Experion PlantCrusie DCS在過程控制系統(tǒng)中的應用

杜青青，李海霞，李映達

(蘭州石化職業(yè)技術學院電子電氣工程學院，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

《集散控制系統(tǒng)原理及應用》是三年制高職類院校中，工業(yè)過程自動化專業(yè)、工業(yè)自動化儀表專業(yè)課程體系中的主干課程；其工程應用性與實踐性較強，是一門直接為生產(chǎn)過程服務的理實一體化課程。

由于化工企業(yè)的大部分設備自動化程度高，通常處于易燃易爆、高溫高壓的環(huán)境[1-2]。因此，生產(chǎn)運行過程具有一定的危險性，通常設備連續(xù)作業(yè)，很難遇到開停車機會，各種不安全因素致使學生下廠后也難以深入實際地實踐操作[3-5]。

針對校內(nèi)實訓裝置資源有限、學生群體規(guī)模大的這一特點[6-8]，設計了一種基于Honeywell Experion PlantCrusie分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)的過程控制試驗系統(tǒng)。本文首先介紹了CS2000過程控制試驗裝置的結(jié)構(gòu)組成，以及Experion PlantCrusie DCS的特點；其次給出了基于Experion PlantCrusie DCS的過程控制試驗系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、軟硬件配置、系統(tǒng)組態(tài)的基本思路。近一年半的運行表明，Experion PlantCrusie DCS 與CS2000構(gòu)成的過程控制系統(tǒng)，在很大程度上緩解了校內(nèi)DCS實訓教學的壓力，較好地實現(xiàn)了相關專業(yè)的學生在過程裝置的投運、參數(shù)整定、故障診斷與維護等方面的技能培訓，并為校外企業(yè)自控工程設計人員培訓和學習搭建了一個有利平臺[9-11]。

1 CS2000型過程試驗裝置簡介

仿真建模組態(tài)模塊包括閥門、機泵、儲罐、換熱器、塔器、反應器、儀表等基礎功能組件，支持用戶根據(jù)相關設計規(guī)范自定義工藝流程。CS2000 過程控制試驗對象系統(tǒng)包括現(xiàn)場試驗對象、變送器及執(zhí)行器、供電系統(tǒng)。

CS2000 型過程試驗裝置如圖1所示。

圖 1 CS2000 型過程試驗裝置示意圖 Fig.1 CS2000 process experiment device

現(xiàn)場試驗對象由上水箱、中水箱、下水箱、儲水箱、換熱器、單相2.5 kW電加熱鍋爐及管路及閥件等組成。過程試驗裝置包含兩條基本支路。支路1由威樂泵、電動調(diào)節(jié)閥、孔板流量計、自鎖緊不銹鋼水管及手動切換閥組成。支路2由威樂泵、變頻調(diào)速器、渦輪流量計、自鎖緊不銹鋼水管及手動切換閥組成。液位傳感器用于測量上水箱、下水箱的液位。孔板流量計、渦輪流量計分別用于檢測單相水泵支路流量和變頻器動力支路流量。Pt100熱電阻溫度傳感器用于檢測鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套和強制對流換熱器冷水出口、熱水出口。單相可控硅移相調(diào)壓裝置用于調(diào)節(jié)單相電加熱管的工作電壓。電動調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)管道出水量。變頻器調(diào)用于節(jié)副回路水泵的工作電壓。

2 控制系統(tǒng)設計要求

控制功能是DCS設計的核心及關鍵。基于Honeywell Experion PlantCrusie DCS 的過程控制試驗系統(tǒng)具備如下控制功能。

①在Experion PlantCrusie DCS操作員站，可以對上水箱、中水箱、下水箱及鍋爐內(nèi)進行注水。

②在Experion PlantCrusie DCS操作員站發(fā)出命令，控制站實現(xiàn)水箱的液位控制。

③控制站可以實現(xiàn)鍋爐內(nèi)膽的溫度自動控制。

④控制站可以實現(xiàn)管道內(nèi)流體流量的自動控制。

⑤在Experion PlantCrusie DCS工程師站上進行組態(tài)，內(nèi)膽溫度、加熱過程、冷卻水三者之間可實現(xiàn)聯(lián)鎖控制。

