污水處理裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

楊剛剛

（洛陽(yáng)石化工程設(shè)計(jì)有限公司 電儀室，河南 洛陽(yáng) 471012）

0 引言

化纖污水處理裝置主要由PTA調(diào)節(jié)均質(zhì)池、一級(jí)生化池、二級(jí)生化池、監(jiān)測(cè)池等部分組成。該工藝是用于處理化纖裝置的生產(chǎn)（生活）污水、PTA連續(xù)排水、PTA間斷排水，為化纖污水合格出廠提供有力保障。裝置原控制系統(tǒng)為和利時(shí)公司生產(chǎn)的HS2000 系列DCS系統(tǒng)。一方面，經(jīng)過(guò)十多年的運(yùn)行，電子元器件已經(jīng)老化，系統(tǒng)抗干擾能力下降，穩(wěn)定性較差，網(wǎng)絡(luò)及電源模塊多次出現(xiàn)故障，控制系統(tǒng)的安全性、可靠性大大降低，影響裝置的平穩(wěn)運(yùn)行；另一方面，由于原設(shè)計(jì)存在缺陷，系統(tǒng)基本沒(méi)有備用通道及空間，致使工藝改造增加一個(gè)回路就無(wú)法進(jìn)入系統(tǒng)，由于空間所限也無(wú)法進(jìn)行擴(kuò)容，并且和利時(shí)的HS2000系統(tǒng)已經(jīng)淘汰，新增卡件也無(wú)法與老系統(tǒng)兼容。所以，對(duì)系統(tǒng)實(shí)施升級(jí)改造是非常必要的。通過(guò)改造可以進(jìn)一步完善控制手段，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的可靠性、安全性和整體功能。

針對(duì)和利時(shí)HS2000系統(tǒng)存在的問(wèn)題，以及裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的需要，在經(jīng)過(guò)充分論證和考察對(duì)比的基礎(chǔ)上對(duì)裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行更新改造，選擇的控制系統(tǒng)應(yīng)具有完善的監(jiān)視、控制功能，并有高的安全可靠性。在2009年將化纖污水處理裝置控制系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造，更換為浙大中控公司生產(chǎn)的ECS-100 集散控制系統(tǒng)（DCS）。

1 ECS-100控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

中控ECS-100 集散控制系統(tǒng)（DCS）是一個(gè)成熟、通用、結(jié)構(gòu)開(kāi)放的系統(tǒng)，系統(tǒng)單控制網(wǎng)段最大支持20,000點(diǎn)、63個(gè)控制站、72個(gè)操作員站。采用Windows2000/XP標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)，支持IEEE、ODBC、OPC、MODBUS、PROFIBUS、FF、HART協(xié)議。融合各種標(biāo)準(zhǔn)化的軟、硬件接口，可方便地接入最先進(jìn)的第三方系統(tǒng)及設(shè)備等，并可通過(guò)各種Internet或遠(yuǎn)程介質(zhì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)。全中文操作界面，基于圖表、模板的組態(tài)方式以簡(jiǎn)單易用為原則，快速、靈活構(gòu)建各類控制方案。

系統(tǒng)所有模塊均支持在線熱插拔，冗余模塊均支持在線更換和無(wú)擾動(dòng)切換。

控制器采用獨(dú)創(chuàng)的“對(duì)等式雙組態(tài)緩存”和“F-Index內(nèi)存管理”技術(shù)，支持在線組態(tài)維護(hù)、修改、下載等功能，保證系統(tǒng)開(kāi)車過(guò)程中組態(tài)維護(hù)的安全性。

支持如PROFIBUS、FF、HART、MODBUS等多種現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)接入。

中控ECS-100 集散控制系統(tǒng)（DCS）通信網(wǎng)絡(luò)共有四層，分別是：管理信息網(wǎng)、過(guò)程信息網(wǎng)（SOnet）、過(guò)程控制網(wǎng)（SCnet）、內(nèi)部通訊總線（SBUS）[1-2]，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

