新區(qū)脫硫脫硝技改項目冗余控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

陳桂芹 周傳奇 撥海波

（云南天朗節(jié)能環(huán)保集團有限公司）

1 前言

云南省安寧市作為昆鋼公司鋼鐵生產(chǎn)基地之一，為深入推進(jìn)鋼鐵行業(yè)煙氣治理超低排放，帶動煙氣治理技術(shù)升級轉(zhuǎn)型，推動鋼鐵重點區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善，促進(jìn)經(jīng)濟向高質(zhì)量增長轉(zhuǎn)變，煙氣控制系統(tǒng)的升級迫在眉睫。

2 昆鋼新區(qū)原有煙氣治理系統(tǒng)存在的不足

昆鋼新區(qū)300 m2燒結(jié)機煙氣脫硫系統(tǒng)原采用傳統(tǒng)的控制方式，僅有少部分設(shè)備進(jìn)入自控系統(tǒng)，且PLC較為老舊、容量已達(dá)上限，工作電源單一，通訊中斷時有發(fā)生，在實際生產(chǎn)過程中，在高強度的滿負(fù)荷生產(chǎn)運行工況下，現(xiàn)有脫硫裝置控制系統(tǒng)故障率高，由于自動化程度相對較為落后，多個生產(chǎn)工段都是現(xiàn)場手動操作，對操作員操作經(jīng)驗依賴性大，生產(chǎn)行為不夠規(guī)范，生產(chǎn)操作無相關(guān)記錄以及報警提醒，難以統(tǒng)籌生產(chǎn)組織，最終導(dǎo)致整個生產(chǎn)運行效率低下，成本難以控制。

3 方案的設(shè)計

為推動昆鋼新區(qū)脫硫脫硝技改項目轉(zhuǎn)型升級，建立以新型傳感器、智能控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人、自動化成套生產(chǎn)線的智能生產(chǎn)體系十分必要，同時確保系統(tǒng)的高效，包括供電質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)通信以及CUP的可靠性指標(biāo)，確保能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨系統(tǒng)聯(lián)動、采集、分析與交互，完成設(shè)備性能感知、過程優(yōu)化等數(shù)字化生產(chǎn)方式，減少人力環(huán)節(jié)，使生產(chǎn)數(shù)字化貫穿整個昆鋼新區(qū)脫硫脫硝生產(chǎn)全過程，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)流程進(jìn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而形成可視化、智能化的生產(chǎn)運維管控系統(tǒng)。

通過采用冗余技術(shù)，從供電方式、網(wǎng)絡(luò)通信、控制單元以及操作站等全過程統(tǒng)籌考慮冗余的必要性，能有效實現(xiàn)相關(guān)功能且具有一定的穩(wěn)定性，以保證系統(tǒng)能安全、可靠地運行。

3.1 DCS系統(tǒng)冗余的設(shè)計

本系統(tǒng)選用ABB wincsDCS系統(tǒng)，具備對各種國內(nèi)外DCS、PLC及現(xiàn)場智能設(shè)備等接入系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)過程控制設(shè)備信息的共享，系統(tǒng)采用對等式冗余結(jié)構(gòu)，DCS系統(tǒng)為全局?jǐn)?shù)據(jù)庫，具備良好的擴展性和兼容性，通訊總線應(yīng)采用國際主流的現(xiàn)場總線協(xié)議——Profibus，并能夠同時實現(xiàn)兩種總線全方位冗余；互為備用的功能，完成對應(yīng)裝置的監(jiān)控任務(wù)，系統(tǒng)具備面向?qū)傩怨δ?，系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

