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    1 背景和研究意義

      在國(guó)家大力提倡節(jié)約能源，發(fā)展綠色環(huán)保工業(yè)的前提下，生產(chǎn)環(huán)境污染的治理已經(jīng)提到議事日程，為了符合國(guó)家的產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，更好地保證苯酚生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定、綠色環(huán)保開(kāi)車的要求，提出通過(guò)自控集散控制系統(tǒng)，結(jié)合苯酚車間生產(chǎn)裝置環(huán)境污染的具體情況，進(jìn)行點(diǎn)源治理。整個(gè)項(xiàng)目在原有DCS系統(tǒng)控制基礎(chǔ)上采用增加現(xiàn)場(chǎng)總線控制和OPC開(kāi)放應(yīng)用系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)上級(jí)有效遠(yuǎn)程監(jiān)控及通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)管的目標(biāo)。

    2 DCS自動(dòng)化控制、總線控制的開(kāi)放性技術(shù)介紹

    2.1 現(xiàn)有自控系統(tǒng)概述

      本裝置采用了Honeywell公司的TDC-3000LCN/UCN-PM(LM) 系統(tǒng)， 它是該公司于80年代末推出的第二代產(chǎn)品，具備當(dāng)時(shí)的世界先進(jìn)水平。

    2.1.1 該系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

      該系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放性系統(tǒng)。采用了IEEE802.4和IS08802／4國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以O(shè)SI模型為基礎(chǔ)，遵循MAP協(xié)議；
該系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)接口與工廠資本、財(cái)務(wù)、物流管理系統(tǒng)相連構(gòu)成綜合管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)全裝置的優(yōu)化控制和優(yōu)化管理。

      為使裝置操作安全可靠，大多數(shù)系統(tǒng)的設(shè)備具備冗余性。

      控制系統(tǒng)構(gòu)成： 就總體而言， 系統(tǒng)主要由基本系統(tǒng)（BASIC）、萬(wàn)能控制網(wǎng)絡(luò)（Universal Control Network，UCN）和局部控制網(wǎng)絡(luò)（Local Control Network，LCN）組成，如圖1所示。

      2.1.2 通信網(wǎng)絡(luò)

      TDC3000的通信部分包括高速數(shù)據(jù)通路（HW）、局部控制網(wǎng)絡(luò)（LCN）和萬(wàn)能控制網(wǎng)絡(luò)（UCN）三部分。

    2.1.2.1 HW通信系統(tǒng)

      HW是TDC3000的第一代通信網(wǎng)絡(luò)，它是基本系統(tǒng)中功能模塊與人機(jī)接口和上位計(jì)算機(jī)之間的信息傳遞通道。系統(tǒng)采用總線型結(jié)構(gòu)和廣播式通信協(xié)議，由高速通路通信指揮器（HTD）“監(jiān)督”數(shù)據(jù)通信。

      2.1.2.2 LCN通信系統(tǒng)

      LCN網(wǎng)的主要功能是：擔(dān)負(fù)各模塊間的信息傳遞；通過(guò)有效的協(xié)議和高速通信確保信息的及時(shí)交換；通過(guò)1:1冗余配置和完善的信息檢錯(cuò)功能提供高安全性的通信。

      2.1.2.3 UCN通信系統(tǒng)

      UCN網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)高性能的回路級(jí)實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)，其采用IEEE802通信標(biāo)準(zhǔn)和令牌總線存取方式，傳輸速度是5Mbps。最多可帶32個(gè)冗余設(shè)備。UCN網(wǎng)絡(luò)支持網(wǎng)上設(shè)備間的點(diǎn)到點(diǎn)通信。UCN通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口模塊NIM與LCN相連，最多可以有20個(gè)UCN網(wǎng)絡(luò)和HW網(wǎng)絡(luò)連接到同一LCN上。UCN也采取雙重冗余電纜確保安全可靠性。
 

      2.1.3 軟件組態(tài)

      TDC3000提供了三部分系統(tǒng)軟件組態(tài)形式，分別是NCF組態(tài)、控制組態(tài)和畫(huà)面組態(tài)。

    2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制及OPC系統(tǒng)技術(shù)理論介紹

    2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線控制策略

    2.2.1.1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)介紹

      現(xiàn)場(chǎng)總線控制是指由現(xiàn)場(chǎng)總線與現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備組成的控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線定義為安裝在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。

      現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱FCS），是繼集散控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱DCS）基礎(chǔ)產(chǎn)生的新型控制系統(tǒng)，F(xiàn)CS系統(tǒng)是DCS系統(tǒng)的發(fā)展和延續(xù)。它是一個(gè)開(kāi)放性的系統(tǒng)，采用通信協(xié)議一致的通訊模式。

