HOLLiAS控制系統(tǒng)在鍋爐和水處理裝置中的應(yīng)用

邵奎星（燕山石化運(yùn)保中心儀表一部，北京 102500）

劉偉佳（東方石油化工有限公司化工四廠，北京 102400）

1 引言

北京燕山石化一熱力二部的1#鍋爐、2#鍋爐、公用工程、冷凝水站、水處理裝置原為常規(guī)儀表系統(tǒng)和低端的GE9030、LG等系統(tǒng)，在線PID調(diào)整能力極為不便，不利于工藝優(yōu)化調(diào)整，此外由于儀表使用年限已久，控制精度低，維修頻繁，經(jīng)常造成計(jì)量誤差；不具備數(shù)據(jù)采集能力，也沒有集中監(jiān)控系統(tǒng)，不能查詢報(bào)警信息和操作行為記錄，對(duì)故障的分析和處理帶來了很多不便。隨著幾套裝置不斷進(jìn)行工藝流程改造和技術(shù)革新改進(jìn)，硬件配置日趨飽和、軟件版本日漸淘汰、備品備件大多停產(chǎn)的局面，不利于生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)、安全運(yùn)轉(zhuǎn)，給工藝的穩(wěn)定生產(chǎn)帶來了不利的影響。

改造前，共有兩個(gè)操作室，一熱力二部的1#鍋爐、2#鍋爐、公用工程、水處理的操作室和機(jī)柜室集中在一個(gè)操作室，而冷凝水站是另外一個(gè)操作室，在熱力廠檢修期間，儀表一部和工藝部門人員協(xié)商分別建立鍋爐和水處理的機(jī)柜間和中央控制室，同時(shí)將冷凝水站控制室取消，所有儀表信號(hào)移入到鍋爐和水處理的機(jī)柜間，以便減少人力、集中整合、規(guī)范管理。

因?yàn)殄仩t和水處理裝置今后同時(shí)開、停工的機(jī)會(huì)極少，所以決定水處理和鍋爐分別安裝兩套獨(dú)立的DCS系統(tǒng)。2010年4月HOLLiAS公司的MACSV4.5.1控制系統(tǒng)投標(biāo)成功。

2 系統(tǒng)方案

2.1 DCS改造方案

本次系統(tǒng)改造，推倒了鍋爐的2套盤裝機(jī)柜和水處理3套PLC機(jī)柜以及鍋爐連鎖保護(hù)系統(tǒng)的歐姆龍PLC機(jī)柜，增上3套系統(tǒng)柜，3套I/O端子柜，1套配電柜，2套網(wǎng)絡(luò)柜，9臺(tái)儀表操作臺(tái)，同時(shí)取消所有墻壁電源，從電氣引入兩路電源，一路UPS，一路市電，設(shè)2個(gè)工程師站，且兼作歷史站，6個(gè)操作員站，1個(gè)OPC站，下面重點(diǎn)敘述的是MACSV4.5.1 DCS系統(tǒng)在本次改造中的應(yīng)用。

2.2 DCS總體設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2.1 控制站組態(tài)

MACSV4.5.1系統(tǒng)軟件是在WindowsXP 環(huán)境下運(yùn)行和組態(tài)，所有軟件均為中文界面，組態(tài)和調(diào)試方便靈活。HOLLiAS系統(tǒng)控制站的組態(tài)內(nèi)容包括：搭好硬件布置圖，其中模塊和地址一定要一致。I/O點(diǎn)的分配：按照設(shè)計(jì)的I/O表對(duì)I/O模塊的每一通道進(jìn)行有關(guān)參數(shù)設(shè)置，如量程、單位、注釋等。回路組態(tài)：包括測(cè)量回路、控制回路、邏輯回路等組態(tài)。復(fù)雜控制回路，注意功能模塊的選用、命名、參數(shù)設(shè)定等方面的內(nèi)容。既可在線編程，也可離線編程，并采用軟連接方式對(duì)組態(tài)的控制方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示和模擬操作。所有組件均可在線插拔、在線修改控制組態(tài)及在線修改過程畫面并下載。該DCS系統(tǒng)分為操作員環(huán)境、班長環(huán)境、過程工程師環(huán)境。其中操作員環(huán)境的級(jí)別最低，僅能對(duì)PID控制塊進(jìn)行簡單的操作，如手/自動(dòng)切換、內(nèi)/外給定切換、調(diào)節(jié)給定值、閥位輸出值。班長環(huán)境可以對(duì)PID參數(shù)、報(bào)警數(shù)值進(jìn)行修改，而過程工程師環(huán)境為DCS系統(tǒng)中最高環(huán)境，可對(duì)所有的DCS組態(tài)內(nèi)容進(jìn)行修改。

