工廠管控網技術的應用

席建華，王豪

(1． 上海交通大學 自動化系，上海 200240；2． 拜耳材料科技(中國)有限公司，上海 201507)

1 概 述

拜耳材料科技有限公司是一家生產聚碳酸酯、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、信息共享的聯合化工廠的要求。工廠管控網(PlantWeb)融合了智能化的現場設備，提供了規模可變的平臺技術以及模塊化的軟件技術。筆者通過對一期電解鹽酸裝置控制系統結構及特點進行闡述，介紹單套生產裝置的系統設計思路及一體化工廠的實現過程。

2 PlantWeb體系在裝置中的構架設計

2．1 裝置控制系統的配置

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，最終實現氯的循環利用。

電解制氯生產主裝置自動化系統采用PlantWeb數字化工廠管控網架構，包括智能化設備、DeltaV控制系統和AMS智能設備管理等部分，輔助系統如氯壓縮機控制、電解槽監控、大功率整流器控制及ESD系統均帶有獨立的控制系統。通過Modbus，Profibus等總線方式實現輔助系統與DeltaV系統的通信，形成系統間信息共享、相互合作的解決方案。現場儀表設備主要采用基金會現場總線(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控制系統的OPC服務器將生產數據傳送至企業信息管理中心，由PIMS，LIMS，E&A系統構成工廠MES，并與公司ERP系統連接，搭建管控一體化集成系統。

2．2 PlantWeb的架構設計

PlantWeb是一種基于現場的、規?？勺兊目刂葡到y，是區別于傳統DCS的網絡集成體系。它采用標準的開放式協議進行操作，并與企業內已聯網的智能現場設備進行交互。此類現場設備具有報警、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。其結構由智能現場設備、規模可變的平臺、標準以及集成模塊化軟件組成。利用該系統良好的開放性，可以實現現場級采用現場總線方式，工廠級采用工業以太網標準，不同平臺的數據交換采用OPC協議。

針對電解鹽酸裝置輔助控制單元較多、控制較復雜、現場總線設備數量眾多的特點，系統架構設計采用圖1所示架構方式。

圖1 電解鹽酸制氯裝置控制系統架構示意

2．3 PlantWeb架構的功能

如圖1所示，鹽酸電解制氯生產裝置控制系統主要由DeltaV控制系統和生產信息管理系統組成，前者執行生產過程控制，后者通過OPC服務實現工廠網與控制網通信,將控制網上的生產過程數據收集至工廠網并與Office網連接，從而實現管控一體化。其結構設計包含以下幾個層次：

1) 現場總線智能設備層。以FF，Profibus，HART及Modbus等協議類型的變送器，執行機構和變頻馬達等現場設備為主，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。與傳統多芯線一對一硬接線方式不同，現場總線方式利用網絡通信技術，實現數字化、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，實現了預測性維護。

2) DeltaV控制層。是實現對主裝置工藝流程監測控制的核心部分，考慮到控制的可靠性和安全性，現場總線智能設備不參與過程控制，即除去輔助系統的自帶獨立控制系統外，所有的控制策略都由DCS完成。DeltaV控制系統采用開放的網絡結構和各種國際標準通信協議，提供可靠的網絡通信，實現對各種復雜工藝的控制，為建立企業管理網奠定基礎。

3) AMS和管理執行層。PlantWeb架構體系中的AMS對所有符合HART，Profibus，FF等類型協議的智能化現場設備具有互可操作性和互用性，幫助用戶采集和管理現場設備信息，實現遠程對設備進行組態、標定、回路貫通及測量設備狀態等功能。DeltaV控制系統開放的網絡結構以及對OPC協議的支持，實現對控制網中的生產數據、事件報警信息、設備狀態信息及實驗室分析數據的統一管理；與企業ERP相連，實現備件采購、生產任務安排、任務完成情況統計、庫存管理、維修管理、設備優化等管理職能，最終實現先進自動化控制技術與管理相結合的既定目標。

3 FF的設計組態與安裝

3．1 FF的設計與組態

在鹽酸電解裝置控制系統中，FF設備1 562臺，壓力、溫度、流量變送器共1 256臺，FF網段(Segment)共365個，平均每個網段掛4．1臺FF設備。在FF設計、組態過程中，嚴格遵守如下規定：

1) 根據網段總的功率負載、電源的容量、線上壓降及盡量降低通信負荷的原則，FF網段的設計必須滿足： 每個段掛設備數量不超過6臺；本安防爆設備不超過4臺；具有調節作用的執行機構不超過2臺；同一回路的測量、執行器放在同一網段內。

2) 現場總線電纜的技術規格應符合表1規定的內容。

表1 現場總線電纜的技術規格

根據裝置要求，現場全部采用A類總線電纜，不安裝中繼器,現場總線網段的長度盡可能低于1 900 m，分支的長度為1～200 m，這里網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時考慮降低FF設備在總線網段上的通信量。在一個段中減少所掛設備總數，在控制回路中盡可能避免引入回路之外的參數，因為跨功能塊或網段之間的參數引用會大幅提高網段上的通信量。應使用經過DeltaV驗證的FF智能設備。

