純堿生產裝置的DCS系統(tǒng)升級改造

巨克選，王向釗，白德俊，周尚昆

(青海發(fā)投堿業(yè)有限公司，青海 德令哈 817000)

1 DCS控制系統(tǒng)升級改造前狀況

青海發(fā)投堿業(yè)有限公司一期90萬t/a純堿裝置DCS控制系統(tǒng)于2004年7月至9月在工廠組態(tài)調試，2005年10在生產裝置投運至2016年，已連續(xù)運行11年時間，使用的是杭州和利時自動化有限公司(以下簡稱和利時)Smartpro 3.1.3 SP2系統(tǒng)版本。2010年和利時就將此版本定位為退役系統(tǒng)，已停止對該軟件的后續(xù)開發(fā)、技術支持、問題解決等。 如現(xiàn)場出現(xiàn)新的軟件問題，只能采取軟件升級補丁等措施，而不能徹查其原因并解決。

2015年在檢修期間，和利時對DCS系統(tǒng)進行全面檢測，發(fā)現(xiàn)模塊精度不合格率達80%，系統(tǒng)運行、控制缺陷問題較多?，F(xiàn)場計算機型號為DELL 745、780、755、790，已連續(xù)使用11年，計算機各方面性能已臨近報廢期限，存在較大隱患。windows2000、windowsXP系統(tǒng)已于2010年底停產，目前市面上所有計算機(DELL、HP等)品牌的工業(yè)計算機都已不支持windows2000、windowsXP系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)計算機故障癱瘓，將無法找到同檔次的計算機代替，而且Smartpro3.1.3 系統(tǒng)軟件不支持windows7系統(tǒng)，交換機使用的是TSC-1016，D-LINK，已連續(xù)使用11年，交換機各方面性能已臨近癱瘓期限。隨著近幾年DCS現(xiàn)場網絡安全、網絡風暴等大量問題暴露，防網絡風暴的安全交換機也是DCS系統(tǒng)必備的設備。

2 系統(tǒng)升級改造的可行性

本公司純堿裝置DCS控制系統(tǒng)從2005年出廠至2016年已運行11年，設備問題、系統(tǒng)問題也越頻繁的暴露出來，熱備用控制單元不能有效切換導致系統(tǒng)死機或癱瘓、通訊中斷。操作站計算機系統(tǒng)版本低、老化死機、通訊故障等系列問題，影響生產穩(wěn)定運行，嚴重時造成產量損失。杭州和利時公司在多年里隨著不斷地實踐研發(fā)，在之前DCS系統(tǒng)的基礎上，已開發(fā)出功能更強大，可靠性更高的MACSV6.5.2系統(tǒng)，通過眾多現(xiàn)場運行，得到了廣泛好評。

MACSV6.5.2系統(tǒng)相對Smartpro 3.1.3系統(tǒng)有了眾多改進，完全能解決Smartpro 3.1.3系統(tǒng)上出現(xiàn)的所有問題，對DCS系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起了必要的保障作用。和利時有大量的開發(fā)力量投入在MACSV6.5.2系統(tǒng)中，是和利時自主研發(fā)的一套系統(tǒng)，代碼開放，一旦發(fā)現(xiàn)問題，能很快有效的解決。MACSV6.5.2系統(tǒng)是目前和利時公司最先進的控制系統(tǒng)，在2012年后的新建125 MW以上的電廠，都采用此版本，且運行穩(wěn)定、可靠，國內大型600 MW機組以上的機組都有成功應用的案例和經驗可以借鑒。

3 升級后MACSV6.5.2系統(tǒng)主要功能特點

3.1 系統(tǒng)高可靠、安全

MACSV6.5.2系統(tǒng)高可靠的設計理念，采用安全系統(tǒng)設計理念，如信號質量位判斷、故障導向安全，提高系統(tǒng)可靠性。多重隔離技術，系統(tǒng)總線和模塊之間采用光電隔離；模塊工作的系統(tǒng)電源和現(xiàn)場兩線制儀表電源雙隔離供電；模塊通道之間故障隔離；網絡具有物理層和協(xié)議層雙重隔離。適應惡劣環(huán)境，系統(tǒng)基于惡劣的工業(yè)環(huán)境設計，符合EMC的設計規(guī)范，抗干擾性符合工業(yè)環(huán)境下的國際標準IEC61000，系統(tǒng)防腐蝕能力滿足ISA S71.04標準G3等級要求。網絡安全性技術，系統(tǒng)網絡采用確定性實時以太網通訊協(xié)議，標配帶有防火墻的交換機，確保網絡安全。