      通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議可以使不同廠家的設(shè)備、不同類型的設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)信息通訊，構(gòu)建成一個(gè)有機(jī)的互聯(lián)系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)只限于同種型號(hào)、同廠家的產(chǎn)品進(jìn)行更換、相互通訊的局限性問(wèn)題。

      2.2.1.2 FCS系統(tǒng)較DCS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

      （1）結(jié)構(gòu)集約化

      相對(duì)DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)CS系統(tǒng)省去了端子柜、隔離器、I/O卡件、I/O控制單元等硬件設(shè)施，大大節(jié)約了硬件投入。由于采用總線連接，省去了大量電纜的投資。

      （2）容錯(cuò)能力強(qiáng)，精度得到提高

      由于FCS系統(tǒng)使用了屏蔽邏輯、自校驗(yàn)、錯(cuò)誤自檢、定時(shí)監(jiān)督技術(shù)，因此容錯(cuò)能力得到進(jìn)一步增強(qiáng)。由于采用數(shù)據(jù)通訊，因此較DCS系統(tǒng)模擬量傳輸精度得到明顯提高。

      （3）抗干擾能力、控制精度明顯提高

      FCS系統(tǒng)可以就近對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行處理，而且以數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，采用智能化、數(shù)字化處理技術(shù)，因此較之模擬信號(hào)傳輸提高了抗干擾能力和控制精度。

      （4）節(jié)約控制回路費(fèi)用

      FCS系統(tǒng)采用“一對(duì)多”控制方式，較DCS系統(tǒng)“一對(duì)一”控制模式省去了大量施工材料費(fèi)用，一條電纜或雙絞線就可以帶很多設(shè)備，因此工程費(fèi)用得到降低。

      （5）便于日常維護(hù)

      FCS系統(tǒng)所帶的設(shè)備通常帶有自診斷信息，通過(guò)自診斷信息可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行信息、故障狀態(tài)、潛在危險(xiǎn)實(shí)時(shí)上傳，通知相關(guān)人員及時(shí)進(jìn)行處理，大大減少了日常維護(hù)工作。

      （6）電機(jī)控制智能化

      通過(guò)FCS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的單向和雙向控制，并可對(duì)電機(jī)的電流、電量、故障等狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)控，同時(shí)對(duì)電機(jī)接地、過(guò)流、相間不平衡進(jìn)行綜合保護(hù)控制。

      2.2.1.3 現(xiàn)場(chǎng)總線控制方案的應(yīng)用情況

      （1）現(xiàn)場(chǎng)總線控制常見(jiàn)通訊協(xié)議

      現(xiàn)場(chǎng)總線控制已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其中基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線、PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線、LONWORKS現(xiàn)場(chǎng)總線、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線、HART現(xiàn)場(chǎng)總線、DEVICE現(xiàn)場(chǎng)總線、MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線在全球的民用、工業(yè)控制系統(tǒng)中發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)和作用。

      （2）現(xiàn)場(chǎng)總線在石化行業(yè)的應(yīng)用

      現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在石化行業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用比較廣范，中海油目前已經(jīng)有許多成功應(yīng)用案例。如中海石化公司的60萬(wàn)噸/年甲醇項(xiàng)目（如圖2所示）、旅大油田開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目、南海殼牌80萬(wàn)噸/年乙烯項(xiàng)目都是采用總線控制。

      現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)不僅在石化領(lǐng)域內(nèi)得到有效應(yīng)用，在其他領(lǐng)域如火電廠、鋼鐵行業(yè)、水泥行業(yè)、煙草行業(yè)、建筑行業(yè)的樓宇智能控制、化纖行業(yè)、凈水處理、溫度檢控系統(tǒng)等多個(gè)行業(yè)中發(fā)揮了相當(dāng)重要的作用。

      2.2.1.4 現(xiàn)場(chǎng)總線控制方案的進(jìn)步性介紹

       從圖3可以看出，F(xiàn)CS系統(tǒng)相對(duì)DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上改動(dòng)不大，而且二者共有“集中管理、分散控制”的設(shè)計(jì)理念。不過(guò)，F(xiàn)CS系統(tǒng)在底層系統(tǒng)邏輯上較之DCS系統(tǒng)有較大改進(jìn)。底層通信網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的數(shù)字通訊、雙向傳輸數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行多分枝結(jié)構(gòu)間數(shù)字通訊。FCS系統(tǒng)先進(jìn)性最突出的優(yōu)點(diǎn)是要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備必須是數(shù)字化、智能化、完全實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)底層信息開(kāi)放化。

