Experion PlantCrusie DCS在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

杜青青，李海霞，李映達(dá)

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

《集散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用》是三年制高職類院校中，工業(yè)過程自動化專業(yè)、工業(yè)自動化儀表專業(yè)課程體系中的主干課程；其工程應(yīng)用性與實踐性較強(qiáng)，是一門直接為生產(chǎn)過程服務(wù)的理實一體化課程。

由于化工企業(yè)的大部分設(shè)備自動化程度高，通常處于易燃易爆、高溫高壓的環(huán)境[1-2]。因此，生產(chǎn)運(yùn)行過程具有一定的危險性，通常設(shè)備連續(xù)作業(yè)，很難遇到開停車機(jī)會，各種不安全因素致使學(xué)生下廠后也難以深入實際地實踐操作[3-5]。

針對校內(nèi)實訓(xùn)裝置資源有限、學(xué)生群體規(guī)模大的這一特點[6-8]，設(shè)計了一種基于Honeywell Experion PlantCrusie分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)的過程控制試驗系統(tǒng)。本文首先介紹了CS2000過程控制試驗裝置的結(jié)構(gòu)組成，以及Experion PlantCrusie DCS的特點；其次給出了基于Experion PlantCrusie DCS的過程控制試驗系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、軟硬件配置、系統(tǒng)組態(tài)的基本思路。近一年半的運(yùn)行表明，Experion PlantCrusie DCS 與CS2000構(gòu)成的過程控制系統(tǒng)，在很大程度上緩解了校內(nèi)DCS實訓(xùn)教學(xué)的壓力，較好地實現(xiàn)了相關(guān)專業(yè)的學(xué)生在過程裝置的投運(yùn)、參數(shù)整定、故障診斷與維護(hù)等方面的技能培訓(xùn)，并為校外企業(yè)自控工程設(shè)計人員培訓(xùn)和學(xué)習(xí)搭建了一個有利平臺[9-11]。

1 CS2000型過程試驗裝置簡介

仿真建模組態(tài)模塊包括閥門、機(jī)泵、儲罐、換熱器、塔器、反應(yīng)器、儀表等基礎(chǔ)功能組件，支持用戶根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范自定義工藝流程。CS2000 過程控制試驗對象系統(tǒng)包括現(xiàn)場試驗對象、變送器及執(zhí)行器、供電系統(tǒng)。

CS2000 型過程試驗裝置如圖1所示。

圖 1 CS2000 型過程試驗裝置示意圖 Fig.1 CS2000 process experiment device

現(xiàn)場試驗對象由上水箱、中水箱、下水箱、儲水箱、換熱器、單相2.5 kW電加熱鍋爐及管路及閥件等組成。過程試驗裝置包含兩條基本支路。支路1由威樂泵、電動調(diào)節(jié)閥、孔板流量計、自鎖緊不銹鋼水管及手動切換閥組成。支路2由威樂泵、變頻調(diào)速器、渦輪流量計、自鎖緊不銹鋼水管及手動切換閥組成。液位傳感器用于測量上水箱、下水箱的液位。孔板流量計、渦輪流量計分別用于檢測單相水泵支路流量和變頻器動力支路流量。Pt100熱電阻溫度傳感器用于檢測鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套和強(qiáng)制對流換熱器冷水出口、熱水出口。單相可控硅移相調(diào)壓裝置用于調(diào)節(jié)單相電加熱管的工作電壓。電動調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)管道出水量。變頻器調(diào)用于節(jié)副回路水泵的工作電壓。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計要求

控制功能是DCS設(shè)計的核心及關(guān)鍵?；贖oneywell Experion PlantCrusie DCS 的過程控制試驗系統(tǒng)具備如下控制功能。

①在Experion PlantCrusie DCS操作員站，可以對上水箱、中水箱、下水箱及鍋爐內(nèi)進(jìn)行注水。

②在Experion PlantCrusie DCS操作員站發(fā)出命令，控制站實現(xiàn)水箱的液位控制。

③控制站可以實現(xiàn)鍋爐內(nèi)膽的溫度自動控制。

④控制站可以實現(xiàn)管道內(nèi)流體流量的自動控制。

⑤在Experion PlantCrusie DCS工程師站上進(jìn)行組態(tài)，內(nèi)膽溫度、加熱過程、冷卻水三者之間可實現(xiàn)聯(lián)鎖控制。

