DCS 與 PLC 在潤滑油生產(chǎn)中的應(yīng)用對比分析

李勇 吳振強(qiáng) 秦偉 楊勇 肖財(cái)春

1 天津日石潤滑油脂有限公司

2 西門子（中國）有限公司

DCS（分散式控制系統(tǒng)）與PLC（可編程邏輯控制系統(tǒng)）在石油化工領(lǐng)域尤其是潤滑油行業(yè)中應(yīng)用廣泛，二者有其各自的特性。DCS 系統(tǒng)相較于PLC 系統(tǒng)，在穩(wěn)定性、精確性、可追溯性及可擴(kuò)展性方面，有其獨(dú)特優(yōu)勢。隨著技術(shù)的發(fā)展和企業(yè)對控制系統(tǒng)要求的提高，很多工廠開始重新審視DCS和PLC 控制系統(tǒng)兩者的優(yōu)劣，逐漸將PLC 系統(tǒng)整改為DCS 系統(tǒng)。本文介紹了天津日石潤滑油脂有限公司對生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行的升級改造，通過將PLC系統(tǒng)升級為DCS 系統(tǒng)，提高了整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

潤滑油類產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于能源、機(jī)械、汽車等工業(yè)領(lǐng)域，隨著這些產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，市場對潤滑油的需求越來越大，同時(shí)對潤滑油的品質(zhì)要求也越來越高[1]，這就促使?jié)櫥推髽I(yè)不斷對生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行改造，對生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行提高，以更少的成本生產(chǎn)出更多質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。

天津日石潤滑油脂有限公司（簡稱天津日石）成立于1995 年，是由躋身世界前十強(qiáng)的兩家能源公司——中國石油化工股份有限公司、吉坤日礦日石能源株式會社（日本）以及擁有近百年貿(mào)易經(jīng)驗(yàn)的明和產(chǎn)業(yè)株式會社（日本）三方共同出資興建的專業(yè)潤滑油脂生產(chǎn)工廠。其設(shè)計(jì)產(chǎn)能為15 萬t/a，現(xiàn)行生產(chǎn)控制系統(tǒng)為PLC（可編程邏輯控制系統(tǒng)）。由于產(chǎn)能的擴(kuò)大及對產(chǎn)品質(zhì)量要求、生產(chǎn)過程可追溯性要求的提高，原有生產(chǎn)控制系統(tǒng)已不能滿足要求，需要進(jìn)行升級改造，經(jīng)過多方調(diào)研與考察，最終決定升級為DCS（分散式控制系統(tǒng)）。

天津日石PLC 控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與缺陷

PLC 側(cè)重于邏輯控制[2]，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

◇從系統(tǒng)機(jī)構(gòu)上，PLC 多采用單操作員結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫不統(tǒng)一，系統(tǒng)之間的協(xié)同工作與數(shù)據(jù)共享相對困難。

◇從系統(tǒng)規(guī)模上，PLC 系統(tǒng)適用于點(diǎn)數(shù)較少的離散控制，對于有數(shù)量較多的控制回路系統(tǒng)來說，PLC 要完成一些復(fù)雜運(yùn)算還是比較困難。

◇從編程方式上，PLC 采用梯形圖編程，不太直觀，且編程思路沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對維護(hù)人員有較高要求。

◇從運(yùn)行界面上，畫面的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，比較凌亂，系統(tǒng)報(bào)警信息較少，沒有足夠的預(yù)警功能，缺少對系統(tǒng)的預(yù)判斷。

天津日石生產(chǎn)設(shè)備較多且性能各異。調(diào)和工段分調(diào)和一區(qū)、調(diào)和二區(qū)和調(diào)和三區(qū)，共29 套生產(chǎn)裝置，調(diào)和罐容1 kL ～200 kL；灌裝工段分灌裝一區(qū)和灌裝二區(qū)，共12 條灌裝線，可灌裝130 mL ～200 L 包裝產(chǎn)品。PLC 控制系統(tǒng)是隨設(shè)備增加來分階段逐步擴(kuò)容的，這直接導(dǎo)致生產(chǎn)管理難度的增大。同時(shí)，由于天津日石PLC 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)較早、設(shè)備老舊、功能缺失，對日常的維護(hù)工作造成了極大的困難，生產(chǎn)過程追溯困難、故障增多等問題相應(yīng)產(chǎn)生。總結(jié)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行PLC系統(tǒng)主要存在以下缺陷：

