DCS電子布線技術(shù)應(yīng)用

劉齊忠，郭金鳳

(福建聯(lián)合石油化工有限公司，福建 泉港 362800)

進入21世紀以來，隨著微電子和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展及日益復(fù)雜化、大型化石化和煤化工工藝技術(shù)的需求，DCS得到了高度的重視和長足發(fā)展，應(yīng)用越來越廣泛。縱觀目前DCS的應(yīng)用情況，在用的技術(shù)主要有常規(guī)DCS(含無線智能儀表)、常規(guī)DCS/FFCS(FF Control System)及DCS電子布線技術(shù)等。其中，電子布線技術(shù)是在2010年前后誕生并投入實際應(yīng)用的、繼FF現(xiàn)場總線技術(shù)之后相對較新的DCS技術(shù)，并已連續(xù)在國內(nèi)外石化及煤化工行業(yè)得到了成功的應(yīng)用。

1 DCS技術(shù)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

DCS自1975年問世以來，經(jīng)過四十多年的發(fā)展，雖然在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)上沒有發(fā)生重大改變，但是經(jīng)過不斷地發(fā)展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高?？偟膩碚f，DCS正在向著更加開放和高度集成、更加標(biāo)準(zhǔn)化和智能化的方向發(fā)展。

1.1 DCS的發(fā)展歷史

1975年至20世紀80年代前期為第一代產(chǎn)品。1975年美國Honeywell首次推出了其綜合分散控制系統(tǒng)TDC-2000(total distributed control-2000)，從此，過程控制進入了集散系統(tǒng)的新時期。其特點是： 注重控制功能的實現(xiàn)，可實現(xiàn)分散控制和集中監(jiān)視；但人機界面功能弱、控制簡單、通信能力差、互換性差且成本高。

20世紀80年代中期至90年代前期為第二代產(chǎn)品。隨著計算機的發(fā)展與網(wǎng)絡(luò)開發(fā)使各控制廠商更多地采用商業(yè)計算機的技術(shù)，20世紀80年代末許多DCS廠商推出新一代的分散控制系統(tǒng)，其主要特征是新系統(tǒng)的局部網(wǎng)絡(luò)采用MAP協(xié)議，引用了智能變送器與現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，在控制軟件上引入PLC的順序控制與批量控制，使DCS也具有PLC的功能。

20世紀90年代中期至21世紀初，各家DCS廠商以信息技術(shù)、先進控制技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展為依托，先后推出了集成高速工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線和先進控制器的第三代開放型DCS。其典型代表是日本橫河的Centum3000，Honeywell的C300 PKS系統(tǒng)，Emerson的Delta V系統(tǒng)等；國內(nèi)浙江中控的DCS也得到了長足的發(fā)展，在2010年以來其常規(guī)DCS和DCS/FFCS在石化行業(yè)得到了越來越多的應(yīng)用，并取得了良好的業(yè)績。

21世紀初以來，DCS在總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，其控制層繼前期應(yīng)用FF現(xiàn)場總線技術(shù)之后，涉及I/O模塊變革的電子布線技術(shù)也已問世，并在近年得到了推廣和應(yīng)用。

1.2 DCS現(xiàn)狀

第三代常規(guī)DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)主要分為3層： 信息層、控制層和設(shè)備層(傳感/執(zhí)行層)，控制層和設(shè)備層的儀表在接線方式上不斷創(chuàng)新： 由模擬量進化為HART智能儀表、由點對點連接改變?yōu)?根電纜連接多臺儀表的總線方式、再發(fā)展到當(dāng)前較新的云I/O拓撲的電子布線結(jié)構(gòu)方式。

