純堿生產裝置的DCS系統升級改造

巨克選，王向釗，白德俊，周尚昆

(青海發投堿業有限公司，青海 德令哈 817000)

1 DCS控制系統升級改造前狀況

青海發投堿業有限公司一期90萬t/a純堿裝置DCS控制系統于2004年7月至9月在工廠組態調試，2005年10在生產裝置投運至2016年，已連續運行11年時間，使用的是杭州和利時自動化有限公司(以下簡稱和利時)Smartpro 3.1.3 SP2系統版本。2010年和利時就將此版本定位為退役系統，已停止對該軟件的后續開發、技術支持、問題解決等。 如現場出現新的軟件問題，只能采取軟件升級補丁等措施，而不能徹查其原因并解決。

2015年在檢修期間，和利時對DCS系統進行全面檢測，發現模塊精度不合格率達80%，系統運行、控制缺陷問題較多。現場計算機型號為DELL 745、780、755、790，已連續使用11年，計算機各方面性能已臨近報廢期限，存在較大隱患。windows2000、windowsXP系統已于2010年底停產，目前市面上所有計算機(DELL、HP等)品牌的工業計算機都已不支持windows2000、windowsXP系統，DCS系統計算機故障癱瘓，將無法找到同檔次的計算機代替，而且Smartpro3.1.3 系統軟件不支持windows7系統，交換機使用的是TSC-1016，D-LINK，已連續使用11年，交換機各方面性能已臨近癱瘓期限。隨著近幾年DCS現場網絡安全、網絡風暴等大量問題暴露，防網絡風暴的安全交換機也是DCS系統必備的設備。

2 系統升級改造的可行性

本公司純堿裝置DCS控制系統從2005年出廠至2016年已運行11年，設備問題、系統問題也越頻繁的暴露出來，熱備用控制單元不能有效切換導致系統死機或癱瘓、通訊中斷。操作站計算機系統版本低、老化死機、通訊故障等系列問題，影響生產穩定運行，嚴重時造成產量損失。杭州和利時公司在多年里隨著不斷地實踐研發，在之前DCS系統的基礎上，已開發出功能更強大，可靠性更高的MACSV6.5.2系統，通過眾多現場運行，得到了廣泛好評。

MACSV6.5.2系統相對Smartpro 3.1.3系統有了眾多改進，完全能解決Smartpro 3.1.3系統上出現的所有問題，對DCS系統的穩定運行起了必要的保障作用。和利時有大量的開發力量投入在MACSV6.5.2系統中，是和利時自主研發的一套系統，代碼開放，一旦發現問題，能很快有效的解決。MACSV6.5.2系統是目前和利時公司最先進的控制系統，在2012年后的新建125 MW以上的電廠，都采用此版本，且運行穩定、可靠，國內大型600 MW機組以上的機組都有成功應用的案例和經驗可以借鑒。

3 升級后MACSV6.5.2系統主要功能特點

3.1 系統高可靠、安全

MACSV6.5.2系統高可靠的設計理念，采用安全系統設計理念，如信號質量位判斷、故障導向安全，提高系統可靠性。多重隔離技術，系統總線和模塊之間采用光電隔離；模塊工作的系統電源和現場兩線制儀表電源雙隔離供電；模塊通道之間故障隔離；網絡具有物理層和協議層雙重隔離。適應惡劣環境，系統基于惡劣的工業環境設計，符合EMC的設計規范，抗干擾性符合工業環境下的國際標準IEC61000，系統防腐蝕能力滿足ISA S71.04標準G3等級要求。網絡安全性技術，系統網絡采用確定性實時以太網通訊協議，標配帶有防火墻的交換機，確保網絡安全。

3.2 工業級芯片，冗余設計

控制器CPU采用PowerPC構架工業級芯片，基于實時操作系統，內置防網絡風暴組件；采用多比特位開關量和信號質量判斷，故障導向安全。全面診斷技術，控制站和I/O模塊均帶有智能自診斷單元，所有類型的故障，如通信、斷線、短路、超量程等都可以被檢測并及時上報到操作員站。失效安全技術，整個系統遵循安全設計理念，邏輯計算之前進行信號質量驗證，故障時輸出可以自動切換到預先設定的安全值；可支持ECC內存錯誤檢測。

全冗余設計理念，系統組件包括系統網、控制網、控制器、電源模塊、I/O模塊、歷史站均可冗余配置。

3.3 電磁兼容性、抗干擾能力強

電磁兼容性強，系統基于惡劣的工業環境設計，抗電磁干擾性符合IEC61000，全部模塊均通過ICE認證。先進的系統架構，系統支持Peer-to-Peer(對等網)、C/S(客戶機/服務器)、Peer-to-Peer和C/S(混合)三種系統網絡結構，并支持星形、環型或總線形拓撲結構的工業以太網連接。現場總線技術，支持HART、Profibus-DP、Profibus-PA、Modbus等各類現場總線協議。

