生產(chǎn)控制遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

楊 躍

（云南大為制氨有限公司 電儀中心，云南 沾益 655338）

0 引言

公司建有50萬噸/年合成氨裝置1套，53000Nm3/H空分裝置1套，130T/H鍋爐裝置4套，220T/H鍋爐裝置1套，30萬噸/年尿素裝置（C尿素裝置）1套，脫硫脫硝裝置1套。2017年通過資產(chǎn)業(yè)務(wù)重組，又并入18萬噸聯(lián)堿/年裝置1套，13萬噸/年尿素裝置（A/B尿素裝置）兩套，48000Nm3/日污水處理裝置1套。裝置建設(shè)時間有的前后相差近20年，采用的DCS控制系統(tǒng)類型和生產(chǎn)廠家不盡相同，公司DCS控制系統(tǒng)主要采用以下幾種類型：

1）合成氨裝置、空分裝置、30萬噸/年尿素裝置：采用了3套橫河CS3000 DCS系統(tǒng)，為了便于維護管理和數(shù)據(jù)共享，2016年通過對控制系統(tǒng)軟件硬件升級改造，合并為一整套大型DCS控制系統(tǒng)并升級到CENTUM VP。

2）130T/H鍋爐裝置，220T/H鍋爐裝置與脫硫脫硝裝置：原來采用3套獨立的橫河CS3000 DCS系統(tǒng)，2016年利用全廠停車機會合并為一整套控制系統(tǒng)并升級到CENTUM VP。

3）A/B兩套13萬噸尿素/年裝置：B尿素裝置采用浙江中控JX300XP控制系統(tǒng)；A尿素裝置采用UDC6000智能調(diào)節(jié)器+AIMAX工業(yè)控制機進行控制，由于使用時間長（20年），買不到備件，公司計劃采用浙江中控JX300XP對A尿素系統(tǒng)進行改造，將兩套系統(tǒng)合并在一起，可以精簡操作人員，提高生產(chǎn)效率。

4）污水處理裝置：采用浙江中控GSC-2 DCS系統(tǒng)。

5）聯(lián)堿裝置：采用霍尼韋爾HC900控制器+AIMAX工控機控制系統(tǒng)。

公司內(nèi)部設(shè)立有全廠生產(chǎn)調(diào)度室，負責(zé)統(tǒng)一指揮各個生產(chǎn)裝置的開車、停車，生產(chǎn)運行調(diào)整監(jiān)控。通過利用現(xiàn)有設(shè)備和通訊網(wǎng)絡(luò)進行改造，將不同的控制系統(tǒng)信號集中到生產(chǎn)調(diào)度室和網(wǎng)絡(luò)平臺進行顯示和監(jiān)控，以便于公司領(lǐng)導(dǎo)和調(diào)度人員準確了解生產(chǎn)裝置實時運行狀況，及時對生產(chǎn)進行調(diào)整，減少開停車時間，對異常情況進行處理，確保生產(chǎn)裝置正常穩(wěn)定運行，提高經(jīng)濟效益。

1 設(shè)計選型分析

遠程通訊由于距離遠，通常采用光纖進行連接，通訊協(xié)議有標(biāo)準或?qū)Ｓ靡蕴W(wǎng)、MODBUS RS485、MODBUS TCP/IP等，遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)可以采用遠程操作站、OPC上位機、MODBUS上位機等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

由于各個控制系統(tǒng)生產(chǎn)制造廠家不一樣，為了實現(xiàn)它們之間的通信，主要采用MODBUS和OPC協(xié)議，最常見的是MODBUS，最好的通信方法是用OPC[1]。

1.1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊方式

2017年，48000m3/d污水站，聯(lián)堿裝置、AB尿素裝置先后并入公司，為了加強管理，公司要求將上述裝置DCS監(jiān)控信號引入生產(chǎn)調(diào)度室進行集中顯示，通過分析研究，可以采用以下3種通訊方式進行遠程監(jiān)控：

