和利時系統(tǒng)在中石化高酸原油項目中的應(yīng)用

王曉玉 宋 蓓

(1.中國石化青島石油化工有限責任公司，山東 青島 266000;2.海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266000)

1 引言

中國石化青島石油化工有限責任公司加工高酸原油適應(yīng)性改造項目是中國石化集團2009年20個重點工程項目(其中煉化工程14項)中的重要一項。項目規(guī)模較大，由多套聯(lián)合裝置組成，對自控系統(tǒng)的產(chǎn)品、工程實施能力等要求非常高。此項目實際包括：500萬噸/年常減壓裝置、1.5萬標方/小時制氫裝置、160萬噸/年延遲焦化裝置、100萬噸/年汽柴油加氫精制裝置、60萬噸/年催化汽油選擇性加氫脫硫裝置(含鍋爐除氧水工段)、2萬噸/年硫磺回收及溶劑再生裝置等。

六套生產(chǎn)裝置的工藝操作、監(jiān)視、控制、生產(chǎn)管理均在一個中央控制室內(nèi)通過DCS的工程師站，操作員站等完成。各生產(chǎn)裝置設(shè)現(xiàn)場機柜室，安裝DCS的過程接口，控制站(冗余)，各種機柜及開停車維護用帶工程師屬性操作站等對生產(chǎn)裝置進行控制?，F(xiàn)場機柜室與中央控制室采用冗余光纜進行數(shù)據(jù)通信連接，全廠DCS系統(tǒng)由管理網(wǎng)絡(luò)和6個局域控制網(wǎng)絡(luò)組成安全可靠。隨著裝置的建成投產(chǎn)標志著和利時自主知識產(chǎn)權(quán)的HOLLiAS MACS分布式控制系統(tǒng)在大型石化煉油聯(lián)合主裝置項目應(yīng)用上取得重大突破。此項目的成功實施，標志著中國石化集團在推進國產(chǎn)化控制系統(tǒng)的道路上邁出了堅實的一步。

2 HOLLiAS MACS－S概述

杭州和利時自動化有限公司為本項目提供的是第四代DCS--HOLLiAS MACS-S系列分布式控制系統(tǒng)，它是2005年推出的，是和利時公司在總結(jié)十多年用戶需求和多行業(yè)的應(yīng)用特點、積累三代DCS系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，全面繼承以往系統(tǒng)的高可靠性和方便性，綜合自身核心技術(shù)與國際先進技術(shù)而推出的新一代DCS。

2.1 HOLLiAS MACS-S系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

HOLLiAS MACS-S系統(tǒng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)由三部分組成，管理網(wǎng)(MNET)、系統(tǒng)網(wǎng)(SNET)、控制網(wǎng)(CNET)。其中：系統(tǒng)網(wǎng)和控制網(wǎng)都是冗余配置，管理網(wǎng)為可選網(wǎng)絡(luò)。

管理網(wǎng)絡(luò)(MNET)：由100M/1000M以太網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，用于歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器與廠級信息管理系統(tǒng)(REALMis或者ERP)、INTERNET、第三方管理軟件等進行通訊。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高級管理和共享系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(SNET)：由控制站、操作站節(jié)點(包括工程師站、操作員站等)構(gòu)成。由1000M高速冗余工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，用于工程師站、操作站、現(xiàn)場控制站、通信控制站的連接，完成工程師站的數(shù)據(jù)下裝，操作員站的在線數(shù)據(jù)通訊?？煽焖贅?gòu)建星型、環(huán)型或總線型拓撲結(jié)構(gòu)的高速冗余的安全網(wǎng)絡(luò)，符合IEEE802.3及IEEE802.3u標準，基于TCP/IP通訊協(xié)議，通訊速率10/1000M自適應(yīng)。

控制網(wǎng)絡(luò)(CNET)：由雙冗余主控內(nèi)部的I/O總線網(wǎng)絡(luò)卡、雙冗余I/O總線、I/O總線模塊(每個模塊內(nèi)置雙冗余IO BUS從站接口)。采用IO BUS現(xiàn)場總線與各個I/O模塊及智能設(shè)備連接，實時、快速、高效的完成過程或現(xiàn)場通訊任務(wù)，符合IEC61158國際標準(國標：JB/T10308.3-2001/歐標：EN50170)。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：交換機：思科或赫斯曼等國際知名品牌。

