HOLLiAS控制系統在鍋爐和水處理裝置中的應用

邵奎星（燕山石化運保中心儀表一部，北京 102500）

劉偉佳（東方石油化工有限公司化工四廠，北京 102400）

1 引言

北京燕山石化一熱力二部的1#鍋爐、2#鍋爐、公用工程、冷凝水站、水處理裝置原為常規儀表系統和低端的GE9030、LG等系統，在線PID調整能力極為不便，不利于工藝優化調整，此外由于儀表使用年限已久，控制精度低，維修頻繁，經常造成計量誤差；不具備數據采集能力，也沒有集中監控系統，不能查詢報警信息和操作行為記錄，對故障的分析和處理帶來了很多不便。隨著幾套裝置不斷進行工藝流程改造和技術革新改進，硬件配置日趨飽和、軟件版本日漸淘汰、備品備件大多停產的局面，不利于生產裝置的平穩、安全運轉，給工藝的穩定生產帶來了不利的影響。

改造前，共有兩個操作室，一熱力二部的1#鍋爐、2#鍋爐、公用工程、水處理的操作室和機柜室集中在一個操作室，而冷凝水站是另外一個操作室，在熱力廠檢修期間，儀表一部和工藝部門人員協商分別建立鍋爐和水處理的機柜間和中央控制室，同時將冷凝水站控制室取消，所有儀表信號移入到鍋爐和水處理的機柜間，以便減少人力、集中整合、規范管理。

因為鍋爐和水處理裝置今后同時開、停工的機會極少，所以決定水處理和鍋爐分別安裝兩套獨立的DCS系統。2010年4月HOLLiAS公司的MACSV4.5.1控制系統投標成功。

2 系統方案

2.1 DCS改造方案

本次系統改造，推倒了鍋爐的2套盤裝機柜和水處理3套PLC機柜以及鍋爐連鎖保護系統的歐姆龍PLC機柜，增上3套系統柜，3套I/O端子柜，1套配電柜，2套網絡柜，9臺儀表操作臺，同時取消所有墻壁電源，從電氣引入兩路電源，一路UPS，一路市電，設2個工程師站，且兼作歷史站，6個操作員站，1個OPC站，下面重點敘述的是MACSV4.5.1 DCS系統在本次改造中的應用。

2.2 DCS總體設計和網絡結構

2.2.1 控制站組態

MACSV4.5.1系統軟件是在WindowsXP 環境下運行和組態，所有軟件均為中文界面，組態和調試方便靈活。HOLLiAS系統控制站的組態內容包括：搭好硬件布置圖，其中模塊和地址一定要一致。I/O點的分配：按照設計的I/O表對I/O模塊的每一通道進行有關參數設置，如量程、單位、注釋等?；芈方M態：包括測量回路、控制回路、邏輯回路等組態。復雜控制回路，注意功能模塊的選用、命名、參數設定等方面的內容。既可在線編程，也可離線編程，并采用軟連接方式對組態的控制方案進行動態顯示和模擬操作。所有組件均可在線插拔、在線修改控制組態及在線修改過程畫面并下載。該DCS系統分為操作員環境、班長環境、過程工程師環境。其中操作員環境的級別最低，僅能對PID控制塊進行簡單的操作，如手/自動切換、內/外給定切換、調節給定值、閥位輸出值。班長環境可以對PID參數、報警數值進行修改，而過程工程師環境為DCS系統中最高環境，可對所有的DCS組態內容進行修改。

2.2.2 操作站組態

HOLLiAS系統操作站的組態內容包括：流程圖畫面組態、趨勢記錄、定義趨勢組趨勢點及采樣周期和控制組分配組態。為了滿足工藝操作人員的要求，即不管現場是風開閥還是風關閥，要求調節器的標尺刻度為0%時，調節閥全關；標尺刻度為100%時，調節閥全開。因此對于風關閥需要將AO輸出反向，PID原作用方式取反即可，所有組態都要體現這個特點和原則。

