西門子PCS7在甲醇給排水中的應用

岳宗梅

（河南煤業化工集團中原大化公司，河南濮陽 457000）

我公司煤化工500kt／a甲醇項目給排水裝置，主要包括脫鹽水單元、循環水單元、污水處理單元，同時負責甲醇裝置區的生產水、消防水、生活水、雨水系統的運行管理。脫鹽水單元設計外送脫鹽水量560t／h，采用了先進的膜處理技術和離子交換除鹽工藝。使用荷蘭諾瑞特公司生產的超濾鏡元件，除去原水中大部分懸浮物、膠體及部分有機物。使用美國陶氏公司生產的反滲透膜，除去原水中的95%的雜質，經陽床、陰床、混床進一步脫鹽后作為鍋爐給水。較常規離子交換除鹽工藝大大減少了酸堿用量，減少了環境污染。循環水單元設計循環量為44 000t／h，采用9臺上海KSB泵廠生產的循環水泵，單泵設計流量為650t／h。11座逆流式涼水塔，單塔處理水量4 500t／h。污水處理單元采用SBR序批式間歇活性污泥法，處理量100t／h。

該項目過程控制采用了西門子公司的PCS7 6.1SP1版本DCS控制系統，它采用先進的分布式客戶機／服務器架構，基于標準的SIMATIC軟件和硬件，支持總線冗余（系統總線和現場總線）和組件冗余（控制器、模塊和PROFIBUS），支持在線組態修改和故障診斷，是新一代全集成自動化控制系統。

1 系統組成及網絡結構

本項目DCS控制系統的上位機系統采用冗余操作員站服務器和客戶端的監控結構，共配置了1對冗余服務器，1臺工程師站，1臺歸檔服務器，8臺客戶端操作站，6對冗余的AS控制和若干I／O卡件，整套系統實際提供I／O點數3 224點。DCS控制系統配置一臺工程師站，用于對DCS系統進行組態調試。在DCS控制系統正常投運后，操作員站通過冗余的操作員站服務器對工藝過程進行操作和監視。

整個系統網絡分為三層：各操作員站通過普通交換機與工程師站和服務器構成上層的標準以太網；工程師站和服務器則通過OSM交換機與各分散卡站（ET200M）采用冗余的PROFIBUS DP現場總線網絡進行下次通訊。系統網絡及節點如圖1所示。

2 冗余供電方案

該項目整套DCS系統及附件采用兩種規格電源：220VAC和24VDC。所有操作站、服務器、控制器、直流穩壓電源使用220V電源，卡件、儀表、交換機等采用24V直流電源。

24V供電采用了兩個直流穩壓電源并聯加二極管輸出的辦法進行冗余，使用220V供電的設備如操作站、控制器、穩壓電源等通過冗余的兩個UPS（不間斷電源）分散供電，由于這些設備本身設計成了冗余雙機模式，因此即使一個設備掉電也能保證整個系統正常運行（這種方式在其中一個UPS維護時非常有用）。

圖1 給排水DCS網絡圖

UPS采用了兩臺20kVA的梅蘭日蘭品牌機型，兩臺UPS輸入供電采用圖2的冗余供電模式，兩路380V電源通過開關和互投（互投型號為施耐德ATS MT160／160H1 3PBA）接入UPS。當主電源由于故障掉電時，互投自動接入備用電源給UPS供電。

圖2 UPS輸入供電

兩臺UPS的輸出供電按圖3分散接入不同的冗余用電設備。

圖3 UPS輸出供電

由于UPS本身有蓄電池組，具有冗余不間斷送電功能，再加上輸入電源的雙路切換，這樣更保證了系統供電的可靠性，同時，兩臺UPS的備用也為UPS停電維護提供了可能（如定期清掃衛生、充放電、更換電池等）。

3 網絡冗余方案

如前所述，西門子PCS7DCS控制系統共分三層網絡，上層普通以太網，中層環網以太網，下層DP網。下層DP網連接冗余控制器和冗余ET200M卡站，每個卡站兩個冗余通訊卡通過PROFIBUS DP現場總線冗余通訊電纜連接到兩個冗余控制器上，這樣構成了下層DP網絡的冗余。中層環網本身就是冗余通訊，當環網上某一節點故障時，其他節點就變成單通訊網照常工作。環網通過OSM交換機連接，由于OSM具有網絡節點智能診斷功能，因此通過在流程圖畫面上正確的組態，可以實施監控整個環網的運行狀態。當有網絡節點掉線或故障時，會在操作畫面上報警，工程師可在每個OSM上查找故障點。上層以太網與我們常用的局域以太網連接相似，可將操作站分開分別通過冗余交換機與兩個冗余服務器連接，冗余交換機采用級聯方式進行物理連接，這樣，無論哪一個操作站或服務器出問題都能確保其他微機正常通訊，交換機出現問題可保證一半的操作站通訊。

