以DCS為基礎(chǔ)的過程控制系統(tǒng)集成

劉齊忠,吳文信,孫曉曉

(福建聯(lián)合石油化工有限公司一體化項(xiàng)目部,福建泉州 362800)

以DCS為基礎(chǔ)的過程控制系統(tǒng)集成

劉齊忠,吳文信,孫曉曉

(福建聯(lián)合石油化工有限公司一體化項(xiàng)目部,福建泉州 362800)

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)裝置的大型化、復(fù)雜化以及集中全廠工藝裝置生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)管控一體化的要求,以DCS為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)集成成為必然。以某大型一體化項(xiàng)目為實(shí)例,從控制系統(tǒng)集成的技術(shù)基礎(chǔ)、方案,項(xiàng)目實(shí)施的各階段的工作任務(wù)及難點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用效果等項(xiàng)目全過程對以DCS為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)集成進(jìn)行了詳細(xì)的描述,并總結(jié)了集成成功的經(jīng)驗(yàn)。

分散型控制系統(tǒng);控制系統(tǒng)集成;管控一體化;項(xiàng)目

0 引 言

隨著生產(chǎn)工藝由簡單過程向大型化、連續(xù)化、集成化和復(fù)雜化方向發(fā)展,與之相應(yīng)的控制技術(shù)、控制理論、控制系統(tǒng)和控制工具都獲得了大幅發(fā)展:控制技術(shù)由單變量控制技術(shù)發(fā)展到多變量協(xié)調(diào)控制技術(shù);控制理論由經(jīng)典控制理論發(fā)展到現(xiàn)代控制理論和智能控制理論;控制系統(tǒng)由簡單控制系統(tǒng)發(fā)展為基于工業(yè)以太網(wǎng)的第三代DCS/FCS和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)(控制、管理與決策一體化);控制工具由常規(guī)簡單模擬量儀表和就地執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)展到基于計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化智能儀表。主要特點(diǎn):生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息集中——供生產(chǎn)管理和決策所使用;裝置操作監(jiān)視信息集中——實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視和操作調(diào)節(jié);控制分散——不同控制系統(tǒng)或控制單元、回路相對獨(dú)立、互不影響。近期國內(nèi)大型合資石化項(xiàng)目在項(xiàng)目規(guī)劃和實(shí)施中均采用了控制系統(tǒng)集成的技術(shù)策略,一方面集中所有生產(chǎn)信息作為公司上層管理網(wǎng)(工廠執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、企業(yè)資源管理系統(tǒng)(ERP))的數(shù)據(jù)源,實(shí)現(xiàn)管控一體化,提高企業(yè)管理的信息化水平;另一方面,實(shí)現(xiàn)集中操作、調(diào)節(jié),便于生產(chǎn)維護(hù),提高生產(chǎn)裝置的自動(dòng)控制水平、減少對生產(chǎn)操作和維護(hù)人員的需求。

該文以國內(nèi)幾個(gè)大型石化合資項(xiàng)目為基礎(chǔ),介紹控制系統(tǒng)集成及技術(shù)方案、實(shí)施過程及經(jīng)驗(yàn)和最終的應(yīng)用效果。

1 集成的技術(shù)基礎(chǔ)及方案

在項(xiàng)目實(shí)際實(shí)施中要達(dá)到上述管控一體化和分散控制,則有必要以DCS網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)將不同用途的控制系統(tǒng)(安全儀表系統(tǒng)(SIS)、可燃有毒氣體報(bào)警系統(tǒng)(FGS)、機(jī)組控制系統(tǒng)(ITCC)、機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)(MMS)和其他小型可編程控制系統(tǒng)(PLC)等)的所有信息進(jìn)行集成。而采用工業(yè)以太網(wǎng)的常規(guī)DCS和FCS集成的第三代DCS的應(yīng)用和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展也為控制系統(tǒng)集成提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

a)FCS的大量應(yīng)用,控制回路的組態(tài)可以直接下裝到閥門定位器中,即使DCS故障也不會(huì)直接影響到現(xiàn)場控制的正常運(yùn)行,使真正意義上的分散控制成為現(xiàn)實(shí)。

b)工業(yè)以太網(wǎng)的使用使控制系統(tǒng)的集成有了一個(gè)綜合平臺(tái)。

1)采用即插即用的OPC技術(shù)。將相關(guān)控制系統(tǒng)的服務(wù)器與DCS的OPC服務(wù)器相連,將數(shù)據(jù)信息傳至DCS網(wǎng)絡(luò)并在操作站上進(jìn)行監(jiān)視(雖然其也可以實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)功能,但出于通信的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和生產(chǎn)安全考慮,目前國內(nèi)還沒有大量使用的先例)。