2.3 MACSV4.5.1系統結構及構成

圖1 系統結構圖

第一層為100M高速冗余工業實時以太網絡構成，用于系統中工程師站、操作站、現場控制站、通信控制站等系統節點的連接，完成節點之間的數據通訊。包括現場控制站的數據下載、操作控制和數據采集等。采用TCP/IP通訊協議，通訊速率10/100Mbps。第二層采用現場總線技術（Profibus-DP），主要完成控制站內部各I/O模塊與主控單元的通訊。由雙冗余主控內部的I/O總線網絡卡、雙冗余I/O總線、I/O總線模塊（每個模塊內置雙冗余I/O BUS從站接口）。采用I/O BUS現場總線與各個I/O模塊及智能設備連接，實時、快速、高效的完成過程或現場通訊任務[1]。

為保證鍋爐和水處理裝置的運行可靠，在技術協議的簽訂中多方面考慮了整個系統的冗余。

2.3.1 現場控制器

現場控制器配置兩個冗余的主控單元（SM203），都帶有掉電程序保護功能，主控單元上有硬件冗余切換電路及故障自檢電路。兩個主控單元進行熱備份，它們同時接收網絡數據，兩個主控單元同時做控制運算，但只有一個輸出運算結果，且通過雙口RAM 實時更新數據。一旦工作中的主控單元發生故障，備份主控單元自動進入工作狀態，而且切換過程是無擾動的。

2.3.2 網絡冗余

MACS 系統的網絡由上到下分為系統網絡（即工業以太網）和控制網絡（即Profibus-DP）兩個層次，操作員站通過配置冗余網卡與冗余交換機形成了監控網絡冗余，每個主控單元設計有兩套SNET網絡接口10/100Mbps自適應，接口形式為RJ45，分配有不同的IP地址，即實現以太網絡的雙冗余結構，系統網絡實現現場I/O卡件與系統控制器的Profibus-DP冗余互連，所以該系統網絡實現了冗余配置。

2.3.3系統機柜電源

每個系統機柜配置兩套獨立的供電電源，任何一路故障都不會對系統產生影響，可以自由地進行在線無擾動切換，并無切換時間滯后；同時接收兩路交流電源，輸出多路24VDC給每個機籠的背板供電，背板再通過冗余電源卡件給I/O卡件供電。

2.3.4 I/O模塊

現場控制站實現了所有I/O模塊的智能化，將控制有效地分散到各個I/O模塊，降低主控單元/主控模塊的負擔，使得板級運行狀態檢測和故障診斷能力得以提高。采用Profibus - DP總線技術取代傳統的并行總線，使各模塊的故障被有效地隔離[2]。所有模塊均帶有隔離電路，將通道上竄入的干擾源與系統隔離。現場控制站的所有模塊上都帶有CPU，每塊模板都周期性地進行自診斷。而且由于采取了特殊保護措施，系統中主控單元和所有模塊均可帶電拔插，對系統的運行不會產生任何影響。這樣保證了系統在某些模塊發生故障時，維護人員可以快速更換且不用停電，從而縮短了故障處理的時間。

圖2 機籠示意圖

3 系統調試遇到問題及解決辦法

3.1 模塊在線插拔問題

盡管HOLLiAS系統稱帶電拔插模件不會產生不良影響。但如果工業生產正在進行中，還是盡量避免這樣做為好。在系統運行中發現模塊有問題時，可能導致在同一機籠內的模塊因拔插過程引起同一槽位上的電源模塊或者其它模塊松動，導致該機籠內其它模塊失效，其根本原因是HOLLiAS系統的模塊是機籠式槽位安裝。雖然熱拔插很少威脅系統，影響運行設備，但是意外情況仍有可能發生。

3.2 機籠背板冗余供電和背板供電報警問題

SM130為后出線型I/O機籠，共有14個槽位，由左至右依次可配置2個冗余電源模塊和12個I/O模塊。前面板上設有模塊站號撥碼開關、終端匹配撥碼開關和冗余Profibus-DP從站輸入輸出接口；后面板上設有24VDC電源輸入接口、電源故障報警輸出接口和12個DB25預制電纜插座。在機柜調試期間，發現和利時工程人員把機籠背板的供電處接的是單路24伏供電，為了保證該系統全部冗余，通過和和利時工程人員及時溝通，從24伏冗余模塊再取需要的幾路24伏電源，引入機籠背板24VDC系統電源接口。同時，把電源報警的冗余輸出接口引入DCS的DI卡，再單獨為每個機籠的電源報警做入DCS報警畫面，這樣可以為儀表維護人員巡檢時查找DCS背板供電狀態提供依據。然而如果由于每個機籠的冗余電源模塊故障引起的該機籠內卡件失效，在工程師環境下不能發現，只能去系統柜內看冗余電源模塊的故障燈是否報警，因為冗余電源模塊在DCS內部沒有地址，所以在工程師環境下無法查找。

