HOLLiAS MACSTM系統(tǒng)在植物保護(hù)劑裝置上的應(yīng)用

賴建新，廖友輝

（杭州和利時自動化有限公司，杭州 310018）

0 引言

歐洲某世界500強(qiáng)和全球化工行業(yè)的領(lǐng)頭企業(yè)，從20世紀(jì)90年代開始在中國大陸組建生產(chǎn)基地。為了融入中國本土，大部分管理層逐步實(shí)現(xiàn)了本地化，生產(chǎn)裝備的本地化采購份額也在逐年加大，而對于生產(chǎn)裝置中素有“大腦”之稱的DCS和Batch等自控系統(tǒng)的本地化，卻一直非常謹(jǐn)慎。植物保護(hù)劑是該公司投資在中國的一個精細(xì)化工生產(chǎn)裝置，采用了和利時的DCS和Batch系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的配方管理、批次控制等功能；從2005年開始，和利時公司優(yōu)質(zhì)的項(xiàng)目管理和穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)，持續(xù)為該公司的聚異氰酸酯、催化劑、植物保護(hù)劑等裝置提供了自控方面的硬件、軟件、設(shè)計(jì)、實(shí)施及文檔等服務(wù)，獲得了該公司的一致認(rèn)可；和利時的DCS和Batch等控制系統(tǒng)在這些項(xiàng)目上的成功、穩(wěn)定運(yùn)行，體現(xiàn)了以和利時公司為代表的國產(chǎn)控制系統(tǒng)具備與國外同行同臺競技的實(shí)力，為國產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)一步國際化提供了檢驗(yàn)的平臺和試金石。

圖1 水乳劑加工工藝流程圖Fig.1 Flow chart of water emulsion processing

1 系統(tǒng)概述

生產(chǎn)植物保護(hù)劑為新型、綠色、環(huán)保化學(xué)農(nóng)藥，主要分為：水乳劑、懸浮劑。

水乳劑：最具“綠色”特性的劑型之一，其工藝流程大致如圖1所示。

懸浮劑：是農(nóng)藥加工的一種新劑型。懸浮劑的工藝流程大致如圖2所示。

植物保護(hù)劑裝置的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，工藝聯(lián)鎖和邏輯控制要求高，該裝置進(jìn)入DCS系統(tǒng)的控制聯(lián)鎖圖就達(dá)150頁（A4）之多；流程控制精度要求高，工藝控制指標(biāo)苛刻，溫度控制精度甚至高達(dá)0.2℃，反應(yīng)釜解耦控制難度大，對DCS系統(tǒng)提出了很大挑戰(zhàn)；產(chǎn)品的品種較多，變換頻繁，要求系統(tǒng)具備隨時根據(jù)訂單來組織生產(chǎn)，即要求具備配方管理和批次控制等Batch功能；該公司基于自身積累的一套標(biāo)準(zhǔn)來要求DCS和Batch滿足其使用習(xí)慣、系統(tǒng)維護(hù)、甚至控制算法功能等要求。

2 系統(tǒng)可行性論證

植物保護(hù)劑裝置采用的自控系統(tǒng)是和利時第五代DCS系統(tǒng)——HOLLiAS-MACS和第二代Batch軟件。HOLLiASMACS系統(tǒng)是和利時在總結(jié)二十多年的用戶需求和眾多行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)，并積累前面四代DCS系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合自身核心技術(shù)與目前主流控制理念而推出的新一代DCS。

HOLLiAS-MACS系統(tǒng)綜合和使用了國際主流的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)，通過利用先進(jìn)的軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)以及微電子技術(shù)，使該系統(tǒng)滿足了高端DCS系統(tǒng)所必備的高可靠性、易用性、先進(jìn)性等要求[1]。

2.1 高可靠性

HOLLiAS-MACS系統(tǒng)在設(shè)計(jì)理念、器件采購、流程制造、質(zhì)量檢測等各個環(huán)節(jié)保證其可靠性。至2018年，已成功運(yùn)用于近20000個項(xiàng)目，足以證明HOLLiAS-MACS系統(tǒng)是成熟、可靠的系統(tǒng)。

