AC800F控制系統(tǒng)在硫酸工業(yè)中的應(yīng)用

劉保興 王現(xiàn)奇

摘? 要：該文主要陳述了ABB品牌的DCS系統(tǒng)AC800F控制器，其具有性價(jià)比較高、功能齊全、可靠性高、操作簡單和控制功能強(qiáng)等特點(diǎn)。DCS系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)為一體的高科技產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)控制器采用PM803F控制器以及冗余的配置方式，工程控制計(jì)算機(jī)安裝Freelance2016版本的軟件，在1臺(tái)工控機(jī)上可以進(jìn)行項(xiàng)目編程、調(diào)試，同時(shí)也可以監(jiān)控工藝流程和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制操作。

關(guān)鍵詞：DCS;通信;網(wǎng)絡(luò);編程

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

該文基于ABB公司的 AC800F控制器，提出了硬件分層和軟件模塊化的設(shè)計(jì)編程方案。將硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)中相似的設(shè)備作為一類單獨(dú)設(shè)計(jì)，構(gòu)建思路清晰的控制流程，使架構(gòu)更直觀，為控制系統(tǒng)的維護(hù)、控制程序組態(tài)的修改以及軟件系統(tǒng)的升級(jí)提供了便利和基礎(chǔ)。硬件組態(tài)分為3級(jí)，一級(jí)是監(jiān)控管理級(jí)，使用工業(yè)級(jí)硬件配置的計(jì)算機(jī)，二級(jí)是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，三級(jí)為最底層的設(shè)備及過程控制器和分布式I/O。該套Freelance2016版本控制系統(tǒng)應(yīng)用于冶煉及煙氣處理中的硫酸生產(chǎn)，其可靠性高、通信抗干擾能力強(qiáng)、控制操作響應(yīng)靈敏，便于后期的維護(hù)、修改和升級(jí)，而且對(duì)生產(chǎn)的影響很小。

1 工藝概述

煙氣凈化系統(tǒng)采用一級(jí)高效洗滌期器→氣體冷卻塔→二級(jí)高效洗滌器→一級(jí)電除霧器→二級(jí)電除霧器的工藝流程。干吸系統(tǒng)采用一級(jí)干燥，兩級(jí)吸收，三次轉(zhuǎn)化循環(huán)泵冷卻溫度的高效工藝，并與雙接觸轉(zhuǎn)化工藝相對(duì)應(yīng)。轉(zhuǎn)化系統(tǒng)采用3+2式五段雙接觸式的高濃度二氧化硫轉(zhuǎn)化技術(shù)工藝。硫酸循環(huán)水系統(tǒng)主要供給凈化系統(tǒng)、干吸系統(tǒng)和轉(zhuǎn)化系統(tǒng)等工序的設(shè)備冷卻用水。廢酸處理系統(tǒng)采用硫化鈉法回收廢酸中的砷和銅等有價(jià)元素。

2 DCS系統(tǒng)框架組成

2.1 框架組成要素和分級(jí)

DCS系統(tǒng)框架構(gòu)成基本要素可分為監(jiān)視控制主機(jī)（HMI）、工程調(diào)試組態(tài)主機(jī)（ES）、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)控制器、DCS光纖環(huán)網(wǎng)與交換機(jī)、PROFIBUS-DP通信及冗余器（RLM01）、CI840A和輸入、輸出卡件。依據(jù)監(jiān)視控制和工程組態(tài)、調(diào)試用的計(jì)算機(jī)硬件功能的不同，框架結(jié)構(gòu)從現(xiàn)場(chǎng)至監(jiān)視控制分為設(shè)備級(jí)（底層）、網(wǎng)絡(luò)通信級(jí)（中層）、監(jiān)視控制管理級(jí)（上層）3級(jí)[1]。如圖1所示。