2.2.2 操作站組態(tài)

HOLLiAS系統(tǒng)操作站的組態(tài)內(nèi)容包括：流程圖畫面組態(tài)、趨勢(shì)記錄、定義趨勢(shì)組趨勢(shì)點(diǎn)及采樣周期和控制組分配組態(tài)。為了滿足工藝操作人員的要求，即不管現(xiàn)場(chǎng)是風(fēng)開閥還是風(fēng)關(guān)閥，要求調(diào)節(jié)器的標(biāo)尺刻度為0%時(shí)，調(diào)節(jié)閥全關(guān)；標(biāo)尺刻度為100%時(shí)，調(diào)節(jié)閥全開。因此對(duì)于風(fēng)關(guān)閥需要將AO輸出反向，PID原作用方式取反即可，所有組態(tài)都要體現(xiàn)這個(gè)特點(diǎn)和原則。

2.3 MACSV4.5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及構(gòu)成

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

第一層為100M高速冗余工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，用于系統(tǒng)中工程師站、操作站、現(xiàn)場(chǎng)控制站、通信控制站等系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的連接，完成節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通訊。包括現(xiàn)場(chǎng)控制站的數(shù)據(jù)下載、操作控制和數(shù)據(jù)采集等。采用TCP/IP通訊協(xié)議，通訊速率10/100Mbps。第二層采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（Profibus-DP），主要完成控制站內(nèi)部各I/O模塊與主控單元的通訊。由雙冗余主控內(nèi)部的I/O總線網(wǎng)絡(luò)卡、雙冗余I/O總線、I/O總線模塊（每個(gè)模塊內(nèi)置雙冗余I/O BUS從站接口）。采用I/O BUS現(xiàn)場(chǎng)總線與各個(gè)I/O模塊及智能設(shè)備連接，實(shí)時(shí)、快速、高效的完成過程或現(xiàn)場(chǎng)通訊任務(wù)[1]。

為保證鍋爐和水處理裝置的運(yùn)行可靠，在技術(shù)協(xié)議的簽訂中多方面考慮了整個(gè)系統(tǒng)的冗余。

2.3.1 現(xiàn)場(chǎng)控制器

現(xiàn)場(chǎng)控制器配置兩個(gè)冗余的主控單元（SM203），都帶有掉電程序保護(hù)功能，主控單元上有硬件冗余切換電路及故障自檢電路。兩個(gè)主控單元進(jìn)行熱備份，它們同時(shí)接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，兩個(gè)主控單元同時(shí)做控制運(yùn)算，但只有一個(gè)輸出運(yùn)算結(jié)果，且通過雙口RAM 實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)。一旦工作中的主控單元發(fā)生故障，備份主控單元自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，而且切換過程是無擾動(dòng)的。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)冗余

MACS 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)由上到下分為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（即工業(yè)以太網(wǎng)）和控制網(wǎng)絡(luò)（即Profibus-DP）兩個(gè)層次，操作員站通過配置冗余網(wǎng)卡與冗余交換機(jī)形成了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)冗余，每個(gè)主控單元設(shè)計(jì)有兩套SNET網(wǎng)絡(luò)接口10/100Mbps自適應(yīng)，接口形式為RJ45，分配有不同的IP地址，即實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)絡(luò)的雙冗余結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)I/O卡件與系統(tǒng)控制器的Profibus-DP冗余互連，所以該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了冗余配置。

2.3.3系統(tǒng)機(jī)柜電源

每個(gè)系統(tǒng)機(jī)柜配置兩套獨(dú)立的供電電源，任何一路故障都不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，可以自由地進(jìn)行在線無擾動(dòng)切換，并無切換時(shí)間滯后；同時(shí)接收兩路交流電源，輸出多路24VDC給每個(gè)機(jī)籠的背板供電，背板再通過冗余電源卡件給I/O卡件供電。