⑥Experion PlantCrusie DCS控制站可以掛接現(xiàn)場總線變送器，實現(xiàn)了現(xiàn)場總線網(wǎng)段的接入校驗。

3 Experion PlantCrusie DCS及其系統(tǒng)配置

3.1 系統(tǒng)簡介

Experion PlantCruise是Honeywell公司生產(chǎn)的集新型、先進(jìn)、可靠于一體的DCS。系統(tǒng)綜合了過程知識系統(tǒng)(process knowledge system,PKS)技術(shù)與8系列 I/O模塊設(shè)計，廣泛使用在石油、化工、冶金、電力等行業(yè)。

①Experion PlantCruise過程控制網(wǎng)絡(luò)。

綜上所述，在素質(zhì)教學(xué)理念不斷發(fā)展的當(dāng)今時代，運(yùn)用信息技術(shù)開展小學(xué)語文教學(xué)能夠有效地幫助教師提升整體的教學(xué)質(zhì)量，完成教學(xué)任務(wù)，促進(jìn)學(xué)生綜合素養(yǎng)的提升。在小學(xué)語文教學(xué)的過程中，開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)能夠有效地激發(fā)學(xué)生的主體意識，使其形成一定的自主學(xué)習(xí)能力以及自主學(xué)習(xí)欲望，在降低自身學(xué)習(xí)難度的同時，提升自身的學(xué)習(xí)質(zhì)量，促進(jìn)自身的全面發(fā)展。

Experion PlantCruise DCS采用Honeywell專利容錯以太網(wǎng)(fault tolerant ethernet,FTE)。這是一種高性能的先進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案。

②Experion PlantCruise過程控制器。

C300過程控制器是將連續(xù)控制、邏輯控制、順序控制和批量控制集于一身的控制器，具有緊湊、高效、低成本的特點。其控制功能由控制算法庫提供，采用Control Builder先進(jìn)的圖形化控制組態(tài)工具，不僅可用于組態(tài)控制策略，還可以將組態(tài)好的控制策略下裝至控制器，并進(jìn)行在線監(jiān)控和在線修改。

③PlantCruise軟件。

監(jiān)控軟件提供高速緩存區(qū)的實時動態(tài)數(shù)據(jù)存取、趨勢、報警/事件處理、管理、報表報告生成等功能。企業(yè)模型組態(tài)軟件Simplified Enterprise Model Builder可實現(xiàn)企業(yè)資產(chǎn)按分級結(jié)構(gòu)直觀描述。顯示控制策略組態(tài)軟件Control Builder為生成控制策略提供全套控制算法庫系統(tǒng)資源組態(tài)。用戶畫面組態(tài)軟件HMIWeb Display BuiIde用于創(chuàng)建基于HTML格式的操作員圖形界面強(qiáng)大的數(shù)據(jù)交換功能，支持先進(jìn)過程網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多種其他應(yīng)用(如uniformance PHD、eServer等)。

3.2 系統(tǒng)配置

Experion PlantCrusie DCS基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Experion PlantCrusie DCS基本結(jié)構(gòu)圖 Fig.2 Structure of Experion PlantCrusie DCS

系統(tǒng)采用兩層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。第一層為過程控制層。這一層的節(jié)點是控制系統(tǒng)的核心，一般包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及控制器。第二層為監(jiān)控操作層。這一層的節(jié)點主要是控制系統(tǒng)的服務(wù)器和顯示控制節(jié)點，一般包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、工程師站、操作站。

3.2.1 現(xiàn)場控制站

3.2.2 工程師站與操作員站

工程師站主要實現(xiàn)在線組態(tài)、監(jiān)督及維護(hù)功能，在工程師站數(shù)據(jù)庫中自動建立每個組態(tài)生成的模塊(CM、SCM、IOM等)所對應(yīng)的點。通過工程師站，可以下裝控制站，實現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。

負(fù)責(zé)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的操作員可使用PlantCruise操作站。PlantCruise系統(tǒng)的人機(jī)界面(human machine interface,HMl)采用霍尼韋爾HMIWeb技術(shù)，將所有的人機(jī)界面、應(yīng)用數(shù)據(jù)和商務(wù)數(shù)據(jù)完整地集成在基于Web的體系結(jié)構(gòu)中。使用HTML作為用戶顯示畫面格式。不需要通過繁瑣的程序插件，或影響功能的export方式。用戶可通過安全的操作站(Station)環(huán)境或直接采用Microsoft的lE瀏覽器，顯示和操控過程畫面。