4 控制器及I／O模件冗余方案

西門子AS冗余控制器由電源、中央處理單元（CPU）、通訊處理器和輸入輸出模塊組成。冗余控制器通過兩個IF光纖接口使用光纖進行冗余連接。每個控制器則通過PROFIBUS通訊處理器與分布式雙邊切換I／O卡站的冗余通訊卡相連，如圖4所示。這樣，確保了控制器的冗余和通訊冗余。

圖4 控制器及通訊冗余

卡件冗余基本都能實現，但考慮到投資費用問題，我廠只對輸出卡件進行了冗余配置，包括模擬量輸出卡（AO）和數字量輸出卡（DO）。

DO卡根據模版類型選擇不同的冗余連接方式。內部集成二極管的可直接將兩個DO卡的對應冗余通道連接并接負載，內部無二極管的可通過在接線端子上串聯二極管實現，如圖5所示。

圖5 DO卡冗余

冗余的AO卡也是通過外接二極管進行冗余連接的（見圖6）。需要注意的是，在模擬信號（如4～20mA）輸出時，每個輸出卡通道減半輸出，兩個冗余卡輸出值加起來正好是要求的輸出電流。當一個模板故障時，另一個模板全值輸出，這樣就保證了AO卡件的冗余。不足的是全值、半值輸出切換時有小小的波動，但現場調節閥等執行機構幾乎看不出變化。由于不是所有模板都支持冗余功能，所以我們在選型前，應查詢手冊或相關的網上信息。

圖6 AO卡冗余

5 服務器冗余

服務器的冗余通過西門子的PCS7配套軟件實現，冗余服務器功能與服務器相同，與服務器并行運行。每臺服務器有自己的過程連接和數據歸檔。正常工作時，AS控制器把數據過程和消息發送到主冗服務器中。如果一個服務器發生故障，操作站將自動從故障服務器切換到正常運行的服務器上。故障服務器恢復在線后，冗余功能將履行故障期間的歸檔同步，傳送丟失的數據到故障服務器來填補由于故障而產生的歸檔缺口。

6 其他注意問題

上述DCS控制系統冗余方案沒有考慮工程師站和歸檔服務器的供電和網絡冗余，主要是因為工程師站不需要一直在線，即使壞掉也不影響系統運行，有足夠的時間維修；歸檔服務器只是存儲長期歷史曲線，也不影響系統運行。

由于電腦長期運行免不了出現故障，我廠關鍵的服務器和工程師站都采用了鏡像雙硬盤配置，電腦電源也是雙電源，這樣，電腦本身就實現了電源和硬盤的冗余，大大降低了故障率。

AS控制器的EPROM程序控制器也采用了雙鋰電池供電，確保交流電失電時能夠不丟失控制程序。不過，對鋰電池要定期檢查，以便電池失效時及時更換，防止意外發生。

DCS系統的運行環境要求溫度濕度要符合標準，因此，安裝空調和采取防塵措施對系統的安全穩定運行是必要的。對系統微機、卡件、風扇等設備和元件要進行定期除塵。

7 結 語

本文介紹的西門子公司PCS7 6.1SP1版本DCS控制系統能夠較好地實現上述冗余功能，但不代表以前版本的PCS7系統都能實現。因此，如果用戶要增加冗余功能，還需咨詢西門子系統專業工程師落實系統版本和各軟硬件版本。

西門子PCS7 6.1SP1雖然功能強大，但軟硬件組態較復雜，而且對組態的步驟順序要求較嚴格，因此對組態和維護工程師的專業水平要求較高。以上部分對系統的冗余配置還需做一些軟件的組態工作，因內容步驟較多不再詳述。

我廠于2009年煤化工項目的給排水項目投用了該套系統。到目前為止，運行安全可靠，確保了生產的安全穩定運行。