AC800M控制系統(tǒng)在燒堿項目中的冗余容錯改造

趙洪娣（唐山三友氯堿有限責(zé)任公司，河北唐山063305）

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AC800M控制系統(tǒng)在燒堿項目中的冗余容錯改造

趙洪娣
（唐山三友氯堿有限責(zé)任公司，河北唐山063305）

摘要：介紹了AC800M在DCS系統(tǒng)冗余改造過程中的硬件結(jié)構(gòu)及控制原理。簡要闡述了系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，控制器冗余、I/O站冗余以及程序組態(tài)防干擾措施。

關(guān)鍵詞：AC800M；DCS；控制器；防干擾

唐山三友氯堿公司燒堿生產(chǎn)中的過程控制采用ABB公司AC800M版本DCS控制系統(tǒng)，采用先進的點對點型架構(gòu)，基于標準的通用的IFIX軟件和ABB卡件，支持總線冗余（系統(tǒng)總線和現(xiàn)場總線）和卡件冗余（控制器、I/O卡件），支持在線組態(tài)修改和故障診斷，是新一代自動化控制系統(tǒng)。

由于氯堿工藝生產(chǎn)屬于危險化工工藝，對工藝參數(shù)和自動化控制要求非常嚴格，生產(chǎn)過程中共設(shè)計了一百多個聯(lián)鎖回路確保安全。一旦控制系統(tǒng)某個環(huán)節(jié)出了問題，將給生產(chǎn)和安全帶來嚴重后果。燒堿一期投產(chǎn)時采用ABB公司的AC800M DCS控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)中存在一些缺陷，如報警點容易丟失、操作站頻繁死機、信號干擾對系統(tǒng)影響較大等。因此，針對整個DCS控制系統(tǒng)，該公司將原來不冗余的控制系統(tǒng)，升級為包括通訊網(wǎng)絡(luò)冗余、控制器及模擬量和數(shù)字量輸出卡冗余，在原有組態(tài)程序上增加過濾干擾信號的程序。

1　系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該項目DCS控制系統(tǒng)的上位機系統(tǒng)采用冗余操作員站，共配置了1臺工程師站，8臺點對點型的客戶操作站，整套系統(tǒng)實際提供I/O點數(shù)3 500點。DCS控制系統(tǒng)配置一臺工程師站，用于對DCS系統(tǒng)進行組態(tài)調(diào)試。在DCS控制系統(tǒng)正常投運后，操作員站通過OPC對工藝過程進行操作和監(jiān)視。

整個系統(tǒng)遵循ABB的Industrial IT，分為Operate IT、Control IT、Field IT 3層，其中Operate IT采用第三方IFIX為人機界面軟件，Control IT為AC800M組態(tài)軟件PLC Control Builder AC 800M 4.1.0。

2　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改造

ABB AC800M DCS控制系統(tǒng)共分2層網(wǎng)絡(luò)，上層普通以太網(wǎng)，下層DP網(wǎng)。下層DP網(wǎng)連接冗余控制器和冗余CI840通訊站，每個冗余通訊站有1對通訊卡，通過PROFIBUS DP冗余通電纜連接到2個冗余控制器上，構(gòu)成了下層DP網(wǎng)絡(luò)的冗余。上層以太網(wǎng)與常用的以太網(wǎng)連接類似，工程師站以及操作站安裝雙網(wǎng)卡，分別通過冗余交換機連接，冗余交換機采用級聯(lián)方式進行物理連接，這樣無論哪個操作站或工程師站的哪路網(wǎng)絡(luò)故障，都能確保通訊正常。

3　控制器及I/O站冗余

AC800M控制器是導(dǎo)軌安裝式的模塊化控制家族，模塊包括CPU，通訊模塊，電源模塊及附件。每個CPU上有2個以太網(wǎng)口用于連接操作站，工程師站管理站或高級應(yīng)用。2個以太網(wǎng)口可設(shè)置為冗余，用于提高系統(tǒng)利用率?？刂破髋渲昧?個RS232口，調(diào)試工具或與外部設(shè)備或系統(tǒng)進行通信。在CPU模塊旁可以添加一系列的通訊模塊或I/O模塊。本項目選擇S800 I/O為AC800M的本I/O站，以Profibus方式相連，各個層次都可以冗余配置，包括電源冗余，通信接口冗余，I/O模塊冗余。

