和利時系統在中石化高酸原油項目中的應用

王曉玉 宋 蓓

(1.中國石化青島石油化工有限責任公司，山東 青島 266000;2.海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266000)

1 引言

中國石化青島石油化工有限責任公司加工高酸原油適應性改造項目是中國石化集團2009年20個重點工程項目(其中煉化工程14項)中的重要一項。項目規模較大，由多套聯合裝置組成，對自控系統的產品、工程實施能力等要求非常高。此項目實際包括：500萬噸/年常減壓裝置、1.5萬標方/小時制氫裝置、160萬噸/年延遲焦化裝置、100萬噸/年汽柴油加氫精制裝置、60萬噸/年催化汽油選擇性加氫脫硫裝置(含鍋爐除氧水工段)、2萬噸/年硫磺回收及溶劑再生裝置等。

六套生產裝置的工藝操作、監視、控制、生產管理均在一個中央控制室內通過DCS的工程師站，操作員站等完成。各生產裝置設現場機柜室，安裝DCS的過程接口，控制站(冗余)，各種機柜及開停車維護用帶工程師屬性操作站等對生產裝置進行控制。現場機柜室與中央控制室采用冗余光纜進行數據通信連接，全廠DCS系統由管理網絡和6個局域控制網絡組成安全可靠。隨著裝置的建成投產標志著和利時自主知識產權的HOLLiAS MACS分布式控制系統在大型石化煉油聯合主裝置項目應用上取得重大突破。此項目的成功實施，標志著中國石化集團在推進國產化控制系統的道路上邁出了堅實的一步。

2 HOLLiAS MACS－S概述

杭州和利時自動化有限公司為本項目提供的是第四代DCS--HOLLiAS MACS-S系列分布式控制系統，它是2005年推出的，是和利時公司在總結十多年用戶需求和多行業的應用特點、積累三代DCS系統開發應用的基礎上，全面繼承以往系統的高可靠性和方便性，綜合自身核心技術與國際先進技術而推出的新一代DCS。

2.1 HOLLiAS MACS-S系統網絡組成

HOLLiAS MACS-S系統工業控制網絡由三部分組成，管理網(MNET)、系統網(SNET)、控制網(CNET)。其中：系統網和控制網都是冗余配置，管理網為可選網絡。

管理網絡(MNET)：由100M/1000M以太網絡構成，用于歷史數據服務器與廠級信息管理系統(REALMis或者ERP)、INTERNET、第三方管理軟件等進行通訊。實現數據的高級管理和共享系統網絡(SNET)：由控制站、操作站節點(包括工程師站、操作員站等)構成。由1000M高速冗余工業以太網絡構成，用于工程師站、操作站、現場控制站、通信控制站的連接，完成工程師站的數據下裝，操作員站的在線數據通訊。可快速構建星型、環型或總線型拓撲結構的高速冗余的安全網絡，符合IEEE802.3及IEEE802.3u標準，基于TCP/IP通訊協議，通訊速率10/1000M自適應。

控制網絡(CNET)：由雙冗余主控內部的I/O總線網絡卡、雙冗余I/O總線、I/O總線模塊(每個模塊內置雙冗余IO BUS從站接口)。采用IO BUS現場總線與各個I/O模塊及智能設備連接，實時、快速、高效的完成過程或現場通訊任務，符合IEC61158國際標準(國標：JB/T10308.3-2001/歐標：EN50170)。