4) 樹型拓撲網絡的應用?？紤]到以后項目擴容時，可以再利用現有電纜,采用樹型拓撲結構。實踐證明，在硬件組態和網絡/網段設備分配過程中，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。樹型拓撲網絡由單個與公共接線盒相連的獨立現場總線組成，終端器連接于主干線電纜的末端，如圖2所示。

圖2 樹型拓撲結構示意

3．2 FF安裝要求

大量實踐證實，以往現場總線故障率較高主要是由通信中斷引起的，發生原因大部分是由于現場總線安裝施工質量不符合要求，沒有嚴格遵守總線電纜施工規范，比如電纜橋架安裝不規范，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對地絕緣不符合要求等?？偟膩碚f，現場總線電纜的敷設、安裝質量直接關系到現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場總線的質量是十分必要的。

1) 在施工單位進場前，實施FF設備安裝和接線培訓，培訓的主要內容以《基金會現場總線接線和安裝指南》、《31．35 Kbit/s基金會現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，滿足現場總線網段對絕緣的高要求，規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400 mm。

3) 采用FF專用端子塊與各現場總線設備連接。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60 mA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，現場電磁干擾大，在靠近大功率整流器的場所，系統對接地要求更嚴格： 必須嚴格區分信號地和保護地，信號線接地電阻應小于1．5 Ω；現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(50 Hz)干擾的作用；要求將鎧裝鋼絲在現場和機柜側兩端接地，起到預防雷擊等高頻干擾。

3．3 經濟效益的提高

相比于傳統DCS及現場儀表設備，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濟效益。

1) 安裝成本的降低。與傳統項目相比較，電纜的使用量和接線工作顯著下降，傳統項目執行過程中，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，只需將現場設備連接至總線網段的接線盒上，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) 縮短了調試時間，降低了維護工作量。FF類型儀表能夠在傳輸傳統測量信號的同時，提供儀表性能相關的診斷信息。在開車階段，FF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，能夠將維護信息直接以流程圖或者郵件等方式發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環境，真正實現預測性維護。

3) 現場側控制。與傳統儀表相比，FF類型儀表內部含有大量的運算和處理模塊，能夠自動實現運算和控制功能，因而利用FF技術，可以將控制策略下裝至現場儀表，即便通信模塊發生故障，現場依然在既定的控制策略下正常運行，提高了現場的可靠性。目前現場大概有30%的PID回路處于現場側控制模式，與傳統的DCS控制方式相比，控制直接由現場執行，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段上相互協作，實現既定的控制策略。選擇FF類型設備，只需要選擇其參數是否適用于工藝需求即可，不需要考慮生產廠家，網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，目前網段的帶載量得到了增加。理論上每個網段的最大帶載量是16臺設備，根據該公司規范，項目在實施過程中，為了便于后期設備追加或者系統擴容且保證系統運行的穩定性，要求一個網段的帶載量上限為8臺設備。

4 DeltaV控制系統在裝置中的應用

作為裝置控制系統的最核心部分，DeltaV控制系統主要功能包括傳統DCS對裝置生產工藝的控制和監視、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、系統故障的診斷和監視等。工程師站和操作員站及控制器之間采用工業以太網，網絡結構為點對點網絡，通信速率為自適應10～100 Mbit/s，FF儀表則以31．25 Kbit/s 傳輸速率實現與H1接口卡件之間通信。該網絡架構具有良好的可擴展性，便于后期進行系統規模的擴展以及新設備的追加。OPC服務器為企業管理層提供DeltaV控制系統的數據信息，實現數據在控制網絡與外網間的共享，為管控一體化的實現奠定基礎。

4．1 硬件配置

為了保證生產運行的安全性、長周期性，必須提高DeltaV控制系統的可靠性，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、網絡鏈路冗余(網絡交換機、網絡電纜、網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”，即當系統檢測到某一部件發生故障時，無需人工干預，系統將自動從故障部件切換到備用部件，不會造成系統運行的中斷，從而最大限度地確保工藝生產的連續性。

4．2 軟件組態

與傳統DCS組態一樣，DeltaV控制系統的組態包括創建項目數據庫、流程圖組態、用戶賬戶管理、電子安全鎖定義等。而物理件組態，則包括服務器配置、操作站配置、主控制器配置、I/O卡配置、網絡配置等內容。在生產操作時，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。

5 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應用提供了豐富的應用經驗。基地一期Infra，PC，HDI，SPC等裝置采用了DeltaV控制系統，都取得了很好的控制效果，保證了各裝置的長、滿、優生產，為日后實現管

控一體化創造了條件。

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