3.3 操作站和工程師站不間斷供電

操作站和工程師站供電在我部門一般是這樣規定的，工程師站供電是UPS供電，操作站供電是一部分UPS，一部分市電或另一路UPS。這樣保證在斷一路UPS或市電電源的情況下，仍有部分操作站工作。而在此次項目中操作站和工程師站供電采用深圳天普圣公司生產的STS靜態轉換開關的輸出電源給操作站和工程師站供電，進而保證在斷一路UPS或市電電源的情況下全部操作站和工程師站是正常工作的。

圖3 STS應用示意圖

工作原理：STS可以通過控制面板設定其中任意一路輸入電源為主電源，另一路輸入電源為備用電源。只有在主電源故障的情況下，STS才會自動在8ms內從主電源切換到備用電源。STS的兩路靜態開關是嚴格互鎖， STS的所有轉換都是快速的先斷后合，主備電源之間不會產生沖擊電流，所有的轉換都在小于8ms的時間內完成。正常工作狀態下，在主電源處于正常的電壓范圍內，負載一直連接于主電源。在主電源發生故障時，負載自動切換到備用電源，主電源恢復正常后，負載又自動切換到主電源。

由于市電與標準正弦波在相位、幅值、頻率上存在差別，因此開車前必須進行有效的UPS和市電反復自動/手動測試，此外在正常生產巡檢時觀察切換開關的動作，有可能由于市電的波動，UPS電源和市電不同相（相位差較大），兩路輸入電源不同相造成，切換時，因相位差而產生環流，造成開關跳；如果出現問題，需要測量兩個電源火線的電壓差是否小于30VAC，兩個電源零線電壓差是否小于5VAC。有一種電壓差超過額定值的STS就已經自動切換了，其中一路電源UPS或市電必然離線。由于目前和利時系統工程部人員在中石化項目中都配備了STS靜態轉換開關的輸出電源，存在一定的隱患。筆者建議和利時系統工程部在做其他項目時，盡量不要采用這種配電方案。

3.4 利用WACSV4.5.1程序模塊制作首出記憶

在MACSV4.5.1的控制邏輯中的庫管理的特殊算法庫加載后，在程序塊中調用首出記憶算法塊HSSC：

該算法塊用于事故記錄和首出原因分析。可以對最多8個數字信號源進行故障監視。待監視的一組信號源中只要有一個發生故障，輸出端即置1，表明有故障發生；當有多個信號源發生故障時，該算法塊能夠判斷哪個最先發生故障。并將其對應的輸出端置1，其它故障信號將不被記錄。這種狀態維持至通過I8復位后，模塊重新檢測故障信號。把鍋爐聯鎖點數的報警引入首出記憶模塊，就能達到事故軟抓捕的能力。然而由于DCS通常掃描速度不高，加上首出記憶模塊自身特點的限制，根本達不到SOE級別的毫秒事故抓捕的能力。由于本裝置聯鎖點數有限，用此模塊完全可以滿足報警軟抓捕的能力。

4 結語

截止至2010年11月，鍋爐和水處理系統更換進入了尾聲，改造后提高了系統的安全性、可靠性、可操作性、開放性等方面。提供了更好的人機界面窗口，系統維護方便。改造后的DCS系統運行狀況良好，到目前為止未發現難以解決的系統問題。

[1] 陳湘偉, 王迪. 和利時MACSⅡDCS在浮法玻璃生產線中的應用[J]. 自動化博覽. 2003, 6.

[2] 李銳成, 馬國平, 邱利軍, 鄭理.大型火電機組協調控制方案探討[J]. 自動化博覽. 2007, 6.