通訊介質(zhì)：SNET和MNET使用STP5或UTP5類雙絞線，多模或單模光纜，CNET使用IO BUS專用電纜，多?；騿文９饫|。

HOLLiAS MACS-S系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如下：

2.2 HOLLiAS MACS-S系統(tǒng)特點

a)控制器CPU采用工業(yè)級RISC芯片，基于實時操作系統(tǒng)，保證控制精確、實時、高效。

b)靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，既保證數(shù)據(jù)的一致性，又可負荷均擔;功能豐富的HMI人機界面，

靈活強勁的控制軟件，支持離線仿真。

c)采用多種冗余結(jié)構(gòu)(網(wǎng)絡(luò)、控制器、電源模件、I/O模件等冗余)，系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)為惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計，抗干擾性符合工業(yè)環(huán)境下的國際標準。

d)智能設(shè)備管理(故障診斷、精度校正、帶電插拔)，完善的系統(tǒng)診斷信息，在線電子維護手冊，維護簡單方便。

e)過程I/O單元采用的智能化設(shè)計方法，將部分控制或采集運算分散到各I/O單元，提高可靠性。

f)開放的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：支持IO BUS現(xiàn)場總線，提供標準的RS-485、RS-232、ModBUS 通信協(xié)議接口，支持 FF、CAN、HART等。

g)操作站采用通用系統(tǒng)平臺，采用WINDOWS XP操作系統(tǒng)。

h)現(xiàn)場總線的系統(tǒng)設(shè)計，有效節(jié)約整體項目投資，降低運行維護成本。

i)所有I/O單元采用光電隔離以及電氣隔離，各單元之間、單元與控制器之間無任何電氣聯(lián)系，提高系統(tǒng)的抗干擾能力、可靠性和安全性。

j)現(xiàn)場控制站的所有單元上均帶有CPU，每單元均可進行周期性自診斷。

k)系統(tǒng)具有離線的調(diào)試和仿真功能。降低現(xiàn)場實施的風險，縮短現(xiàn)場調(diào)試時間。

2.3 儀表設(shè)備管理系統(tǒng)

和利時DCS系統(tǒng)能夠集成儀表設(shè)備管理AMS系統(tǒng)，儀表設(shè)備管理系統(tǒng)包括：儀表設(shè)備組態(tài)、狀態(tài)監(jiān)測及診斷、校驗管理和自動文檔記錄管理等功能。

設(shè)備管理系統(tǒng)包括以下幾部分：

a)數(shù)據(jù)讀?。篐OLLiAS AMS設(shè)備管理系統(tǒng)完全能夠自動讀取系統(tǒng)連接的所有HART設(shè)備中的有效數(shù)據(jù)(包括生產(chǎn)廠商、設(shè)備型號、產(chǎn)品編號、名稱、系列號、軟件版本、地址、儀表位號、儀表規(guī)格等)。自動完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和管理，自動顯示系統(tǒng)及設(shè)備的連接狀態(tài)和診斷信息。HART信號采集可在HOLLiAS MACS-S I/O接口或端子上實現(xiàn)，不需要采用外配數(shù)據(jù)采集設(shè)備的方式。

b)設(shè)備組態(tài)：HOLLiAS AMS設(shè)備管理系統(tǒng)能完全兼容標準HART設(shè)備的通信和數(shù)據(jù)交換，采用簡便易行的標準化組態(tài)方式。使用標準化的數(shù)據(jù)庫和文件方式，并可采用標準化的設(shè)備描述文件，增加當前數(shù)據(jù)庫外的或新品種的標準HART設(shè)備。

c)軟件基礎(chǔ)：HOLLiAS AMS設(shè)備管理系統(tǒng)完全能在PC機上運行。

d)模板方式：HOLLiAS AMS設(shè)備管理系統(tǒng)能采用模板方式建立或傳送儀表組態(tài)顯示數(shù)據(jù)，可自動對應(yīng)不同類型智能設(shè)備，完整地顯示儀表數(shù)據(jù)和診斷狀態(tài)。