監(jiān)視控制管理級(jí)用于設(shè)備控制和信息記錄、歸檔、報(bào)警、工藝流程及數(shù)據(jù)指標(biāo)的監(jiān)控，項(xiàng)目的組態(tài)與調(diào)試，根據(jù)生產(chǎn)工藝和控制系統(tǒng)需要，運(yùn)用多臺(tái)監(jiān)視控制主機(jī)（計(jì)算機(jī)）和1臺(tái)工程項(xiàng)目組態(tài)調(diào)試用主機(jī)（計(jì)算機(jī)）。計(jì)算機(jī)為工業(yè)級(jí)的硬件配置，安裝專業(yè)版Windows10操作系統(tǒng)，F(xiàn)reelance2016版本的監(jiān)控軟件，該軟件安裝方便、所用時(shí)間短，具有科技感、高端感的可視化界面。Freelance工控主機(jī)安裝有Freelance2016版本集成軟件，集成軟件可以安裝仿真控制器，工程技術(shù)員在進(jìn)行項(xiàng)目編程調(diào)試或現(xiàn)場(chǎng)無法連接控制器的情況下，可以使用仿真控制器，方便檢查、測(cè)試和優(yōu)化項(xiàng)目程序邏輯，糾正錯(cuò)誤，提高工作效率。Freelance操作員監(jiān)控主機(jī)通過監(jiān)控軟件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及工藝流程、數(shù)據(jù)指標(biāo)、控制指令等信息進(jìn)行監(jiān)視控制，由于過程控制器最多可與10個(gè)操作員站連接，AC800F最多可以組態(tài)100個(gè)操作員站用于操作和監(jiān)控。操作員站支持Windows的雙屏顯示特點(diǎn)，在冶煉及煙氣處理、硫酸生產(chǎn)控制室內(nèi)可以使用該種技術(shù)。第三方軟件可通過OPC服務(wù)器，還可以在線監(jiān)視實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和工藝指標(biāo)（可集成第三方PLC到操作員站）。

2.2 PROFIBUS通信

冶煉煙氣處理工藝流程及硫酸制備過程信息數(shù)據(jù)和物理變量，通過S800系列不同型號(hào)的輸入、輸出卡件進(jìn)行信息采集和控制指令輸出。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)（底層）采集到的煙氣處理、硫酸制造的物理變量和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)信息，通過PROFIBUS或Modbus網(wǎng)絡(luò)與PM803F控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)硫酸工藝及生產(chǎn)的過程和指標(biāo)的監(jiān)視與控制?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)（底層）中PM803F控制器是該套DCS系統(tǒng)的重要硬件元素，PROFIBUSDPV1（FI830F）卡件、PROFIBUS通信冗余器（RLM01）、CI840A、PROFIBUS通信線和輸入、輸出模塊組成了縱向的PROFIBUS通信網(wǎng)絡(luò)。為保證控制系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定，將現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)PROFIBUS通信與Modbus通信和PM803F控制器冗余配置。過程站的每個(gè)連接最大字節(jié)數(shù)為1 400個(gè)，每個(gè)I/O模塊從站可連接多個(gè)物理變量。物理變量包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行指令及反饋信號(hào)，比如差壓變送器、液位計(jì)、流量計(jì)、閥門定位器等信息數(shù)據(jù)，以及測(cè)量設(shè)備及工藝介質(zhì)的熱電阻和熱電偶信號(hào)，硫酸濃度及硫酸成品質(zhì)量測(cè)量信號(hào)等。每種輸入、輸出模塊帶有通道保險(xiǎn)絲或光電隔離等功能，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。PROFIBUS-DP

是一種速度快、成本低的通信網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于冶煉煙氣處理和硫酸生產(chǎn)過程控制并與輸入、輸出卡件通信，這種網(wǎng)絡(luò)信息交換是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)的拓展和延伸。由于冶煉煙氣處理和硫酸制備工藝、檢測(cè)點(diǎn)分散、控制的設(shè)備不集中的特點(diǎn)，因此采用分布式輸入、輸出模塊即S800系列硬件通道，硬件通道卡件支持熱插拔?，F(xiàn)場(chǎng)總線和所連接的PROFIBUS從站的組態(tài)和參數(shù)設(shè)置全部使用統(tǒng)一的工程工具Freelance工程師站來完成，不需要任何外部的組態(tài)工具。PROFIBUS設(shè)備可以通過GSD文件或FDT/DTM方式集成到AC800F系統(tǒng)中。管理和監(jiān)控級(jí)通過以太網(wǎng)連接通信。AC800F系統(tǒng)的冗余技術(shù)，經(jīng)過多年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用證實(shí)了其在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的使用價(jià)值。它可以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)冗余的高要求，其硬件可以實(shí)現(xiàn)多種需求的冗余。包括網(wǎng)絡(luò)冗余，電源冗余，控制器冗余和冗余的操作員站等。