圖1 第三代常規(guī)DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

1.2.1常規(guī)DCS結(jié)構(gòu)模式

1)信息層。采集控制層的所有數(shù)據(jù)進行處理并上傳至工廠信息管理網(wǎng)。

2)控制層。主要以控制器為主，由控制器核心處理器卡件、通信卡件和I/O卡件組成。其主要功能如下：

a)與其他PLC控制器的通信。經(jīng)過Modbus RS-422/485/232或Modbus TCP/IP與其他PLC控制器的通信卡件連接。

b)與設(shè)備層的連接。經(jīng)常規(guī)的I/O卡件初步處理接入的檢測儀表測量信號數(shù)據(jù)后，由控制器模塊運算后發(fā)出控制指令給現(xiàn)場調(diào)節(jié)儀表實施生產(chǎn)控制。

3)設(shè)備層。主要是溫度、壓力、流量、液位等4種檢測儀表，氣動和電動調(diào)節(jié)器執(zhí)行機構(gòu)，閥門及在線分析儀表等設(shè)備。另外，無線通信儀表目前也已在投入試用中。

1.2.2常規(guī)DCS和FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)混用模式

該模式總體框架及上層結(jié)構(gòu)與常規(guī)DCS相同，只是在控制層上根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用冗余H1現(xiàn)場總線通行卡件，目前的成功應(yīng)用實例是每對冗余的H1通行卡件(或每個Segment)最多可連接12個現(xiàn)場總線儀表。但復(fù)雜控制、涉及裝置安全的關(guān)鍵控制回路和用于順序控制的邏輯功能塊的相關(guān)儀表設(shè)備仍采用常規(guī)I/O卡件的信號輸入模式。

另外，F(xiàn)F總線控制器和先進控制器采用TCP/IP的通信模式直接掛到工業(yè)以太網(wǎng)上作為控制層的獨立設(shè)備實施控制功能。

1.2.3采用電子布線技術(shù)的常規(guī)DCS模式

該模式仍采用常規(guī)DCS的結(jié)構(gòu)，只是采用電子布線技術(shù)，將現(xiàn)場信號直接接入I/O通道；或直接將I/O卡件機柜(箱)放置于現(xiàn)場，采用光纖通信至現(xiàn)場機柜間的控制器。

2 DCS的發(fā)展趨勢

在第三代DCS成型后二十余年以來，其技術(shù)的發(fā)展均是在基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上實施創(chuàng)新：

1)在軟件功能上進一步提升管理水平和先進控制模塊的性能，以契合工業(yè)4.0技術(shù)的發(fā)展潮流。

2)在控制層向下至設(shè)備層，在儀表信號接線方式上取得了突破，相繼推出了各種智能儀表(含無線智能儀表)、FF現(xiàn)場總線儀表和電子布線技術(shù)。

總體來說，其信息層的軟件平臺和控制層還不能打破供貨商之間的品牌壁壘，無法做到相互兼容。這就導(dǎo)致了一方面市場上各種品牌相互之間競爭激烈；另一方面在系統(tǒng)投用后用戶的管理難度大、檢維修成本高，且技術(shù)轉(zhuǎn)向難。

為打破這一壁壘，美國開放集團(The Open Group)組織一個新的面向流程工業(yè)控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化活動，即開放流程自動化論壇OPAF(open process automation forum)。在選擇現(xiàn)有的、卓有成效的適用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，綜合開發(fā)新的系列標(biāo)準(zhǔn)。在2019年2月該組織正式推出了開放流程自動化標(biāo)準(zhǔn)(O-PASTM)1.0版，提出了一個與供應(yīng)商無關(guān)的新一代控制系統(tǒng)的概念驗證系統(tǒng)參考架構(gòu)。OPAF概念驗證系統(tǒng)基本實現(xiàn)了可互操作性、可交換或可替代性、組態(tài)和應(yīng)用的可移植性，以及應(yīng)用開發(fā)的靈活性。供應(yīng)商提供的硬件、軟件產(chǎn)品構(gòu)成的系統(tǒng)，產(chǎn)品之間的互操作性都按照標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)，無需通過網(wǎng)關(guān)或通過軟件轉(zhuǎn)換；參與構(gòu)成系統(tǒng)的同類型部件都可以個別的和自由地在供應(yīng)商間替代。