網絡設備：交換機：思科或赫斯曼等國際知名品牌。

通訊介質：SNET和MNET使用STP5或UTP5類雙絞線，多模或單模光纜，CNET使用IO BUS專用電纜，多模或單模光纜。

HOLLiAS MACS-S系統整體結構圖如下：

2.2 HOLLiAS MACS-S系統特點

a)控制器CPU采用工業級RISC芯片，基于實時操作系統，保證控制精確、實時、高效。

b)靈活的網絡結構，既保證數據的一致性，又可負荷均擔;功能豐富的HMI人機界面，

靈活強勁的控制軟件，支持離線仿真。

c)采用多種冗余結構(網絡、控制器、電源模件、I/O模件等冗余)，系統安全穩定可靠。系統為惡劣的工業環境設計，抗干擾性符合工業環境下的國際標準。

d)智能設備管理(故障診斷、精度校正、帶電插拔)，完善的系統診斷信息，在線電子維護手冊，維護簡單方便。

e)過程I/O單元采用的智能化設計方法，將部分控制或采集運算分散到各I/O單元，提高可靠性。

f)開放的網絡系統：支持IO BUS現場總線，提供標準的RS-485、RS-232、ModBUS 通信協議接口，支持 FF、CAN、HART等。

g)操作站采用通用系統平臺，采用WINDOWS XP操作系統。

h)現場總線的系統設計，有效節約整體項目投資，降低運行維護成本。

i)所有I/O單元采用光電隔離以及電氣隔離，各單元之間、單元與控制器之間無任何電氣聯系，提高系統的抗干擾能力、可靠性和安全性。

j)現場控制站的所有單元上均帶有CPU，每單元均可進行周期性自診斷。

k)系統具有離線的調試和仿真功能。降低現場實施的風險，縮短現場調試時間。

2.3 儀表設備管理系統

和利時DCS系統能夠集成儀表設備管理AMS系統，儀表設備管理系統包括：儀表設備組態、狀態監測及診斷、校驗管理和自動文檔記錄管理等功能。

設備管理系統包括以下幾部分：

a)數據讀取：HOLLiAS AMS設備管理系統完全能夠自動讀取系統連接的所有HART設備中的有效數據(包括生產廠商、設備型號、產品編號、名稱、系列號、軟件版本、地址、儀表位號、儀表規格等)。自動完成系統的數據存儲和管理，自動顯示系統及設備的連接狀態和診斷信息。HART信號采集可在HOLLiAS MACS-S I/O接口或端子上實現，不需要采用外配數據采集設備的方式。

b)設備組態：HOLLiAS AMS設備管理系統能完全兼容標準HART設備的通信和數據交換，采用簡便易行的標準化組態方式。使用標準化的數據庫和文件方式，并可采用標準化的設備描述文件，增加當前數據庫外的或新品種的標準HART設備。

c)軟件基礎：HOLLiAS AMS設備管理系統完全能在PC機上運行。

d)模板方式：HOLLiAS AMS設備管理系統能采用模板方式建立或傳送儀表組態顯示數據，可自動對應不同類型智能設備，完整地顯示儀表數據和診斷狀態。

e)操作記錄：智能設備管理系統能夠自動記錄和存儲智能設備參數的修改數據、修改過程、修改時間和修改人員，修改過程須有確認功能才能進行。修改記錄不可刪除，但可以讀取、顯示。

f)用戶管理：HOLLiAS AMS設備管理系統具有用戶管理功能，可以設置不同權限的用戶和密碼，保證操作管理的安全

h)非智能設備管理：對非智能設備，HOLLiAS MACS-S將采用人工輸入的方式建立儀表管理檔案。

i)預測維護管理：HOLLiAS AMS智能設備管理系統具有預測維護管理的功能。根據儀表運行時間和診斷信息，預測維護的時間，內容和計劃等。

3 系統配置說明

3.1 配置原則

a)冗余原則

系統具有完備的冗余技術，包括設備冗余和工作性能冗余。所有冗余設備在線切換不影響系統運行。

各級網絡通信設備和部件1：1冗余，控制站的控制器等功能卡1：1冗余，所有電源設備和部件1：1冗余，多通道控制回路的I/O卡1：1冗余。

每個操作站有獨立的計算機主機，操作站之間具備工作冗余的功能，具有在線故障診斷、報警、自動切換及維修提示。

b)控制站配置

控制站按工作區或裝置(單元)配置，將同工作區或裝置(單元)的控制回路和檢測回路放在同一控制站中，各控制站I/O卡件插槽預留20%的余量。可燃氣體、有毒氣體報警檢測器的I/O卡件為獨立卡件。各類系統機柜已經預留20%的備用安裝空間(不安裝設備)。

c)控制站負荷

當控制站滿負荷時，系統的電源、軟件、通信負荷和其他各種負載的裕量≥40%。控制站的負荷≤50%。

d)I/O卡配置

I/O卡輸入電路帶電磁/光電隔離，I/O卡的通道為隔離型，符合IEC61000或SAMA PMC33.1標準。

3.2 冗余技術

a)通訊網絡冗余

HOLLiAS MACS-S的硬件系統的網絡分為兩層：系統網絡(SNET)和控制網絡(CNET)。主控制器是系統網和控制網之間的樞紐。

系統網采用實時工業以太網與工程師站/操作員站連接，構建高速冗余的安全網絡，符合IEEE802.3及IEEE802.3u標準，通訊速率10/1000M自適應，傳輸介質為帶有RJ45連接器的5類雙絞線或光纖，基于可靠的工業以太網通訊協議。