WinCS（全稱Winmation Control System) 是新一代技術(shù)先進(jìn)、工程高效、擴展開放的混合式過程控制系統(tǒng)，特別適合昆鋼新區(qū)煙氣治理中涉及到多個PLC品牌以及多個數(shù)據(jù)集成的需求，能以最小的工程成本和最快的速度實施DCS項目，以最小的投資及風(fēng)險實施DCS系統(tǒng)擴展、更新升級及系統(tǒng)集成。整個WinCS過程控制系統(tǒng)分為三層，現(xiàn)場設(shè)備層、過程控制層、操作管理層。 現(xiàn)場設(shè)備層，包括I/O站和現(xiàn)場設(shè)備（過程儀表和控制執(zhí)行設(shè)備），I/O站和現(xiàn)場總線設(shè)備可通過PROFIBUS總線和控制器進(jìn)行通信。過程控制層，可以由一個至幾個不同的控制器組成，控制器執(zhí)行開環(huán)和閉環(huán)的控制功能，并可通過I/O站與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。操作管理層包括工程師站、操作員站和數(shù)據(jù)服務(wù)器等。工程師站可實現(xiàn)系統(tǒng)的組態(tài)和編程，操作員站可實現(xiàn)系統(tǒng)的操作和顯示、歸檔和記錄，趨勢和報警及總線設(shè)備管理等功能。WinCS過程站作為自動化過程控制的核心單元，通過采集現(xiàn)場設(shè)備層的過程數(shù)據(jù)，采用總線技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的函數(shù)和邏輯運算和任務(wù)處理等，并將結(jié)果輸送到上一級操作管理層實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控，同時將來自操作管理級的操作指令完整地傳輸給現(xiàn)場設(shè)備級并執(zhí)行。其主要由控制器、I/O、總線設(shè)備接口及通信附件組成。

冗余配置能實現(xiàn)活動控制器（主控制器）和冗余控制器（備用控制器）之間的平穩(wěn)切換，因此：CPU模塊故障情況下，系統(tǒng)將保留PROFIBUS接口模塊或 24VDC以及連接現(xiàn)場總線的輸入/輸出組件的輸出信號。內(nèi)部狀態(tài)（組件數(shù)據(jù)，變量值）將保留，控制器的組態(tài)數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)將在活動控制器和冗余控制器之間自動更新，同步冗余控制器（備用控制器）通過數(shù)據(jù)同步在運行控制器（主控制器）故障時接管控制操作。當(dāng)運行控制器發(fā)生嚴(yán)重故障時，冗余控制器通過冗余鏈接從運行控制器中獲取用戶程序和冗余數(shù)據(jù)的更新，冗余鏈接由一條以太網(wǎng)雙絞線組成，兩頭分別連接兩個控制器上的 ETH2 端口，傳輸速率為100 Mbit/s。冗余切換條件控制器自診測時如發(fā)生了下列情況，主備控制器將執(zhí)行強制切換：模塊錯誤（總線開關(guān)關(guān)閉時，檢測到模塊錯誤）現(xiàn)場總線模塊故障、看門狗報警、控制器硬件故障、系統(tǒng)報告控制器電源故障、控制網(wǎng)絡(luò)故障、系統(tǒng)報告“致命錯誤” 等主控制器故障時，冗余控制器將自動切換，實現(xiàn)冗余切換的最短時間為 50 ms，常規(guī)應(yīng)用情況下，主備控制器在1 s內(nèi)完成切換。但在復(fù)雜應(yīng)用情況下，如控制器任務(wù)循環(huán)周期長、帶有大量遠(yuǎn)程 I/O 等，切換時間將延長。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信冗余的設(shè)計

為保障整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，還需進(jìn)一步對系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信以及系統(tǒng)供電等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行冗余設(shè)計，根據(jù)針對控制系統(tǒng)的選擇，除了系統(tǒng)CPU和機架通信模塊的冗余，同時提供交換機、操作員站等設(shè)備的冗余設(shè)置，保證整個系統(tǒng)的冗余的完整性，見圖2。