3.4 完善的系統狀態和信息診斷

系統提供了完善的系統狀態和診斷信息，用戶使用方便，易維護、易更換。全部硬件模塊具備硬件熱插拔、在線下裝和在線電子維護手冊，為客戶提供了方便且安全的現場維護。遵循國際標準，符合IEC61131-3控制算法編程軟件，支持CFC、SFC、LD、ST組態語言，支持用戶自定義各類功能塊和腳本語言。

3.5 功能、結構強大

全面的在線組態功能，MACS V6系統任何組態修改均可在線完成，包括對控制算法、硬件配置的增加、刪除、修改，系統數據庫、圖形組態、系統配置等各項組態內容的修改，均可做到在線無擾下裝，大大提高了系統的可維護性和可用性。MACS V6系統支持多工程師站協同組態功能，在超大型項目實施過程中可以保證多人同時協同工作。支持大型系統應用，MACS V6系統支持多域結構，最大支持15個域，最大可支持983,025個數據庫點。

3.6 一體化解決方案，系統資源整合性強

保護用戶既有投資，MACS V6系統向前兼容和利時FM、SM系列I/O模塊，可方便地進行老系統升級，同時可以實現與舊版本軟件的多域混合使用，系統資源整合性強。MACS V6系統可以與和利時的其他產品，包括：HOLLiAS AMS(資產管理系統)、BATCH(批量控制)、APC(先進過程控制)、SIS(安全儀表系統)、MES(生產執行系統)、OTS(操作員仿真培訓系統)、CCS(壓縮機控制系統)、ODS(操作數據管理系統)、WIS(無線儀表系統)進行無縫地集成，為用戶提供一體化解決方案。

4 升級改造的系統規模概述

4.1 系統升級規模

本次DCS控制系統改造升級包括熱電(兩臺汽機ETS由PLC控制并與DCS通訊)、化工(7臺石灰窯由歐姆龍PLC控制與DCS通訊)兩個部分，與年度大修同步進行。本項目為DCS系統目前在國內純堿行業運用規模較大的DCS系統,物理I/O點數上萬點、現場控制站配置28對冗余控制器、多達33臺操作員站、7對冗余歷史數據服務器(可兼做操作員站)、控制柜47面。采用了目前世界上先進的現場總線技術(ProfiBus-DP總線),成熟先進的控制算法，域間通過冗余的光纜與中控室三層交換機連接并通訊,整個系統中任何一臺計算機均可通過不同權限的登錄完成對系統其他域的監視與操作,真正做到分散控制、集中管理。

4.2 系統升級內容

DCS系統及升級改造工作不更改原有的DCS系統各站的所有功能(操作、顯示、報警、趨勢顯示、歷史趨勢歷史數據顯示和查詢等),將原SmartPro V 3.1.3版本升級為最新MACS V6.5.2版本。DCS邏輯，畫面全部重新組態。在此，因原系統是2005年投運，運行時間較長，原來的預留的備用通道幾乎用盡，根據公司生產部和技術質量部提出的新增控制點數，在前期組態一并完成。

4.3 系統改造時間

本次系統升級改造在2016年5月份與生產系統停車大修一并完成，時間安排上比較緊張。整個工期計劃為5天，化工、熱電兩部分同時進行。

4.4 熱電升級部分

1)升級更換操作員站及工程師站,將現有操作員站及工程師站電腦更換為微塔式PC機/680G1/i3-4150 3.5GHz/4G/500G；DVDRW/HD Graphics 4400/鍵鼠/無OS/3年，數量為12臺(含遠程操作員站),升級操作系統為 Windows7 專業版 32位。

2)升級更換歷史站，將現有歷史站電腦更換為塔式工作站/T5810/E5-1603v3/4G/500G SATA 7.2k/DVDRW/FirePro W2100/鍵鼠/無OS/3年，數量為6臺，升級操作系統為 Windows7 專業版 32位。

3)升級更換交換機，將現有交換機D-LINK更換為GM010數量為4臺,增加2臺交換機以完成域組態的變更。

4)升級更換主控單元，將現有FM801主控更換為FM820主控單元，主頻為400 MHz，DRAM為128 MB，SSD(固態盤)為16 MB，更換新主控FM820后可使負荷率降到20%以下，可以使系統運行的更穩定,數量為16臺。

5)升級更換機籠,將現有FM301機籠更換為FM320 機籠數量為8臺。

6)汽輪機ETS系統改造工作利用原有PLC機柜及不更改原有ETS系統的所有功能。本次兩套ETS系統將原有FM214系列PLC軟、硬件更換為杭州和利時自動化有限公司LM系列PLC軟、硬件。

7)系統組態升級：

①監控畫面重制、優化,所有畫面全部重新組態及制作，重制原則為保留原有畫面的風格(顏色、布局、字體大小、操作窗口等)，遵循MACS V6 系統組態規則的前提下，盡量不改變原有操作習慣。畫面優化,根據工藝要求進行修改。

