基于電子布線的控制系統(tǒng)在化工生產(chǎn)中的研究與應(yīng)用

趙慶凱,周巍巍,陳豐波,肖蕓,王文海

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司,天津 30045; 2. 杭州優(yōu)穩(wěn)自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司,浙江 杭州311000)

分散控制系統(tǒng)(DCS)自1975年問世以來,經(jīng)歷了近50年的發(fā)展,其功能與性能得到了不斷的提升與完善,但在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上并沒有發(fā)生重大變化,主要分為三層: 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層,用于連接現(xiàn)場(chǎng)控制站、操作員站、工程師站和數(shù)據(jù)通信模件等,傳送過程控制實(shí)時(shí)信息,同時(shí)也可將這些信息向上層的信息管理網(wǎng)傳送;控制網(wǎng)絡(luò)層,用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制站內(nèi)部的各個(gè)I/O模件和控制模件之間的互聯(lián)和信息傳遞;現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層,用于實(shí)現(xiàn)I/O模件與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、在線分析儀表等設(shè)備的連接[1]。鑒于控制系統(tǒng)本身的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特點(diǎn),傳統(tǒng)方式主要是將控制系統(tǒng)設(shè)備集中布置在中心控制室,通過大量的電纜線實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)儀表的連接,中心控制室的面積需求比較大、線纜多,后期維護(hù)不方便,傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)面臨著以下挑戰(zhàn):

1)電纜用量大,成本高,施工難度大,后期維護(hù)不方便。

2)機(jī)柜間面積大,且根據(jù)規(guī)范要求,距離要遠(yuǎn)還要抗爆,建設(shè)成本高。

3)備件類型多,管理麻煩,變更不便。

4)工程周期長(zhǎng),機(jī)柜采用定制化設(shè)計(jì),工程組態(tài)調(diào)試為串行流程,時(shí)間長(zhǎng)。

針對(duì)上述問題,某公司推出了基于電子布線技術(shù)的新一代控制系統(tǒng),并進(jìn)行推廣應(yīng)用。

1 電子布線技術(shù)

1.1 概 述

隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,以及光纖通信技術(shù)的大量應(yīng)用,控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也在不斷地演變,尤其是在控制網(wǎng)絡(luò)層,突破了物理空間的限制,將I/O模件直接移植到現(xiàn)場(chǎng),再通過光纖將信號(hào)傳輸?shù)街行目刂剖?這種技術(shù)被稱為電子布線技術(shù),電子布線方式如圖1所示。

圖1 電子布線示意

1.2 核心技術(shù)

該公司在自動(dòng)化控制系統(tǒng)領(lǐng)域有近30 a的技術(shù)積累,推出的UW500電子布線系統(tǒng)具有三大核心技術(shù):

1)軟件定義數(shù)據(jù)鏈接。分離控制模塊與I/O模塊,基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與軟件定義技術(shù),改變控制模塊與I/O模塊傳統(tǒng)的靜態(tài)固定連接模式,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈接的動(dòng)態(tài)再分配。軟件定義數(shù)據(jù)鏈接如圖2所示,具有如下特點(diǎn):

圖2 軟件定義數(shù)據(jù)鏈接示意

a)控制器與I/O解耦可重新定義,電子布線I/O單元支持連接多達(dá)4個(gè)控制器,后期變更維護(hù)方便,投資長(zhǎng)期有效。

b)將傳統(tǒng)的I/O模件與控制模件的“一對(duì)一”的關(guān)系演變?yōu)椤岸鄬?duì)多”的關(guān)系,1個(gè)控制器可以連接多達(dá)16個(gè)電子布線SMART節(jié)點(diǎn)(如圖2虛線所示),電子布線SMART節(jié)點(diǎn)支持連接4個(gè)控制器。

c)該技術(shù)可以解決“一點(diǎn)多用”的問題,比如罐區(qū)的檢測(cè)點(diǎn)經(jīng)常會(huì)被多個(gè)主站調(diào)用,傳統(tǒng)的方式只能通過站間通信來解決,不能保證數(shù)據(jù)的可靠性,而電子布線本身支持I/O點(diǎn)連接到不同的控制器,可直接調(diào)用數(shù)據(jù),通信更可靠;另外,針對(duì)后期工藝有改動(dòng)的場(chǎng)景,可以方便快速地適應(yīng)工藝調(diào)整,不需要硬件連接的變動(dòng),只需軟件調(diào)整即可。

