純堿生產(chǎn)裝置的DCS系統(tǒng)升級(jí)改造

巨克選，王向釗，白德俊，周尚昆

(青海發(fā)投堿業(yè)有限公司，青海 德令哈 817000)

1 DCS控制系統(tǒng)升級(jí)改造前狀況

青海發(fā)投堿業(yè)有限公司一期90萬(wàn)t/a純堿裝置DCS控制系統(tǒng)于2004年7月至9月在工廠組態(tài)調(diào)試，2005年10在生產(chǎn)裝置投運(yùn)至2016年，已連續(xù)運(yùn)行11年時(shí)間，使用的是杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司(以下簡(jiǎn)稱和利時(shí))Smartpro 3.1.3 SP2系統(tǒng)版本。2010年和利時(shí)就將此版本定位為退役系統(tǒng)，已停止對(duì)該軟件的后續(xù)開發(fā)、技術(shù)支持、問題解決等。 如現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)新的軟件問題，只能采取軟件升級(jí)補(bǔ)丁等措施，而不能徹查其原因并解決。

2015年在檢修期間，和利時(shí)對(duì)DCS系統(tǒng)進(jìn)行全面檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)模塊精度不合格率達(dá)80%，系統(tǒng)運(yùn)行、控制缺陷問題較多。現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)型號(hào)為DELL 745、780、755、790，已連續(xù)使用11年，計(jì)算機(jī)各方面性能已臨近報(bào)廢期限，存在較大隱患。windows2000、windowsXP系統(tǒng)已于2010年底停產(chǎn)，目前市面上所有計(jì)算機(jī)(DELL、HP等)品牌的工業(yè)計(jì)算機(jī)都已不支持windows2000、windowsXP系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)計(jì)算機(jī)故障癱瘓，將無法找到同檔次的計(jì)算機(jī)代替，而且Smartpro3.1.3 系統(tǒng)軟件不支持windows7系統(tǒng)，交換機(jī)使用的是TSC-1016，D-LINK，已連續(xù)使用11年，交換機(jī)各方面性能已臨近癱瘓期限。隨著近幾年DCS現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴等大量問題暴露，防網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的安全交換機(jī)也是DCS系統(tǒng)必備的設(shè)備。

2 系統(tǒng)升級(jí)改造的可行性

本公司純堿裝置DCS控制系統(tǒng)從2005年出廠至2016年已運(yùn)行11年，設(shè)備問題、系統(tǒng)問題也越頻繁的暴露出來，熱備用控制單元不能有效切換導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)或癱瘓、通訊中斷。操作站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)版本低、老化死機(jī)、通訊故障等系列問題，影響生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)造成產(chǎn)量損失。杭州和利時(shí)公司在多年里隨著不斷地實(shí)踐研發(fā)，在之前DCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，已開發(fā)出功能更強(qiáng)大，可靠性更高的MACSV6.5.2系統(tǒng)，通過眾多現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，得到了廣泛好評(píng)。

MACSV6.5.2系統(tǒng)相對(duì)Smartpro 3.1.3系統(tǒng)有了眾多改進(jìn)，完全能解決Smartpro 3.1.3系統(tǒng)上出現(xiàn)的所有問題，對(duì)DCS系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起了必要的保障作用。和利時(shí)有大量的開發(fā)力量投入在MACSV6.5.2系統(tǒng)中，是和利時(shí)自主研發(fā)的一套系統(tǒng)，代碼開放，一旦發(fā)現(xiàn)問題，能很快有效的解決。MACSV6.5.2系統(tǒng)是目前和利時(shí)公司最先進(jìn)的控制系統(tǒng)，在2012年后的新建125 MW以上的電廠，都采用此版本，且運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，國(guó)內(nèi)大型600 MW機(jī)組以上的機(jī)組都有成功應(yīng)用的案例和經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。

3 升級(jí)后MACSV6.5.2系統(tǒng)主要功能特點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)高可靠、安全

MACSV6.5.2系統(tǒng)高可靠的設(shè)計(jì)理念，采用安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，如信號(hào)質(zhì)量位判斷、故障導(dǎo)向安全，提高系統(tǒng)可靠性。多重隔離技術(shù)，系統(tǒng)總線和模塊之間采用光電隔離；模塊工作的系統(tǒng)電源和現(xiàn)場(chǎng)兩線制儀表電源雙隔離供電；模塊通道之間故障隔離；網(wǎng)絡(luò)具有物理層和協(xié)議層雙重隔離。適應(yīng)惡劣環(huán)境，系統(tǒng)基于惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)，符合EMC的設(shè)計(jì)規(guī)范，抗干擾性符合工業(yè)環(huán)境下的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000，系統(tǒng)防腐蝕能力滿足ISA S71.04標(biāo)準(zhǔn)G3等級(jí)要求。網(wǎng)絡(luò)安全性技術(shù)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用確定性實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊協(xié)議，標(biāo)配帶有防火墻的交換機(jī)，確保網(wǎng)絡(luò)安全。

3.2 工業(yè)級(jí)芯片，冗余設(shè)計(jì)

控制器CPU采用PowerPC構(gòu)架工業(yè)級(jí)芯片，基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，內(nèi)置防網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴組件；采用多比特位開關(guān)量和信號(hào)質(zhì)量判斷，故障導(dǎo)向安全。全面診斷技術(shù)，控制站和I/O模塊均帶有智能自診斷單元，所有類型的故障，如通信、斷線、短路、超量程等都可以被檢測(cè)并及時(shí)上報(bào)到操作員站。失效安全技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)遵循安全設(shè)計(jì)理念，邏輯計(jì)算之前進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量驗(yàn)證，故障時(shí)輸出可以自動(dòng)切換到預(yù)先設(shè)定的安全值；可支持ECC內(nèi)存錯(cuò)誤檢測(cè)。

