1 背景和研究意義

      在國家大力提倡節約能源，發展綠色環保工業的前提下，生產環境污染的治理已經提到議事日程，為了符合國家的產業發展政策，更好地保證苯酚生產裝置安全、穩定、綠色環保開車的要求，提出通過自控集散控制系統，結合苯酚車間生產裝置環境污染的具體情況，進行點源治理。整個項目在原有DCS系統控制基礎上采用增加現場總線控制和OPC開放應用系統，以實現上級有效遠程監控及通過互聯網進行時時監管的目標。

    2 DCS自動化控制、總線控制的開放性技術介紹

    2.1 現有自控系統概述

      本裝置采用了Honeywell公司的TDC-3000LCN/UCN-PM(LM) 系統， 它是該公司于80年代末推出的第二代產品，具備當時的世界先進水平。

    2.1.1 該系統的技術特點

      該系統是一個開放性系統。采用了IEEE802.4和IS08802／4國際標準，以OSI模型為基礎，遵循MAP協議；
該系統通過計算機接口與工廠資本、財務、物流管理系統相連構成綜合管理系統，以實現全裝置的優化控制和優化管理。

      為使裝置操作安全可靠，大多數系統的設備具備冗余性。

      控制系統構成： 就總體而言， 系統主要由基本系統（BASIC）、萬能控制網絡（Universal Control Network，UCN）和局部控制網絡（Local Control Network，LCN）組成，如圖1所示。

      2.1.2 通信網絡

      TDC3000的通信部分包括高速數據通路（HW）、局部控制網絡（LCN）和萬能控制網絡（UCN）三部分。

    2.1.2.1 HW通信系統

      HW是TDC3000的第一代通信網絡，它是基本系統中功能模塊與人機接口和上位計算機之間的信息傳遞通道。系統采用總線型結構和廣播式通信協議，由高速通路通信指揮器（HTD）“監督”數據通信。

      2.1.2.2 LCN通信系統

      LCN網的主要功能是：擔負各模塊間的信息傳遞；通過有效的協議和高速通信確保信息的及時交換；通過1:1冗余配置和完善的信息檢錯功能提供高安全性的通信。

      2.1.2.3 UCN通信系統

      UCN網絡是一個高性能的回路級實時控制網絡，其采用IEEE802通信標準和令牌總線存取方式，傳輸速度是5Mbps。最多可帶32個冗余設備。UCN網絡支持網上設備間的點到點通信。UCN通過網絡接口模塊NIM與LCN相連，最多可以有20個UCN網絡和HW網絡連接到同一LCN上。UCN也采取雙重冗余電纜確保安全可靠性。
 

      2.1.3 軟件組態

      TDC3000提供了三部分系統軟件組態形式，分別是NCF組態、控制組態和畫面組態。

    2.2 現場總線控制及OPC系統技術理論介紹

    2.2.1 現場總線控制策略

    2.2.1.1現場總線控制系統介紹

      現場總線控制是指由現場總線與現場智能設備組成的控制系統。現場總線定義為安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線。

      現場總線控制系統（簡稱FCS），是繼集散控制系統（簡稱DCS）基礎產生的新型控制系統，FCS系統是DCS系統的發展和延續。它是一個開放性的系統，采用通信協議一致的通訊模式。

      通過標準通訊協議可以使不同廠家的設備、不同類型的設備通過數據總線實現信息通訊，構建成一個有機的互聯系統，克服了傳統DCS系統只限于同種型號、同廠家的產品進行更換、相互通訊的局限性問題。