3.2 工業(yè)級芯片，冗余設計

控制器CPU采用PowerPC構架工業(yè)級芯片，基于實時操作系統(tǒng)，內置防網絡風暴組件；采用多比特位開關量和信號質量判斷，故障導向安全。全面診斷技術，控制站和I/O模塊均帶有智能自診斷單元，所有類型的故障，如通信、斷線、短路、超量程等都可以被檢測并及時上報到操作員站。失效安全技術，整個系統(tǒng)遵循安全設計理念，邏輯計算之前進行信號質量驗證，故障時輸出可以自動切換到預先設定的安全值；可支持ECC內存錯誤檢測。

全冗余設計理念，系統(tǒng)組件包括系統(tǒng)網、控制網、控制器、電源模塊、I/O模塊、歷史站均可冗余配置。

3.3 電磁兼容性、抗干擾能力強

電磁兼容性強，系統(tǒng)基于惡劣的工業(yè)環(huán)境設計，抗電磁干擾性符合IEC61000，全部模塊均通過ICE認證。先進的系統(tǒng)架構，系統(tǒng)支持Peer-to-Peer(對等網)、C/S(客戶機/服務器)、Peer-to-Peer和C/S(混合)三種系統(tǒng)網絡結構，并支持星形、環(huán)型或總線形拓撲結構的工業(yè)以太網連接?，F(xiàn)場總線技術，支持HART、Profibus-DP、Profibus-PA、Modbus等各類現(xiàn)場總線協(xié)議。

3.4 完善的系統(tǒng)狀態(tài)和信息診斷

系統(tǒng)提供了完善的系統(tǒng)狀態(tài)和診斷信息，用戶使用方便，易維護、易更換。全部硬件模塊具備硬件熱插拔、在線下裝和在線電子維護手冊，為客戶提供了方便且安全的現(xiàn)場維護。遵循國際標準，符合IEC61131-3控制算法編程軟件，支持CFC、SFC、LD、ST組態(tài)語言，支持用戶自定義各類功能塊和腳本語言。

3.5 功能、結構強大

全面的在線組態(tài)功能，MACS V6系統(tǒng)任何組態(tài)修改均可在線完成，包括對控制算法、硬件配置的增加、刪除、修改，系統(tǒng)數據庫、圖形組態(tài)、系統(tǒng)配置等各項組態(tài)內容的修改，均可做到在線無擾下裝，大大提高了系統(tǒng)的可維護性和可用性。MACS V6系統(tǒng)支持多工程師站協(xié)同組態(tài)功能，在超大型項目實施過程中可以保證多人同時協(xié)同工作。支持大型系統(tǒng)應用，MACS V6系統(tǒng)支持多域結構，最大支持15個域，最大可支持983,025個數據庫點。

3.6 一體化解決方案，系統(tǒng)資源整合性強

保護用戶既有投資，MACS V6系統(tǒng)向前兼容和利時FM、SM系列I/O模塊，可方便地進行老系統(tǒng)升級，同時可以實現(xiàn)與舊版本軟件的多域混合使用，系統(tǒng)資源整合性強。MACS V6系統(tǒng)可以與和利時的其他產品，包括：HOLLiAS AMS(資產管理系統(tǒng))、BATCH(批量控制)、APC(先進過程控制)、SIS(安全儀表系統(tǒng))、MES(生產執(zhí)行系統(tǒng))、OTS(操作員仿真培訓系統(tǒng))、CCS(壓縮機控制系統(tǒng))、ODS(操作數據管理系統(tǒng))、WIS(無線儀表系統(tǒng))進行無縫地集成，為用戶提供一體化解決方案。

4 升級改造的系統(tǒng)規(guī)模概述

4.1 系統(tǒng)升級規(guī)模

本次DCS控制系統(tǒng)改造升級包括熱電(兩臺汽機ETS由PLC控制并與DCS通訊)、化工(7臺石灰窯由歐姆龍PLC控制與DCS通訊)兩個部分，與年度大修同步進行。本項目為DCS系統(tǒng)目前在國內純堿行業(yè)運用規(guī)模較大的DCS系統(tǒng),物理I/O點數上萬點、現(xiàn)場控制站配置28對冗余控制器、多達33臺操作員站、7對冗余歷史數據服務器(可兼做操作員站)、控制柜47面。采用了目前世界上先進的現(xiàn)場總線技術(ProfiBus-DP總線),成熟先進的控制算法，域間通過冗余的光纜與中控室三層交換機連接并通訊,整個系統(tǒng)中任何一臺計算機均可通過不同權限的登錄完成對系統(tǒng)其他域的監(jiān)視與操作,真正做到分散控制、集中管理。

