中控ECS-700 在烴類生產(chǎn)中的應(yīng)用

齊 榮

（中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京 102500）

早先應(yīng)用的控制系統(tǒng)，從硬件到軟件已不能滿足日新月異的過程自動化高水平控制的要求，為此再選擇新的控制系統(tǒng)，除了要求利于操作人員對工藝過程的監(jiān)控與管理之外，還能夠顯著提高自動化水平，增強儀表控制系統(tǒng)可靠性，保證生產(chǎn)安全等。

ECS-700 系統(tǒng)是旨在幫助用戶實現(xiàn)生產(chǎn)自動化的大型集散控制系統(tǒng)。ECS-700 系統(tǒng)以國際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范為準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計與研發(fā)，確保系統(tǒng)的可靠性、實時性和易用性；同時該系統(tǒng)擁有多種強大的功能，如工藝過程整體監(jiān)控管理功能，多人協(xié)同工作管理功能等，在國內(nèi)各行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。因此基于以上優(yōu)勢，在烴類生產(chǎn)中應(yīng)用了中控ECS-700 系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)硬件配置方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ECS-700 系統(tǒng)擁有集成化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要包括三大要素，即控制要素（控制節(jié)點及配套設(shè)備）、操作要素（操作節(jié)點即各類應(yīng)用站點）及網(wǎng)絡(luò)要素（包括SCnet控制網(wǎng)、I/O 總線等）。ECS-700 系統(tǒng)可以根據(jù)工藝安全和生產(chǎn)特性，靈活方便地組建大規(guī)模聯(lián)合系統(tǒng)，利于將來實行全廠級的分域管理。

ECS-700 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可以配置多層通信網(wǎng)絡(luò)，如過程控制網(wǎng)、過程信息網(wǎng)、企業(yè)信息網(wǎng)等。過程控制網(wǎng)用于連接控制系統(tǒng)的控制站和操作節(jié)點，在兩者之間傳輸實時數(shù)據(jù)和操作指令。該網(wǎng)絡(luò)采用雙重化冗余設(shè)計，數(shù)據(jù)傳輸可靠、實時、高效。過程信息網(wǎng)用于連接控制系統(tǒng)中的操作節(jié)點，如OS 操作站、ES 工程師站、數(shù)據(jù)OPC 站等，在操作節(jié)點間傳輸報警過程信息、操作記錄信息和歷史信息等。掛在該網(wǎng)絡(luò)上的各類應(yīng)用站點可以通過OPC 服務(wù)器訪問過程信息同時下達(dá)指令。而企業(yè)管理網(wǎng)用于連接上層管理節(jié)點，通過管理服務(wù)器從過程信息網(wǎng)中獲取系統(tǒng)過程信息，對工藝生產(chǎn)進(jìn)行整體管理或?qū)嵤┻h(yuǎn)程監(jiān)控[1]。

1.2 系統(tǒng)硬件配置

DCS 系統(tǒng)硬件配置由控制站、操作站、配套設(shè)備等構(gòu)成。

現(xiàn)場機柜室控制站主要包括全冗余的控制器（即數(shù)據(jù)處理中心）、IO 模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換機、時鐘服務(wù)器等）。配套設(shè)備主要指各類機柜如電源柜、系統(tǒng)柜、繼電器柜、網(wǎng)絡(luò)柜和端子柜等。

CCR 控制室配置4 臺操作站，可以便于操作人員同時對多工段工藝過程的監(jiān)控與管理。現(xiàn)場機柜室配置1 臺組態(tài)工程師站和1 臺操作站兼數(shù)據(jù)OPC 站，可以便于儀表人員進(jìn)行控制系統(tǒng)維護和數(shù)據(jù)庫組態(tài)。每臺操作站可以完成許多功能，如選擇流程畫面、調(diào)用報警信息、查看歷史趨勢等。該控制系統(tǒng)中，每臺操作站之間可以互為備用。

由于CCR 控制室與現(xiàn)場機柜室兩處直線距離超過100 m，宜選用光纖連接配套交換機進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2]；現(xiàn)場機柜室控制站與操作站之間的數(shù)據(jù)傳輸采用網(wǎng)線連接。系統(tǒng)I/O 總線屬于系統(tǒng)控制站內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)，連接控制器、I/O 或通信接口模塊，均為冗余配置。系統(tǒng)硬件配置圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件配置圖