ECS-100系統(tǒng)應(yīng)用了業(yè)內(nèi)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和數(shù)據(jù)分組策略，設(shè)計(jì)了獨(dú)立的過(guò)程信息網(wǎng)，對(duì)系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分離，解決了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷控制和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)突發(fā)的抑制和優(yōu)化問(wèn)題，提高了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性。過(guò)程信息網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了操作員站、工程師站、各種數(shù)據(jù)站，以及和公用操作域之間的連接，并主要完成了歷史趨勢(shì)、歷史報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)，操作日志等的實(shí)時(shí)通信和歷史數(shù)據(jù)查詢。

ECS-100系統(tǒng)過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)采用雙重化冗余設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠、穩(wěn)固、任一網(wǎng)段、任一節(jié)點(diǎn)的故障均不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，也不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)上其他網(wǎng)段和節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行，很好地滿足了企業(yè)對(duì)于DCS設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)高可靠性和安全性的要求。

2 改造方案

ECS-100 系統(tǒng)由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、控制站及操作節(jié)點(diǎn)（工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)管理站、時(shí)鐘同步服務(wù)器等的統(tǒng)稱）等構(gòu)成。

化纖污水處理裝置共有I/O點(diǎn)數(shù)454點(diǎn)，其中AI 信號(hào)：174點(diǎn)（冗余電流控制信號(hào)92點(diǎn)，非冗余電流檢測(cè)信號(hào)82點(diǎn)），AO信號(hào)：92點(diǎn)、DI信號(hào)：81點(diǎn)、DO信號(hào)：46點(diǎn)、RTD信號(hào)：59點(diǎn)、RS485：4點(diǎn)。其中與電氣專業(yè)的機(jī)泵監(jiān)視系統(tǒng)通訊采用RS485。

2.1 改造原則

1）保持原有的操作界面、操作習(xí)慣和系統(tǒng)功能。

2）控制系統(tǒng)CPU、各級(jí)網(wǎng)絡(luò)通訊、電源、用于控制的IO卡件等1：1冗余配置。

3）IO卡件備用數(shù)量不少于20%，機(jī)柜空間、卡槽位置、接線端子、繼電器等應(yīng)保障不低于20%的富余量。

4）提高控制系統(tǒng)的可維護(hù)性，提高數(shù)據(jù)和事件的可追溯性。

5）完成現(xiàn)有系統(tǒng)所有的控制功能、邏輯功能。

6）有完善的過(guò)程報(bào)警、系統(tǒng)報(bào)警查詢顯示功能。系統(tǒng)具備完善的軟件、硬件故障診斷及自診斷功能。

7）能夠?qū)崿F(xiàn)與總廠局域網(wǎng)絡(luò)的通訊，能夠融合其他公司標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)接口。

8）提供現(xiàn)場(chǎng)儀表及系統(tǒng)供電，并且現(xiàn)場(chǎng)與DCS供電回路要分開(kāi)提供。

2.2 系統(tǒng)配置

2.2.1 系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)實(shí)際需要，結(jié)合ECS-100控制系統(tǒng)的特性，如表1所示。它包括一個(gè)冗余的控制站、一個(gè)操作站、一個(gè)工程師站以及過(guò)程控制網(wǎng)ScnetⅡ、控制站內(nèi)部I/O控制總線SBUS的通訊系統(tǒng)。控制器型號(hào)FW247 ，采用深度全冗余技術(shù)。含有雙重化SCnetII網(wǎng)接口和冗余SBUS總線接口，控制器電源采用冗余配置。控制站通過(guò)冗余的SCnetII控制網(wǎng)與操作員站及工程師站通訊。系統(tǒng)可以接受雙電源1:1冗余供電。

表1 DCS系統(tǒng)IO卡件配置清單

I/O卡件備用空間已預(yù)留20%的余量，并已安裝機(jī)籠和空卡，在擴(kuò)容時(shí)只需裝上相應(yīng)的卡件立即就能投運(yùn)。

控制柜SC1為DCS控制柜，設(shè)有一個(gè)電源機(jī)籠及其卡件對(duì)應(yīng)接線端子板。在電源機(jī)籠中FW247主控制卡兩臺(tái)，1:1冗余。24V DC電源卡FW252-04A與5V DC電源卡FW252-03各兩臺(tái)，1:1冗余，分別為現(xiàn)場(chǎng)儀表及卡件底板提供電源，20槽位卡件機(jī)籠中，第一個(gè)卡件機(jī)籠從左至右依次放置兩塊電源指示卡FW221、2塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡FW233以及16塊FW351標(biāo)準(zhǔn)4—20mA信號(hào)輸入卡，冗余設(shè)計(jì)，主要處理模擬量輸入信號(hào)，第二個(gè)卡件機(jī)籠IO卡件插槽中分別放置6塊標(biāo)準(zhǔn)4—20mA輸入卡FW35，8塊熱電阻信號(hào)輸入卡FW353，主要處理模擬量輸入及鼓風(fēng)機(jī)定子溫度熱電阻信號(hào)。