2)軟件定義I/O信號(hào)類型。軟件配置實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)的輸入輸出,實(shí)現(xiàn)單路的信號(hào)隔離、類型配置、程控放大、數(shù)據(jù)處理、故障診斷、濾波、線性校正、工程轉(zhuǎn)換等,支持在線模塊更換與免開箱變更信號(hào)類型。采用軟件定義信號(hào)類型的通用I/O模塊具有如下特點(diǎn):

a)雙重化冗余I/O處理模塊。I/O模塊、I/O通信、供電全冗余。

b)16路智能信號(hào)模塊。多類型混合配置,模塊間完全隔離,支持單點(diǎn)熱插拔,可快速更換安裝[2]。

c)全通用型I/O模塊。支持AI/AO/DI(SOE)/DO/RTD/TC/PI/NAMUR等多種信號(hào)類型免開箱在線配置。

d)I/O模塊集成安全柵功能?？芍苯优c爆炸性氣體危險(xiǎn)場(chǎng)所0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)中的本安型設(shè)備直接連接。

e)I/O組件可靈活分配。在不移動(dòng)任何I/O接線的情況下,可分配到指定控制器或多控制器[3]。

f)支持HART 7通信。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的配置管理和診斷維護(hù)。

g)具備完整的自診斷功能。不僅可以實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)部診斷,還能實(shí)現(xiàn)回路診斷。

h)符合功能安全TüV SIL3認(rèn)證?？捎糜诎踩嚓P(guān)回路控制。

3)光纖通信。I/O模塊前置于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),在信號(hào)端實(shí)現(xiàn)數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換,構(gòu)建功能安全網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,提高抗干擾度與環(huán)境適應(yīng)性。光纖通信具有如下特點(diǎn):

a)傳統(tǒng)主電纜采用多對(duì)銅芯對(duì)絞電纜,每根電纜都長(zhǎng)達(dá)幾百米,材料和安裝成本較高;現(xiàn)場(chǎng)通用I/O技術(shù)采用光纖提高了信號(hào)傳輸效率,節(jié)省了大量的材料和安裝費(fèi)用。

b)信號(hào)電纜用量少。無I/O總線,因而無需施工,光纜少,大幅縮短施工周期。

c)支持DMR雙重化,QMR四重化冗余模式。采用SNetSafety工業(yè)以太網(wǎng)安全通信協(xié)議,功能安全符合TüV SIL3等級(jí),具有高可用性和可靠性。

d)采用2×4路隔離100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)通信冗余電接口和2×1路100 M/1 000 M冗余光纖接口。

1.3 電子布線產(chǎn)品及特點(diǎn)

電子布線安全通信SMART節(jié)點(diǎn)由冗余安全通信組件、冗余電源模塊和I/O模塊組成,支持連接16個(gè)I/O端子座,節(jié)點(diǎn)可靈活配置,規(guī)模為32,48,96點(diǎn)。單個(gè)控制站可支持16個(gè)安全通信SMART節(jié)點(diǎn),單控制站帶載能力為2×103點(diǎn),配合標(biāo)準(zhǔn)的防爆控制箱,可部署在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域2區(qū)/22區(qū)。

1.4 與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)布線技術(shù)的對(duì)比

電子布線技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的布線技術(shù),具有很大的優(yōu)勢(shì),兩者的對(duì)比見表1所列。

表1 電子布線與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)布線技術(shù)對(duì)比

1.5 應(yīng)用場(chǎng)景

電子布線技術(shù)具有較為明顯的優(yōu)勢(shì),可適用于以下多種場(chǎng)景:

1)海上平臺(tái)中控系統(tǒng)的接線非常復(fù)雜,中心控制室內(nèi)布置較多的控制機(jī)柜,占據(jù)較大的平臺(tái)空間。由于大量的信號(hào)線纜由現(xiàn)場(chǎng)接至中心控制室內(nèi),所以現(xiàn)場(chǎng)敷線的工作量巨大。在系統(tǒng)調(diào)試期間,由于接線點(diǎn)太多,容易出現(xiàn)接線故障等問題,需花費(fèi)大量的精力進(jìn)行線纜校準(zhǔn)工作,影響調(diào)試工作效率[4]?；谝陨峡紤],采用電子布線技術(shù)可以很好地解決上述問題。

2)對(duì)于機(jī)柜空間不足的改造項(xiàng)目、擴(kuò)容項(xiàng)目,采用電子布線技術(shù),布置位置更加靈活。

3)對(duì)于生產(chǎn)工藝頻繁變更,存在生產(chǎn)車間的增減、控制需求不斷變更的場(chǎng)合[5],采用電子布線技術(shù),具有更大的優(yōu)勢(shì)。

4)對(duì)于各類輔助裝置、公用系統(tǒng)、火炬,距離分散,點(diǎn)數(shù)不多,沒必要建立機(jī)柜間。《全國(guó)安全生產(chǎn)專項(xiàng)整治三年行動(dòng)計(jì)劃》(安委〔2020〕3號(hào))出臺(tái)后,控制室及機(jī)柜間不允許放置在具有甲乙類火災(zāi)危險(xiǎn)性、粉塵爆炸危險(xiǎn)性、中毒危險(xiǎn)性的廠房,因此采用電子布線技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)DCS的布線,具有更高的安全性。

5)可與常規(guī)控制系統(tǒng)混合使用。

2 應(yīng) 用

某硫酸二乙酯、碘化鉀和聚氨酯生產(chǎn)車間改造項(xiàng)目,采用了UW500 DCS電子布線系統(tǒng)整體解決方案,以該實(shí)際應(yīng)用案例介紹電子布線相關(guān)技術(shù)。