◇各個(gè)工藝單元的控制系統(tǒng)完全隔離獨(dú)立，管理層無法獲取全廠的工藝操作信息和關(guān)鍵的管理數(shù)據(jù)。

◇PLC 型號不統(tǒng)一，替換性差。PLC 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)混亂，PLC 及電腦IP地址沒有規(guī)律、混亂，容易出現(xiàn)地址沖突。用戶缺少現(xiàn)有控制系統(tǒng)的程序和資料，給維護(hù)帶來很大的困難，也難以對現(xiàn)有的工藝控制進(jìn)行優(yōu)化?，F(xiàn)有系統(tǒng)信號標(biāo)識與程序地址缺少對應(yīng)，出現(xiàn)故障全憑經(jīng)驗(yàn)或找線來判斷問題點(diǎn)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間現(xiàn)場查找信號分析問題，難以快速排除故障恢復(fù)生產(chǎn)。

◇部分機(jī)柜的元器件老化，多年來不斷地增加信號，造成內(nèi)部接線復(fù)雜。后期改造信號追加都是就近接入附近的PLC，不考慮系統(tǒng)的統(tǒng)一性，造成各工段信號的互相交叉，個(gè)別PLC 故障會造成全廠停車，對于裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)存在很大的隱患。

◇電腦沒有設(shè)置權(quán)限，各臺電腦都能操作及控制設(shè)備，安全性差。

◇缺少歷史記錄功能，操作信息難以追溯。后續(xù)功能擴(kuò)展性差，不能實(shí)現(xiàn)配方管理等功能。

DCS 系統(tǒng)改造

DCS 將控制器分散在自動化系統(tǒng)中，并提供通用的接口、先進(jìn)的控制、系統(tǒng)級數(shù)據(jù)庫以及易于共享的信息[3]。對于單機(jī)裝置，PLC 系統(tǒng)能夠滿足集成需求。但當(dāng)工廠配置多個(gè)PLC 系統(tǒng)時(shí)，就會產(chǎn)生相互連接的要求。這一般很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橥ǔＰ枰猛ㄐ艆f(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行映射。即使能夠集成，但當(dāng)系統(tǒng)有變更需求時(shí)，一旦某個(gè)PLC 系統(tǒng)做了變更，數(shù)據(jù)映射受到影響，有可能會導(dǎo)致兩個(gè)PLC 之間不能正常通訊。而DCS 控制系統(tǒng)不需要映射，配置變更只是一個(gè)簡單的過程，控制器也是系統(tǒng)自帶的。同時(shí)，DCS能夠提供冗余配置，對可用性要求較高的過程，冗余對于系統(tǒng)的長期運(yùn)行及維持預(yù)算至關(guān)重要。

2018年12月，天津日石對生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，采用西門子PCS7 過程控制系統(tǒng)（全集成自動化平臺）對現(xiàn)有的PLC 系統(tǒng)進(jìn)行更新，更換現(xiàn)有的控制器、軟件、計(jì)算機(jī)，搭建新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，更新部分I/O卡件及通訊卡，替換掉已停產(chǎn)的卡件，增加部分卡件以滿足工藝需求，機(jī)柜內(nèi)部重新規(guī)劃并適當(dāng)增加相應(yīng)機(jī)柜，接線重新標(biāo)識，控制系統(tǒng)功能和操作畫面組態(tài)，并增加Batch批次控制功能。改造后的DCS 全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖1。

由圖1 可見，公司原先雜亂無章的各個(gè)小系統(tǒng)被整合到3 對冗余的CPU 中，分別用以處理調(diào)和一區(qū)（包括灌裝一區(qū)、罐裝二區(qū)）、調(diào)和二區(qū)、調(diào)和三區(qū)的控制信號。3對CPU 通過貫穿全廠的高速冗余光纖環(huán)網(wǎng)將現(xiàn)場信息集中到1 對冗余服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，各區(qū)的操作員站通過這對冗余服務(wù)器得到各區(qū)資源的共享和統(tǒng)一管理。