控制柜SC2為DCS擴(kuò)展柜，設(shè)有一個(gè)電源機(jī)籠、兩個(gè)卡件機(jī)籠中只有24V 電源卡FW252-04A與5V DC電源卡FW252-03A 各兩塊，互為冗余。在第一個(gè)卡件機(jī)籠IO卡件插槽中分別放置12個(gè)模擬量輸出卡FW372，冗余設(shè)計(jì)，主要用于裝置調(diào)節(jié)閥控制。在第二個(gè)卡件機(jī)籠IO卡件插槽中分別放置3個(gè)數(shù)字信號(hào)輸出卡FW367、6個(gè)數(shù)字量信號(hào)輸入卡，冗余設(shè)計(jì)，主要用于鼓風(fēng)機(jī)潤(rùn)滑油壓力開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入及風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖信號(hào)至電氣。

2.2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

ECS系統(tǒng)采用了高速冗余工業(yè)以太網(wǎng)SCnetⅡ作為其過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示。

它直接連接系統(tǒng)的控制站、工程師站、操作員站、通訊接口單元等，是傳送過(guò)程控制實(shí)時(shí)信息的通道，具有很高的實(shí)時(shí)性和可靠性，通過(guò)掛接網(wǎng)橋，SCnetⅡ可以與上層的信息管理網(wǎng)或其它廠家設(shè)備連接[3-4]。

兩個(gè)主控制卡的SCNETⅡ網(wǎng)絡(luò)端口，通過(guò)網(wǎng)線連接到SCNETⅡ HUB上，實(shí)現(xiàn)主控制卡與操作站(或工程師站)連接，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)互為冗余。SCnetⅡ網(wǎng)絡(luò)中，通信電纜分為柜內(nèi)電纜和引出電纜。柜內(nèi)電纜確定為雙絞線，引出電纜則需要根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇適合的類型。由于控制站和操作站處于同一房間中，且節(jié)點(diǎn)間距離≤100m，因此選用雙絞線作為引出電纜。對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)適配卡具有RJ-45接口即可。

圖2 SCnetⅡ網(wǎng)絡(luò)總貌圖

控制站內(nèi)部I/O控制總線SBUS，IO 總線基于100M 冗余工業(yè)以太網(wǎng)/快速串行總線構(gòu)建，是系統(tǒng)板卡通訊的總線，它實(shí)現(xiàn)了主控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡和I/O 卡件之間快速、高效的信息交換。支持遠(yuǎn)程連接，通訊距離最大20km；每對(duì)主控制卡最大支持8 個(gè)I/O 機(jī)籠, 如圖3所示。

圖3 SBUS總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

SBUS總線的第一層為雙重化總線SBUS-S2。SBUS-S2總線是系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線，物理上位于控制站所管轄的所有卡件機(jī)籠之間，連接了主控制卡和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡，用于主控制卡與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡間的信息交換的通道，SBUS總線的第二層網(wǎng)絡(luò)為SBUS-S1網(wǎng)絡(luò)。物理上位于各I/O機(jī)籠內(nèi)，聯(lián)接了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡和各塊I/O卡件，用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡與各塊I/O卡件之間的信息交換。

SBUS-S1 和SBUS-S2合起來(lái)稱為ECS-100P DCS的SBUS總線，主控制卡通過(guò)它們來(lái)管理分散于各個(gè)機(jī)籠內(nèi)的I/O卡件。兩個(gè)主控制卡的SBUS網(wǎng)絡(luò)端口，通過(guò)網(wǎng)線連接至兩個(gè)SBUS HUB上，實(shí)現(xiàn)主控制卡與各個(gè)機(jī)籠連接，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)互為冗余。