      2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的控制類型

      現(xiàn)場(chǎng)總線共有7種類型，工業(yè)生產(chǎn)中常用的為PROFIBUS數(shù)據(jù)總線形式。該系統(tǒng)總線是德國(guó)西門(mén)子公司的總線標(biāo)準(zhǔn)，具有PA和DA兩種形式（PA可傳遞信號(hào)同時(shí)傳遞能量，DA僅能傳遞信號(hào)）。該總線協(xié)議已經(jīng)獲得全世界260個(gè)大型電氣生產(chǎn)廠商的支持，也幾乎是歐洲通用的通訊標(biāo)準(zhǔn)。

      2.2.3 PROFIBUS總線的特點(diǎn)

      （1）與計(jì)算機(jī)處理器相同的分時(shí)處理功能，提高了整個(gè)系統(tǒng)的控制功能。
      （2）通訊快速而且簡(jiǎn)單，通訊方式可靠。
      （3）具有提高系統(tǒng)安全系數(shù)的冗余結(jié)構(gòu)。
      （4）具有較少的軟件棧。
      （5）具有便于互聯(lián)互接的GSD和行規(guī)文件。
      （6）具有FISCO危險(xiǎn)區(qū)域認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。
      （7）具有大容量的總線和大量高速設(shè)備，高速設(shè)備可以大量被系統(tǒng)掛接使用。
      （8）總線基于F/O接口和RS485通訊接口，通用性強(qiáng)。

      2.2.4 現(xiàn)場(chǎng)總線的DP連接方式

      （1）控制器之間的通信連接采用PROFIBUS總線進(jìn)行連接。
      （2）總線中通信設(shè)備間采用主從式，共有兩種主方式。一種為CLASS 1通信管理周期方式（PLC設(shè)備等），另一種為CLASS 2SMART VISION 用于非循環(huán)通信方式，而是用于組態(tài)方式。

      （3）通信介質(zhì)可以是雙絞線和光纜，以光纜居多。

    2.2.5 現(xiàn)場(chǎng)總線的PA連接方式

      （1）PA是現(xiàn)場(chǎng)總線通訊標(biāo)準(zhǔn)，能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)儀表提供電源。
      （2）PROFIBUS總線可以控制分布，其中包括主設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送和設(shè)備執(zhí)行功能塊。

      2.2.6 現(xiàn)場(chǎng)總線的組態(tài)說(shuō)明

      （1）現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)核心工具：用于調(diào)試和診斷的DIGTOOL（F2K-工程工具）；用于主控制器（主設(shè)備）的組態(tài)、診斷的MASTER工具；用于對(duì)附屬設(shè)備（從控制器）的組態(tài)、診斷工具SLAVE。
      （2）所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與遠(yuǎn)程I/O開(kāi)放，具有極大兼容性和開(kāi)放性。
      （3）組態(tài)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備模板定義。
      （4）通過(guò)變量名連接I/O DATE與診斷數(shù)據(jù)到程序。
      （5）具有獨(dú)立的DP/VI-參數(shù)對(duì)話框。
      （6）具有設(shè)備類型管理功能-DTM（DEVICE TYPEMANAGER）。

      2.2.7 OPC的特點(diǎn)

      開(kāi)放性：OPC是一個(gè)開(kāi)放的通信接口規(guī)范，它提供了開(kāi)放的界面模式， 支持幾何所有編程語(yǔ)言，如C++、VB、Java、HTML等。

      產(chǎn)業(yè)性：最終用戶和供應(yīng)商無(wú)需在集成方面花費(fèi)過(guò)多時(shí)間，并可節(jié)約開(kāi)支。

      互聯(lián)性：最終用戶可以在諸多自動(dòng)化設(shè)備系統(tǒng)中自由地使用客戶應(yīng)用程序，例如HMI、SCADA、MES…，任何客戶程序都可和服務(wù)器連接（Plug & Play）。

    3 實(shí)施方案

      3.1 氧化尾氣工藝改造內(nèi)容

      氧化尾氣活性炭吸附器并聯(lián)改為串聯(lián)操作，通過(guò)增加6個(gè)數(shù)字量DI輸入信號(hào)、6個(gè)數(shù)字量DO輸出信號(hào)、3個(gè)數(shù)字量組合點(diǎn)，修改DCS活性炭吸附器程序，實(shí)現(xiàn)苯酚裝置氧化單元排放尾氣的二臺(tái)活性炭吸附器串聯(lián)控制過(guò)程，避免原二臺(tái)活性炭吸附器兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行，一臺(tái)進(jìn)行再生，導(dǎo)致超量的異丙苯被排放到大氣污染現(xiàn)象。這樣可提高吸附效率，使廢氣中的有機(jī)物從1520mg/m3下降到120mg/m3，解決了氧化尾氣污染物排放超標(biāo)問(wèn)題。