圖1 DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

DCS 優(yōu)勢分析

改造完成后，通過多批次生產(chǎn)驗(yàn)證，DCS 發(fā)揮了它技術(shù)方面的優(yōu)勢：系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，維護(hù)更加方便，控制更加精確，對加入原料的品種、加入量、溫度、時(shí)間及設(shè)備運(yùn)行情況都進(jìn)行了控制，并且對各種運(yùn)行參數(shù)及操作工藝都進(jìn)行了詳細(xì)記錄，增加了生產(chǎn)過程的可追溯性。同時(shí)，在系統(tǒng)規(guī)模上，DCS系統(tǒng)使用于點(diǎn)數(shù)較多的過程控制，各方面的配置都要高于PLC 系統(tǒng)，能處理很多更為復(fù)雜的控制回路。

改造后DCS 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與原PLC 系統(tǒng)有以下不同：

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一般來講，DCS 系統(tǒng)通常使用雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一層為過程級網(wǎng)絡(luò)，第二層為操作機(jī)網(wǎng)絡(luò)[4]。二者可以合并在一起，也可以將過程級網(wǎng)絡(luò)簡化成模件之間的內(nèi)部連接。當(dāng)現(xiàn)場I/O 模塊及模擬量的采樣數(shù)據(jù)十分龐大，且現(xiàn)場干擾因素較多時(shí)，應(yīng)采用數(shù)據(jù)吞吐量大、抗干擾能力強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，I/O 模塊的采樣數(shù)據(jù)經(jīng)CPU 轉(zhuǎn)換后變?yōu)檎螖?shù)據(jù)或?qū)嵭袛?shù)據(jù)，在操作網(wǎng)絡(luò)（第二層網(wǎng)絡(luò)）上傳輸。而PLC 系統(tǒng)的工作任務(wù)相對簡單，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量一般也不會很大，所以常見的PLC 系統(tǒng)為一次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。改造后的新DCS 系統(tǒng)采用安全可靠的冗余高速通訊網(wǎng)絡(luò)，使用服務(wù)器-客戶機(jī)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)存放在統(tǒng)一的服務(wù)器平臺上，使得全廠各工段的信息得到最大程度的共享，方便管理者對所有信息進(jìn)行監(jiān)控和管理。

畫面層級

天津日石原PLC 系統(tǒng)畫面（圖2）是不分層級的，即各個(gè)畫面之間沒有隸屬，相互獨(dú)立，這樣會導(dǎo)致畫面切換的圖標(biāo)多而且亂，畫面上沒有空間放置顯示，如圖2 紅框中所示。因此PLC 系統(tǒng)只能做成點(diǎn)擊一個(gè)導(dǎo)航圖標(biāo)至下個(gè)頁面后，才會顯示相關(guān)的其他導(dǎo)航圖標(biāo)，這樣做很容易造成操作人員畫面切換的混亂，導(dǎo)致操作人員無法快速準(zhǔn)確地到達(dá)他所希望的畫面位置。

改造后，新DCS 系統(tǒng)的導(dǎo)航欄（圖3）是根據(jù)工程師設(shè)置的層級，由系統(tǒng)自動生成。導(dǎo)航欄很明確地區(qū)分了天津日石的工作區(qū)域，并且實(shí)現(xiàn)了全廠畫面的監(jiān)控。點(diǎn)擊導(dǎo)航欄的箭頭后還可以看到每個(gè)工作區(qū)域的詳細(xì)分層（圖4），每一個(gè)詳細(xì)分層都包含一個(gè)畫面，可以讓用戶清楚地找到所有的畫面。改造后的系統(tǒng)畫面風(fēng)格有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，比較整齊美觀。網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備的診斷信息能第一時(shí)間反映在運(yùn)行畫面，對使用者了解系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)具有非常重要的意義。

圖2 原PLC系統(tǒng)操作界面圖示

圖3 DCS系統(tǒng)導(dǎo)航欄

圖4 調(diào)和二區(qū)工作區(qū)域分層

控制程序

新DCS 系統(tǒng)相比PLC 系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，控制程序更加簡潔，編程語言的唯一性也使得程序更容易解讀。舊PLC 系統(tǒng)的程序都是寫在OB 塊中的，所有的程序都集合在一個(gè)或多個(gè)OB 塊中，不易查找更不易修改，而新DCS 系統(tǒng)的程序是利用CFC 和功能塊組件起來的，每一個(gè)設(shè)備都有一個(gè)獨(dú)立的CFC 存在，每種控制回路都有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，通俗易懂，比較直觀。通過將一張畫面的所有設(shè)備都存放在同一個(gè)層級文件夾（圖5）下，可以讓工程師更簡單直觀地找到所需要找的程序，這使得工廠對維護(hù)人員的要求降低，無需特別高的編程技巧就能上手。

