以DCS為基礎的過程控制系統集成

劉齊忠,吳文信,孫曉曉

(福建聯合石油化工有限公司一體化項目部,福建泉州 362800)

以DCS為基礎的過程控制系統集成

劉齊忠,吳文信,孫曉曉

(福建聯合石油化工有限公司一體化項目部,福建泉州 362800)

隨著自動化技術的發展和工業裝置的大型化、復雜化以及集中全廠工藝裝置生產數據信息實現管控一體化的要求,以DCS為基礎的控制系統集成成為必然。以某大型一體化項目為實例,從控制系統集成的技術基礎、方案,項目實施的各階段的工作任務及難點和實際應用效果等項目全過程對以DCS為基礎的控制系統集成進行了詳細的描述,并總結了集成成功的經驗。

分散型控制系統;控制系統集成;管控一體化;項目

0 引 言

隨著生產工藝由簡單過程向大型化、連續化、集成化和復雜化方向發展,與之相應的控制技術、控制理論、控制系統和控制工具都獲得了大幅發展:控制技術由單變量控制技術發展到多變量協調控制技術;控制理論由經典控制理論發展到現代控制理論和智能控制理論;控制系統由簡單控制系統發展為基于工業以太網的第三代DCS/FCS和綜合自動化系統(控制、管理與決策一體化);控制工具由常規簡單模擬量儀表和就地執行機構發展到基于計算機及其網絡的數字化智能儀表。主要特點:生產數據信息集中——供生產管理和決策所使用;裝置操作監視信息集中——實現集中監視和操作調節;控制分散——不同控制系統或控制單元、回路相對獨立、互不影響。近期國內大型合資石化項目在項目規劃和實施中均采用了控制系統集成的技術策略,一方面集中所有生產信息作為公司上層管理網(工廠執行系統(MES)、企業資源管理系統(ERP))的數據源,實現管控一體化,提高企業管理的信息化水平;另一方面,實現集中操作、調節,便于生產維護,提高生產裝置的自動控制水平、減少對生產操作和維護人員的需求。

該文以國內幾個大型石化合資項目為基礎,介紹控制系統集成及技術方案、實施過程及經驗和最終的應用效果。

1 集成的技術基礎及方案

在項目實際實施中要達到上述管控一體化和分散控制,則有必要以DCS網絡為基礎將不同用途的控制系統(安全儀表系統(SIS)、可燃有毒氣體報警系統(FGS)、機組控制系統(ITCC)、機組監控系統(MMS)和其他小型可編程控制系統(PLC)等)的所有信息進行集成。而采用工業以太網的常規DCS和FCS集成的第三代DCS的應用和數據通信技術的發展也為控制系統集成提供了技術基礎。

a)FCS的大量應用,控制回路的組態可以直接下裝到閥門定位器中,即使DCS故障也不會直接影響到現場控制的正常運行,使真正意義上的分散控制成為現實。

b)工業以太網的使用使控制系統的集成有了一個綜合平臺。

1)采用即插即用的OPC技術。將相關控制系統的服務器與DCS的OPC服務器相連,將數據信息傳至DCS網絡并在操作站上進行監視(雖然其也可以實現控制調節功能,但出于通信的穩定性、實時性和生產安全考慮,目前國內還沒有大量使用的先例)。

2)采用 Modbus技術?，F在應用的有Modbus TCP/IP和Modbus RS-485(RS-232/RS-422)。前者直接與工業以太網相連甚至可直接作為工業以太網協議使用,目前石化項目儀表專業應用較少;后者則主要與掛在工業以太網上的DCS控制器連接,將相關數據信息經DCS控制器傳至操作站實施監視和控制功能,并在國內外石化行業中得到了大量的使用。

