系统的硬件配置

1.1 控制系统选用及应用要求

碳酸二苯酯装置自动化控制系统采用艾默生公司的具有工厂管控网结构体系的控制系统，该系统基于FF 总线技术，采用标准的开放式协议进行操作，可以与企业内已联网的全部智能现场设备进行交互，更重要的是它的规模可变性，这一优势提供未来系统进一步改扩建的灵活性及充分利用原有的控制系统设备，节省工程费用。以下是利用该系统特点提出的设计要求:

(1)考虑到系统的可靠性和安全性，由 DCS 控制器承担主要的过程控制计算，所有的复杂控制算法都由 DCS 控制器完成，现场总线设备不参与控制及计算。

(2)充分利用系统规模可变性特点，在控制网络里安装两台专用应用站，安装 OPC 服务器、设备管理系统服务器等应用软件，且互为冗余。安装两台远程DCS 操作站，满足用户在现场进行系统的操作、监控与维护等工作。

(3) 借助于管控网结构良好的开放特性，安全系统(SIS)和 DCS 系统之间的通信采用基于 Modbus 的TCP / IP 的通信方式，这种方式可以把 ESD 控制器通过交换机和任意多个 DCS 控制器之间信息共享，利用网络中的核心交换机引入 GPS 时间，实现 DCS 和 ESD系统的时间同步。

(4) 尽可能使用总线智能设备，如智能执行机构，马达控制器等，对于测量仪表，非安全相关的仪表设备必须选用 FF 智能仪表，安全相关的模拟量仪表设备必须选用带 HART 通信功能的智能仪表，开关量信号采用 NAMUR 类型，变频和非变频马达控制器选用 Profibus DP 通信协议的智能设备。

(5) 为确保控制系统的安全性和高可靠性，必须对以下关键部位实行冗余设计:

·控制系统柜、网络柜的电源采用相互独立的两路 UPS 供电系统 1:1 冗余设计;

·控制器(CPU)卡件和通信卡件采用 1:1 冗余设计;

·连接机架间的数据线冗余设计;

·控制系统间的控制通信网络、交换机等通信设备冗余，冗余的通信电缆一路走装置的电缆桥架，一路走地下通信用的电缆井。采用冗余配置的设备有故障时系统会实现自动无扰动的切换，并发送相应的报警信息。

1.2 控制系统硬件配置

控制系统包括 DCS 控制站 18 个，新增 DCS 控制站采用 MX 控制器，原有控制站的控制器升级为 MX控制器;ESD 控制站 8 个，新增 ESD 控制站采用 Hi-max;服务器 5 台，包括 2 台应用站，2 台远程操作站，1台专家站;操作站 4 台，工程师站 2 台。I/O 点数如表1 所示。

项目执行过程中要对控制器的主要技术参数进行测试和计算，每个控制器的各项参数设计要求:空余内存 >35%;空余存储器 > 30%;DST 的备用点 > 20%;每个控制站备用 I/O 通道 >20%。

表 1 I/O 点表

2 改造后控制系统的架构设计及功能描述

2.1 控制网络架构的设计

基于现场智能设备的工厂管控网是一种规模可变的开放式结构体系，方便系统扩容及原有资源的利用。考虑到对现有系统资源的充分利用，降低控制网络和生产网络的工程费用。项目只对控制网络进行扩展，对于新增远程操作站及 I/O 站，通过光纤接入新机柜室的冗余控制网络柜的主副网上实现远距离的控制。新机柜室的控制站通过以太网线连接至冗余通信柜，再通过光纤远距离传输至原有通信柜的主副控制网络中，实现与控制室网络，生产网及办公网络的连通。新增操作站、服务器直接接入现有控制网的主副网中，以实现对工厂生产的控制操作和工艺信息、报警信息的监测。

利用现有系统的生产网、办公网，构建一个工艺控制自动化、仪表设备智能化、企业管理信息化的现代化工厂，系统架构如图 1 所示。

图 1 碳酸二苯酯装置控制系统架构

2.2 功能描述

(1)智能现场设备层

主要分为三种类型智能设备、测量仪表:FF、Profi-bus 及 HART 协议类型的变送器、执行