此外，在CFC 中，工程師使用塊進(jìn)行編程，所有的功能結(jié)構(gòu)如AMON、VAVLE、MOT 等均是通過模版進(jìn)行的組態(tài)（圖6）。同一個(gè)模版只需改動某些輸入輸出信號就可以對應(yīng)不同的設(shè)備，這就更利于編程人員對程序的解讀，方便工程師查找問題，修改程序。

系統(tǒng)可擴(kuò)展性

進(jìn)行DCS 改造后，PLC 系統(tǒng)可擴(kuò)展性不好的缺點(diǎn)得到克服，后續(xù)的擴(kuò)展性得到大大加強(qiáng)。在增加新裝置時(shí)，可以無縫連接到當(dāng)前的控制系統(tǒng)中，單元間的控制邏輯關(guān)聯(lián)較PLC 系統(tǒng)更易進(jìn)行。同時(shí)，后期的系統(tǒng)不斷升級，增加歷史記錄功能，提高操作信息的可追溯性。增加批次管理功能。同時(shí)，DCS 系統(tǒng)內(nèi)置的歷史數(shù)據(jù)庫、流線型報(bào)警管理、MES 集成、先進(jìn)的控制和資產(chǎn)管理等應(yīng)用，極易被添加到自動化工程應(yīng)用中，后期的系統(tǒng)升級無需增加獨(dú)立的服務(wù)器，也不會增加集成成本。從這方面看，DCS 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性更高，可以提高生產(chǎn)力，降低風(fēng)險(xiǎn)。

機(jī)柜布置

DCS 改造前，機(jī)柜設(shè)計(jì)原則不統(tǒng)一，導(dǎo)致機(jī)柜布置五花八門，現(xiàn)場雜亂無章。改造后，機(jī)柜采用了統(tǒng)一的設(shè)計(jì)原則，現(xiàn)場布置布局更為合理，整齊劃一，改造前后機(jī)柜布置現(xiàn)場對比見圖7。

整改之后，現(xiàn)場做到了5S 管理，有利于防止操作人員誤操作，方便維護(hù)人員快速找到故障點(diǎn)并加以維護(hù)。

投資回報(bào)率

PLC 對于較小規(guī)模的工藝工程沒有擴(kuò)展需求，也不需要與其他工藝過程區(qū)域集成，具有較好的投資回報(bào)率。DCS 系統(tǒng)雖然可能具有較高的安裝成本，但從生命周期來看，其帶來的產(chǎn)量增加和安全效益能夠抵消一部分成本。工廠在確定操作可行性與改善工廠運(yùn)行、維護(hù)時(shí)，需要平衡考慮短期需求與長期遠(yuǎn)景。天津日石現(xiàn)正處在公司的穩(wěn)定發(fā)展階段，設(shè)備、工藝等也處于不斷更新、改進(jìn)的過程中，因此選用DCS 系統(tǒng)有利于天津日石在長生命周期下降低改造與擴(kuò)展成本。

圖5 DCS層級文件夾

圖6 DCS編程組態(tài)

圖7 改造前后機(jī)柜布置對比

結(jié)束語

每一家工廠對自動化和控制都有其獨(dú)一無二的要求，不管是DCS還是PLC 都在各行業(yè)中起到重要作用，二者都能有效提高自身控制的可靠性、穩(wěn)定性。工廠在選擇時(shí)，需仔細(xì)考慮具體的應(yīng)用和作業(yè)需求，再決定哪一種控制系統(tǒng)更適合自己的過程控制。天津日石基于各個(gè)方面的深入考量后，最終決定將PLC系統(tǒng)逐步整改為DCS 系統(tǒng)，同時(shí)在生產(chǎn)的過程中，及時(shí)更新改進(jìn)方案，使系統(tǒng)更加完善，提高生產(chǎn)效率。通過改造后的效果來看，DCS 系統(tǒng)在穩(wěn)定性、精確性、可追溯性及可擴(kuò)展性方面，發(fā)揮了比PLC 系統(tǒng)更好的作用。