利用上述技術基礎,近年來國內幾個大型合資項目均實現了控制系統集成。集成方案如圖1所示。

圖1 控制系統集成方案結構示意

從圖1可以看出,DCS網絡作為整個系統集成的主網,其對外集成接口主要存在于三個部分。

a)過程控制網。主要由控制器組成,在DCS控制器中,傳統DCS與 FCS實現了有機的結合; SIS,FGS,ITCC或其他 PLC等控制器通過Modbus與DCS的控制器連接并將其采集的相關生產數據信息通信至DCS網絡的操作站上,供工藝操作員監視裝置狀態;對于ITCC和其他PLC則還具有將操作員的生產調節指令傳送至現場實施過程控制的功能。從而將FF現場總線與HART智能儀表(主要用于SIS/FGS/ITCC和小型 PLC等系統)有機地結合起來,用于生產監視和控制。

b)工廠信息網(PIN)。PIN與防火墻相連,以OPC接口與MES等工程信息管理網相連。將DCS采集(現場采集和數據通信所得)的生產數據信息由實時數據庫傳送給MES,ERP等上層工廠管理網(PMN)網絡使用。同時,提供網絡內部打印、遠程通信、設備管理系統(AMS)、時鐘同步和病毒防火墻網絡等。

c)OPC網。主要連接第三方控制系統。實時數據庫、小型PLC和MMS等通過OPC接口將相關數據信息傳至DCS。但由于OPC通信在應用中的不穩定性,現階段原則上在工業應用中還很少直接實施控制功能,僅只用于數據通信。各網絡具體介紹見表1所列?，F場儀表設備、實時數據庫等),完成控制系統的配置、組態和集成等工作,協助 EPC的現場安裝、調試和系統投運工作并提供現場培訓等),以便以DCS供貨商為集成商順利地實施系統集成。

表1 控制系統集成方案中相關網絡介紹

在基礎設計階段,中標的主體控制系統框架性協議供貨商按照框架性協議要求制訂項目實施計劃、按時完成相關基礎設計文件的編寫、控制系統集成詳細方案的制訂并提交業主審查。審查通過后的相關基礎設計文件作為EPC或總體院儀表專業設計和詢價的標準和基礎。

在得到EPC或業主的詢價及系統配置和軟件組態必要的輸入文件后,框架性協議供貨商按照基礎設計時制訂的系統集成詳細方案和EPC提供的第三方控制系統要求進行硬件配置和相關軟件組態工作,當硬件配置和軟件組態基本完成后即進入控制系統工廠驗收FAT前的預測試階段,此時DCS供貨商須分類對所有通過OPC或Modbus接口與之相連的各種控制系統進行通信測試,以求達到在滿足相關項目規定及要求的基礎上實現所有接口的無縫連接,為DCS/SIS/FGS的FAT做好技術準備。

完成FAT后,DCS等主體控制設備將運往施工現場,供貨商負責指導控制系統設備安裝、調試并提供現場培訓和故障處理。從而確保集成的控制系統所有接口無縫連接、通信流暢,完全達到項目規劃時預定的目標。

在整個控制系統集成的項目實施中,主要的難點在第三階段。

a)各種第三方控制系統的通信測試協調。在實施控制系統集成測試時,除框架性協議供貨商本身提供的DCS/SIS/FGS等系統的集成測試外,還需與第三方廠商提供的控制系統產品進行測試,此時的協調工作量非常大,稍有疏忽將直接影響FAT的工期。由于前期業主、EPC已將大量的項目技術規定、基礎設計文件遞交給相關供貨商,一般來說協調難度不大。但部分包系統的控制系統供貨商由于在國外或工期等各種原因,給測試的協調帶來了較大的難度,需業主或EPC提供幫助。

b)專利系統和各種包設備的控制系統相關通信接口的硬件配置和軟件組態輸入條件協調。由于各專利系統和包系統的合同簽約方不同(業主、EPC和廠商等),導致設計文件的傳遞因程序、工期和溝通等各種問題受阻,僅靠框架性協議供貨商(系統集成商)協調很難達到項目的進度要求,后雖經業主采購部門、項目組、EPC或廠商等多方努力,仍直至開工前夕才解決問題。

