SCADA系統在VCM轉化器溫度測量中的應用

魏革

(沈陽化工股份有限公司，遼寧 沈陽 110143)

轉化器是乙炔、氯化氫合成VCM的關鍵設備，經混合器混合的兩種氣體進入轉化器，在觸媒(氯化汞)的催化作用下轉化為粗VCM。該過程屬強放熱反應，最高溫度可達190 ℃，故轉化器床層溫度是轉化反應的關鍵指標。沈陽化工股份有限公司VCM裝置現場共有44臺轉化器，每臺轉化器設有12個溫度檢測點，采用Pt100型三線制多支熱電阻測量，共528個測溫點。VCM轉化器位于工廠防爆區域，而DCS機房位于較遠的非防爆區域，若此528點溫度信號直接接入DCS系統，需要用到大量儀表電纜，在DCS端還需要配置許多IO模件、端子板及配套機柜等，不但會極大地增加工程的采購和施工成本，同時也會嚴重增加DCS系統的負荷。

當下，SCADA系統(數據采集與監視控制系統)在諸多領域有著越來越廣泛的應用，特別是伴隨著現場總線通訊技術的迅猛發展，SCADA系統與DCS等自控系統的集成成為一個新的發展方向，其具有簡單、可靠、經濟實用等特點，因此，采用SCADA系統是監測轉化器溫度、節約工程成本的極佳解決方案。經綜合比較，沈陽化工股份有限公司選擇了意大利GM公司的SCADA系統。

1 D2000M型SCADA系統的技術特點

(1)搭配不同現場采集模塊可接收全分度熱電偶和熱電阻信號、4～20 mA信號及開關量信號。

(2)現場采集模塊所有通道之間相互隔離，任何通道發生故障或接地不會影響其他通道的信號采集。

(3)現場采集模塊的防爆等級為ExiaⅡCT4，可安裝在防爆區域。

(4)現場采集模塊的工作溫度為-40～60 ℃，可安裝在北方室外環境。

(5)采用開放的現場總線協議Modbus-RTU與其他系統冗余通訊，通訊接口為RS-485，最大通訊距離可達5 km。

(6)所有模塊均采用回路供電，無須單獨配置直流電源。

2 D2000M型SCADA系統組成

D2000M型SCADA系統架構如圖1所示。

(1)通訊電源模塊(網關)：D2050M-010。

D2050M安裝在安全區域，用于與安裝在裝置現場的采集模塊進行通訊并通過Modbus-RTU轉換數據至其他控制系統，最高通訊速率可達115 200 bit/s。該模塊同時通過冗余的通訊電纜為現場采集模塊供電，并能識別現場采集模塊的短路、開路狀態。模塊的RS-232串行接口用于連接工程師站進行系統組態。

圖1 D2000M型SCADA系統架構Fig.1 System architecture of SCADA D2000M

(2)模擬量信號采集模塊：D2010M-010。

D2010M可安裝在現場危險區域的防護機箱內，通過冗余形式與D2050M通訊，配有16個模擬量輸入通道，可接收熱電阻、熱電偶、4～20 mA信號，其中熱電阻信號的測量精度為±200 mΩ。每個D2050M網關模塊最多可連接4個D2010M模塊。

(3)模擬量信號擴展模塊：D2011M-010。

D2011M是D2010M的擴展模塊，通道數量、可接收的信號類型及測量精度與D2010M相同。該模塊不能直接與D2050M實現通訊，每個D2010M最多可擴展3塊D2011M，但每增加1塊D2011M，系統掃描時間會相應增加約425 ms。

D2010M與D2011M之間、D2010M與D2011M之間的連接根據長度不同使用CABF005或CABF006型扁平電纜。

(4)組態軟件：SWC2090。

個人計算機通過RS-232轉USB專用電纜與D2050M網關模塊連接，通過該軟件可實現對系統進行組態、監視、操作和文檔管理。

3 方案設計

如圖2所示，VCM裝置現場的44臺轉化器a1～a44布置在A、B區域，每個區域的22臺轉化器分2排排列，每排11臺。每臺轉化器的12點溫度采用3線制連接形式接入1塊現場采集模塊D2010M或D2011M，預留4個通道作為備用，方便管理和維護。1塊D2010M及其最多3塊擴展模塊D2011M安裝在1個防護機箱內，并將防護機箱布置在距離最近的4臺轉化器處，可最大程度地節約溫度儀表至防護機箱的電纜材料。考慮到整體性和維護方便，每區域末端的a21與a22、a43與a44轉化器溫度接入2個不同的防護機箱，每個機箱設置1塊D2010M和1塊2011M即可。現場共設有12個防護機箱A1～A12，全部528點溫度信號接入其中，每4個就近防護機箱內的D2010M模塊“串聯”，再接至安裝在DCS機柜內部的網關模塊D2050M，所有連接電纜均采用冗余的RS-485專用電纜，共需3塊網關。