1）遠程DCS操作站方式

將DCS系統(tǒng)信號引入生產(chǎn)調(diào)度室進行集中顯示，并通過權(quán)限設(shè)置，遠程操作站只能監(jiān)視，不能控制。優(yōu)點是與操作站監(jiān)控畫面一致，不用重新進行編程設(shè)計組態(tài)，工作量小，實施方便，只需要增加操作站電腦和軟件授權(quán)。不足之處是只能顯示本DCS系統(tǒng)的信號，不能實現(xiàn)信息共享，其它裝置操作人員不能查看該DCS的信號。

2）OPC通訊方式

OPC數(shù)據(jù)通訊量大，數(shù)據(jù)更新速度快，每秒可同時通訊達到數(shù)千上萬點。缺點是如果沒有采用隔離網(wǎng)關(guān)，不同DCS系統(tǒng)之間容易相互傳染病毒，而且OPC軟件由DCS廠提供，價格較貴。

3）MODBUS 通訊方式

圖1 光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Fiber optic network structur

圖2 污水站DCS與主裝置DCS通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 DCS communication network structure of DCS and main device in sewage station

MODBUS主要分MODBUS TCP/IP 和MODBUS/RS485兩種，MODBDUS TCP/IP采用以太網(wǎng)通訊，通訊速度快，通過光纖及光纖收發(fā)器可實現(xiàn)遠距離通訊。MODBUS RS485采用雙絞線通訊，通訊方式比較常見，大多數(shù)DCS系統(tǒng)均帶有MODBUS RS485功能，需要遠距離傳輸時，可采用MODBUS RS485光電轉(zhuǎn)換模塊及光纖實現(xiàn)。優(yōu)點是數(shù)據(jù)通訊不用考慮信號隔離，通訊協(xié)議開放，大多DCS系統(tǒng)都自帶有此功能，但要增加相應(yīng)的接口或卡件。缺點是通訊速度較慢，只適用于通訊點數(shù)少，實時性要求不高的地方。

1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于各個控制室之間距離比較遠，需要采用光纖進行通訊。為了降低成本，充分利用原有光纖，新增部分采用12芯單模光纖，建立控制室之間的通訊連接，光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 硬件設(shè)計

1.3.1 48000m3/d污水站DCS遠程監(jiān)控

除生產(chǎn)調(diào)度室遠程監(jiān)控外，合成氨分廠技術(shù)管理人員和操作人員需要監(jiān)控48000m3/d污水站DCS實時數(shù)據(jù)，通過分析決定利用浙江中控DCS CPU自帶的RS485串口[2]，采用MODBUS 與C尿素DCS控制站進行通信，制作DCS監(jiān)控畫面，實現(xiàn)DCS操作站遠程監(jiān)控。RS485轉(zhuǎn)光纖轉(zhuǎn)換器采用MOXA公司的TCF-142。通訊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.3.2 聯(lián)堿DCS遠程監(jiān)控

聯(lián)堿DCS系統(tǒng)采用HC-900控制器+AIMAX上位監(jiān)控軟件，首先將在調(diào)度室利用光纖以太網(wǎng)通訊，設(shè)置一臺遠程操作站對聯(lián)堿生產(chǎn)進行遠程監(jiān)視。

然后再建立MODBUS/TCP網(wǎng)絡(luò)，在C尿素DCS系統(tǒng)上增加一塊ALE111（MODBUS/TCP）通訊卡[3]，實現(xiàn)聯(lián)堿DCS與主裝置DCS進行數(shù)據(jù)交換。通訊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 聯(lián)堿 DCS 與主裝置DCS通訊網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 DCS Communication network diagram of alkali DCS and main device

圖4 B尿素DCS通訊光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 B Urea DCS communication optical fiber network structure

圖5 DCS與外網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊圖Fig.5 Communication diagram of DCS and extranet network

