工業以太網在化工廠綜合自動化系統中的應用

盧 倩 王福元 崔 治

(鹽城工學院機械工程學院，江蘇 鹽城 224051)

0 引言

目前，現場總線是自動化領域的主流技術之一[1]，但由于現場總線技術是針對現場的機器設備、控制對象而研發的專有通信控制系統，因此每一套控制系統實際上就是一套獨立的數據傳輸通信系統[2]，不同的現場總線控制系統不可避免地會出現彼此無法兼容、無法通信的現象，由此造成了“信息孤島”[3]。分布式工業以太網能夠有效地避免上述情況的發生，但如何利用工業以太網實現化工廠的綜合自動化控制一直是化工生產企業的技術難題之一[4]。

本文結合廣西田東縣某化工廠三氯乙酰氯車間的自動化改造工程，采用分布式工業以太網替代現場總線構建一體化的綜合自動化控制平臺，以此探討分布式工業以太網在化工廠綜合自動化系統中的應用。

1 化工自動化控制系統設計概述

1.1 化工生產流程及控制要點

該化工廠的三氯乙酰氯制備工藝流程如圖1所示。利用氯氣和硫磺作為原料，經過氯化反應、酰化反應、一級氧化、二級氧化和精餾之后得到最終成品三氯乙酰氯。在如圖1所示的三氯乙酰氯制備工藝流程中，氯化、酰化、一級氧化和二級氧化均是在反應釜中進行的，需要對反應釜內的溫度和壓力進行監測與控制，以確保三氯乙酰氯的純度和質量。

圖1 三氯乙酰氯制備工藝流程圖Fig.1 Technological process of trichloroacetyl chloride

通過現場調研發現，目前三氯乙酰氯車間的生產，除了氯氣泄漏時系統會自動報警外，其他都需手動控制。工人需要時刻對各個反應釜的溫度和壓力進行巡檢，當某個反應釜的溫度和壓力異常時，通過手動調節壓力閥門或者通氯閥來實現對反應釜壓力和溫度的調整，從而保證反應釜內氯化、酰化及氧化反應的正常進行。

如果采用傳統的現場總線對三氯乙酰氯車間進行綜合自動化控制改造，需要對現場內的眾多設備的不同接口分別設計并配置適宜的現場通信協議。但通常現場總線繁冗復雜，因此從現場反應釜的分布來看，采用現場總線并不可行。相反，如果采用工業以太網作為自動化控制的平臺，則只需要完成通信控制網絡的布線，即可實現將整個車間內的設備都納入到綜合自動化控制網絡平臺中[5]，不但組網成本大幅下降，而且有利于系統的后期維護。

1.2 總體建設目標與內容

為了進一步提高化工廠的綜合管理水平和企業的核心競爭力，真正實現以信息化帶動工業化，保障安全生產，必須要對該化工廠進行基于工業以太網的綜合自動化改造。改造建設的總體目標是:實現生產控制的信息化、自動化、網絡化和集成化。建成后的監測系統將是一個有易于擴充、升級和管理使用的遠程網絡綜合管理平臺。該系統將實現數據信號采集、各監控點實時數據傳輸、存儲資料智能檢索、人機交互等功能相結合的安全生產監測和分級管理系統，充分滿足了化工廠現代化生產的需要。

系統控制采用主控中心集中式管理模式，采用模塊化、可擴展的設計思路，可根據化工廠實際需要不斷擴充、升級，既有效保護了項目的投資，又使系統不會落后。基于工業以太網的自動化改造的具體建設內容如下。

①建立統一的數據采集平臺，將生產所需的各生產設備、機電設備及其他需要實現實時監測的設備接入化工廠內部，并通過統一的數據采集平臺和數據傳輸網絡實現各生產設備、機電設備的自動化監測，為無人值守提供技術支撐。

②在人機交互系統設計中，系統需具備設備運行工況監測、系統運行狀態/參數的統計查詢與自動存儲、定期生成報表等功能，全面實現對生產設備、機電設備的數字化、信息化管理。