2.2 易用性

圖2 懸浮劑加工工藝流程圖Fig.2 Flow chart of suspending agent processing

一個好的控制系統(tǒng)，應(yīng)該體現(xiàn)好用易用的原則，不能讓用戶學(xué)習(xí)和使用起來感到枯燥或繁瑣，而應(yīng)該降低系統(tǒng)推廣和使用的難度，使用戶能快速地熟悉、掌握。HOLLiAS-MACS系統(tǒng)在軟、硬件方面體現(xiàn)了易用性的兩個原則：

1）易維護(hù)原則

易維護(hù)性：系統(tǒng)一般分為硬件和軟件。

硬件的易用性，包括熱插拔、無跳線、零接線、容錯、智能運(yùn)行診斷、故障快速定位、局部相關(guān)等。

軟件的易用性，包括界面友好、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的軟件組織方式、豐富的組態(tài)和在線幫助信息、快速在線查找相應(yīng)的組態(tài)信息和參數(shù)。

2）易操作原則

易操作性：主要包括統(tǒng)一的界面、系統(tǒng)具有豐富的聯(lián)機(jī)幫助和操作指導(dǎo)等。

2.3 先進(jìn)性

HOLLiAS-MACS系統(tǒng)從多個角度考慮，確保系統(tǒng)的先進(jìn)性。把它概括為以下幾個方面：

標(biāo)準(zhǔn)化：包括：硬件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化，軟件開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化，產(chǎn)品性能、接口和特點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化等。如：控制算法組態(tài)符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)。

高級功能的提供：除了傳統(tǒng)的控制和監(jiān)視外，還提供了眾多的先進(jìn)控制模塊、專用控制模塊、系統(tǒng)函數(shù)的調(diào)用接口、批量控制功能等。

新技術(shù)的采用：如總線技術(shù)的采用（支持PROFIBUS/HART/MODBUS等國際上常用現(xiàn)場總線）等。

一鍵切換功能：為了滿足系統(tǒng)的國際化要求，在操作界面上支持多國語言隨時切換，真正實(shí)現(xiàn)多語言一鍵自動切換功能。

通過上述論證、分析，HOLLiAS-MACS系統(tǒng)不僅能滿足該公司基于自身積累的一套DCS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，即：滿足其使用習(xí)慣（風(fēng)格統(tǒng)一）、系統(tǒng)維護(hù)（簡單方便）、專用控制算法（自有控制算法模式）等標(biāo)準(zhǔn)，也滿足植物保護(hù)劑裝置對DCS系統(tǒng)高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，能夠順利完成植物保護(hù)劑裝置復(fù)雜的過程控制任務(wù)。

3 系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目系統(tǒng)測點(diǎn)共計(jì)有近2000個，有100多個Profibus-DP & Modubs通訊節(jié)點(diǎn)。具體情況見表1。

表1 I/O測點(diǎn)Table 1 I/O point

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System network structure diagram

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該項(xiàng)目DCS系統(tǒng)配置1臺工程師站，1臺Batch服務(wù)器，2臺歷史站，20套現(xiàn)場操作員站。

現(xiàn)場控制站由1臺主控柜和2臺擴(kuò)展柜組成。主控柜安裝一對冗余控制器、冗余分布式電源模塊以及若干I/O模塊；擴(kuò)展柜除安裝冗余的分布式電源模塊以及I/O模塊之外，還為現(xiàn)場信號配置了安全柵。

整個項(xiàng)目配置一個電源柜，用于DCS系統(tǒng)設(shè)備以及現(xiàn)場儀表的配電。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 系統(tǒng)的配置原則

HOLLiAS-MACS系統(tǒng)在配置時，遵循如下原則：

冗余原則：控制器、通訊總線、網(wǎng)絡(luò)、電源等關(guān)鍵設(shè)備，采用1:1冗余。

裕量原則：系統(tǒng)空間和I/O模塊配置預(yù)留≥15%。

負(fù)荷原則：系統(tǒng)負(fù)荷≤40%，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷≤40%，電源負(fù)荷≤60%。

圖4 通訊鏈路Fig.4 Communication link

完整原則：以滿足系統(tǒng)需求為基本原則進(jìn)行完整配置。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)，防網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，雙冗余結(jié)構(gòu)，應(yīng)用時可以保證在任何一條網(wǎng)絡(luò)失效的情況下都不影響系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制站與系統(tǒng)操作員站、工程師站與服務(wù)器站的互連。