原有的通訊網(wǎng)絡(luò)不能實現(xiàn)完全的冗余，當(dāng)某個通訊模塊CI830出現(xiàn)故障時，出現(xiàn)故障的CI830所在的整個從站出現(xiàn)通訊完全中斷，后續(xù)站點通訊中斷，會給生產(chǎn)帶來嚴重后果，改造前系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行修改后，見圖2。采用了具有冗余切換能力的CI840通訊模塊，不但簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而且使整個網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了完全冗余。但考慮到工藝實際需求以及改造費用問題，此次改造只對通訊網(wǎng)絡(luò)、輸出卡件進行了冗余配置，包括模擬量輸出卡（AO）和數(shù)字量輸出卡（DO）。

該項目中的冗余AO卡是通過外二極管進行冗余連接，見圖3。需要指出的是，在模擬信號（如4～20 mA）輸出時，需要把2個輸出卡通道AO1、AO2信號范圍設(shè)置為0～20 mA，通道量程設(shè)置為-25%～100%，并通過判斷卡件狀態(tài)在程序中組態(tài)由哪個卡件進行輸出，不輸出的卡件輸出電流為0，而輸出通道由于組態(tài)程序限制范圍為0～100%，那么對應(yīng)電流就只能是4～20 mA，這樣2個冗余卡輸出值加起來正好是要求的輸出電流，具體步驟見圖3。

圖1　改造前I/O結(jié)構(gòu)圖

圖2　改造后I/O結(jié)構(gòu)圖

圖3　AO卡冗余連接方式

首先，在DCS上新建2個不同AO卡件的AO點，名稱為AO1、AO2，編寫組態(tài)程序，利用卡件上通道狀態(tài)，判斷通道AO1、AO2卡件通道狀態(tài)，如果AO1、AO2通道都為正常，那么就讓AO2數(shù)值為-25%，通道輸出為0，AO1通道由于PID塊或手操器塊限制數(shù)值在0～100%，那么所對應(yīng)的電流是4～20 mA，而不會出現(xiàn)4 mA以下，這樣2個冗余卡輸出值加起來正好是要求的輸出電流；如果AO1通道狀態(tài)為故障，那么就讓AO1數(shù)值為-25%，輸出為0，AO2跟隨PID塊或手操塊的數(shù)值輸出，2個冗余卡輸出電流加起來正好是要求的4～20 mA輸出電流；如果AO2通道狀態(tài)為故障，那么就讓AO1數(shù)值為-25%，輸出為0，AO1跟隨PID塊或手操塊的數(shù)值輸出，2個冗余卡輸出電流加起來正好是要求的4～20 mA輸出電流；如果2個通道都故障，那么就讓AO1、AO2數(shù)值均為-25%，輸出電流均為0，冗余卡輸出電流加起來也為0，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥是故障開或故障關(guān)，閥門打開或關(guān)閉。

本項目中的數(shù)字量輸出卡（DO）基本都是控制現(xiàn)場切斷閥，切斷閥是燒堿工藝中重要的控制裝置，無論是在控制上還是在安全生產(chǎn)上都起到了非常重要的作用，目前該公司切斷閥均采用單電磁閥控制，存在一定安全隱患，將現(xiàn)場重要切斷閥由單電磁閥控制改為雙電磁閥工作方式，避免切斷閥誤動作，造成不必要的聯(lián)鎖停車，具體步驟見圖4。

圖4　雙電磁閥工作方式

首先，在DCS上新建2個不同DO卡件的DO點，名稱為DO1、DO2，這2個DO點要求任何狀態(tài)下都保持一致，下裝程序運行軟件；其次，A、B為不同DO卡件控制的電磁閥，其中，B電磁閥的輸出口接A電磁閥的排放口。正常工作時，DO1和DO2同時帶電，A、B電磁閥1、2連通，2、3關(guān)閉，切斷閥處于打開位置；如A故障，其2、3連通時，B電磁閥的輸出2經(jīng)A電磁閥3、2連通，提供切斷氣源；再次，B電磁閥故障時2、3連通，A電磁閥2、3截止，切斷閥保持原位。

