AC800F控制系統在硫酸工業中的應用

劉保興 王現奇

摘? 要：該文主要陳述了ABB品牌的DCS系統AC800F控制器，其具有性價比較高、功能齊全、可靠性高、操作簡單和控制功能強等特點。DCS系統是集計算機技術、網絡技術、控制技術為一體的高科技產品，現場控制器采用PM803F控制器以及冗余的配置方式，工程控制計算機安裝Freelance2016版本的軟件，在1臺工控機上可以進行項目編程、調試，同時也可以監控工藝流程和現場設備的控制操作。

關鍵詞：DCS;通信;網絡;編程

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

該文基于ABB公司的 AC800F控制器，提出了硬件分層和軟件模塊化的設計編程方案。將硫酸生產系統中相似的設備作為一類單獨設計，構建思路清晰的控制流程，使架構更直觀，為控制系統的維護、控制程序組態的修改以及軟件系統的升級提供了便利和基礎。硬件組態分為3級，一級是監控管理級，使用工業級硬件配置的計算機，二級是系統網絡結構，三級為最底層的設備及過程控制器和分布式I/O。該套Freelance2016版本控制系統應用于冶煉及煙氣處理中的硫酸生產，其可靠性高、通信抗干擾能力強、控制操作響應靈敏，便于后期的維護、修改和升級，而且對生產的影響很小。

1 工藝概述

煙氣凈化系統采用一級高效洗滌期器→氣體冷卻塔→二級高效洗滌器→一級電除霧器→二級電除霧器的工藝流程。干吸系統采用一級干燥，兩級吸收，三次轉化循環泵冷卻溫度的高效工藝，并與雙接觸轉化工藝相對應。轉化系統采用3+2式五段雙接觸式的高濃度二氧化硫轉化技術工藝。硫酸循環水系統主要供給凈化系統、干吸系統和轉化系統等工序的設備冷卻用水。廢酸處理系統采用硫化鈉法回收廢酸中的砷和銅等有價元素。

2 DCS系統框架組成

2.1 框架組成要素和分級

DCS系統框架構成基本要素可分為監視控制主機（HMI）、工程調試組態主機（ES）、工業以太網、現場控制器、DCS光纖環網與交換機、PROFIBUS-DP通信及冗余器（RLM01）、CI840A和輸入、輸出卡件。依據監視控制和工程組態、調試用的計算機硬件功能的不同，框架結構從現場至監視控制分為設備級（底層）、網絡通信級（中層）、監視控制管理級（上層）3級[1]。如圖1所示。

監視控制管理級用于設備控制和信息記錄、歸檔、報警、工藝流程及數據指標的監控，項目的組態與調試，根據生產工藝和控制系統需要，運用多臺監視控制主機（計算機）和1臺工程項目組態調試用主機（計算機）。計算機為工業級的硬件配置，安裝專業版Windows10操作系統，Freelance2016版本的監控軟件，該軟件安裝方便、所用時間短，具有科技感、高端感的可視化界面。Freelance工控主機安裝有Freelance2016版本集成軟件，集成軟件可以安裝仿真控制器，工程技術員在進行項目編程調試或現場無法連接控制器的情況下，可以使用仿真控制器，方便檢查、測試和優化項目程序邏輯，糾正錯誤，提高工作效率。Freelance操作員監控主機通過監控軟件，對現場設備運行狀態及工藝流程、數據指標、控制指令等信息進行監視控制，由于過程控制器最多可與10個操作員站連接，AC800F最多可以組態100個操作員站用于操作和監控。操作員站支持Windows的雙屏顯示特點，在冶煉及煙氣處理、硫酸生產控制室內可以使用該種技術。第三方軟件可通過OPC服務器，還可以在線監視實時數據和工藝指標（可集成第三方PLC到操作員站）。

2.2 PROFIBUS通信

冶煉煙氣處理工藝流程及硫酸制備過程信息數據和物理變量，通過S800系列不同型號的輸入、輸出卡件進行信息采集和控制指令輸出。現場設備級（底層）采集到的煙氣處理、硫酸制造的物理變量和現場設備狀態信息，通過PROFIBUS或Modbus網絡與PM803F控制器進行數據交換，實現硫酸工藝及生產的過程和指標的監視與控制。現場設備級（底層）中PM803F控制器是該套DCS系統的重要硬件元素，PROFIBUSDPV1（FI830F）卡件、PROFIBUS通信冗余器（RLM01）、CI840A、PROFIBUS通信線和輸入、輸出模塊組成了縱向的PROFIBUS通信網絡。為保證控制系統的可靠和穩定，將現場網絡PROFIBUS通信與Modbus通信和PM803F控制器冗余配置。過程站的每個連接最大字節數為1 400個，每個I/O模塊從站可連接多個物理變量。物理變量包括現場設備運行指令及反饋信號，比如差壓變送器、液位計、流量計、閥門定位器等信息數據，以及測量設備及工藝介質的熱電阻和熱電偶信號，硫酸濃度及硫酸成品質量測量信號等。每種輸入、輸出模塊帶有通道保險絲或光電隔離等功能，可靠性高、抗干擾能力強。PROFIBUS-DP