      2.2.1.2 FCS系統較DCS系統的優勢

      （1）結構集約化

      相對DCS系統結構，FCS系統省去了端子柜、隔離器、I/O卡件、I/O控制單元等硬件設施，大大節約了硬件投入。由于采用總線連接，省去了大量電纜的投資。

      （2）容錯能力強，精度得到提高

      由于FCS系統使用了屏蔽邏輯、自校驗、錯誤自檢、定時監督技術，因此容錯能力得到進一步增強。由于采用數據通訊，因此較DCS系統模擬量傳輸精度得到明顯提高。

      （3）抗干擾能力、控制精度明顯提高

      FCS系統可以就近對現場信號進行處理，而且以數字信號進行傳輸，采用智能化、數字化處理技術，因此較之模擬信號傳輸提高了抗干擾能力和控制精度。

      （4）節約控制回路費用

      FCS系統采用“一對多”控制方式，較DCS系統“一對一”控制模式省去了大量施工材料費用，一條電纜或雙絞線就可以帶很多設備，因此工程費用得到降低。

      （5）便于日常維護

      FCS系統所帶的設備通常帶有自診斷信息，通過自診斷信息可以實現現場設備的運行信息、故障狀態、潛在危險實時上傳，通知相關人員及時進行處理，大大減少了日常維護工作。

      （6）電機控制智能化

      通過FCS系統可以實現電機的單向和雙向控制，并可對電機的電流、電量、故障等狀態進行全面監控，同時對電機接地、過流、相間不平衡進行綜合保護控制。

      2.2.1.3 現場總線控制方案的應用情況

      （1）現場總線控制常見通訊協議

      現場總線控制已經廣泛應用于各個領域，其中基金會現場總線、PROFIBUS現場總線、LONWORKS現場總線、CAN現場總線、HART現場總線、DEVICE現場總線、MODBUS現場總線在全球的民用、工業控制系統中發揮各自的優勢和作用。

      （2）現場總線在石化行業的應用

      現場總線控制系統在石化行業系統應用比較廣范，中海油目前已經有許多成功應用案例。如中海石化公司的60萬噸/年甲醇項目（如圖2所示）、旅大油田開發的項目、南海殼牌80萬噸/年乙烯項目都是采用總線控制。

      現場總線系統不僅在石化領域內得到有效應用，在其他領域如火電廠、鋼鐵行業、水泥行業、煙草行業、建筑行業的樓宇智能控制、化纖行業、凈水處理、溫度檢控系統等多個行業中發揮了相當重要的作用。

      2.2.1.4 現場總線控制方案的進步性介紹

       從圖3可以看出，FCS系統相對DCS系統結構上改動不大，而且二者共有“集中管理、分散控制”的設計理念。不過，FCS系統在底層系統邏輯上較之DCS系統有較大改進。底層通信網能夠實現現場智能設備的數字通訊、雙向傳輸數據，并可進行多分枝結構間數字通訊。FCS系統先進性最突出的優點是要求現場設備必須是數字化、智能化、完全實現現場底層信息開放化。

      2.2.2 現場總線系統的控制類型

      現場總線共有7種類型，工業生產中常用的為PROFIBUS數據總線形式。該系統總線是德國西門子公司的總線標準，具有PA和DA兩種形式（PA可傳遞信號同時傳遞能量，DA僅能傳遞信號）。該總線協議已經獲得全世界260個大型電氣生產廠商的支持，也幾乎是歐洲通用的通訊標準。

      2.2.3 PROFIBUS總線的特點

      （1）與計算機處理器相同的分時處理功能，提高了整個系統的控制功能。
      （2）通訊快速而且簡單，通訊方式可靠。
      （3）具有提高系統安全系數的冗余結構。
      （4）具有較少的軟件棧。
      （5）具有便于互聯互接的GSD和行規文件。
      （6）具有FISCO危險區域認證標準。
      （7）具有大容量的總線和大量高速設備，高速設備可以大量被系統掛接使用。
      （8）總線基于F/O接口和RS485通訊接口，通用性強。

      2.2.4 現場總線的DP連接方式

      （1）控制器之間的通信連接采用PROFIBUS總線進行連接。
      （2）總線中通信設備間采用主從式，共有兩種主方式。一種為CLASS 1通信管理周期方式（PLC設備等），另一種為CLASS 2SMART VISION 用于非循環通信方式，而是用于組態方式。

      （3）通信介質可以是雙絞線和光纜，以光纜居多。

    2.2.5 現場總線的PA連接方式

      （1）PA是現場總線通訊標準，能夠為現場儀表提供電源。
      （2）PROFIBUS總線可以控制分布，其中包括主設備的數據傳送和設備執行功能塊。

      2.2.6 現場總線的組態說明

      （1）現場組態核心工具：用于調試和診斷的DIGTOOL（F2K-工程工具）；用于主控制器（主設備）的組態、診斷的MASTER工具；用于對附屬設備（從控制器）的組態、診斷工具SLAVE。
      （2）所有現場設備與遠程I/O開放，具有極大兼容性和開放性。
      （3）組態現場設備模板定義。
      （4）通過變量名連接I/O DATE與診斷數據到程序。
      （5）具有獨立的DP/VI-參數對話框。
      （6）具有設備類型管理功能-DTM（DEVICE TYPEMANAGER）。