控制網(wǎng)絡(luò)采用技術(shù)成熟的、可靠性高的高速現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)——Profibus-DP現(xiàn)場總線。除了實(shí)現(xiàn)智能過程I/O模塊與現(xiàn)場控制站主控單元的通信外，還用來鏈接70多個智能馬達(dá)（MCC）和變頻器的DP通訊，實(shí)現(xiàn)與DCS系統(tǒng)的無縫鏈接。通訊鏈路如圖4所示。

4 系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目的系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)《合同》《技術(shù)協(xié)議》《開工聯(lián)絡(luò)會紀(jì)要》《設(shè)計(jì)資料》等技術(shù)資料和要求，包括：硬件設(shè)計(jì)、控制方案設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、說明文檔設(shè)計(jì)等，每項(xiàng)設(shè)計(jì)都必須通過雙方審核、確認(rèn)，才能進(jìn)行其他相應(yīng)的工作。下面分別介紹各個設(shè)計(jì)階段的相應(yīng)工作和要求。

4.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)《開工聯(lián)絡(luò)會紀(jì)要》和《技術(shù)協(xié)議》的要求，設(shè)計(jì)完整的《系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及布線文件》《系統(tǒng)接線圖》和《第三方通訊地址表》等，詳細(xì)地說明系統(tǒng)的“網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)”“控制柜設(shè)備布置”“配電柜設(shè)備布置”“接線圖”等各個功能部件的位置和名稱[2]，如圖5所示。

通過詳細(xì)的集成設(shè)計(jì)，把零散的硬件集成為一個完整的系統(tǒng)，裝配部門可根據(jù)該設(shè)計(jì)圖進(jìn)行裝配工作，現(xiàn)場安裝人員可以根據(jù)該設(shè)計(jì)圖進(jìn)行接、配線工作，用戶可根據(jù)該設(shè)計(jì)圖進(jìn)行查線維護(hù)等工作。

4.2 控制方案設(shè)計(jì)

圖5 工程項(xiàng)目系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及布線文件—控制柜設(shè)備布置Fig.5 System structure and wiring file of engineering project-equipment arrangement of control cabinet

圖6 邏輯控制回路圖Fig.6 Logical control loop diagram

控制方案設(shè)計(jì)必須符合該公司標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)在確保安全穩(wěn)定的原則下提供更多的信息，減少信息盲區(qū)，方便操作和維護(hù)。在這些工程設(shè)計(jì)中，包括：儀表回路圖、邏輯控制回路圖、聯(lián)鎖控制圖、順序控制圖、緊急停車系統(tǒng)圖等；這些控制方案及回路圖的設(shè)計(jì)，均需體現(xiàn)：信號來源和去向、標(biāo)注來自的邏輯位號和邏輯圖號、順序步控制條件動作等，邏輯控制回路圖如圖6所示。

4.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括：系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)、工藝流程畫面設(shè)計(jì)、報警設(shè)計(jì)、日志設(shè)計(jì)、報表設(shè)計(jì)、趨勢設(shè)計(jì)、權(quán)限設(shè)計(jì)、區(qū)域設(shè)計(jì)等工作。下面著重主要介紹組態(tài)設(shè)計(jì)、工藝流程畫面設(shè)計(jì)和區(qū)域設(shè)計(jì)。

1）組態(tài)設(shè)計(jì)：根據(jù)控制方案設(shè)計(jì)圖，確定軟件組態(tài)的設(shè)計(jì)風(fēng)格和所使用的組態(tài)語言。

2）工藝流程畫面設(shè)計(jì)：統(tǒng)一流程畫面風(fēng)格、操作面板、符號顯示、相應(yīng)的操作按鈕等；統(tǒng)一的畫面布局，一級（總貌）、二級（工段圖）、三級（工藝詳圖）畫面切換和遞進(jìn)到詳細(xì)的工藝畫面。流程畫面一層一層展開，確保操作的安全性和層次性。對于工藝流程畫面設(shè)計(jì)，突出以下特點(diǎn)：

以面向?qū)ο鬄橹行牡脑O(shè)計(jì)思路：如以一個閥門為例。

①顯示/操作：該閥門位號和說明、開/關(guān)反饋狀態(tài)、開/關(guān)命令狀態(tài)、聯(lián)鎖狀態(tài)、報警狀態(tài)、信號品質(zhì)、開/關(guān)限時顯示與設(shè)置、開關(guān)控制、手自動切換等。