e)操作記錄：智能設(shè)備管理系統(tǒng)能夠自動記錄和存儲智能設(shè)備參數(shù)的修改數(shù)據(jù)、修改過程、修改時間和修改人員，修改過程須有確認功能才能進行。修改記錄不可刪除，但可以讀取、顯示。

f)用戶管理：HOLLiAS AMS設(shè)備管理系統(tǒng)具有用戶管理功能，可以設(shè)置不同權(quán)限的用戶和密碼，保證操作管理的安全

h)非智能設(shè)備管理：對非智能設(shè)備，HOLLiAS MACS-S將采用人工輸入的方式建立儀表管理檔案。

i)預(yù)測維護管理：HOLLiAS AMS智能設(shè)備管理系統(tǒng)具有預(yù)測維護管理的功能。根據(jù)儀表運行時間和診斷信息，預(yù)測維護的時間，內(nèi)容和計劃等。

3 系統(tǒng)配置說明

3.1 配置原則

a)冗余原則

系統(tǒng)具有完備的冗余技術(shù)，包括設(shè)備冗余和工作性能冗余。所有冗余設(shè)備在線切換不影響系統(tǒng)運行。

各級網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和部件1：1冗余，控制站的控制器等功能卡1：1冗余，所有電源設(shè)備和部件1：1冗余，多通道控制回路的I/O卡1：1冗余。

每個操作站有獨立的計算機主機，操作站之間具備工作冗余的功能，具有在線故障診斷、報警、自動切換及維修提示。

b)控制站配置

控制站按工作區(qū)或裝置(單元)配置，將同工作區(qū)或裝置(單元)的控制回路和檢測回路放在同一控制站中，各控制站I/O卡件插槽預(yù)留20%的余量?？扇細怏w、有毒氣體報警檢測器的I/O卡件為獨立卡件。各類系統(tǒng)機柜已經(jīng)預(yù)留20%的備用安裝空間(不安裝設(shè)備)。

c)控制站負荷

當控制站滿負荷時，系統(tǒng)的電源、軟件、通信負荷和其他各種負載的裕量≥40%。控制站的負荷≤50%。

d)I/O卡配置

I/O卡輸入電路帶電磁/光電隔離，I/O卡的通道為隔離型，符合IEC61000或SAMA PMC33.1標準。

3.2 冗余技術(shù)

a)通訊網(wǎng)絡(luò)冗余

HOLLiAS MACS-S的硬件系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分為兩層：系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(SNET)和控制網(wǎng)絡(luò)(CNET)。主控制器是系統(tǒng)網(wǎng)和控制網(wǎng)之間的樞紐。

系統(tǒng)網(wǎng)采用實時工業(yè)以太網(wǎng)與工程師站/操作員站連接，構(gòu)建高速冗余的安全網(wǎng)絡(luò)，符合IEEE802.3及IEEE802.3u標準，通訊速率10/1000M自適應(yīng)，傳輸介質(zhì)為帶有RJ45連接器的5類雙絞線或光纖，基于可靠的工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議。

控制網(wǎng)絡(luò)采用通訊總線與各個I/O模塊及智能設(shè)備連接通訊，符合 IEC61158國際標準(國標：JB/T10308.3-2001/歐標：EN50170)。采用主、從站間輪詢的通訊方式。適用多種通訊介質(zhì)(雙絞線、光纖以及混合方式)，雙絞線最大通訊距離1.2km，單模光纖最大通訊距離10km，具有完善的診斷功能。

b)控制器冗余

控制器選用工業(yè)級低功耗CPU，采用無風扇設(shè)計，正常運行功耗小于5W。CPU與存儲器均采用表面貼裝或DIP插裝方式，抗震性能高，長期可靠運行。

控制器采用主備雙模冗余配置，硬件冗余切換和故障自檢電路。兩個控制器進行熱備份，采用主備運算同步方式，實現(xiàn)無擾切換。

兩個控制器同時接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，同時進行控制運算，并且控制運算保持同步，保證雙機的事件變量及積累運算值均相等，只有一個輸出運算結(jié)果。當主控制器發(fā)生故障，備份控制器自動無擾切換到工作狀態(tài)。