4.2 系統(tǒng)升級內容

DCS系統(tǒng)及升級改造工作不更改原有的DCS系統(tǒng)各站的所有功能(操作、顯示、報警、趨勢顯示、歷史趨勢歷史數據顯示和查詢等),將原SmartPro V 3.1.3版本升級為最新MACS V6.5.2版本。DCS邏輯，畫面全部重新組態(tài)。在此，因原系統(tǒng)是2005年投運，運行時間較長，原來的預留的備用通道幾乎用盡，根據公司生產部和技術質量部提出的新增控制點數，在前期組態(tài)一并完成。

4.3 系統(tǒng)改造時間

本次系統(tǒng)升級改造在2016年5月份與生產系統(tǒng)停車大修一并完成，時間安排上比較緊張。整個工期計劃為5天，化工、熱電兩部分同時進行。

4.4 熱電升級部分

1)升級更換操作員站及工程師站,將現(xiàn)有操作員站及工程師站電腦更換為微塔式PC機/680G1/i3-4150 3.5GHz/4G/500G；DVDRW/HD Graphics 4400/鍵鼠/無OS/3年，數量為12臺(含遠程操作員站),升級操作系統(tǒng)為 Windows7 專業(yè)版 32位。

2)升級更換歷史站，將現(xiàn)有歷史站電腦更換為塔式工作站/T5810/E5-1603v3/4G/500G SATA 7.2k/DVDRW/FirePro W2100/鍵鼠/無OS/3年，數量為6臺，升級操作系統(tǒng)為 Windows7 專業(yè)版 32位。

3)升級更換交換機，將現(xiàn)有交換機D-LINK更換為GM010數量為4臺,增加2臺交換機以完成域組態(tài)的變更。

4)升級更換主控單元，將現(xiàn)有FM801主控更換為FM820主控單元，主頻為400 MHz，DRAM為128 MB，SSD(固態(tài)盤)為16 MB，更換新主控FM820后可使負荷率降到20%以下，可以使系統(tǒng)運行的更穩(wěn)定,數量為16臺。

5)升級更換機籠,將現(xiàn)有FM301機籠更換為FM320 機籠數量為8臺。

6)汽輪機ETS系統(tǒng)改造工作利用原有PLC機柜及不更改原有ETS系統(tǒng)的所有功能。本次兩套ETS系統(tǒng)將原有FM214系列PLC軟、硬件更換為杭州和利時自動化有限公司LM系列PLC軟、硬件。

7)系統(tǒng)組態(tài)升級：

①監(jiān)控畫面重制、優(yōu)化,所有畫面全部重新組態(tài)及制作，重制原則為保留原有畫面的風格(顏色、布局、字體大小、操作窗口等)，遵循MACS V6 系統(tǒng)組態(tài)規(guī)則的前提下，盡量不改變原有操作習慣。畫面優(yōu)化,根據工藝要求進行修改。

②控制邏輯重制、優(yōu)化，所有控制邏輯均需全部重新組態(tài)及制作，重制原則為實現(xiàn)全部原有系統(tǒng)功能，遵循MACS V6 系統(tǒng)組態(tài)規(guī)則和方案庫的前提下，盡量不改變原有操作習慣。

③系統(tǒng)分域重組,本次升級將對熱電原有分域進行重新劃分，原系統(tǒng)分域情況，1～4#爐為1個域，5#爐、1～2機、公用為1個域，將熱電域重新劃分為：1～5#爐為一個域、1～2#機為一個域、公用為一個域，新上脫硝系統(tǒng)為一個域，大大提高了系統(tǒng)的利用率和穩(wěn)定性。

④通訊恢復,升級后保證了DCS系統(tǒng)與電氣綜保系統(tǒng)數據的通訊正常。

4.5 化工升級部分

1)升級更換操作員站及工程師站,將現(xiàn)有操作員站及工程師站電腦更換為微塔式PC機/680G1/i3-4150 3.5GHz/4G/500G；DVDRW/HD Graphics 4400/鍵鼠/無OS/3年,數量為21臺(含遠程操作員站),升級操作系統(tǒng)為 Windows7 專業(yè)版 32位。

2)升級更換歷史站，將現(xiàn)有歷史站電腦更換為塔式工作站/T5810/E5-1603v3/4G/500G SATA 7.2k/DVDRW/FirePro W2100/鍵鼠/無OS/3年，數量為8臺，升級操作系統(tǒng)為 Windows7 專業(yè)版 32位。

