AC800M控制系統在燒堿項目中的冗余容錯改造

趙洪娣（唐山三友氯堿有限責任公司，河北唐山063305）

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AC800M控制系統在燒堿項目中的冗余容錯改造

趙洪娣
（唐山三友氯堿有限責任公司，河北唐山063305）

摘要：介紹了AC800M在DCS系統冗余改造過程中的硬件結構及控制原理。簡要闡述了系統組成及網絡結構，控制器冗余、I/O站冗余以及程序組態防干擾措施。

關鍵詞：AC800M；DCS；控制器；防干擾

唐山三友氯堿公司燒堿生產中的過程控制采用ABB公司AC800M版本DCS控制系統，采用先進的點對點型架構，基于標準的通用的IFIX軟件和ABB卡件，支持總線冗余（系統總線和現場總線）和卡件冗余（控制器、I/O卡件），支持在線組態修改和故障診斷，是新一代自動化控制系統。

由于氯堿工藝生產屬于危險化工工藝，對工藝參數和自動化控制要求非常嚴格，生產過程中共設計了一百多個聯鎖回路確保安全。一旦控制系統某個環節出了問題，將給生產和安全帶來嚴重后果。燒堿一期投產時采用ABB公司的AC800M DCS控制系統，在生產中存在一些缺陷，如報警點容易丟失、操作站頻繁死機、信號干擾對系統影響較大等。因此，針對整個DCS控制系統，該公司將原來不冗余的控制系統，升級為包括通訊網絡冗余、控制器及模擬量和數字量輸出卡冗余，在原有組態程序上增加過濾干擾信號的程序。

1　系統組成及網絡結構

該項目DCS控制系統的上位機系統采用冗余操作員站，共配置了1臺工程師站，8臺點對點型的客戶操作站，整套系統實際提供I/O點數3 500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OPC對工藝過程進行操作和監視。

整個系統遵循ABB的Industrial IT，分為Operate IT、Control IT、Field IT 3層，其中Operate IT采用第三方IFIX為人機界面軟件，Control IT為AC800M組態軟件PLC Control Builder AC 800M 4.1.0。

2　網絡結構改造

ABB AC800M DCS控制系統共分2層網絡，上層普通以太網，下層DP網。下層DP網連接冗余控制器和冗余CI840通訊站，每個冗余通訊站有1對通訊卡，通過PROFIBUS DP冗余通電纜連接到2個冗余控制器上，構成了下層DP網絡的冗余。上層以太網與常用的以太網連接類似，工程師站以及操作站安裝雙網卡，分別通過冗余交換機連接，冗余交換機采用級聯方式進行物理連接，這樣無論哪個操作站或工程師站的哪路網絡故障，都能確保通訊正常。

3　控制器及I/O站冗余

AC800M控制器是導軌安裝式的模塊化控制家族，模塊包括CPU，通訊模塊，電源模塊及附件。每個CPU上有2個以太網口用于連接操作站，工程師站管理站或高級應用。2個以太網口可設置為冗余，用于提高系統利用率。控制器配置了2個RS232口，調試工具或與外部設備或系統進行通信。在CPU模塊旁可以添加一系列的通訊模塊或I/O模塊。本項目選擇S800 I/O為AC800M的本I/O站，以Profibus方式相連，各個層次都可以冗余配置，包括電源冗余，通信接口冗余，I/O模塊冗余。

原有的通訊網絡不能實現完全的冗余，當某個通訊模塊CI830出現故障時，出現故障的CI830所在的整個從站出現通訊完全中斷，后續站點通訊中斷，會給生產帶來嚴重后果，改造前系統結構見圖1。對網絡結構進行修改后，見圖2。采用了具有冗余切換能力的CI840通訊模塊，不但簡化了網絡結構，而且使整個網絡實現了完全冗余。但考慮到工藝實際需求以及改造費用問題，此次改造只對通訊網絡、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）。

該項目中的冗余AO卡是通過外二極管進行冗余連接，見圖3。需要指出的是，在模擬信號（如4～20 mA）輸出時，需要把2個輸出卡通道AO1、AO2信號范圍設置為0～20 mA，通道量程設置為-25%～100%，并通過判斷卡件狀態在程序中組態由哪個卡件進行輸出，不輸出的卡件輸出電流為0，而輸出通道由于組態程序限制范圍為0～100%，那么對應電流就只能是4～20 mA，這樣2個冗余卡輸出值加起來正好是要求的輸出電流，具體步驟見圖3。