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

在硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)中使用的是環(huán)網(wǎng)。通信不會(huì)發(fā)生堵塞、斷網(wǎng)的情況，運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為工業(yè)以太網(wǎng)（上級(jí)）、過程控制器數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)（中級(jí)），由光纖通信和MOXA 系列的EDS408A交換機(jī)組成，現(xiàn)場(chǎng)工藝信息數(shù)據(jù)及設(shè)備監(jiān)視控制的PROFIBUS通信網(wǎng)絡(luò)（下級(jí)）。Freelance工控機(jī)、Freelance操作員主機(jī)、過程控制器之間的信息交換應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)通信。中級(jí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)網(wǎng)而不是主干方式，避免了網(wǎng)絡(luò)安全性隱患的出現(xiàn)，凸顯了環(huán)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)橹鞲煞绞骄W(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障會(huì)影響一個(gè)區(qū)域，而環(huán)網(wǎng)故障只會(huì)影響某一個(gè)點(diǎn)。光纖和交換機(jī)通信使用距離較長，速度快，確保了過程控制層級(jí)的信息暢通和安全。工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)成熟，擴(kuò)展性和兼容性較好，但傳輸距離不能太長。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用PROFIBUS通信協(xié)議或Modbus通信協(xié)議。過程控制器通過PROFIBUS或Modbus網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與輸入、輸出卡件之間的信息數(shù)據(jù)交換，其傳輸速率有多種選擇，為軟件組態(tài)和硬件配置提供了方便，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。三級(jí)網(wǎng)絡(luò)框架配置靈活，中、上級(jí)網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)和第三方軟件實(shí)現(xiàn)橫向通信，設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)（下級(jí)）可縱向拓展。

3 DCS程序的自定義編程

項(xiàng)目工程采用Freelance2016版本軟件，包含硬件組態(tài)、數(shù)據(jù)處理、控制邏輯和網(wǎng)絡(luò)通信，硬件組態(tài)圖形化方式顯示，直觀明了。運(yùn)用系統(tǒng)提供的自定義功能，跟據(jù)控制對(duì)象的特性，按照類編輯的思路組態(tài)自定義功能塊，比如按風(fēng)機(jī)、泵、閥門等分類，數(shù)字量、模擬量信號(hào)分類做出自定義功能塊，該功能塊可重復(fù)調(diào)用，這樣既節(jié)省時(shí)間又提高效率，還能減少錯(cuò)誤，簡化了程序編輯，增強(qiáng)了程序的可讀性[2]。

模塊化程序編輯語言不僅有功能塊和自定義功能，還有梯形圖（LD）、指令表（IL）、順控圖（SFC）、結(jié)構(gòu)化文本語言（ST），在該套硫酸生產(chǎn)控制系統(tǒng)中主要使用功能塊（FBD）編程語言。程序易讀、易懂、易修改。在程序編輯過程中可以使用交叉參考功能，非常容易查找。

4 結(jié)語

該文介紹關(guān)于AC800F系列DCS控制系統(tǒng)中硬件框架組成、通信網(wǎng)絡(luò)的分級(jí)，并對(duì)PROFIBUS通信進(jìn)行了簡要說明，對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組成及功能介紹、組態(tài)軟件模塊化編程、自定義功能的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，將該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及程序編輯方案應(yīng)用于冶煉及煙氣處理、硫酸生產(chǎn)工藝中，可以實(shí)現(xiàn)超低的硬件故障率、穩(wěn)定的控制系統(tǒng)和流暢的網(wǎng)絡(luò)通信，證明該套控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠并且技術(shù)的成熟。

參考文獻(xiàn)

[1]宋鵬川，白焰，董楠.熱電機(jī)組DCS硬件分層設(shè)計(jì)和模塊化組態(tài)方法[J].熱力發(fā)電，2011，10（10）：58-60.

[2]賀心燕，李國慶.軟件工程理論和方法在火電廠DCS設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].科技信息，2009（30）：216-219.