⑥Experion PlantCrusie DCS控制站可以掛接現(xiàn)場總線變送器，實現(xiàn)了現(xiàn)場總線網(wǎng)段的接入校驗。

3 Experion PlantCrusie DCS及其系統(tǒng)配置

3.1 系統(tǒng)簡介

Experion PlantCruise是Honeywell公司生產(chǎn)的集新型、先進、可靠于一體的DCS。系統(tǒng)綜合了過程知識系統(tǒng)(process knowledge system,PKS)技術與8系列 I/O模塊設計，廣泛使用在石油、化工、冶金、電力等行業(yè)。

①Experion PlantCruise過程控制網(wǎng)絡。

綜上所述，在素質(zhì)教學理念不斷發(fā)展的當今時代，運用信息技術開展小學語文教學能夠有效地幫助教師提升整體的教學質(zhì)量，完成教學任務，促進學生綜合素養(yǎng)的提升。在小學語文教學的過程中，開展翻轉(zhuǎn)課堂教學能夠有效地激發(fā)學生的主體意識，使其形成一定的自主學習能力以及自主學習欲望，在降低自身學習難度的同時，提升自身的學習質(zhì)量，促進自身的全面發(fā)展。

Experion PlantCruise DCS采用Honeywell專利容錯以太網(wǎng)(fault tolerant ethernet,FTE)。這是一種高性能的先進的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案。

②Experion PlantCruise過程控制器。

C300過程控制器是將連續(xù)控制、邏輯控制、順序控制和批量控制集于一身的控制器，具有緊湊、高效、低成本的特點。其控制功能由控制算法庫提供，采用Control Builder先進的圖形化控制組態(tài)工具，不僅可用于組態(tài)控制策略，還可以將組態(tài)好的控制策略下裝至控制器，并進行在線監(jiān)控和在線修改。

③PlantCruise軟件。

監(jiān)控軟件提供高速緩存區(qū)的實時動態(tài)數(shù)據(jù)存取、趨勢、報警/事件處理、管理、報表報告生成等功能。企業(yè)模型組態(tài)軟件Simplified Enterprise Model Builder可實現(xiàn)企業(yè)資產(chǎn)按分級結(jié)構(gòu)直觀描述。顯示控制策略組態(tài)軟件Control Builder為生成控制策略提供全套控制算法庫系統(tǒng)資源組態(tài)。用戶畫面組態(tài)軟件HMIWeb Display BuiIde用于創(chuàng)建基于HTML格式的操作員圖形界面強大的數(shù)據(jù)交換功能，支持先進過程網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的多種其他應用(如uniformance PHD、eServer等)。

3.2 系統(tǒng)配置

Experion PlantCrusie DCS基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Experion PlantCrusie DCS基本結(jié)構(gòu)圖 Fig.2 Structure of Experion PlantCrusie DCS

系統(tǒng)采用兩層的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。第一層為過程控制層。這一層的節(jié)點是控制系統(tǒng)的核心，一般包括網(wǎng)絡交換機及控制器。第二層為監(jiān)控操作層。這一層的節(jié)點主要是控制系統(tǒng)的服務器和顯示控制節(jié)點，一般包括網(wǎng)絡交換機、工程師站、操作站。

3.2.1 現(xiàn)場控制站

3.2.2 工程師站與操作員站

工程師站主要實現(xiàn)在線組態(tài)、監(jiān)督及維護功能，在工程師站數(shù)據(jù)庫中自動建立每個組態(tài)生成的模塊(CM、SCM、IOM等)所對應的點。通過工程師站，可以下裝控制站，實現(xiàn)相應的控制功能。

負責系統(tǒng)連續(xù)運行的操作員可使用PlantCruise操作站。PlantCruise系統(tǒng)的人機界面(human machine interface,HMl)采用霍尼韋爾HMIWeb技術，將所有的人機界面、應用數(shù)據(jù)和商務數(shù)據(jù)完整地集成在基于Web的體系結(jié)構(gòu)中。使用HTML作為用戶顯示畫面格式。不需要通過繁瑣的程序插件，或影響功能的export方式。用戶可通過安全的操作站(Station)環(huán)境或直接采用Microsoft的lE瀏覽器，顯示和操控過程畫面。