該系統(tǒng)的主要原理是： 利用軟件容器化技術(shù)，構(gòu)成一個分布式控制節(jié)點(DCN)，其中可容納所需的各種APP功能軟件，如監(jiān)控和管理DCN的APP、現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的APP、現(xiàn)有的過程控制算法APP、新開發(fā)的過程控制算法APP等。

DCS演變?yōu)樾乱淮姆植际娇刂葡到y(tǒng)示意如圖2所示，新一代分布式控制系統(tǒng)的架構(gòu)是： 與現(xiàn)有第三代DCS的L1/L2相對應(yīng)的系統(tǒng)架構(gòu)是建立在分布式控制節(jié)點和單通道I/O模塊，支持現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集并實時進行數(shù)據(jù)運算處理、連接其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實時通信接口；系統(tǒng)由許多個有I/O的DCN和無I/O的DCN，以及一個與云端連接、執(zhí)行集中應(yīng)用的DCN構(gòu)成，DCN的數(shù)量可達數(shù)千個。屬于L3的則是DCS的HMI功能、服務(wù)器、先進控制算法的運算功能以及MES的功能，可以運用由服務(wù)器構(gòu)成的虛擬系統(tǒng)，在一種開放型的軟件環(huán)境下實現(xiàn)。

圖2 DCS演變?yōu)樾乱淮姆植际娇刂葡到y(tǒng)示意

因此，如果OPAF的驗證系統(tǒng)測試成功且進一步完善，由此而面世的新一代DCS將是真正意義上的開放型分布式控制系統(tǒng)： 可以在通用軟件平臺上開發(fā)系統(tǒng)軟件，市場上所有DCS軟件功能模塊和硬件產(chǎn)品均可兼容及互換。筆者認為，這也將是DCS技術(shù)近期可以預(yù)見的發(fā)展方向和趨勢： 向開放性、綜合性、智能化、PC化和專業(yè)化方向發(fā)展。

3 電子布線技術(shù)簡介

3.1 電子布線技術(shù)的概念及其工作原理

1)概念。是一種利用“電子線路”消除或取代物理布線的技術(shù)，即消除現(xiàn)場儀表信號從現(xiàn)場接線箱至中間接線柜再連接至I/O卡件的物理布線，并在電子特性化的端子上實現(xiàn)一次轉(zhuǎn)換以減少相應(yīng)的線纜連接。

2)工作原理。利用微電子技術(shù)發(fā)展的小型化、功能特定化等特征來促進DCS硬件及網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變革；將常規(guī)接線端子數(shù)字化、特性化以取代傳統(tǒng)I/O卡件，以成熟的光纖通信技術(shù)代替電流信號傳輸。傳統(tǒng)I/O現(xiàn)場信號連接和電子布線技術(shù)現(xiàn)場信號連接分別如圖3和圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)I/O現(xiàn)場信號連接示意

圖4 電子布線技術(shù)現(xiàn)場信號連接示意

3.2 電子布線技術(shù)介紹

CHARM電子布線技術(shù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 CHARM技術(shù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意

從圖5中可以看出，該電子布線技術(shù)由與控制器通信的冗余以太網(wǎng)接口、冗余直流24 V電源、通信模塊(CIOC)、CHARM及含接線端子的CHARM安裝底板組成。

每對冗余控制器可以支持16個CIOC模塊，每塊CIOC模塊可以支持8個CHARM底板即96個信號通道，并可與4個獨立的控制器通信。每塊CIOC模塊下有96個I/O通道獨立的接線端子和特性化模塊，將通道特性和卡件特性解綁以實現(xiàn)更靈活的系統(tǒng)配置；每個I/O通道可根據(jù)實際需要，選取特性化模塊來處理不同類型的信號，比如： 最常見的4～20 mA AI/AO，24 V(DC)DI/DO信號等；而CIOC卡件則負責(zé)I/O數(shù)據(jù)二次定標(biāo)和智能設(shè)備信息解讀并與控制器進行通信。