2 控制系統集成的項目實施

控制系統集成作為大型項目儀表專業最重要、也是最困難和設計界面最多的一個環節,在整個項目的實施中可分為三個階段:項目規劃和主體控制系統招標階段;項目基礎設計文件編制、系統集成詳細方案制訂階段;控制系統配置組態、工廠測試和現場總體集成及投用階段。

項目規劃時期,儀表專業需制訂完整的規劃策略,其中最重要的核心部分是對控制系統的功能要求和集成策略。制訂的策略在與相關供貨商充分交流完善的基礎上,完成初步的控制系統集成方案,按照項目儀表自動化實施策略的要求編寫完成主體控制系統的招標文件并實施招標。此階段有兩個重點:控制系統集成策略和項目自動化實施策略。只有在控制系統集成策略的基礎上才能制訂合適的項目自動化實施策略,同時也必須在兩者均已明確、招標文件編制完成后才能實施招標。最近已實施的國內大型合資項目均采用了以DCS為基礎的控制系統集成策略和以DCS供貨商為主體的框架性協議供貨商的策略(由框架性協議供貨商編寫基礎設計文件,審查 EPC(設計、采購和施工承包商)相關設計文件,供貨(DCS/SIS/FGS及部分

3 應用效果

從已開工的國內幾個大型合資項目的開工投運情況來看,以DCS為基礎的控制系統集成取得了很大的成功。實現了FCS與傳統DCS的完美兼容,真正意義上實現了“分散控制”,完全實現了項目規劃中要求的各系統無縫連接和各種生產數據的集成,為企業的生產過程集中操作和管理提供了先進的、安全平穩的數據平臺。一方面集中所有能采集的生產和設備數據信息用于集中監視、控制、維護;另一方面將盡可能全面的數據信息上傳至工廠管理網,實現管控一體化。

回顧項目實施,系統集成的成功經驗主要有以下幾點。

a)選取一個優秀的主儀表控制承包商(MICC)作為控制系統集成商是項目實施成功的關鍵所在。所供產品先進、成熟且全面,項目實施經驗豐富,公司人力資源豐富。

b)選定編制詳細的項目技術規定和基礎設計文件,對各類控制系統及控制系統集成提出明確的要求和詳細的技術指標分發所有EPC和控制系統供貨商,使之清楚地了解項目儀表專業的規定和要求,達到設計的一致性和標準化。

c)制訂詳細的MICC實施計劃,分發至所有EPC和控制系統供貨商,以便提前協調、保證與第三方系統通信測試的順利完成。

d)出現問題及時反饋給業主、EPC,以便及時解決,保證測試的進度計劃和質量。

4 結束語

縱觀自動控制技術的發展歷程和趨勢,以DCS為基礎的控制系統集成是控制系統網絡化的必然產物,也是實現企業“管控一體化”的基本要求?；仡?1世紀以來國內相關項目儀表專業的實施歷程和成功經驗,選取一個優秀的主控制系統供貨商和系統集成商是項目實施成功的關鍵所在。隨著自動化技術、網絡技術的進一步發展,控制系統的集成度將越來越高,過程控制系統網絡與上層工廠管理網的連接也將越來越緊密。

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The Process Control System Integration Based on DCS

Liu Qizhong,Wu Wenxin,Sun Xiaoxiao
(Fujian Refining&Petrochemical Co.Ltd.IPMT,Quanzhou,362800,China)

With the development of automation technology and the requirements of the large-scale and complex of industrial technology,the control system integration based DCS has become a necessity.The control system integration based on DCS is described in detail with the technology base,programs,tasks of control system integration,and problems in various stages of projects implementation and the actual effect in the whole process.The successful experience of control system integration is summarized.

DCS;control systems integration;integration of management and control;project

TP273

B

1007-7324(2010)06-0036-04

2010-09-08(修改稿)。

劉齊忠(1965—),男,1987年畢業于湘潭大學工業自動化專業,從事煉油工藝操作8年、DCS維護開發7年、技術管理和項目管理7年,現任福建聯合石油化工有限公司一體化項目部高級技術經理、儀表經理,過程控制高級工程師,已發表論文18篇。