圖7 面板控制Fig.7 Panel control

②鏈接/診斷：該閥門所在的流程圖頁面、此流程圖頁面所在的子總貌圖、該閥門的聯(lián)鎖邏輯圖，如果有多幅聯(lián)鎖邏輯圖的話，彈出選擇框、該閥門所在的趨勢組畫面、操作組畫面、信號品質(zhì)畫面（含診斷信息、如位號質(zhì)量狀態(tài)，斷線、短路、超時等）。

③報警/確認(rèn)：該閥門報警信息及其確認(rèn)。

④輔助/幫助：工程師輔助信息，如位號的接線圖、儀表、模塊、安全柵等設(shè)備的說明書；操作人員的幫助信息，如：面板的使用指南等。

在設(shè)備“面板”里，能夠完成該設(shè)備全部的操作，具有很多重要的功能特點(diǎn)，如：強(qiáng)制與在線仿真、斷線檢測、短路檢測等非常實(shí)用的功能，不僅減少在各軟件或各畫面之間的來回切換，還能在“面板”中迅速完成這些操作和診斷，為系統(tǒng)維護(hù)和回路測試提供了方便，如圖7所示。

以面向?qū)ο笏枷氲膽?yīng)用設(shè)計(jì)理念：在系統(tǒng)組態(tài)里，全面貫穿了面向?qū)ο蟮乃枷耄矗翰僮魅藛T看到的儀表位號已經(jīng)不是單一的一個儀表位號，而是一個儀表設(shè)備。

以多語言在線切換為設(shè)計(jì)原則：系統(tǒng)內(nèi)置字典實(shí)現(xiàn)語言翻譯，使多語言功能的在線交互使用變得方便、易用，提供對不同使用者的多語言支持，滿足用戶中英或多語言一鍵切換的訴求。

3）區(qū)域設(shè)計(jì)：根據(jù)對操作區(qū)域的不同，只允許操作權(quán)限許可的區(qū)域。

4.4 Batch實(shí)現(xiàn)的功能

4.4.1 Batch功能塊設(shè)計(jì)

功能塊程序語言要求使用SFC（順控），用此語言的目的是方便調(diào)試和維護(hù)，對當(dāng)前該功能塊運(yùn)行的狀態(tài)一目了然，當(dāng)前狀態(tài)的條件是否滿足很清晰；編寫功能塊可以先按照預(yù)設(shè)功能編寫邏輯順控圖（如“自動加料”動作），提列出主要的輸入/輸出變量，中間變量可以在編寫程序過程中根據(jù)需要增加。

4.4.2 Batch人機(jī)交互

圖8 功能塊Fig.8 Functional block

圖9 內(nèi)部順控圖Fig.9 Internal sequence control diagram

在該界面中包含了Batch的控制配方信息，如控制配方號、批次產(chǎn)量、主配方名稱、生產(chǎn)計(jì)劃號、生產(chǎn)計(jì)劃描述、控制配方名稱、控制配方描述、單元程序、單元描述、操作名稱、操作描述、操作狀態(tài)、物料、物料量等14項(xiàng)信息；包含了該單元的攪拌狀態(tài)、循環(huán)狀態(tài)、保溫狀態(tài)等信息；以及動作步驟、動作信息和交互操作、操作參數(shù)信息等。

4.4.3 批次報表

以批次為單位記錄該批次所有的生產(chǎn)過程和“足跡”，即批報表；批報表中包含了生產(chǎn)計(jì)劃ID、控制配方ID、主配方名稱、單元程序、操作步驟名稱、操作步開始時間、操作步結(jié)束時間、參數(shù)名稱以及參數(shù)值等。

圖10 Batch人機(jī)交互Fig.10 Batch HMI

圖11 批次報表Fig.11 Batch report

4.5 說明文檔設(shè)計(jì)

對于一套完整的DCS系統(tǒng)而言，除了前面所提的《工程項(xiàng)目系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及布線文件》和《控制方案》等設(shè)計(jì)圖紙外，還需要其他很大一部分的文檔設(shè)計(jì)工作，且都必須針對于本項(xiàng)目，包括：系統(tǒng)組態(tài)數(shù)據(jù)表、硬件配置說明、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)說明書、組態(tài)手冊、操作手冊、外購設(shè)備說明書、維護(hù)手冊、培訓(xùn)手冊等文檔設(shè)計(jì)。