Emerson的DeltaV系統(tǒng)支持40多種CHARM模塊，可以處理從RTD到230 V(AC)DI信號，從安全區(qū)信號到本質(zhì)安全信號，從普通信號到安全聯(lián)鎖信號等各種類型的信號。

所有電子布線技術(shù)相關(guān)組件都適用于防爆2區(qū)安裝、-40～70 ℃寬溫工作和G3防腐處理。

3.3 電子布線與常規(guī)DCS的技術(shù)比較

電子布線的特點及與常規(guī)DCS的技術(shù)比較見表1所列。

表1 電子布線與常規(guī)DCS的技術(shù)比較

續(xù)表1

4 應(yīng)用實例

電子布線技術(shù)自2011年問世以來，先后在國內(nèi)外得到了成功的應(yīng)用。下面介紹國內(nèi)石化行業(yè)和煤化工行業(yè)的兩種不同形式的應(yīng)用實例。

4.1 石化行業(yè)的應(yīng)用實例

某項目是對老廠DCS的更新改造。其涵蓋的裝置主要有： 4 Mt/a常減壓蒸餾裝置、催化重整裝置、焦化柴油加氫裝置和催化柴油裝置，總I/O點數(shù)約3×103點。

由于是老廠改造，其機柜間、工程師室和操作室空間緊張，且現(xiàn)場儀表設(shè)備和電纜敷設(shè)已經(jīng)定型，現(xiàn)場儀表和DCS的維護管理存在明確的覆蓋面，以DCS接線柜的儀表信號接線端子為界，所以，根據(jù)實際情況，該項目雖然選用了Emerson的電子布線技術(shù)，但也僅限于在機柜間，沒有改變現(xiàn)場儀表設(shè)備的接線和電纜敷設(shè)方式。該項目的電子布線技術(shù)應(yīng)用如圖6所示。

圖6 某石化企業(yè)DCS改造項目的電子布線技術(shù)應(yīng)用示意

從項目實施情況看，效果很好，其優(yōu)點有以下幾個方面：

1)該項目2015年1月啟動設(shè)計，2015年12月投入使用。從老系統(tǒng)拆除和新系統(tǒng)安裝、調(diào)試及投用僅歷時45 d。

2)減少接線柜、合理利用有限的機柜間空間，從另一個方面來說就是可以減少機柜間空間的需求。

3)故障率低，從2015年12月底投用至今，約3×103個電子布線卡件在正常工況下僅損壞2個。

4)故障狀態(tài)下影響面小、成本低，只涉及1個I/O通道，DCS常規(guī)I/O卡件一般是8，16，32個通道，壞1個通道就需更換整塊卡件。

5)新增設(shè)備接入方便，無需選擇不同類型的I/O卡件，只需就近選用電子布線卡件接入即可；不受不同類型卡件備品備件和機柜空間的影響。

6)組態(tài)下載方便，可以單個通道下載，不影響其他通道。

4.2 煤化工項目應(yīng)用實例

某項目為新建的煤化工項目，主要包括： 乙烯裂解(含丁二烯)、聚烯烴、聚氯乙烯(PVC)、環(huán)氧乙烷(EO)、環(huán)氧丙烷/苯乙烯單體(PO/SM)和儲運等裝置和設(shè)施，總I/O點數(shù)約6.5×104點。

由于是新建項目，沒有各種約束條件，所以該項目采用了完整的電子布線技術(shù)： 從裝置到機柜間，除SIS、氣體檢測器、氧分析儀和四線制儀表的電源使用主電纜外(20根左右)，其余都是從現(xiàn)場CHARM柜的CIOC通過光纜傳輸至控制器。即機柜間只安裝了控制器、通信卡件及相關(guān)設(shè)施，CHARM柜及相關(guān)的配電設(shè)施均安裝在裝置現(xiàn)場。該項目DCS電子布線技術(shù)應(yīng)用如圖7所示。