圖2 VCM裝置現場轉化器布置示意圖Fig.2 Field layout of convertors in VCM plant

系統掃描周期按最大配置計算約1 600 ms，因溫度儀表測量本身也具有一定的滯后性，該掃描周期可滿足工藝監測要求。

4 軟件組態

安裝SWC2090軟件之前須根據操作系統類型安裝驅動程序。運行該軟件，根據實際連接配置情況選擇硬件D2010M或D2011M，并根據溫度儀表類型及接線形式按圖3所示編輯相應通道信息。圖3中，a=385表示溫度儀表電阻值每增加0.385 Ω，溫度顯示增加1 ℃，采用三線制補償連接形式可極大程度地減少電纜線阻對溫度測量結果的影響。

圖3 D2010M/D2011M通道編輯信息Fig.3 Edit information of channel D2010M/D2011M

因網絡模塊D2050M通過Modbus-RTU形式與DCS實現通訊，通過SWC2090還需要配置D2050M參數，如圖4所示。

圖4 D2050M配置信息Fig.4 Information of D2050M configuration

因系統共配有3塊網關，可將其Modbus站地址定義為001～003，波特率根據傳輸距離選擇9 600 bit/s即可。圖4中的“8 N 1”表示數據位為8位，無奇偶校驗，停止位為1。

完成上述內容編輯和配置后，可將RS-232轉USB專用電纜連接網關模塊D2050M和個人計算機，在SWC2090中配置COM接口并測試通訊連接是否成功。之后可將編制好的程序寫入網關模塊D2050M。通過SWC2090的監視功能可查看接至該網關全部現場采集模塊的通道信息和溫度示值。

5 DCS硬件配置與組態

沈陽化工股份有限公司 VCM裝置的DCS為日本橫河公司CENTUM VP系統，其支持Modbus通訊的模件型號為ALR121。因DCS只要求可顯示轉化器溫度，根據該模塊手冊信息，采用2線制RS-485電纜連接D2050M與ALR121即可。對于DCS與子系統的總線通訊，通常將DCS作為主站(Master)，將子系統作為從站(Slave)。

1塊ALR121模塊配有2組端口，每組端口均可獨立配置，故僅需3塊ALR121即可在DCS顯示全部528點溫度數據。2線制RS-485電纜接至ALR121的“RX+/RX-”接收端，模件屬性信息中Connection Device項選擇“MODBUS”，端口屬性按照圖5所示設置即可，須與D2050M通訊設定保持一致。

圖5 ALR121端口設置Fig.5 Setting of port ALR121

DCS的I/O通訊組態中需要根據Modbus通訊信息對以下內容進行設定:①Buffer：1塊ALR121兩端口存儲總數據大小。②Program Name：根據ALR121安裝位置選擇。③Size：數據類型長度，以2 byte為單位分配。所以1塊ALR121的總數據長度為512 byte。④Port：端口號，根據接線端口寫入1或2。⑤Station：從站設備地址，即D2050M的站地址001～003。⑥Device & Address：從站設備數據內存地址。1個溫度點對應1個數據地址，每個從站設備數據(包含備用)數量最大為256，地址為A40001～A40256。⑦Data type：數據類型，選擇無符號16位整型[Input(16-Bit Unsigned)]。

完成上述工作后，需要在Control Drawing中建立溫度儀表的PVI功能塊并連接相應通道，在PVI功能塊細節編輯中輸入信號轉換(Input Signal Conversion)，選擇通訊輸入(Communication Input)，將數據增益值(Data Conversion Gain)改為0.1。

完成DCS程序流程圖繪制和下裝后，DCS操作站便可顯示全部轉化器溫度示值。

6 結語

沈陽化工股份有限公司在測量VCM轉化器床層溫度中使用GM公司D2000M型SCADA系統后，極大降低了項目的施工成本，同時該系統具有測量精度高、功率低且無須配置溫度安全柵的優點，系統安全型的硬件設計和冗余的通訊配置使整個總線通訊過程具有更高的安全性和可靠性。該系統自2016年初投用至今運行良好，可以達到DCS常規測量的效果。