2.3.4 I/O模塊

現(xiàn)場(chǎng)控制站實(shí)現(xiàn)了所有I/O模塊的智能化，將控制有效地分散到各個(gè)I/O模塊，降低主控單元/主控模塊的負(fù)擔(dān)，使得板級(jí)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷能力得以提高。采用Profibus - DP總線技術(shù)取代傳統(tǒng)的并行總線，使各模塊的故障被有效地隔離[2]。所有模塊均帶有隔離電路，將通道上竄入的干擾源與系統(tǒng)隔離。現(xiàn)場(chǎng)控制站的所有模塊上都帶有CPU，每塊模板都周期性地進(jìn)行自診斷。而且由于采取了特殊保護(hù)措施，系統(tǒng)中主控單元和所有模塊均可帶電拔插，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生任何影響。這樣保證了系統(tǒng)在某些模塊發(fā)生故障時(shí)，維護(hù)人員可以快速更換且不用停電，從而縮短了故障處理的時(shí)間。

圖2 機(jī)籠示意圖

3 系統(tǒng)調(diào)試遇到問題及解決辦法

3.1 模塊在線插拔問題

盡管HOLLiAS系統(tǒng)稱帶電拔插模件不會(huì)產(chǎn)生不良影響。但如果工業(yè)生產(chǎn)正在進(jìn)行中，還是盡量避免這樣做為好。在系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)模塊有問題時(shí)，可能導(dǎo)致在同一機(jī)籠內(nèi)的模塊因拔插過程引起同一槽位上的電源模塊或者其它模塊松動(dòng)，導(dǎo)致該機(jī)籠內(nèi)其它模塊失效，其根本原因是HOLLiAS系統(tǒng)的模塊是機(jī)籠式槽位安裝。雖然熱拔插很少威脅系統(tǒng)，影響運(yùn)行設(shè)備，但是意外情況仍有可能發(fā)生。

3.2 機(jī)籠背板冗余供電和背板供電報(bào)警問題

SM130為后出線型I/O機(jī)籠，共有14個(gè)槽位，由左至右依次可配置2個(gè)冗余電源模塊和12個(gè)I/O模塊。前面板上設(shè)有模塊站號(hào)撥碼開關(guān)、終端匹配撥碼開關(guān)和冗余Profibus-DP從站輸入輸出接口；后面板上設(shè)有24VDC電源輸入接口、電源故障報(bào)警輸出接口和12個(gè)DB25預(yù)制電纜插座。在機(jī)柜調(diào)試期間，發(fā)現(xiàn)和利時(shí)工程人員把機(jī)籠背板的供電處接的是單路24伏供電，為了保證該系統(tǒng)全部冗余，通過和和利時(shí)工程人員及時(shí)溝通，從24伏冗余模塊再取需要的幾路24伏電源，引入機(jī)籠背板24VDC系統(tǒng)電源接口。同時(shí)，把電源報(bào)警的冗余輸出接口引入DCS的DI卡，再單獨(dú)為每個(gè)機(jī)籠的電源報(bào)警做入DCS報(bào)警畫面，這樣可以為儀表維護(hù)人員巡檢時(shí)查找DCS背板供電狀態(tài)提供依據(jù)。然而如果由于每個(gè)機(jī)籠的冗余電源模塊故障引起的該機(jī)籠內(nèi)卡件失效，在工程師環(huán)境下不能發(fā)現(xiàn)，只能去系統(tǒng)柜內(nèi)看冗余電源模塊的故障燈是否報(bào)警，因?yàn)槿哂嚯娫茨K在DCS內(nèi)部沒有地址，所以在工程師環(huán)境下無法查找。

3.3 操作站和工程師站不間斷供電

操作站和工程師站供電在我部門一般是這樣規(guī)定的，工程師站供電是UPS供電，操作站供電是一部分UPS，一部分市電或另一路UPS。這樣保證在斷一路UPS或市電電源的情況下，仍有部分操作站工作。而在此次項(xiàng)目中操作站和工程師站供電采用深圳天普圣公司生產(chǎn)的STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的輸出電源給操作站和工程師站供電，進(jìn)而保證在斷一路UPS或市電電源的情況下全部操作站和工程師站是正常工作的。