圖7 某煤化工項目DCS電子布線技術(shù)應(yīng)用示意

從該項目的實際經(jīng)驗可以發(fā)現(xiàn)，該電子布線技術(shù)優(yōu)點有以下幾個方面：

1)由于CHARM機柜移至現(xiàn)場，且省去了I/O信號中間接線柜，從而在大幅降低綜合系統(tǒng)成本的基礎(chǔ)上，也大幅縮小對于現(xiàn)場機柜間空間的要求。

2)大幅節(jié)省從現(xiàn)場接線箱到現(xiàn)場機柜間(或控制室)的多芯電纜及橋架，大幅降低了項目儀表線纜、材料成本和施工量及相應(yīng)的工程費用。如以現(xiàn)場CHARM機柜與現(xiàn)場機柜間的平均距離為200 m，現(xiàn)場主干電纜采用16芯阻燃鎧裝電纜(4.0元/m)考慮，6.5×104個I/O點所需電纜成本約650萬元人民幣，施工費用(按2元/m計費)約325萬元人民幣。光節(jié)約電纜一項就可降低項目成本975萬元人民幣，另外還有因機柜和電纜槽盒的減少其相應(yīng)的施工費用也節(jié)省了很多。

3)標(biāo)準(zhǔn)化接線箱設(shè)計提高供貨速度，減少集成環(huán)節(jié)，加快工程進度。每個CHARM柜80～96點，現(xiàn)場CHARM柜容許多個接線小組同時施工，只接CHARM柜側(cè)和現(xiàn)場儀表處。穿電纜、做電纜頭用時約2人×1.5 d，完成1個CHARM柜的接線工作,用時約1人×1天。

4)回路調(diào)試時，1個小組用時1 d完成約100臺儀表。接線錯誤減少，問題處理更快。

然而，由于DCS的CHARM柜(或箱)安裝在現(xiàn)場，且需現(xiàn)場配置供電設(shè)施，所以導(dǎo)致： 一方面對現(xiàn)場安裝區(qū)域的選擇需慎重，另一方面不利于現(xiàn)場維護。特別是打破了DCS和現(xiàn)場儀表已經(jīng)成型的運行維護界面，需重新界定其工作界面并培訓(xùn)。

4.3 應(yīng)用效果

由上述兩個應(yīng)用實例證明，DCS電子布線技術(shù)的應(yīng)用是成功的，其優(yōu)點如下：

1)高可靠性。單通道I/O卡件的故障率低，故障后影響面小，便于更換和組態(tài)下裝。

2)項目成本低。大幅減少項目的儀表信號電纜、電纜槽盒和機柜間卡件的需求，從而大幅減少項目工程量。

3)縮短項目工期需求。DCS集成量和集成時間減少，現(xiàn)場調(diào)試時間減少。

當(dāng)然，從應(yīng)用情況看，也存在以下不足：

1)需現(xiàn)場配電，對現(xiàn)場配電設(shè)施的安裝位置和防爆等級有嚴格的要求。

2)由于I/O及通信設(shè)施移至現(xiàn)場，打破了傳統(tǒng)的DCS與現(xiàn)場儀表之間的運行維護界面，需用戶根據(jù)自身實際情況合理安排。

5 結(jié)束語

綜上所述，電子布線技術(shù)的應(yīng)用取得了成功。受應(yīng)用環(huán)境和現(xiàn)場條件的影響，仍無法完全取代FF現(xiàn)場總線和常規(guī)智能儀表的接線方式，在近期也只能是幾種技術(shù)應(yīng)用共存，無法相互代替。隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，電子布線技術(shù)在自身技術(shù)不斷完善的情況下將可能是一種過渡技術(shù)或作為下層子模塊與下一代流程自動化控制系統(tǒng)集成。