1.3 系統(tǒng)IO 配置

控制站完成整個工業(yè)過程的實時監(jiān)控功能，由控制器、I/O 接口模塊、I/O 信號模塊、串行通信模塊和供電單元等組成。控制站的所有模塊均可冗余配置。

本項目ECS-700 系統(tǒng)的控制站配置了2 對控制器，6 對串行通信模塊。在提高系統(tǒng)的可靠性上，除了控制站的控制器、串行通信模塊都采用冗余配置外，控制回路的I/O 模塊也都采用冗余配置。根據(jù)設(shè)備位號及控制點的數(shù)量，合理配置系統(tǒng)的硬件、軟件及網(wǎng)絡(luò)。控制站硬件配置見表1。

表1 控制站硬件配置

1.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

在工藝生產(chǎn)過程中，除了選用中控DCS 控制系統(tǒng)外，現(xiàn)場也會采用利于生產(chǎn)的高新、智能的第三方設(shè)備或者有別于DCS 系統(tǒng)的其他控制系統(tǒng)。在確保可靠安全的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場需要ECS-700 控制系統(tǒng)與第三方設(shè)備或其他控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以便于操作人員在CCR 控制室就能夠獲得較為全面的信息。例如智能儀表、SIS 系統(tǒng)、GDS 系統(tǒng)等，就可以通過設(shè)備及系統(tǒng)間的通信來實現(xiàn)在中控DCS 系統(tǒng)的集中顯示與監(jiān)控。

中控ECS-700 系統(tǒng)配套提供了串行通信模塊COM741-S。該模塊是ECS-700 系統(tǒng)的串行異構(gòu)設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)設(shè)備，通過擴展I/O 總線，利用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（MODBUS RTU 協(xié)議）和自定義協(xié)議將使用同樣通信協(xié)議的第三方設(shè)備或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取到DCS 控制系統(tǒng)[3]。該模塊可冗余配置，以保證更高的可靠性；通過使用對應(yīng)軟件對硬件設(shè)備進(jìn)行組態(tài)，使用簡單、方便。通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接入到DCS 控制系統(tǒng)中，相當(dāng)于DCS 系統(tǒng)的I/O 模塊，可以在DCS 系統(tǒng)上直接實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示與操作。這種方式不僅提高了DCS 系統(tǒng)的安全性，易于操作與管理，而且還節(jié)約了系統(tǒng)前期組建成本及未來維護成本。

2 系統(tǒng)組態(tài)與控制方案實例

2.1 系統(tǒng)組態(tài)軟件功能

ECS-700 系統(tǒng)組態(tài)應(yīng)用軟件AdvanTrol Pro Visual Field。該軟件根據(jù)用戶需求，不斷升級軟件版本。組態(tài)應(yīng)用軟件包括在線組態(tài)、保存編譯、下載發(fā)布等功能。系統(tǒng)組態(tài)功能由以下控制組態(tài)工具軟件共同完成。

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組態(tài)軟件

用于搭建整體控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架的軟件，包括配置控制域和操作域的功能劃分，分配對應(yīng)工程師的組態(tài)權(quán)限等。

2.1.2 系組態(tài)管理軟件

用于關(guān)聯(lián)和管理各種組態(tài)軟件的平臺。該平臺具有許多功能，如IO 硬件配置、設(shè)備位號組態(tài)、聯(lián)鎖與控制組態(tài)和監(jiān)控與操作組態(tài)等。該平臺支持?jǐn)?shù)據(jù)庫的組態(tài)維護，支持用戶程序的在線聯(lián)機調(diào)試、支持整體組態(tài)的上傳或單點組態(tài)的下載等[4]。