②控制邏輯重制、優化，所有控制邏輯均需全部重新組態及制作，重制原則為實現全部原有系統功能，遵循MACS V6 系統組態規則和方案庫的前提下，盡量不改變原有操作習慣。

③系統分域重組,本次升級將對熱電原有分域進行重新劃分，原系統分域情況，1～4#爐為1個域，5#爐、1～2機、公用為1個域，將熱電域重新劃分為：1～5#爐為一個域、1～2#機為一個域、公用為一個域，新上脫硝系統為一個域，大大提高了系統的利用率和穩定性。

④通訊恢復,升級后保證了DCS系統與電氣綜保系統數據的通訊正常。

4.5 化工升級部分

1)升級更換操作員站及工程師站,將現有操作員站及工程師站電腦更換為微塔式PC機/680G1/i3-4150 3.5GHz/4G/500G；DVDRW/HD Graphics 4400/鍵鼠/無OS/3年,數量為21臺(含遠程操作員站),升級操作系統為 Windows7 專業版 32位。

2)升級更換歷史站，將現有歷史站電腦更換為塔式工作站/T5810/E5-1603v3/4G/500G SATA 7.2k/DVDRW/FirePro W2100/鍵鼠/無OS/3年，數量為8臺，升級操作系統為 Windows7 專業版 32位。

3)升級更換交換機,將現有交換機更換為GM010數量為16臺,增加三層交換機WS-C3750X-24T-S,兩塊(放置在調度室作為域間互聯)。

4)升級更換主控單元，將現有FM801主控單元更換為FM820主控單元,主頻為400 MHz，DRAM為128 MB，SSD(固態盤)為16 MB，更換新主控FM820后可使負荷率降到20%以下，可以使系統運行的更穩定,數量為40臺。

5)升級更換機籠，將現有FM301機籠更換為FM320機籠數量為20臺。

6)系統組態升級：

①監控畫面重制、優化，所有畫面均需全部重新組態及制作，重制原則為保留原有畫面的風格(顏色、布局、字體大小、操作窗口等)，遵循MACS V6 系統組態規則的前提下，盡量不改變原有操作習慣。

②控制邏輯重制、優化，所有控制邏輯均需全部重新組態及制作，重制原則為實現全部原有系統功能，遵循MACS V6 系統組態規則和方案庫的前提下，盡量不改變原有操作習慣。

③通訊恢復,升級后保證系統與石灰工段7臺石灰窯PLC的通訊正常。

④將原來的石灰車間和壓縮車間分域，形成兩個單獨的域，增加單模光纖收發器四臺(與調度室通訊)。為保證系統安全，將石灰車間和壓縮車間原有的操作員站升級為歷史站，共兩臺。石灰控制室至調度室因分域所需的光纖由我方儀表人員鋪設熔接。為提高系統安全性和可靠性將原有網絡結構進行了變更，將包裝工段連接至輕灰工段、將鹽水工段連接至碳化工段。此網絡數據光纖敷設、熔接由我方儀表人員在系統大修升級前準備完畢。

4.6 升級為MACSV6.5.2 后DCS系統組態

1)數據庫組態，做好化工、熱電工程數據備份，清查現有數據庫中的物理點和中間點。出廠前完成數據庫的優化、校對工作；

2)配置組態，把重新編制的工程數據點導入到MACS V6中，生成系統網絡圖和I/O詳細模塊點表圖和DCS系統監視圖。

3)算法組態,按照以站為主，以功能為輔展開組態，同時要遵循MACS V6系統組態規則和方案庫完成算法組態工作。算法組態工作在出廠前完成靜態單體調試和聯調、功能驗證。

4)涉及到因設備改型或更換等原因，要重新設計控制的算法組態或其他配置，與我方的相關專業技術人員詳細溝通后再確定組態方案及聯鎖。

5)畫面組態,備份原操作畫面，畫面風格沿用原來操作畫面風格(顏色、布局、字體大小、操作窗口等)，必要時可根據現場工藝的要求調整畫面的風格。

6)圖形組態,在出廠前完成畫面組態100%工作，并進行畫面單體和聯調工作。

以上六項的組態工作安排在出廠前完成，為現場調試和開車爭取時間，待現場調試時再對其進行修改完善，直到完全滿足現場生產要求，整套系統投入生產，正常穩定的運行。

5 升級改造后達到效果及影響

通過DCS系統升級改造后，系統的兼容性更強、人機界面更友好、系統容量更大。系統運行至今對熱電和化工區自動化控制水平及機組、設備的運行效率、性能和工藝水平有了進一步的提高，降低控制系統的故障率，維護率。使機組、設備的可利用率大大提高，為公司化工生產的安全、穩定、可靠、經濟的運行提供了保障，同時減少了操作人員的勞動強度和工作量，為企業實現節能降耗、增產增效創造條件。因此，此次公司生產系統的DCS控制系統升級改造工程是經濟的、可行的，更是成功的。