2)采用 Modbus技術(shù)?，F(xiàn)在應(yīng)用的有Modbus TCP/IP和Modbus RS-485(RS-232/RS-422)。前者直接與工業(yè)以太網(wǎng)相連甚至可直接作為工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議使用,目前石化項(xiàng)目儀表專業(yè)應(yīng)用較少;后者則主要與掛在工業(yè)以太網(wǎng)上的DCS控制器連接,將相關(guān)數(shù)據(jù)信息經(jīng)DCS控制器傳至操作站實(shí)施監(jiān)視和控制功能,并在國內(nèi)外石化行業(yè)中得到了大量的使用。

利用上述技術(shù)基礎(chǔ),近年來國內(nèi)幾個(gè)大型合資項(xiàng)目均實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)集成。集成方案如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)集成方案結(jié)構(gòu)示意

從圖1可以看出,DCS網(wǎng)絡(luò)作為整個(gè)系統(tǒng)集成的主網(wǎng),其對外集成接口主要存在于三個(gè)部分。

a)過程控制網(wǎng)。主要由控制器組成,在DCS控制器中,傳統(tǒng)DCS與 FCS實(shí)現(xiàn)了有機(jī)的結(jié)合; SIS,FGS,ITCC或其他 PLC等控制器通過Modbus與DCS的控制器連接并將其采集的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息通信至DCS網(wǎng)絡(luò)的操作站上,供工藝操作員監(jiān)視裝置狀態(tài);對于ITCC和其他PLC則還具有將操作員的生產(chǎn)調(diào)節(jié)指令傳送至現(xiàn)場實(shí)施過程控制的功能。從而將FF現(xiàn)場總線與HART智能儀表(主要用于SIS/FGS/ITCC和小型 PLC等系統(tǒng))有機(jī)地結(jié)合起來,用于生產(chǎn)監(jiān)視和控制。

b)工廠信息網(wǎng)(PIN)。PIN與防火墻相連,以O(shè)PC接口與MES等工程信息管理網(wǎng)相連。將DCS采集(現(xiàn)場采集和數(shù)據(jù)通信所得)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫傳送給MES,ERP等上層工廠管理網(wǎng)(PMN)網(wǎng)絡(luò)使用。同時(shí),提供網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部打印、遠(yuǎn)程通信、設(shè)備管理系統(tǒng)(AMS)、時(shí)鐘同步和病毒防火墻網(wǎng)絡(luò)等。

c)OPC網(wǎng)。主要連接第三方控制系統(tǒng)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、小型PLC和MMS等通過OPC接口將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳至DCS。但由于OPC通信在應(yīng)用中的不穩(wěn)定性,現(xiàn)階段原則上在工業(yè)應(yīng)用中還很少直接實(shí)施控制功能,僅只用于數(shù)據(jù)通信。各網(wǎng)絡(luò)具體介紹見表1所列。現(xiàn)場儀表設(shè)備、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等),完成控制系統(tǒng)的配置、組態(tài)和集成等工作,協(xié)助 EPC的現(xiàn)場安裝、調(diào)試和系統(tǒng)投運(yùn)工作并提供現(xiàn)場培訓(xùn)等),以便以DCS供貨商為集成商順利地實(shí)施系統(tǒng)集成。

表1 控制系統(tǒng)集成方案中相關(guān)網(wǎng)絡(luò)介紹

在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段,中標(biāo)的主體控制系統(tǒng)框架性協(xié)議供貨商按照框架性協(xié)議要求制訂項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃、按時(shí)完成相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)文件的編寫、控制系統(tǒng)集成詳細(xì)方案的制訂并提交業(yè)主審查。審查通過后的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)文件作為EPC或總體院儀表專業(yè)設(shè)計(jì)和詢價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)。