是一種速度快、成本低的通信網絡，應用于冶煉煙氣處理和硫酸生產過程控制并與輸入、輸出卡件通信，這種網絡信息交換是計算機網絡通信向現場設備級的拓展和延伸。由于冶煉煙氣處理和硫酸制備工藝、檢測點分散、控制的設備不集中的特點，因此采用分布式輸入、輸出模塊即S800系列硬件通道，硬件通道卡件支持熱插拔。現場總線和所連接的PROFIBUS從站的組態和參數設置全部使用統一的工程工具Freelance工程師站來完成，不需要任何外部的組態工具。PROFIBUS設備可以通過GSD文件或FDT/DTM方式集成到AC800F系統中。管理和監控級通過以太網連接通信。AC800F系統的冗余技術，經過多年的現場實際使用證實了其在工業應用領域的使用價值。它可以滿足工業現場對冗余的高要求，其硬件可以實現多種需求的冗余。包括網絡冗余，電源冗余，控制器冗余和冗余的操作員站等。

2.3 系統網絡

在硫酸生產系統中使用的是環網。通信不會發生堵塞、斷網的情況，運行可靠、穩定。系統網絡架構為工業以太網（上級）、過程控制器數據交換網絡（中級），由光纖通信和MOXA 系列的EDS408A交換機組成，現場工藝信息數據及設備監視控制的PROFIBUS通信網絡（下級）。Freelance工控機、Freelance操作員主機、過程控制器之間的信息交換應用工業以太網通信。中級網絡應用環網而不是主干方式，避免了網絡安全性隱患的出現，凸顯了環網的優勢。因為主干方式網絡出現故障會影響一個區域，而環網故障只會影響某一個點。光纖和交換機通信使用距離較長，速度快，確保了過程控制層級的信息暢通和安全。工業以太網通信技術成熟，擴展性和兼容性較好，但傳輸距離不能太長。現場設備級網絡應用PROFIBUS通信協議或Modbus通信協議。過程控制器通過PROFIBUS或Modbus網絡實現與輸入、輸出卡件之間的信息數據交換，其傳輸速率有多種選擇，為軟件組態和硬件配置提供了方便，環境適應性強。三級網絡框架配置靈活，中、上級網絡通過網關和第三方軟件實現橫向通信，設備層網絡（下級）可縱向拓展。

3 DCS程序的自定義編程

項目工程采用Freelance2016版本軟件，包含硬件組態、數據處理、控制邏輯和網絡通信，硬件組態圖形化方式顯示，直觀明了。運用系統提供的自定義功能，跟據控制對象的特性，按照類編輯的思路組態自定義功能塊，比如按風機、泵、閥門等分類，數字量、模擬量信號分類做出自定義功能塊，該功能塊可重復調用，這樣既節省時間又提高效率，還能減少錯誤，簡化了程序編輯，增強了程序的可讀性[2]。

模塊化程序編輯語言不僅有功能塊和自定義功能，還有梯形圖（LD）、指令表（IL）、順控圖（SFC）、結構化文本語言（ST），在該套硫酸生產控制系統中主要使用功能塊（FBD）編程語言。程序易讀、易懂、易修改。在程序編輯過程中可以使用交叉參考功能，非常容易查找。

4 結語

該文介紹關于AC800F系列DCS控制系統中硬件框架組成、通信網絡的分級，并對PROFIBUS通信進行了簡要說明，對系統網絡架構組成及功能介紹、組態軟件模塊化編程、自定義功能的應用進行了介紹，將該網絡結構及程序編輯方案應用于冶煉及煙氣處理、硫酸生產工藝中，可以實現超低的硬件故障率、穩定的控制系統和流暢的網絡通信，證明該套控制系統穩定、可靠并且技術的成熟。

參考文獻

[1]宋鵬川，白焰，董楠.熱電機組DCS硬件分層設計和模塊化組態方法[J].熱力發電，2011，10（10）：58-60.

[2]賀心燕，李國慶.軟件工程理論和方法在火電廠DCS設計中的應用[J].科技信息，2009（30）：216-219.