③系統所采集監測到的參數與系統內的報警臨界值進行對比，當被監測參數異常超限時，自動報警，并根據參數的超限狀態自動控制通氯閥和壓力閥，以調節反應釜的溫度和壓力，確保生產穩定可靠進行。

④將原有的氯氣泄漏報警集成到該工業以太網綜合自動化網絡平臺中，以實現三氯乙酰氯車間內的生產、報警的聯動控制。

2 綜合自動化平臺設計

2.1 系統架構設計

本文所設計的分布式綜合自動化平臺采用工業以太網作為數據傳輸網絡的架構介質，將三氯乙酰氯車間生產工藝流程的每一個采集點都納入自動監控網絡的傳輸范圍內，從而方便構建分布式自動監控系統。具體的綜合自動化平臺網絡架構設計原理圖如圖2所示。

圖2 綜合自動化平臺網絡架構圖Fig.2 Network structure of the integrated automation platform

圖2中，基于分布式工業以太網的自動監控系統網絡架構分為以下幾個層次。

①傳感儀表層

為了實現對生產工業流程的全程監控，必須選用合適的傳感器對反應釜內的壓力和溫度進行實時監測，傳感器采用4～20 mA電流信號作為傳輸介質，將模擬量信號傳輸到數據采集模塊中。

②數據采集層

數據采集模塊接收傳感器傳送過來的模擬量信號，采集模塊通過網絡RJ45接口，借助于TCP-IP通信協議或者工業以太網Modbus-TCP協議實現模擬量數據信號的網絡傳輸，從而構建基于分布式工業以太網的網絡架構，實現全局域網內的數據傳輸。

③PC終端

PC終端通過專用的組態軟件實現對眾多設備的參數變量的實時顯示，并提供友好的人機交互界面，完成數據的查詢、存儲和報表統計等管理功能。

④驅動機構層

當被監測的參數變量異常超限時，由PC終端發出相應的控制指令，經過驅動機構層實現控制指令的放大和執行，輸出到動作執行器，實現相關的報警動作或聯動控制動作。

⑤動作執行層

動作執行層主要由通氯閥和壓力閥構成，通氯閥的開度可以調節反應釜內的溫度，壓力閥的開度可以調節反應釜內的壓力，它們通過接收來自PC終端發出的控制指令，經過驅動放大轉變為閥門調節的開度大小，從而實現對化工生產工藝流程的自動控制。

2.2 系統功能設計

基于以太網的綜合自動化系統是面向化工廠的生產運行設備而開發設計的，因此系統的主要功能是實現對生產設備及其他相關設備的運行狀態參數的實時監測和自動控制。具體來說，本自動監控系統的功能主要包含以下幾個方面。

①在線監測

通過布置合適的壓力變送器和溫度變送器，能夠對生產過程中的壓力與溫度實現自動采集和實時監測。通過所選用的差壓變送器和溫度變送器，將設備的這兩個運行參數采集到數據采集模塊中，并通過以太網通信協議將數據發送至上位機客戶端，客戶端專門開發的上位機軟件實現對設備運行參數的實時監測，從而為保證生產過程的連續性和可靠性提供基礎性數據支撐[6]。

②數據查詢

依靠上位機軟件的功能開發，一方面實現了對在線監測數據的實時觀察;同時，利用曲線圖表反映設備運行狀態的走勢，輕松實現對數據的查詢與訪問，提高了數據的客觀性與真實性;并對相關設備的性能狀態參數作出合理的預估，提高對設備運行狀態和性能的合理判斷。另一方面，系統可自動對數據進行數據庫存儲操作，歷史數據均保存在軟件系統的數據庫中，在對某些設備進行檢修時，可以按照日期進行歷史數據的查詢[7]。