      2.2.7 OPC的特點

      開放性：OPC是一個開放的通信接口規范，它提供了開放的界面模式， 支持幾何所有編程語言，如C++、VB、Java、HTML等。

      產業性：最終用戶和供應商無需在集成方面花費過多時間，并可節約開支。

      互聯性：最終用戶可以在諸多自動化設備系統中自由地使用客戶應用程序，例如HMI、SCADA、MES…，任何客戶程序都可和服務器連接（Plug & Play）。

    3 實施方案

      3.1 氧化尾氣工藝改造內容

      氧化尾氣活性炭吸附器并聯改為串聯操作，通過增加6個數字量DI輸入信號、6個數字量DO輸出信號、3個數字量組合點，修改DCS活性炭吸附器程序，實現苯酚裝置氧化單元排放尾氣的二臺活性炭吸附器串聯控制過程，避免原二臺活性炭吸附器兩臺并聯運行，一臺進行再生，導致超量的異丙苯被排放到大氣污染現象。這樣可提高吸附效率，使廢氣中的有機物從1520mg/m3下降到120mg/m3，解決了氧化尾氣污染物排放超標問題。

    3.2 其它工藝系統的改造內容

      通過增加除鹽器來實現PRU酚鈉鹽回收目標、實施精丙酮塔真空分立控制、更換OEC系統油萃取塔（T-502）及萃取油堿洗塔（T-503）、增加氧化進料洗滌塔（T-101）廢水回收處理等一系列工藝改造來降低裝置廢水COD的控制目標。

      3.3 基礎儀表自動化工程內容

（1）增加17點模擬量信號、12個控制回路、12個調節閥門的DCS設計組態、安裝調試工作。
（2）增加1個串級、2個比值、2個選擇切換、一個選擇調節的DCS設計組態、調試工作。
（3）完成復雜調節所增加的中間2個操作變量、2個邏輯控制變量、6個開關變量的DCS組態調試工作。
（4）增加7個數字量輸入信號、7個數字量輸出信號、3個組合點信號的DCS設計組態調試工作。
（5）修改活性碳吸附程序并調試投用。
（6）現場變送器、調節閥的安裝調試。
（7）現場一次表到控制室的儀表信號線的連接。

      3.4 實現上位遠程監控的工程內容

      針對FCS結構局限性強的問題，采取了以下措施：通過OPC服務器把原有的DCS設備和新增的FCS連接在一起（如圖4所示），這樣可以實時上傳和監控FCS和DCS中的設備參數，更好地實現系統開放性。這種結構的優勢表現在：（1）降低了裝置停車的風險性。新增的FCS與DCS分開獨立運行，分散了系統設備占有率，降低了因DCS或FCS故障造成苯酚裝置全面停車的風險。（2）解決了信息流阻塞問題。由于FCS和DCS分別并行與上位機進行通訊，各自通過專用的OPC服務器實現數據傳輸，因此整體信息數據互不干擾，提高了信息整體傳輸速率，完全可以避免信息流阻塞問題。（3）可以實現復雜回路調節功能。由于保留原有的DCS，因此不影響復雜回路調節功能發揮作用。（4）實現了DCS與FCS的優勢互補，既解決了控制系統整體改造時間長、工作量大的困難，又節約項目資金投入，實現了系統開放性的目標。
 

      4 成效

      本裝置在工藝上采取上述治理措施后，在廢氣及廢水排放流量不變的情況下，使廢氣中的有機物從1520mg/m3下降到120mg/m3，使廢水的COD由8000～10000mg/l下降到2500mg/l以下。整個工藝控制改造過程，全部由集散控制系統DCS系統的組態和增加總線OPC控制功能得以實現，所有工藝過程參數實現了自動控制。并將所有關鍵數據通過OPC上傳到上級管理部門，達到總線控制系統先進性和開放性目標，創造了很好的經濟效益和社會效益，為今后同類裝置控制系統改造提供可參考的價值和技術經驗。

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張會泉（1974-）
男，吉林人，吉林石化公司染料廠儀表車間副主任，工程師，在讀工程碩士，一直從事儀表自動化專業工作。