3.2.3 通信網(wǎng)絡(luò)

Experion PlantCruise DCS系統(tǒng)采用FTE，為各節(jié)點間提供了可靠的100/1 000 bit/s的連接。FTE節(jié)點之間有4條通信路徑，對電纜和電子設(shè)備中的各種多重故障具有容錯功能。FTE硬件冗余提供多重路徑功能，兩個并行的交換機(jī)和電纜線路構(gòu)成樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在頂部鏈接，以形成一個容錯網(wǎng)絡(luò)。每個獨立標(biāo)識的樹狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)由顏色編碼、電纜標(biāo)記、交換機(jī)和FTE節(jié)點端口來維護(hù)。

Experion PlantCrusie DCS通信網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 Experion PlantCrusie DCS通信網(wǎng)絡(luò) Fig.3 Communication network of Experion PlantCrusie DCS

4 系統(tǒng)組態(tài)

首先啟動 Configuration Studio軟件。在Control Builder 應(yīng)用程序窗口建立項目，依次創(chuàng)建仿真控制器C300、8系列I/O卡件及控制功能塊CM等。

4.1 硬件組態(tài)

在 Control Builder應(yīng)用程序窗口建立新項目“水箱液位控制系統(tǒng)”。首先，新建CPU，按照Root-New-Controllers-C300的順序進(jìn)行組態(tài)。其中，Associated Asset# 選擇已有的組，Device index主CPU撥碼為3、副CPU撥碼為4(和硬件有關(guān)，與CPU撥碼一致)，并選中Module is redundant。其次，組態(tài)8系列I/O板卡。以模擬輸入卡件為例，依次按照如下操作、C300-146SEC-New-I/Omodules-series 8 I/O-AIHart。其中，Associated Asset#依然選擇已有的組，IOMNumberAI為1，依次點擊IOLINK147-I/OFaminly-series8I/O types。

4.2 控制回路組態(tài)

DCS核心技術(shù)實現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。以上水箱液位為例，建立控制回路。

在已建模擬板卡AI_HART_185的基礎(chǔ)上，右鍵New，選擇Control Module，雙擊可以打開Tag num輸入LIC101。在AICHannel-01中configuration可以選擇channel PV Range改變量程。其中，DATACA模塊和AICHannel-01模塊的上下限一致。通過Alarms，可以對測量值上下限進(jìn)行設(shè)置。依次將AICHannel-01模塊、DATACA模塊、PIDA模塊及AOCHannel-01模塊相連，從而構(gòu)成一個單回路液位控制系統(tǒng)。

4.3 監(jiān)控畫面組態(tài)

DCS系統(tǒng)監(jiān)控界面主要用于實現(xiàn)對工藝流程監(jiān)視及操作功能。Experion PlantCruise DCS系統(tǒng)HMIWeb可提供流程圖畫面、趨勢圖畫面、報警畫面、PID控制畫面等。

5 結(jié)論

基于Honeywell Experion PlantCrusie DCS 的過程控制試驗系統(tǒng)改造于 2018年9月完成安裝調(diào)試及試運(yùn)。采用Experion PlantCrusie DCS 實訓(xùn)裝置進(jìn)行為期一年半的學(xué)生實訓(xùn)，能夠?qū)崿F(xiàn)單回路一階液位控制、單回路二階液位控制、液位串級控制、液位流量串級控制、鍋爐內(nèi)膽溫度系統(tǒng)的搭建、投運(yùn)、控制系統(tǒng)的無擾動切換、相應(yīng)系統(tǒng)PID參數(shù)整定、報警事件記錄、DCS維護(hù)及故障診斷，完全滿足了相關(guān)石油化工專業(yè)群學(xué)生DCS實訓(xùn)及工業(yè)過程自動化專業(yè)、工業(yè)儀表自動化專業(yè)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計及工程實習(xí)的要求。由于實訓(xùn)裝置貼近生產(chǎn)實際，為學(xué)生將來就業(yè)打下了堅實的基礎(chǔ)，同時也可為教師科研、學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐以及校外企業(yè)人員培訓(xùn)提供服務(wù)。