3)升級更換交換機,將現(xiàn)有交換機更換為GM010數量為16臺,增加三層交換機WS-C3750X-24T-S,兩塊(放置在調度室作為域間互聯(lián))。

4)升級更換主控單元，將現(xiàn)有FM801主控單元更換為FM820主控單元,主頻為400 MHz，DRAM為128 MB，SSD(固態(tài)盤)為16 MB，更換新主控FM820后可使負荷率降到20%以下，可以使系統(tǒng)運行的更穩(wěn)定,數量為40臺。

5)升級更換機籠，將現(xiàn)有FM301機籠更換為FM320機籠數量為20臺。

6)系統(tǒng)組態(tài)升級：

①監(jiān)控畫面重制、優(yōu)化，所有畫面均需全部重新組態(tài)及制作，重制原則為保留原有畫面的風格(顏色、布局、字體大小、操作窗口等)，遵循MACS V6 系統(tǒng)組態(tài)規(guī)則的前提下，盡量不改變原有操作習慣。

②控制邏輯重制、優(yōu)化，所有控制邏輯均需全部重新組態(tài)及制作，重制原則為實現(xiàn)全部原有系統(tǒng)功能，遵循MACS V6 系統(tǒng)組態(tài)規(guī)則和方案庫的前提下，盡量不改變原有操作習慣。

③通訊恢復,升級后保證系統(tǒng)與石灰工段7臺石灰窯PLC的通訊正常。

④將原來的石灰車間和壓縮車間分域，形成兩個單獨的域，增加單模光纖收發(fā)器四臺(與調度室通訊)。為保證系統(tǒng)安全，將石灰車間和壓縮車間原有的操作員站升級為歷史站，共兩臺。石灰控制室至調度室因分域所需的光纖由我方儀表人員鋪設熔接。為提高系統(tǒng)安全性和可靠性將原有網絡結構進行了變更，將包裝工段連接至輕灰工段、將鹽水工段連接至碳化工段。此網絡數據光纖敷設、熔接由我方儀表人員在系統(tǒng)大修升級前準備完畢。

4.6 升級為MACSV6.5.2 后DCS系統(tǒng)組態(tài)

1)數據庫組態(tài)，做好化工、熱電工程數據備份，清查現(xiàn)有數據庫中的物理點和中間點。出廠前完成數據庫的優(yōu)化、校對工作；

2)配置組態(tài)，把重新編制的工程數據點導入到MACS V6中，生成系統(tǒng)網絡圖和I/O詳細模塊點表圖和DCS系統(tǒng)監(jiān)視圖。

3)算法組態(tài),按照以站為主，以功能為輔展開組態(tài)，同時要遵循MACS V6系統(tǒng)組態(tài)規(guī)則和方案庫完成算法組態(tài)工作。算法組態(tài)工作在出廠前完成靜態(tài)單體調試和聯(lián)調、功能驗證。

4)涉及到因設備改型或更換等原因，要重新設計控制的算法組態(tài)或其他配置，與我方的相關專業(yè)技術人員詳細溝通后再確定組態(tài)方案及聯(lián)鎖。

5)畫面組態(tài),備份原操作畫面，畫面風格沿用原來操作畫面風格(顏色、布局、字體大小、操作窗口等)，必要時可根據現(xiàn)場工藝的要求調整畫面的風格。

6)圖形組態(tài),在出廠前完成畫面組態(tài)100%工作，并進行畫面單體和聯(lián)調工作。

以上六項的組態(tài)工作安排在出廠前完成，為現(xiàn)場調試和開車爭取時間，待現(xiàn)場調試時再對其進行修改完善，直到完全滿足現(xiàn)場生產要求，整套系統(tǒng)投入生產，正常穩(wěn)定的運行。

5 升級改造后達到效果及影響

通過DCS系統(tǒng)升級改造后，系統(tǒng)的兼容性更強、人機界面更友好、系統(tǒng)容量更大。系統(tǒng)運行至今對熱電和化工區(qū)自動化控制水平及機組、設備的運行效率、性能和工藝水平有了進一步的提高，降低控制系統(tǒng)的故障率，維護率。使機組、設備的可利用率大大提高，為公司化工生產的安全、穩(wěn)定、可靠、經濟的運行提供了保障，同時減少了操作人員的勞動強度和工作量，為企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗、增產增效創(chuàng)造條件。因此，此次公司生產系統(tǒng)的DCS控制系統(tǒng)升級改造工程是經濟的、可行的，更是成功的。