1.3.3 A/B尿素DCS遠程監(jiān)控

B尿素DCS系統(tǒng)采用浙大中控JX300-XP系統(tǒng)，同樣在調(diào)度室用光纖網(wǎng)通訊，安裝1臺遠程操作站對B尿素生產(chǎn)進行遠程監(jiān)視，A尿素則等待DCS升級改造后，與B尿素DCS合并為1個系統(tǒng)。

在JX-300XP機架內(nèi)安裝1塊XP248（MODBUS RS485）通訊卡，并增加1塊RS485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)（MOXA公司的MB3180），如圖4所示。利用備用光纖，建立MODBUS/TCP網(wǎng)絡(luò)，與C尿素DCS系統(tǒng)上的ALE111 MODBUS/TCP進行通訊，實現(xiàn)了同主裝置DCS進行數(shù)據(jù)交換的功能。

1.3.4 DCS系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)通訊

由于公司氨罐區(qū)屬于一級重大危險源，需要將兩個常壓氨罐和1個加壓球罐的溫度、壓力、液位等28個關(guān)鍵數(shù)據(jù)遠傳至省高危行業(yè)企業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺，為了實現(xiàn)DCS數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)酵獠抗W(wǎng)，采用了北京力控華康公司的pSafetyLink系列工業(yè)安全隔離網(wǎng)關(guān)，pSafetyLink系列工業(yè)安全隔離網(wǎng)關(guān)的雙獨立主機系統(tǒng)分為控制端和信息端，分別接入控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)，完成OPC Server和OPC Client的通信，同時兩主機之間采用專用網(wǎng)絡(luò)隔離技術(shù)，在保證OPC數(shù)據(jù)快速交互的同時徹底阻斷其它網(wǎng)絡(luò)連接，保證了控制網(wǎng)絡(luò)的安全。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2 生產(chǎn)遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)運行情況

2.1 改造后的生產(chǎn)調(diào)度遠程DCS監(jiān)控系統(tǒng)

圖6 遠程監(jiān)控操作站Fig.6 Remote monitoring operation station

在公司生產(chǎn)調(diào)度室安裝調(diào)試完成了聯(lián)堿DCS遠程操作站和B尿素DCS遠程操作站，如圖6所示。遠程站與本地操作站功能完全一樣，為了避免誤動作，通過權(quán)限設(shè)置，只能監(jiān)視不能控制。

2.2 48000m3/D污水站遠程監(jiān)控

48000 m3/D污水站在線分析數(shù)據(jù)是公司重點監(jiān)管的對象，通過網(wǎng)絡(luò)通訊實現(xiàn)了中控和生產(chǎn)調(diào)度室的對污水在線分析數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。

2.3 聯(lián)堿和B尿素DCS計量數(shù)據(jù)和關(guān)鍵參數(shù)引入主裝置DCS監(jiān)控

聯(lián)堿DCS及A/B尿素DCS系統(tǒng)通過MODBUS TCP/IP和MODBUS RS485通訊實現(xiàn)與主裝置橫河DCS的通訊，聯(lián)堿與B尿素計量報表集中到主裝置DCS上監(jiān)控。

3 結(jié)論

通過綜合利用DCS網(wǎng)絡(luò)通訊軟件技術(shù)，并增加部分網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，建立遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。同時減少危險現(xiàn)場操作人員的人數(shù)，降低操作難度和強度，提高工作效率。

需要注意的是由于通訊數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，有的數(shù)據(jù)信號要進行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換和計算，才能保證數(shù)據(jù)的一致，通訊數(shù)據(jù)調(diào)試要花很多的時間和功夫，推薦使用ModScan32/ModSim32調(diào)試和仿真軟件，可以提高數(shù)據(jù)處理的效率。

通過本次網(wǎng)絡(luò)安裝和系統(tǒng)改造，建成了一個安全可靠的全廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺，為今后建立能源計量管理系統(tǒng)、生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)庫和生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES)提供了良好的基礎(chǔ)。