3.2.3 通信網(wǎng)絡

Experion PlantCruise DCS系統(tǒng)采用FTE，為各節(jié)點間提供了可靠的100/1 000 bit/s的連接。FTE節(jié)點之間有4條通信路徑，對電纜和電子設備中的各種多重故障具有容錯功能。FTE硬件冗余提供多重路徑功能，兩個并行的交換機和電纜線路構(gòu)成樹狀拓撲結(jié)構(gòu)在頂部鏈接，以形成一個容錯網(wǎng)絡。每個獨立標識的樹狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡由顏色編碼、電纜標記、交換機和FTE節(jié)點端口來維護。

Experion PlantCrusie DCS通信網(wǎng)絡如圖3所示。

圖3 Experion PlantCrusie DCS通信網(wǎng)絡 Fig.3 Communication network of Experion PlantCrusie DCS

4 系統(tǒng)組態(tài)

首先啟動 Configuration Studio軟件。在Control Builder 應用程序窗口建立項目，依次創(chuàng)建仿真控制器C300、8系列I/O卡件及控制功能塊CM等。

4.1 硬件組態(tài)

在 Control Builder應用程序窗口建立新項目“水箱液位控制系統(tǒng)”。首先，新建CPU，按照Root-New-Controllers-C300的順序進行組態(tài)。其中，Associated Asset# 選擇已有的組，Device index主CPU撥碼為3、副CPU撥碼為4(和硬件有關，與CPU撥碼一致)，并選中Module is redundant。其次，組態(tài)8系列I/O板卡。以模擬輸入卡件為例，依次按照如下操作、C300-146SEC-New-I/Omodules-series 8 I/O-AIHart。其中，Associated Asset#依然選擇已有的組，IOMNumberAI為1，依次點擊IOLINK147-I/OFaminly-series8I/O types。

4.2 控制回路組態(tài)

DCS核心技術實現(xiàn)相應的控制功能。以上水箱液位為例，建立控制回路。

在已建模擬板卡AI_HART_185的基礎上，右鍵New，選擇Control Module，雙擊可以打開Tag num輸入LIC101。在AICHannel-01中configuration可以選擇channel PV Range改變量程。其中，DATACA模塊和AICHannel-01模塊的上下限一致。通過Alarms，可以對測量值上下限進行設置。依次將AICHannel-01模塊、DATACA模塊、PIDA模塊及AOCHannel-01模塊相連，從而構(gòu)成一個單回路液位控制系統(tǒng)。

4.3 監(jiān)控畫面組態(tài)

DCS系統(tǒng)監(jiān)控界面主要用于實現(xiàn)對工藝流程監(jiān)視及操作功能。Experion PlantCruise DCS系統(tǒng)HMIWeb可提供流程圖畫面、趨勢圖畫面、報警畫面、PID控制畫面等。

5 結(jié)論

基于Honeywell Experion PlantCrusie DCS 的過程控制試驗系統(tǒng)改造于 2018年9月完成安裝調(diào)試及試運。采用Experion PlantCrusie DCS 實訓裝置進行為期一年半的學生實訓，能夠?qū)崿F(xiàn)單回路一階液位控制、單回路二階液位控制、液位串級控制、液位流量串級控制、鍋爐內(nèi)膽溫度系統(tǒng)的搭建、投運、控制系統(tǒng)的無擾動切換、相應系統(tǒng)PID參數(shù)整定、報警事件記錄、DCS維護及故障診斷，完全滿足了相關石油化工專業(yè)群學生DCS實訓及工業(yè)過程自動化專業(yè)、工業(yè)儀表自動化專業(yè)學生畢業(yè)設計及工程實習的要求。由于實訓裝置貼近生產(chǎn)實際，為學生將來就業(yè)打下了堅實的基礎，同時也可為教師科研、學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐以及校外企業(yè)人員培訓提供服務。