控制器設(shè)有獨立的硬件看門狗電路，用于監(jiān)視各個任務(wù)的運行狀態(tài)。當出現(xiàn)異常時，觸發(fā)看門狗動作，故障工作主控制器降為從控制器，同時原備份控制器升為主控制器。

c)系統(tǒng)電源冗余

電源模塊是AC/DC轉(zhuǎn)換設(shè)備，采用開關(guān)電源技術(shù)，實現(xiàn)220VAC到24VDC和/或48VDC的轉(zhuǎn)換，為主控制器和I/O模塊等現(xiàn)場設(shè)備提供純凈的電源。

電源模塊內(nèi)置均流冗余電路，通過在輸出端串聯(lián)肖特基二極管，可以兩臺或多臺冗余配置、并聯(lián)運行，實現(xiàn)1：1或N：1均流冗余，并且平均分擔負載。一般按1：1冗余，可以直接接雙路AC220電源，也可用雙路220VAC電源切換裝置接入兩路AC220電源。

d)I/O模塊冗余

模擬量輸入設(shè)備、輸出設(shè)備與配套端子模塊使用，實現(xiàn)I/O設(shè)備的冗余配置。

模擬量輸入模塊冗余配置時，采用雙通道采集輸入，將結(jié)果進行比較，同時判斷輸入通道的正確性。

模擬量輸出模塊采用雙機熱備分，自動分配主從，并設(shè)有冗余切換機制。硬件自動比較輸出結(jié)果的一致性，進行自檢。

4 和利時系統(tǒng)在實際應(yīng)用中發(fā)生的問題及解決方案

和利時系統(tǒng)自2009年9月開工以來，在實際運行中單個裝置出現(xiàn)過網(wǎng)絡(luò)通訊負荷較大，系統(tǒng)的通訊效率降低，短時間網(wǎng)絡(luò)擁堵的問題。具體的現(xiàn)象表現(xiàn)為操作站從控制器讀取數(shù)據(jù)時間延長，并發(fā)生過一次單個裝置操作站黑屏死機數(shù)秒的故障狀況。

故障發(fā)生后和利時公司派專家組來進行故障調(diào)研，并認真檢查系統(tǒng)的各項運行指標，并結(jié)合比較其他先進DCS通訊技術(shù)的提出了整改方案。原系統(tǒng)的通訊機制為操作員站和控制器之間周期通訊全部的測點值，無論該測點是否在畫面上使用。因此，在任何時刻，打開任何畫面，其上的測點值都是在“0秒”內(nèi)就會刷新為實時值。由于此項目測點數(shù)量巨大，因此這種方案存在一個問題：網(wǎng)絡(luò)通訊負荷較大，當系統(tǒng)規(guī)模變大后，系統(tǒng)的通訊效率會變低，甚至有時會造成短時間內(nèi)的通訊堵塞。

經(jīng)過系統(tǒng)升級后，采用了新的通訊機制：操作員站和控制器之間不再周期通訊全部的測點值，僅僅通訊當前用戶打開的全部畫面上使用的測點值。當某個頁面剛剛打開時，操作站就會立即與控制器去通訊，并取得最新的數(shù)據(jù)，這個時間大約需要200～500ms左右。完全滿足生產(chǎn)操作的需要。從而解決了較大規(guī)模系統(tǒng)的通訊擁堵問題。

5 結(jié)束語

和利時HOLLiAS MACS系統(tǒng)在中國石化青島石油化工有限公司加工高酸原油適應(yīng)性改造項目的應(yīng)用是國產(chǎn)DCS系統(tǒng)的成功應(yīng)用實施，為中國石化產(chǎn)業(yè)的長遠持續(xù)發(fā)展提供重要保障。石油、化工行業(yè)為國家的重要經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，關(guān)系到國家的戰(zhàn)略安全，國產(chǎn)DCS系統(tǒng)的成功應(yīng)用打破國外壟斷，提升我國整體裝備制造業(yè)的水平，具有重要戰(zhàn)略意義。

［1]HOLLIAS SM系列使用手冊2004