在得到EPC或業(yè)主的詢價(jià)及系統(tǒng)配置和軟件組態(tài)必要的輸入文件后,框架性協(xié)議供貨商按照基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)制訂的系統(tǒng)集成詳細(xì)方案和EPC提供的第三方控制系統(tǒng)要求進(jìn)行硬件配置和相關(guān)軟件組態(tài)工作,當(dāng)硬件配置和軟件組態(tài)基本完成后即進(jìn)入控制系統(tǒng)工廠驗(yàn)收FAT前的預(yù)測試階段,此時(shí)DCS供貨商須分類對所有通過OPC或Modbus接口與之相連的各種控制系統(tǒng)進(jìn)行通信測試,以求達(dá)到在滿足相關(guān)項(xiàng)目規(guī)定及要求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)所有接口的無縫連接,為DCS/SIS/FGS的FAT做好技術(shù)準(zhǔn)備。

完成FAT后,DCS等主體控制設(shè)備將運(yùn)往施工現(xiàn)場,供貨商負(fù)責(zé)指導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)備安裝、調(diào)試并提供現(xiàn)場培訓(xùn)和故障處理。從而確保集成的控制系統(tǒng)所有接口無縫連接、通信流暢,完全達(dá)到項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)預(yù)定的目標(biāo)。

在整個(gè)控制系統(tǒng)集成的項(xiàng)目實(shí)施中,主要的難點(diǎn)在第三階段。

a)各種第三方控制系統(tǒng)的通信測試協(xié)調(diào)。在實(shí)施控制系統(tǒng)集成測試時(shí),除框架性協(xié)議供貨商本身提供的DCS/SIS/FGS等系統(tǒng)的集成測試外,還需與第三方廠商提供的控制系統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行測試,此時(shí)的協(xié)調(diào)工作量非常大,稍有疏忽將直接影響FAT的工期。由于前期業(yè)主、EPC已將大量的項(xiàng)目技術(shù)規(guī)定、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)文件遞交給相關(guān)供貨商,一般來說協(xié)調(diào)難度不大。但部分包系統(tǒng)的控制系統(tǒng)供貨商由于在國外或工期等各種原因,給測試的協(xié)調(diào)帶來了較大的難度,需業(yè)主或EPC提供幫助。

b)專利系統(tǒng)和各種包設(shè)備的控制系統(tǒng)相關(guān)通信接口的硬件配置和軟件組態(tài)輸入條件協(xié)調(diào)。由于各專利系統(tǒng)和包系統(tǒng)的合同簽約方不同(業(yè)主、EPC和廠商等),導(dǎo)致設(shè)計(jì)文件的傳遞因程序、工期和溝通等各種問題受阻,僅靠框架性協(xié)議供貨商(系統(tǒng)集成商)協(xié)調(diào)很難達(dá)到項(xiàng)目的進(jìn)度要求,后雖經(jīng)業(yè)主采購部門、項(xiàng)目組、EPC或廠商等多方努力,仍直至開工前夕才解決問題。

2 控制系統(tǒng)集成的項(xiàng)目實(shí)施

控制系統(tǒng)集成作為大型項(xiàng)目儀表專業(yè)最重要、也是最困難和設(shè)計(jì)界面最多的一個(gè)環(huán)節(jié),在整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施中可分為三個(gè)階段:項(xiàng)目規(guī)劃和主體控制系統(tǒng)招標(biāo)階段;項(xiàng)目基礎(chǔ)設(shè)計(jì)文件編制、系統(tǒng)集成詳細(xì)方案制訂階段;控制系統(tǒng)配置組態(tài)、工廠測試和現(xiàn)場總體集成及投用階段。

項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)期,儀表專業(yè)需制訂完整的規(guī)劃策略,其中最重要的核心部分是對控制系統(tǒng)的功能要求和集成策略。制訂的策略在與相關(guān)供貨商充分交流完善的基礎(chǔ)上,完成初步的控制系統(tǒng)集成方案,按照項(xiàng)目儀表自動(dòng)化實(shí)施策略的要求編寫完成主體控制系統(tǒng)的招標(biāo)文件并實(shí)施招標(biāo)。此階段有兩個(gè)重點(diǎn):控制系統(tǒng)集成策略和項(xiàng)目自動(dòng)化實(shí)施策略。只有在控制系統(tǒng)集成策略的基礎(chǔ)上才能制訂合適的項(xiàng)目自動(dòng)化實(shí)施策略,同時(shí)也必須在兩者均已明確、招標(biāo)文件編制完成后才能實(shí)施招標(biāo)。最近已實(shí)施的國內(nèi)大型合資項(xiàng)目均采用了以DCS為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)集成策略和以DCS供貨商為主體的框架性協(xié)議供貨商的策略(由框架性協(xié)議供貨商編寫基礎(chǔ)設(shè)計(jì)文件,審查 EPC(設(shè)計(jì)、采購和施工承包商)相關(guān)設(shè)計(jì)文件,供貨(DCS/SIS/FGS及部分