控制網絡采用通訊總線與各個I/O模塊及智能設備連接通訊，符合 IEC61158國際標準(國標：JB/T10308.3-2001/歐標：EN50170)。采用主、從站間輪詢的通訊方式。適用多種通訊介質(雙絞線、光纖以及混合方式)，雙絞線最大通訊距離1.2km，單模光纖最大通訊距離10km，具有完善的診斷功能。

b)控制器冗余

控制器選用工業級低功耗CPU，采用無風扇設計，正常運行功耗小于5W。CPU與存儲器均采用表面貼裝或DIP插裝方式，抗震性能高，長期可靠運行。

控制器采用主備雙模冗余配置，硬件冗余切換和故障自檢電路。兩個控制器進行熱備份，采用主備運算同步方式，實現無擾切換。

兩個控制器同時接收網絡數據，同時進行控制運算，并且控制運算保持同步，保證雙機的事件變量及積累運算值均相等，只有一個輸出運算結果。當主控制器發生故障，備份控制器自動無擾切換到工作狀態。

控制器設有獨立的硬件看門狗電路，用于監視各個任務的運行狀態。當出現異常時，觸發看門狗動作，故障工作主控制器降為從控制器，同時原備份控制器升為主控制器。

c)系統電源冗余

電源模塊是AC/DC轉換設備，采用開關電源技術，實現220VAC到24VDC和/或48VDC的轉換，為主控制器和I/O模塊等現場設備提供純凈的電源。

電源模塊內置均流冗余電路，通過在輸出端串聯肖特基二極管，可以兩臺或多臺冗余配置、并聯運行，實現1：1或N：1均流冗余，并且平均分擔負載。一般按1：1冗余，可以直接接雙路AC220電源，也可用雙路220VAC電源切換裝置接入兩路AC220電源。

d)I/O模塊冗余

模擬量輸入設備、輸出設備與配套端子模塊使用，實現I/O設備的冗余配置。

模擬量輸入模塊冗余配置時，采用雙通道采集輸入，將結果進行比較，同時判斷輸入通道的正確性。

模擬量輸出模塊采用雙機熱備分，自動分配主從，并設有冗余切換機制。硬件自動比較輸出結果的一致性，進行自檢。

4 和利時系統在實際應用中發生的問題及解決方案

和利時系統自2009年9月開工以來，在實際運行中單個裝置出現過網絡通訊負荷較大，系統的通訊效率降低，短時間網絡擁堵的問題。具體的現象表現為操作站從控制器讀取數據時間延長，并發生過一次單個裝置操作站黑屏死機數秒的故障狀況。

故障發生后和利時公司派專家組來進行故障調研，并認真檢查系統的各項運行指標，并結合比較其他先進DCS通訊技術的提出了整改方案。原系統的通訊機制為操作員站和控制器之間周期通訊全部的測點值，無論該測點是否在畫面上使用。因此，在任何時刻，打開任何畫面，其上的測點值都是在“0秒”內就會刷新為實時值。由于此項目測點數量巨大，因此這種方案存在一個問題：網絡通訊負荷較大，當系統規模變大后，系統的通訊效率會變低，甚至有時會造成短時間內的通訊堵塞。

經過系統升級后，采用了新的通訊機制：操作員站和控制器之間不再周期通訊全部的測點值，僅僅通訊當前用戶打開的全部畫面上使用的測點值。當某個頁面剛剛打開時，操作站就會立即與控制器去通訊，并取得最新的數據，這個時間大約需要200～500ms左右。完全滿足生產操作的需要。從而解決了較大規模系統的通訊擁堵問題。

5 結束語

和利時HOLLiAS MACS系統在中國石化青島石油化工有限公司加工高酸原油適應性改造項目的應用是國產DCS系統的成功應用實施，為中國石化產業的長遠持續發展提供重要保障。石油、化工行業為國家的重要經濟支柱產業，關系到國家的戰略安全，國產DCS系統的成功應用打破國外壟斷，提升我國整體裝備制造業的水平，具有重要戰略意義。

［1]HOLLIAS SM系列使用手冊2004