組態(tài)軟件具有強大的組態(tài)功能，包括控制站內(nèi)的硬件組態(tài)功能，用于硬件的參數(shù)設(shè)置、組態(tài)下載及在線/離線調(diào)試等；現(xiàn)場設(shè)備的位號組態(tài)功能，用于位號的參數(shù)設(shè)置與檢查、位號文檔的導(dǎo)入導(dǎo)出、位號的監(jiān)控調(diào)試等；聯(lián)鎖與控制組態(tài)功能，用于通過選用不同的編程語言或功能塊來實現(xiàn)聯(lián)鎖與控制的方案，支持用戶程序的在線聯(lián)機調(diào)試等；監(jiān)控與管理組態(tài)功能，用于實現(xiàn)工藝過程的監(jiān)控與管理的功能。包括操作域和操作小組的組態(tài)，如操作域內(nèi)操作員的權(quán)限分配、報警信息的顏色設(shè)置、歷史趨勢的位號分配和報警分組的自定義等；如各操作小組的監(jiān)控界面組態(tài)即總貌、分組、趨勢及工藝流程畫面、操作員鍵盤設(shè)置、報警分區(qū)組態(tài)等。1位操作員可以調(diào)用1 個或多個操作小組。

2.2 特殊控制方案實例

ECS-700 系統(tǒng)提供有SCX 語言編程和圖形化編程2 種編程方式，用于實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法及順控、聯(lián)鎖等復(fù)雜的控制方案。圖形化編程軟件提供了功能塊圖（FBD）、梯形圖（LD）、順控圖（SFC）及ST 語言4 種編程器。每個控制站對應(yīng)一個帶圖形化編程的工程，但每個工程可以存在多個段落，而每個段落限定選擇1種編程器，但用它們編程的功能塊可以互相調(diào)用[4]。

2.2.1 分程控制方案

為響應(yīng)企業(yè)節(jié)能降廢減排的號召，工藝往往在生產(chǎn)過程中，盡量利用循環(huán)過程的工藝廢熱水等低耗能源。例如生產(chǎn)過程中的出口物料需要保持溫度恒定，從而保證后續(xù)生產(chǎn)的穩(wěn)定及產(chǎn)品的質(zhì)量。工藝以廢熱水為主并以少量蒸汽來作為換熱器的熱媒質(zhì)對物料進(jìn)行加熱，保持溫度恒定。但當(dāng)廢熱水不足以滿足物料溫度恒定時，需要補充蒸汽以滿足工藝要求。

根據(jù)上述工藝需求，現(xiàn)場設(shè)有1 臺蒸汽壓力儀表，2 臺蒸汽閥A/B。在不同的范圍段，控制不同的閥門。而分程控制就是通過一個調(diào)節(jié)器按照信號的分析對應(yīng)不同的需求以達(dá)到控制不同的閥門。綜合分析最終選用分程控制方案來實現(xiàn)工藝要求。具體步驟如下。

1）新建位號蒸汽壓力PI005、蒸汽調(diào)節(jié)閥PV005A、PV005B，閥門現(xiàn)場為氣開式（DIRECT）。

2）新建一個蒸汽壓力調(diào)節(jié)器PC005，選用常規(guī)PID 控制塊（PIDEX），控制作用選反作用（RESERVE）。

3）分程控制的分程特性如圖2 所示。控制器輸出信號在0%~50%，A 閥從全關(guān)到全開；在50%~100%范圍，B 閥從全關(guān)到全開；隨著控制器輸出信號的變化，2個控制閥同向動作。

圖2 分程特性圖

4）控制功能塊分別選用分程控制塊（SPLIT）和手操器（MANUAL），控制2 個調(diào)節(jié)閥PV005A 和PV005B。控制器PC005 的輸出信號MV 作為分程控制塊SPLT005 的給定值CSV，而分程控制塊的2 個輸出值MV1/MV2 分別作為2 個手操器HIC005A 和HIC005B 的輸入IN，最終2 個手操器各自輸出MV 值來控制2 個調(diào)節(jié)閥。用戶程序如圖3 所示。

圖3 用戶程序

2.2.2 串級控制方案

塔釜工藝過程原先僅選用常規(guī)PID 進(jìn)行液位控制，但易造成被控過程有較大的容量滯后，以致影響后續(xù)生產(chǎn)。通過分析工藝過程，并比較各類控制回路的特性，確定新的控制方案。以塔釜的液位控制為主與流量采出為輔組成串級控制回路，利于改善過程控制品質(zhì)。具體方案步驟如下。

1）工藝控制指標(biāo)為塔釜液位，原液位調(diào)節(jié)器LIC2007，作用方式為正作用（DIRECT）。再設(shè)置1 個調(diào)節(jié)器，即流量調(diào)節(jié)器FIC2003，也選用常規(guī)PID 控制塊（PIDEX），作用方式為反作用（RESERVE）；現(xiàn)場1 臺調(diào)節(jié)閥FV2003，閥門現(xiàn)場為氣開式（DIRECT）。它們組建為串級控制回路。串級控制回路示意圖及方框圖如圖4 所示。