圖2 控制網(wǎng)絡(luò)冗余圖

同時，根據(jù)生產(chǎn)組織、管理等要求，實現(xiàn)設(shè)備連接能通全通、能進(jìn)全進(jìn)，建立控制系統(tǒng)能深入生產(chǎn)現(xiàn)場任何設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)，特別是針對機器手、自動碼垛等第三方系統(tǒng)，建立OPC通信接口，相關(guān)參數(shù)以及運行狀況都能進(jìn)入DCS在系統(tǒng)中顯示，并進(jìn)一步能實現(xiàn)相應(yīng)的控制功能，滿足生產(chǎn)現(xiàn)場操作的需求。

3.3 電源冗余的設(shè)計

為進(jìn)一步提升設(shè)備的供電的可靠性，整個DCS系統(tǒng)采用了雙電源（市電和UPS）+冗余的方式，并通過電源自動切換開關(guān)可實現(xiàn)雙電源的自動切換，有效保障了系統(tǒng)的供電能力和供電穩(wěn)定性，如圖3。

圖3 雙電源自動切換設(shè)計圖

4 實施取得的效果

實際運行表明, 該系統(tǒng)中的硬件冗余配置，極大的提升了設(shè)備運行的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)可以在50 ms以內(nèi)完成主站與從站的冗余切換 ，同時，電源供電以及網(wǎng)絡(luò)通訊都能滿足生產(chǎn)實際需求,該系統(tǒng)冗余有更高的可靠性和實現(xiàn)成本。

4.1 實現(xiàn)雙電源的冗余切換

通過把不同的電源引入系統(tǒng)，采用電源自動切換開關(guān)對電源進(jìn)線有效監(jiān)測，保障了整個系統(tǒng)供電的可靠性和穩(wěn)定性。

4.2 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的冗余

從每個機架的I/O模塊建立冗余的底層通訊冗余模塊，連接到冗余的CPU，并通過不同的網(wǎng)絡(luò)連接到整個操作員站，極大的提高了現(xiàn)場設(shè)備的可靠性，保障了生產(chǎn)設(shè)備的實時在線。

4.3 實現(xiàn)DCS系統(tǒng)實時冗余

針對煙氣排放的嚴(yán)格要求，必須對CPU進(jìn)行有效冗余，通過在系統(tǒng)中完成數(shù)據(jù)采集和處理、模擬量控制系統(tǒng)和順序控制，生產(chǎn)工藝監(jiān)控、報表查詢、語音報警等，其中數(shù)據(jù)采集包括常規(guī)儀表的數(shù)據(jù)采集、環(huán)保數(shù)據(jù)的采集以及具有環(huán)保部門規(guī)定的相關(guān)趨勢要求，操作人員在控制室內(nèi)操作員站上通過對系統(tǒng)進(jìn)行啟/?？刂?、正常運行的監(jiān)視和調(diào)整以及異常與事故工況的處理，能實現(xiàn)一鍵開啟部分流程，事故預(yù)警等功能，建立通用模塊，減少大量重復(fù)工作，降低運行負(fù)荷，完成調(diào)節(jié)控制、聯(lián)鎖邏輯、手動操作，調(diào)節(jié)控制采用了包括反饋、前饋、開關(guān)、比率、超前、滯后等各種算法的綜合運用，使生產(chǎn)操作更加智能化，因此，對整個CPU的冗余是整個控制系統(tǒng)最關(guān)鍵的，通過實踐證明，該方案能有效提升系統(tǒng)運行效率，達(dá)到設(shè)計目的。

5 結(jié)束語

隨著從DCS系統(tǒng)的電源保障、網(wǎng)絡(luò)通信以及系統(tǒng)等全過程考慮，采用了可靠、經(jīng)濟的冗余方式，保障了整個項目的可靠性和穩(wěn)定性，從硬件上實現(xiàn)電源、控制系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)通信的全過程的冗余，把原本孤立的智能化單元有效的銜接起來，實現(xiàn)生產(chǎn)控制系統(tǒng)全過程的可靠性，解決了控制系統(tǒng)中單點問題導(dǎo)致的系統(tǒng)停機問題，有效的提高整個控制系統(tǒng)的效率。