圖1　改造前I/O結構圖

圖2　改造后I/O結構圖

圖3　AO卡冗余連接方式

首先，在DCS上新建2個不同AO卡件的AO點，名稱為AO1、AO2，編寫組態程序，利用卡件上通道狀態，判斷通道AO1、AO2卡件通道狀態，如果AO1、AO2通道都為正常，那么就讓AO2數值為-25%，通道輸出為0，AO1通道由于PID塊或手操器塊限制數值在0～100%，那么所對應的電流是4～20 mA，而不會出現4 mA以下，這樣2個冗余卡輸出值加起來正好是要求的輸出電流；如果AO1通道狀態為故障，那么就讓AO1數值為-25%，輸出為0，AO2跟隨PID塊或手操塊的數值輸出，2個冗余卡輸出電流加起來正好是要求的4～20 mA輸出電流；如果AO2通道狀態為故障，那么就讓AO1數值為-25%，輸出為0，AO1跟隨PID塊或手操塊的數值輸出，2個冗余卡輸出電流加起來正好是要求的4～20 mA輸出電流；如果2個通道都故障，那么就讓AO1、AO2數值均為-25%，輸出電流均為0，冗余卡輸出電流加起來也為0，根據現場調節閥是故障開或故障關，閥門打開或關閉。

本項目中的數字量輸出卡（DO）基本都是控制現場切斷閥，切斷閥是燒堿工藝中重要的控制裝置，無論是在控制上還是在安全生產上都起到了非常重要的作用，目前該公司切斷閥均采用單電磁閥控制，存在一定安全隱患，將現場重要切斷閥由單電磁閥控制改為雙電磁閥工作方式，避免切斷閥誤動作，造成不必要的聯鎖停車，具體步驟見圖4。

圖4　雙電磁閥工作方式

首先，在DCS上新建2個不同DO卡件的DO點，名稱為DO1、DO2，這2個DO點要求任何狀態下都保持一致，下裝程序運行軟件；其次，A、B為不同DO卡件控制的電磁閥，其中，B電磁閥的輸出口接A電磁閥的排放口。正常工作時，DO1和DO2同時帶電，A、B電磁閥1、2連通，2、3關閉，切斷閥處于打開位置；如A故障，其2、3連通時，B電磁閥的輸出2經A電磁閥3、2連通，提供切斷氣源；再次，B電磁閥故障時2、3連通，A電磁閥2、3截止，切斷閥保持原位。

4　輸入端組態優化

由于燒堿工藝聯鎖控制點比較多，而這些點一大部分是設備的“停止”信號為高電平時觸發或是某一監測點達到“高高”時滿足聯鎖條件，如果外部環境出現干擾，使這些點的狀態發生改變，就會滿足DCS內的聯鎖條件，造成不必要的聯鎖停車，所以對DCS程序優化勢在必行。具體做法是對每一個聯鎖點加上過濾程序，避免聯鎖停車。實現此功能的方法有很多，最簡單的方法是利用開延時功能塊，把每一個聯鎖條件做為開延時功能塊的輸入，輸出作為聯鎖觸發，具體原理見圖5。

圖5　聯鎖點過濾程序優化原理

5　冗余供電方案

該項目整套DCS系統及附件采用2種規格電源：220 VAC和24 VDC，所有操作站、控制器，直流穩壓電源使用220 VAC電源，I/O站，交換機采用24 VDC直流電源。

24 V供電采用了2個適配器輸出進行冗余，使用220 V供電的設備如操作站、控制站、穩壓電源等設備通過冗余的2個220 V切換繼電器分散供電，由于這些設備本身都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。

UPS采用了2臺30 kVA梅蘭日蘭品牌機型，220 VAC供電采用冗余供電模式，來自電氣兩路的220 VAC都進入UPS1、UPS2輸入端，從2個UPS輸出端進入切換繼電器1、切換繼電器2，2路220 VAC電源通過切換繼電器接入所需儀表設備。當一路電源故障掉電時，切換繼電器自動接入另一入電源。

6　其他注意問題

上述DCS控制系統冗余方案，著重在輸出上進行了卡件和接線改造，不涉及輸入上進行卡件和接線改造，主要是因為本項目中輸入端滿足聯鎖條件，基本是數值達到高高或是常開點閉合，即使發生卡件通道故障，數值上也是回零或是節點斷開，不會觸發聯鎖，所以避免干擾信號造成聯鎖誤動作才是需要解決的，因此，只需在組態上加寫過濾干擾塊即可。

由于電腦長期運行免不了出現故障，該廠所有工序都采用2臺電腦，確保1臺電腦故障，可以使用另一臺電腦，不至于影響生產。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、風扇等設備元件要進行定期除塵。

經過3年的觀察，系統運行穩定，維護方便、操作簡單，并且新系統比老系統故障率低，維修量小，干擾信號對系統的影響大大縮小，更能保證生產穩定運行。

Redundant fault tolerant reconstruction of AC800M control system in caustic soda project

ZHAO Hong-di
（Tangshan Sanyou Chlor-Alkali Co.，Ltd.，Tangshan 063305，China）

Abstract：This paper introduces the hardware structure and control principle of AC800M in the process of transformation of redundancy in DCS system. This paper briefly describes the system composition and network structure，redundant controllers and I/O station redundant，and program configuration anti interference measures are described.

Key words：AC800M；DCS；controller anti；interference

中圖分類號：TQ114.26

文獻標識碼：B

文章編號：1009-1785（2016）04-0031-03

收稿日期：2015-12-24