    3.2 其它工藝系統(tǒng)的改造內(nèi)容

      通過(guò)增加除鹽器來(lái)實(shí)現(xiàn)PRU酚鈉鹽回收目標(biāo)、實(shí)施精丙酮塔真空分立控制、更換OEC系統(tǒng)油萃取塔（T-502）及萃取油堿洗塔（T-503）、增加氧化進(jìn)料洗滌塔（T-101）廢水回收處理等一系列工藝改造來(lái)降低裝置廢水COD的控制目標(biāo)。

      3.3 基礎(chǔ)儀表自動(dòng)化工程內(nèi)容

（1）增加17點(diǎn)模擬量信號(hào)、12個(gè)控制回路、12個(gè)調(diào)節(jié)閥門(mén)的DCS設(shè)計(jì)組態(tài)、安裝調(diào)試工作。
（2）增加1個(gè)串級(jí)、2個(gè)比值、2個(gè)選擇切換、一個(gè)選擇調(diào)節(jié)的DCS設(shè)計(jì)組態(tài)、調(diào)試工作。
（3）完成復(fù)雜調(diào)節(jié)所增加的中間2個(gè)操作變量、2個(gè)邏輯控制變量、6個(gè)開(kāi)關(guān)變量的DCS組態(tài)調(diào)試工作。
（4）增加7個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)、7個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)、3個(gè)組合點(diǎn)信號(hào)的DCS設(shè)計(jì)組態(tài)調(diào)試工作。
（5）修改活性碳吸附程序并調(diào)試投用。
（6）現(xiàn)場(chǎng)變送器、調(diào)節(jié)閥的安裝調(diào)試。
（7）現(xiàn)場(chǎng)一次表到控制室的儀表信號(hào)線的連接。

      3.4 實(shí)現(xiàn)上位遠(yuǎn)程監(jiān)控的工程內(nèi)容

      針對(duì)FCS結(jié)構(gòu)局限性強(qiáng)的問(wèn)題，采取了以下措施：通過(guò)OPC服務(wù)器把原有的DCS設(shè)備和新增的FCS連接在一起（如圖4所示），這樣可以實(shí)時(shí)上傳和監(jiān)控FCS和DCS中的設(shè)備參數(shù)，更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)放性。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：（1）降低了裝置停車的風(fēng)險(xiǎn)性。新增的FCS與DCS分開(kāi)獨(dú)立運(yùn)行，分散了系統(tǒng)設(shè)備占有率，降低了因DCS或FCS故障造成苯酚裝置全面停車的風(fēng)險(xiǎn)。（2）解決了信息流阻塞問(wèn)題。由于FCS和DCS分別并行與上位機(jī)進(jìn)行通訊，各自通過(guò)專用的OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，因此整體信息數(shù)據(jù)互不干擾，提高了信息整體傳輸速率，完全可以避免信息流阻塞問(wèn)題。（3）可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜回路調(diào)節(jié)功能。由于保留原有的DCS，因此不影響復(fù)雜回路調(diào)節(jié)功能發(fā)揮作用。（4）實(shí)現(xiàn)了DCS與FCS的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既解決了控制系統(tǒng)整體改造時(shí)間長(zhǎng)、工作量大的困難，又節(jié)約項(xiàng)目資金投入，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)開(kāi)放性的目標(biāo)。
 

      4 成效

      本裝置在工藝上采取上述治理措施后，在廢氣及廢水排放流量不變的情況下，使廢氣中的有機(jī)物從1520mg/m3下降到120mg/m3，使廢水的COD由8000～10000mg/l下降到2500mg/l以下。整個(gè)工藝控制改造過(guò)程，全部由集散控制系統(tǒng)DCS系統(tǒng)的組態(tài)和增加總線OPC控制功能得以實(shí)現(xiàn)，所有工藝過(guò)程參數(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。并將所有關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過(guò)OPC上傳到上級(jí)管理部門(mén)，達(dá)到總線控制系統(tǒng)先進(jìn)性和開(kāi)放性目標(biāo)，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為今后同類裝置控制系統(tǒng)改造提供可參考的價(jià)值和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

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張會(huì)泉（1974-）
男，吉林人，吉林石化公司染料廠儀表車間副主任，工程師，在讀工程碩士，一直從事儀表自動(dòng)化專業(yè)工作。