2.1 系統(tǒng)配置

該項(xiàng)目共配置I/O點(diǎn)數(shù)3.6×103點(diǎn),4個(gè)控制站和11個(gè)操作站,I/O測(cè)點(diǎn)及系統(tǒng)配置見表2所列。電子布線箱均部署在現(xiàn)場(chǎng),根據(jù)單元設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)數(shù)劃分,相應(yīng)的點(diǎn)數(shù)就近接入附近的電子布線箱,這樣做相比傳統(tǒng)的直接將信號(hào)電纜拉到中心控制室的方式,可以大量縮短信號(hào)電纜的長(zhǎng)度,系統(tǒng)配置的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

表2 I/O測(cè)點(diǎn)及系統(tǒng)配置

圖3 系統(tǒng)配置的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

該系統(tǒng)配置的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特點(diǎn)如下:

1)現(xiàn)場(chǎng)電子布線箱網(wǎng)絡(luò)連接有兩種方式,對(duì)于布線箱比較集中的場(chǎng)景,可以使用冗余網(wǎng)線連接組成可靠性高的星型網(wǎng)絡(luò),再使用冗余光纖連接到中心控制室的網(wǎng)絡(luò)柜;對(duì)于布線箱比較分散的場(chǎng)景(如碘化鉀車間),使用冗余光纖單獨(dú)連接到中心控制室的網(wǎng)絡(luò)柜。

2)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不同,有多種規(guī)格的箱體可供靈活選擇。爆炸危險(xiǎn)環(huán)境,配置UW5100電子布線防爆控制箱,防爆標(biāo)志為Ex eb ec nC nR [ia Ga] IIC T4 Gc,防護(hù)等級(jí)為IP66,防腐等級(jí)為G3,可部署在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域2區(qū)/22區(qū);非爆炸危險(xiǎn)環(huán)境,配置UW5041_F工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜,可節(jié)省成本,維護(hù)也更加方便,如圖3所示的聚氨酯車間的常規(guī)機(jī)柜,該機(jī)柜部署在現(xiàn)場(chǎng)的配電機(jī)柜間,無防爆要求。

3)控制站配置Modbus通信模塊,負(fù)責(zé)和現(xiàn)場(chǎng)的PLC設(shè)備、智能儀表進(jìn)行通信,并開通OPC協(xié)議與上層的MES/ERP通信,構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)共享的高效信息化智能工廠。

4)電源分配柜負(fù)責(zé)給控制站及現(xiàn)場(chǎng)的電子布線箱提供獨(dú)立的UPS和市電雙路220 V供電。

2.2 布線成本對(duì)比

節(jié)省信號(hào)電纜是電子布線最顯著的優(yōu)勢(shì),表3和表4分別對(duì)兩種布線方式所用到的線纜材料進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算,傳統(tǒng)布線方式采用的電纜,成本約為147.28萬元人民幣,電子布線方式采用光纜,成本約為2 800元人民幣,節(jié)約成本約147萬元人民幣。

表3 電纜成本計(jì)算

表4 光纜成本計(jì)算

除了節(jié)省電纜成本外,電子布線技術(shù)在快速的項(xiàng)目交付及設(shè)計(jì)變更處理方面也有明顯優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)的DCS項(xiàng)目建設(shè)過程中,仍使用硬件設(shè)計(jì)-組態(tài)設(shè)計(jì)的串行設(shè)計(jì)流程,DCS硬件機(jī)柜仍采用定制化設(shè)計(jì),每個(gè)項(xiàng)目都需要生產(chǎn)成套機(jī)柜;使用通用I/O的電子布線技術(shù),可將DCS硬件與軟件解耦,提前啟動(dòng)組態(tài)設(shè)計(jì),再配合標(biāo)準(zhǔn)的防爆機(jī)柜,提前進(jìn)行生產(chǎn),快速供貨[7]。

在該項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段: 統(tǒng)一化的硬件,可在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段縮減硬件選型、通道類型配置工作,減少設(shè)計(jì)時(shí)間約50%;在項(xiàng)目組態(tài)階段: 統(tǒng)一化的I/O設(shè)計(jì),將硬件設(shè)計(jì)階段、邏輯組態(tài)階段從串行改為并行,并簡(jiǎn)化邏輯組態(tài)與硬件通道號(hào)的一一對(duì)應(yīng),縮短組態(tài)工期約50%;在項(xiàng)目成套階段: 采用模塊化的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱機(jī)柜設(shè)計(jì),避免了DCS項(xiàng)目的定制型成套工作,可縮減機(jī)柜成套時(shí)間約75%;在項(xiàng)目實(shí)施階段: 明了便捷的接線方式,可避免復(fù)雜的接線柜接線,減少施工接線時(shí)間約50%[6]。

3 結(jié)束語

從上述對(duì)比可以看出,電子布線技術(shù)具有先進(jìn)性的同時(shí),也具有實(shí)用性,為客戶帶來較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。該項(xiàng)目中,線纜成本節(jié)省了98%,施工周期縮短了54%,中心控制室控制柜數(shù)量減少了50%,I/O備件減少了75%。