③生成報表與統計分析

上位機軟件能夠實現對數據的報表統計與分析，可以按照用戶的需求自動生成Word或者Excel報表文件，從而為用戶提供相關決策的數據支撐。

④超限報警與聯動控制

基于工業以太網的綜合自動監控系統，除了要能夠實時顯示各個數據采集器的數據之外，還要能夠自動對數據進行監測，在數據超限時實施有效的報警，或者直接參與車間生產聯動控制，實現相應的聯動控制動作，從而確保整個車間生產過程的安全性與可靠性。

⑤權限管理與系統管理

權限管理主要是為了防止非操作人員或者非系統管理人員登錄上位機軟件之后，對軟件系統誤操作而造成損失。因此，上位機軟件系統的登錄界面分配了用戶名和密碼，只有經系統確認無誤的人員才能夠登錄軟件系統并進行操作;系統管理主要包含了系統導航管理、系統幫助管理、系統插件管理等內容，其主要作用是為了提高上位機自動監測軟件的穩定性和可靠性，從而為化工廠設備的連續穩定、實時可靠監控保駕護航[8]。

3 綜合自動化平臺實現

3.1 系統硬件實現

①傳感儀表的選型

傳感儀表主要需要完成對反應釜內溫度和壓力的監測，因此需要選用高精度的溫度變送器和壓力變送器，需要注意的是，由于反應釜內主要進行氯化、酰化和氧化反應，因此要求溫度變送器和壓力變送器能夠在高溫高壓的環境下正常工作，且必須具有一定的防腐蝕能力。

②數據采集模塊的選型

數據采集模塊主要是完成將傳感儀表所監測采集到的溫度模擬量和壓力模擬量進行保存，并轉換為數字量傳輸至上層的PC終端，這里選用模擬量采集模塊完成對溫度和壓力的數據采集。模擬量采集模塊自身集成了Modbus-TCP工業以太網通信協議，能夠通過普通的RJ45網絡接口實現數據的自動采集和以太網傳輸，大大減少了系統的程序開發設計量，這比采用PLC完成數據采集和傳輸簡單很多。

③工業以太網的敷設

工業以太網的管線敷設全部采用明管敷設工藝，管線經角鋼固定后沿樓板頂層走線，實現管線走線的合理化。

④驅動機構的設計

驅動機構是PC終端和動作執行機構的連接件，其主要功能是在實現輸入輸出隔離的同時完成由弱電到強電的轉換。因此，驅動機構主要由光電隔離電路、功率放大電路和繼電器輸出電路三部分構成，最終實現將由PC終端所發出的弱電控制信號(控制指令，一般是開關量信號)轉換為隔離與功率放大后的強電控制信號(閥門開度模擬量信號)，從而實現通氯閥和壓力閥的開度調節，完成反應釜內部溫度和壓力的調節，實現無人值守的全自動化控制與管理。

3.2 系統軟件實現

該分布式工業以太網自動化監控系統采用集成Modbus-TCP通信協議的模擬量采集模塊代替PLC數據采集設備，實現了對現場反應釜溫度和壓力的采集。通過開關量輸出模塊，實現隨著以太網通對控制指令的驅動放大及控制動作的執行，因此系統的軟件設計得到了極大的簡化，沒有了繁雜的PLC程序編寫，只需要借助于組態軟件即可實現對現場設備自動監測參數變量的實時顯示及超限報警和聯動控制等功能。綜合自動化平臺流程如圖3所示。

圖3 綜合自動化平臺流程圖Fig.3 Flowchart of integrated automation platform

4 結束語

隨著以太網通信技術的飛速發展，工業以太網得到了迅速普及和應用。本論文結合化工廠實際的自動化改造項目，詳細探討了分布式工業以太網在化工領域綜合自動化監控系統中的應用，給出了系統組網架構的具體方案和技術實現，有效提升了整個化工廠生產的自動化控制水平和信息化管理水平。該系統對工業以太網在化工領域內的應用有借鑒指導意義，值得推廣應用。

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