2.2.3 軟件配置

ECS-100DCS系統(tǒng)軟件包Advan Trol-Pro2.5是基于WINDOWS2000/XP操作系統(tǒng)的自動(dòng)控制軟件應(yīng)用平臺(tái)，在DCS系統(tǒng)中完成系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)服務(wù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。該系統(tǒng)包括工程師軟件一套，操作員軟件兩套，以及一套OPC軟件。

2.3 控制方案

2.3.1 原控制及聯(lián)鎖方案均不變，主要控制回路如下：

1）PIC101/1、PIC101/2分程調(diào)節(jié)，壓力高時(shí)先關(guān)PV101/1，后開(kāi)PV101/2；壓力低時(shí)，先關(guān)PV101/2，后開(kāi)PV101/1。

2）PIC102/1、PIC102/2分程調(diào)節(jié)，壓力高時(shí)先關(guān)PV102/1，后開(kāi)PV102/2；壓力低時(shí)，先關(guān)PV102/2，后開(kāi)PV102/1。

3）FIQ101與FIC104組成比值控制系統(tǒng)，F(xiàn)T101的輸出通過(guò)FY101給定FIC104。

4）FIQ102與FIC103組成比值控制系統(tǒng)，F(xiàn)T102的輸出通過(guò)FY102給定FIC103。

5）PASL140/1-4鼓風(fēng)機(jī)AP201/1-4輸油管上油壓低報(bào)警聯(lián)鎖啟動(dòng)電動(dòng)油泵。

2.3.2 控制方案完善部分

1）增加鼓風(fēng)機(jī)潤(rùn)滑油壓力低及潤(rùn)滑油壓力低低旁路功能，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，以便于切出故障進(jìn)行處理。

2）流程圖畫(huà)面增加了邏輯圖顯示，有聯(lián)鎖條件時(shí)其相應(yīng)的位號(hào)變?yōu)榧t色，并且以報(bào)警畫(huà)面的形式彈出報(bào)警畫(huà)面，方便操作人員了解聯(lián)鎖條件。

3）增加手動(dòng)停鼓風(fēng)機(jī)及手動(dòng)啟輔泵按鈕，實(shí)現(xiàn)在控制室內(nèi)遠(yuǎn)程手動(dòng)停鼓風(fēng)機(jī)及手動(dòng)啟動(dòng)輔泵。

4）在原聯(lián)鎖邏輯基礎(chǔ)上對(duì)四臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)AP201-1、AP201-2、AP203-1、AP2014-3在流程圖畫(huà)面中增加聯(lián)鎖切除功能，便于在線處理時(shí)能夠切除聯(lián)鎖。

5）完善趨勢(shì)記錄，改造前系統(tǒng)記錄趨勢(shì)較少，且儀表信號(hào)采樣周期長(zhǎng)，本次改造將所有儀表信號(hào)采樣周期均設(shè)置為1S，縮短了記錄時(shí)間，方便查看趨勢(shì)記錄，有助于在故障時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)束語(yǔ)

ECS-100控制系統(tǒng)克服了以前控制系統(tǒng)抗干擾能力差及控制元器件老化等缺點(diǎn)，功能強(qiáng)大，組態(tài)界面及控制系統(tǒng)操作靈活方便，同時(shí)實(shí)施過(guò)程中結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，完善了相關(guān)的控制功能及操作畫(huà)面，經(jīng)過(guò)近4年的安全平穩(wěn)運(yùn)行，極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到了分公司對(duì)該項(xiàng)目的要求，體現(xiàn)了整個(gè)控制系統(tǒng)的先進(jìn)性、安全性和可靠性，同時(shí)也為同類項(xiàng)目的改造積累了成功的經(jīng)驗(yàn)。□

[1]SH/T 3092-1999 石油化工分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)石化出版社,1999.

[2]陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[3]彭瑜.過(guò)程控制系統(tǒng)技術(shù)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移和自動(dòng)化體系架構(gòu)的發(fā)展[J].石油化工自動(dòng)化,2009,45(2):1-6.

[4]葉向東.煉油廠自動(dòng)控制系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)[J].石油化工自動(dòng)化，2003,(1):1-3.