3 應(yīng)用效果

從已開工的國內(nèi)幾個(gè)大型合資項(xiàng)目的開工投運(yùn)情況來看,以DCS為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)集成取得了很大的成功。實(shí)現(xiàn)了FCS與傳統(tǒng)DCS的完美兼容,真正意義上實(shí)現(xiàn)了“分散控制”,完全實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目規(guī)劃中要求的各系統(tǒng)無縫連接和各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集成,為企業(yè)的生產(chǎn)過程集中操作和管理提供了先進(jìn)的、安全平穩(wěn)的數(shù)據(jù)平臺(tái)。一方面集中所有能采集的生產(chǎn)和設(shè)備數(shù)據(jù)信息用于集中監(jiān)視、控制、維護(hù);另一方面將盡可能全面的數(shù)據(jù)信息上傳至工廠管理網(wǎng),實(shí)現(xiàn)管控一體化。

回顧項(xiàng)目實(shí)施,系統(tǒng)集成的成功經(jīng)驗(yàn)主要有以下幾點(diǎn)。

a)選取一個(gè)優(yōu)秀的主儀表控制承包商(MICC)作為控制系統(tǒng)集成商是項(xiàng)目實(shí)施成功的關(guān)鍵所在。所供產(chǎn)品先進(jìn)、成熟且全面,項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)豐富,公司人力資源豐富。

b)選定編制詳細(xì)的項(xiàng)目技術(shù)規(guī)定和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)文件,對各類控制系統(tǒng)及控制系統(tǒng)集成提出明確的要求和詳細(xì)的技術(shù)指標(biāo)分發(fā)所有EPC和控制系統(tǒng)供貨商,使之清楚地了解項(xiàng)目儀表專業(yè)的規(guī)定和要求,達(dá)到設(shè)計(jì)的一致性和標(biāo)準(zhǔn)化。

c)制訂詳細(xì)的MICC實(shí)施計(jì)劃,分發(fā)至所有EPC和控制系統(tǒng)供貨商,以便提前協(xié)調(diào)、保證與第三方系統(tǒng)通信測試的順利完成。

d)出現(xiàn)問題及時(shí)反饋給業(yè)主、EPC,以便及時(shí)解決,保證測試的進(jìn)度計(jì)劃和質(zhì)量。

4 結(jié)束語

縱觀自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢,以DCS為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)集成是控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的必然產(chǎn)物,也是實(shí)現(xiàn)企業(yè)“管控一體化”的基本要求。回顧21世紀(jì)以來國內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目儀表專業(yè)的實(shí)施歷程和成功經(jīng)驗(yàn),選取一個(gè)優(yōu)秀的主控制系統(tǒng)供貨商和系統(tǒng)集成商是項(xiàng)目實(shí)施成功的關(guān)鍵所在。隨著自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,控制系統(tǒng)的集成度將越來越高,過程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與上層工廠管理網(wǎng)的連接也將越來越緊密。

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The Process Control System Integration Based on DCS

Liu Qizhong,Wu Wenxin,Sun Xiaoxiao
(Fujian Refining&Petrochemical Co.Ltd.IPMT,Quanzhou,362800,China)

With the development of automation technology and the requirements of the large-scale and complex of industrial technology,the control system integration based DCS has become a necessity.The control system integration based on DCS is described in detail with the technology base,programs,tasks of control system integration,and problems in various stages of projects implementation and the actual effect in the whole process.The successful experience of control system integration is summarized.

DCS;control systems integration;integration of management and control;project

TP273

B

1007-7324(2010)06-0036-04

2010-09-08(修改稿)。

劉齊忠(1965—),男,1987年畢業(yè)于湘潭大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化專業(yè),從事煉油工藝操作8年、DCS維護(hù)開發(fā)7年、技術(shù)管理和項(xiàng)目管理7年,現(xiàn)任福建聯(lián)合石油化工有限公司一體化項(xiàng)目部高級技術(shù)經(jīng)理、儀表經(jīng)理,過程控制高級工程師,已發(fā)表論文18篇。