通過這些文檔的設(shè)計(jì)，項(xiàng)目組可以根據(jù)文檔進(jìn)行組態(tài)、編程、調(diào)試等，施工單位可根據(jù)這些文檔進(jìn)行安裝、布線、接線等工作，現(xiàn)場使用部門能根據(jù)這些文檔進(jìn)行操作、維護(hù)、培訓(xùn)等工作。

5 系統(tǒng)測試與工廠驗(yàn)收

系統(tǒng)的測試和工廠驗(yàn)收，是和利時對產(chǎn)品的系統(tǒng)功能、設(shè)計(jì)可靠性等方面進(jìn)行的重要品質(zhì)監(jiān)控環(huán)節(jié)，也是用戶對系統(tǒng)性能和組態(tài)完整性的一次檢閱。因此，此階段的檢查和測試對雙方來說都是特別關(guān)注的節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)測試與工廠驗(yàn)收環(huán)節(jié)，結(jié)合了和利時自身的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)文件和用戶提供的針對本項(xiàng)目的功能規(guī)范、質(zhì)量體系等標(biāo)準(zhǔn)，從系統(tǒng)階段性測試到出廠完整性測試的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)和步驟等進(jìn)行了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和流程規(guī)劃。內(nèi)容包括：硬件測試、系統(tǒng)功能測試、操作站功能測試、控制站功能測試、高級算法測試、第三方設(shè)備通訊測試、異?；謴?fù)測試等。

控制站功能測試：分為通道測試、回路控制（通過信號發(fā)生器給實(shí)際值，或仿真方式賦強(qiáng)制值，檢查控制回路的正確性和控制性能等）、順序及邏輯控制、報警等4步。

高級算法測試：對于某些特殊的工藝環(huán)境和參數(shù)，需要定制特殊的功能塊或采用編程語言進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)（如ST語言），高級算法實(shí)現(xiàn)的功能，根據(jù)業(yè)主、工藝或設(shè)計(jì)方提供的資料來完成。

第三方設(shè)備通訊測試：該項(xiàng)目的第三方設(shè)備較多，如：通過DCS系統(tǒng)內(nèi)的馬達(dá)控制功能塊（SMTMCC），對智能馬達(dá)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。

異?；謴?fù)測試：即帶電熱插拔測試（I/O模塊、主控單元、電源模塊等），檢查這些異常及故障是否對系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成影響等。

標(biāo)準(zhǔn)的文件記錄格式，即：檢查的目的、參照的依據(jù)、檢查的方法、評判的標(biāo)準(zhǔn)都分步列出，然后得出各階段檢查的結(jié)果或結(jié)論（存在的問題，如何解決，何時解決，檢查通過、未通過的結(jié)論）。

最后，對本次系統(tǒng)測試和工廠驗(yàn)收（FAT）做一個整體結(jié)論，擬定FAT報告，對不合格項(xiàng)提出整改的方案、整改的時間、復(fù)查的時間等都需寫進(jìn)FAT報告中，成為該項(xiàng)目質(zhì)量文檔的一部分予以歸檔備查。

6 結(jié)論

植物保護(hù)劑裝置規(guī)模不大，其I/O測點(diǎn)數(shù)量也不多，但實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)要求高，功能要求全，性能要求嚴(yán)，系統(tǒng)要求穩(wěn)，文檔要求細(xì)，而項(xiàng)目最終成功實(shí)施，既是對HOLLiAS MACSTM系統(tǒng)的一次性能驗(yàn)證，也是對和利時工程實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)隊(duì)能力的一次提升。植物保護(hù)劑裝置從2013年投運(yùn)以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，功能全部滿足工藝要求，充分證明了和利時不僅能為國內(nèi)外精細(xì)化工企業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的DCS、Batch等自動化系統(tǒng)產(chǎn)品和完善的解決方案，也能為精細(xì)化工提供領(lǐng)先的行業(yè)工程實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)和服務(wù)。進(jìn)一步凸顯國產(chǎn)自動化系統(tǒng)的產(chǎn)品性能和優(yōu)勢，不斷提升Batch等軟件的功能和成熟度，以滿足精細(xì)化工行業(yè)對自動化、數(shù)字化、智能化的需求，既是HOLLiAS MACSTM系統(tǒng)走向國際化所需擔(dān)負(fù)的責(zé)任，也是國產(chǎn)自動化系統(tǒng)在全球化背景下占有一席之地的希望所在。