圖3 STS應(yīng)用示意圖

工作原理：STS可以通過控制面板設(shè)定其中任意一路輸入電源為主電源，另一路輸入電源為備用電源。只有在主電源故障的情況下，STS才會(huì)自動(dòng)在8ms內(nèi)從主電源切換到備用電源。STS的兩路靜態(tài)開關(guān)是嚴(yán)格互鎖， STS的所有轉(zhuǎn)換都是快速的先斷后合，主備電源之間不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，所有的轉(zhuǎn)換都在小于8ms的時(shí)間內(nèi)完成。正常工作狀態(tài)下，在主電源處于正常的電壓范圍內(nèi)，負(fù)載一直連接于主電源。在主電源發(fā)生故障時(shí)，負(fù)載自動(dòng)切換到備用電源，主電源恢復(fù)正常后，負(fù)載又自動(dòng)切換到主電源。

由于市電與標(biāo)準(zhǔn)正弦波在相位、幅值、頻率上存在差別，因此開車前必須進(jìn)行有效的UPS和市電反復(fù)自動(dòng)/手動(dòng)測(cè)試，此外在正常生產(chǎn)巡檢時(shí)觀察切換開關(guān)的動(dòng)作，有可能由于市電的波動(dòng)，UPS電源和市電不同相（相位差較大），兩路輸入電源不同相造成，切換時(shí)，因相位差而產(chǎn)生環(huán)流，造成開關(guān)跳；如果出現(xiàn)問題，需要測(cè)量兩個(gè)電源火線的電壓差是否小于30VAC，兩個(gè)電源零線電壓差是否小于5VAC。有一種電壓差超過額定值的STS就已經(jīng)自動(dòng)切換了，其中一路電源UPS或市電必然離線。由于目前和利時(shí)系統(tǒng)工程部人員在中石化項(xiàng)目中都配備了STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的輸出電源，存在一定的隱患。筆者建議和利時(shí)系統(tǒng)工程部在做其他項(xiàng)目時(shí)，盡量不要采用這種配電方案。

3.4 利用WACSV4.5.1程序模塊制作首出記憶

在MACSV4.5.1的控制邏輯中的庫管理的特殊算法庫加載后，在程序塊中調(diào)用首出記憶算法塊HSSC：

該算法塊用于事故記錄和首出原因分析。可以對(duì)最多8個(gè)數(shù)字信號(hào)源進(jìn)行故障監(jiān)視。待監(jiān)視的一組信號(hào)源中只要有一個(gè)發(fā)生故障，輸出端即置1，表明有故障發(fā)生；當(dāng)有多個(gè)信號(hào)源發(fā)生故障時(shí)，該算法塊能夠判斷哪個(gè)最先發(fā)生故障。并將其對(duì)應(yīng)的輸出端置1，其它故障信號(hào)將不被記錄。這種狀態(tài)維持至通過I8復(fù)位后，模塊重新檢測(cè)故障信號(hào)。把鍋爐聯(lián)鎖點(diǎn)數(shù)的報(bào)警引入首出記憶模塊，就能達(dá)到事故軟抓捕的能力。然而由于DCS通常掃描速度不高，加上首出記憶模塊自身特點(diǎn)的限制，根本達(dá)不到SOE級(jí)別的毫秒事故抓捕的能力。由于本裝置聯(lián)鎖點(diǎn)數(shù)有限，用此模塊完全可以滿足報(bào)警軟抓捕的能力。

4 結(jié)語

截止至2010年11月，鍋爐和水處理系統(tǒng)更換進(jìn)入了尾聲，改造后提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性、可操作性、開放性等方面。提供了更好的人機(jī)界面窗口，系統(tǒng)維護(hù)方便。改造后的DCS系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，到目前為止未發(fā)現(xiàn)難以解決的系統(tǒng)問題。

[1] 陳湘?zhèn)? 王迪. 和利時(shí)MACSⅡDCS在浮法玻璃生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化博覽. 2003, 6.

[2] 李銳成, 馬國平, 邱利軍, 鄭理.大型火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制方案探討[J]. 自動(dòng)化博覽. 2007, 6.