圖4 串級控制回路示意圖及方框圖

2）串級控制回路是將2 只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，目的是克服回路擾動，改善過程特性，提高過程控制品質(zhì)[5]。其中液位調(diào)節(jié)器LIC2007 作為主調(diào)節(jié)器，其控制變量為主變量，即工藝控制指標(biāo)；而流量調(diào)節(jié)器FIC2003 作為副調(diào)節(jié)器，其控制變量為副變量，主要起到穩(wěn)定主變量的作用。液位調(diào)節(jié)器LIC2007 的輸出值MV 作為流量調(diào)節(jié)器FIC2003 的給定值，流量調(diào)節(jié)器FIC2003 的輸出值MV 控制現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥。按回路要求設(shè)置相關(guān)參數(shù)。用戶程序如圖5 所示。

圖5 用戶程序

2.2.3 選擇控制方案

工藝生產(chǎn)中，換熱器的工藝流程操作原則是：換熱器A/B 的出口設(shè)置溫度調(diào)節(jié)回路，通過調(diào)節(jié)加熱蒸汽來滿足工藝需求；但若換熱器出口管束溫度過高，則會加快設(shè)備腐蝕，影響設(shè)備使用。因此根據(jù)工藝及設(shè)備要求，需要優(yōu)選控制方案。換熱器控制流程圖如圖6 所示。

圖6 換熱器控制流程圖

換熱器是有A/B 兩臺，各有一個出口溫度檢測顯示。2 個溫度值需要選擇一個，作為溫度調(diào)節(jié)回路的輸入源，來控制蒸汽閥的開度，調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)量，既滿足生產(chǎn)又保護設(shè)備。選擇性控制是將邏輯控制與常規(guī)控制結(jié)合起來以增強系統(tǒng)的控制能力。選擇控制可以在被控變量（輸入）和控制器之間放置選擇器，也可以在控制器和操縱變量（輸出）之間放置選擇器[5]。根據(jù)工藝要求，選擇器位于調(diào)節(jié)器之前，對溫度檢測信號進(jìn)行選擇，選出最高或最低測量值。因此在溫度調(diào)節(jié)回路之前加入選擇器，組成新的選擇控制回路。具體步驟如下。

1）新建位號溫度TT2086TT2087；調(diào)節(jié)閥TV2087（即FV2042），閥門現(xiàn)場為氣開式（DIRECT）。

2）新建一個溫度調(diào)節(jié)器TC2087，選用常規(guī)PID 控制塊（PIDEX），控制作用選反作用（RESERVE）。

3）選擇器可以分為高選器和低選器。根據(jù)工藝需求，該控制方案配置低選器。其邏輯關(guān)系可以表述為在被控變量（TT2086 和TT2087）中選擇兩者之間的較低值。新建一個溫度選擇器TS2087，設(shè)置低選器，功能塊選擇ASW。功能塊ASW 的輸出值OUT 作為調(diào)節(jié)器TC2087 的輸入值PV，其輸出值MV 來控制調(diào)節(jié)閥的開度。用戶程序如圖7 所示。

圖7 用戶程序

3 結(jié)束語

自工藝生產(chǎn)開車投用以來，控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)良好。ECS-700 系統(tǒng)通過OPC 站能夠上傳工藝生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，為工藝人員掌握分析生產(chǎn)動向提供了可靠數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)具備了可靠性、安全性，亦滿足了生產(chǎn)監(jiān)控、報警管理與歷史記錄等功能要求，簡明易用。

浙江中控DCS 系統(tǒng)在企業(yè)中的廣泛應(yīng)用，使得企業(yè)技改技措更有經(jīng)濟成效。操作人員使用更得心應(yīng)手，能夠在短時間培訓(xùn)和實際操作下，對ECS-700 系統(tǒng)操作熟練掌握。同時，完善的人機交互界面降低了操作人員的勞動強度，控制效果較平穩(wěn)，故障率較低，提高了勞動生產(chǎn)率，給企業(yè)創(chuàng)造了更好的經(jīng)濟效益。