4　輸入端組態(tài)優(yōu)化

由于燒堿工藝聯(lián)鎖控制點比較多，而這些點一大部分是設(shè)備的“停止”信號為高電平時觸發(fā)或是某一監(jiān)測點達到“高高”時滿足聯(lián)鎖條件，如果外部環(huán)境出現(xiàn)干擾，使這些點的狀態(tài)發(fā)生改變，就會滿足DCS內(nèi)的聯(lián)鎖條件，造成不必要的聯(lián)鎖停車，所以對DCS程序優(yōu)化勢在必行。具體做法是對每一個聯(lián)鎖點加上過濾程序，避免聯(lián)鎖停車。實現(xiàn)此功能的方法有很多，最簡單的方法是利用開延時功能塊，把每一個聯(lián)鎖條件做為開延時功能塊的輸入，輸出作為聯(lián)鎖觸發(fā)，具體原理見圖5。

圖5　聯(lián)鎖點過濾程序優(yōu)化原理

5　冗余供電方案

該項目整套DCS系統(tǒng)及附件采用2種規(guī)格電源：220 VAC和24 VDC，所有操作站、控制器，直流穩(wěn)壓電源使用220 VAC電源，I/O站，交換機采用24 VDC直流電源。

24 V供電采用了2個適配器輸出進行冗余，使用220 V供電的設(shè)備如操作站、控制站、穩(wěn)壓電源等設(shè)備通過冗余的2個220 V切換繼電器分散供電，由于這些設(shè)備本身都設(shè)計成了冗余雙機模式，因此，即使一個設(shè)備掉電也能保證整個系統(tǒng)正常運行。

UPS采用了2臺30 kVA梅蘭日蘭品牌機型，220 VAC供電采用冗余供電模式，來自電氣兩路的220 VAC都進入UPS1、UPS2輸入端，從2個UPS輸出端進入切換繼電器1、切換繼電器2，2路220 VAC電源通過切換繼電器接入所需儀表設(shè)備。當(dāng)一路電源故障掉電時，切換繼電器自動接入另一入電源。

6　其他注意問題

上述DCS控制系統(tǒng)冗余方案，著重在輸出上進行了卡件和接線改造，不涉及輸入上進行卡件和接線改造，主要是因為本項目中輸入端滿足聯(lián)鎖條件，基本是數(shù)值達到高高或是常開點閉合，即使發(fā)生卡件通道故障，數(shù)值上也是回零或是節(jié)點斷開，不會觸發(fā)聯(lián)鎖，所以避免干擾信號造成聯(lián)鎖誤動作才是需要解決的，因此，只需在組態(tài)上加寫過濾干擾塊即可。

由于電腦長期運行免不了出現(xiàn)故障，該廠所有工序都采用2臺電腦，確保1臺電腦故障，可以使用另一臺電腦，不至于影響生產(chǎn)。DCS系統(tǒng)的運行環(huán)境要求溫度濕度要符合標準，因此，安裝空調(diào)和采取防塵措施對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行是必要的。對系統(tǒng)微機、卡件、風(fēng)扇等設(shè)備元件要進行定期除塵。

經(jīng)過3年的觀察，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，維護方便、操作簡單，并且新系統(tǒng)比老系統(tǒng)故障率低，維修量小，干擾信號對系統(tǒng)的影響大大縮小，更能保證生產(chǎn)穩(wěn)定運行。

Redundant fault tolerant reconstruction of AC800M control system in caustic soda project

ZHAO Hong-di
（Tangshan Sanyou Chlor-Alkali Co.，Ltd.，Tangshan 063305，China）

Abstract：This paper introduces the hardware structure and control principle of AC800M in the process of transformation of redundancy in DCS system. This paper briefly describes the system composition and network structure，redundant controllers and I/O station redundant，and program configuration anti interference measures are described.

Key words：AC800M；DCS；controller anti；interference

中圖分類號：TQ114.26

文獻標識碼：B

文章編號：1009-1785（2016）04-0031-03

收稿日期：2015-12-24