全冗余設(shè)計(jì)理念，系統(tǒng)組件包括系統(tǒng)網(wǎng)、控制網(wǎng)、控制器、電源模塊、I/O模塊、歷史站均可冗余配置。

3.3 電磁兼容性、抗干擾能力強(qiáng)

電磁兼容性強(qiáng)，系統(tǒng)基于惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)，抗電磁干擾性符合IEC61000，全部模塊均通過ICE認(rèn)證。先進(jìn)的系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)支持Peer-to-Peer(對(duì)等網(wǎng))、C/S(客戶機(jī)/服務(wù)器)、Peer-to-Peer和C/S(混合)三種系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并支持星形、環(huán)型或總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工業(yè)以太網(wǎng)連接。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，支持HART、Profibus-DP、Profibus-PA、Modbus等各類現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。

3.4 完善的系統(tǒng)狀態(tài)和信息診斷

系統(tǒng)提供了完善的系統(tǒng)狀態(tài)和診斷信息，用戶使用方便，易維護(hù)、易更換。全部硬件模塊具備硬件熱插拔、在線下裝和在線電子維護(hù)手冊(cè)，為客戶提供了方便且安全的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，符合IEC61131-3控制算法編程軟件，支持CFC、SFC、LD、ST組態(tài)語(yǔ)言，支持用戶自定義各類功能塊和腳本語(yǔ)言。

3.5 功能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)大

全面的在線組態(tài)功能，MACS V6系統(tǒng)任何組態(tài)修改均可在線完成，包括對(duì)控制算法、硬件配置的增加、刪除、修改，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形組態(tài)、系統(tǒng)配置等各項(xiàng)組態(tài)內(nèi)容的修改，均可做到在線無擾下裝，大大提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可用性。MACS V6系統(tǒng)支持多工程師站協(xié)同組態(tài)功能，在超大型項(xiàng)目實(shí)施過程中可以保證多人同時(shí)協(xié)同工作。支持大型系統(tǒng)應(yīng)用，MACS V6系統(tǒng)支持多域結(jié)構(gòu)，最大支持15個(gè)域，最大可支持983,025個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)。

3.6 一體化解決方案，系統(tǒng)資源整合性強(qiáng)

保護(hù)用戶既有投資，MACS V6系統(tǒng)向前兼容和利時(shí)FM、SM系列I/O模塊，可方便地進(jìn)行老系統(tǒng)升級(jí)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)與舊版本軟件的多域混合使用，系統(tǒng)資源整合性強(qiáng)。MACS V6系統(tǒng)可以與和利時(shí)的其他產(chǎn)品，包括：HOLLiAS AMS(資產(chǎn)管理系統(tǒng))、BATCH(批量控制)、APC(先進(jìn)過程控制)、SIS(安全儀表系統(tǒng))、MES(生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng))、OTS(操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng))、CCS(壓縮機(jī)控制系統(tǒng))、ODS(操作數(shù)據(jù)管理系統(tǒng))、WIS(無線儀表系統(tǒng))進(jìn)行無縫地集成，為用戶提供一體化解決方案。

4 升級(jí)改造的系統(tǒng)規(guī)模概述

4.1 系統(tǒng)升級(jí)規(guī)模

本次DCS控制系統(tǒng)改造升級(jí)包括熱電(兩臺(tái)汽機(jī)ETS由PLC控制并與DCS通訊)、化工(7臺(tái)石灰窯由歐姆龍PLC控制與DCS通訊)兩個(gè)部分，與年度大修同步進(jìn)行。本項(xiàng)目為DCS系統(tǒng)目前在國(guó)內(nèi)純堿行業(yè)運(yùn)用規(guī)模較大的DCS系統(tǒng),物理I/O點(diǎn)數(shù)上萬(wàn)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)控制站配置28對(duì)冗余控制器、多達(dá)33臺(tái)操作員站、7對(duì)冗余歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器(可兼做操作員站)、控制柜47面。采用了目前世界上先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(ProfiBus-DP總線),成熟先進(jìn)的控制算法，域間通過冗余的光纜與中控室三層交換機(jī)連接并通訊,整個(gè)系統(tǒng)中任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)均可通過不同權(quán)限的登錄完成對(duì)系統(tǒng)其他域的監(jiān)視與操作,真正做到分散控制、集中管理。

4.2 系統(tǒng)升級(jí)內(nèi)容

DCS系統(tǒng)及升級(jí)改造工作不更改原有的DCS系統(tǒng)各站的所有功能(操作、顯示、報(bào)警、趨勢(shì)顯示、歷史趨勢(shì)歷史數(shù)據(jù)顯示和查詢等),將原SmartPro V 3.1.3版本升級(jí)為最新MACS V6.5.2版本。DCS邏輯，畫面全部重新組態(tài)。在此，因原系統(tǒng)是2005年投運(yùn)，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，原來的預(yù)留的備用通道幾乎用盡，根據(jù)公司生產(chǎn)部和技術(shù)質(zhì)量部提出的新增控制點(diǎn)數(shù)，在前期組態(tài)一并完成。

4.3 系統(tǒng)改造時(shí)間

本次系統(tǒng)升級(jí)改造在2016年5月份與生產(chǎn)系統(tǒng)停車大修一并完成，時(shí)間安排上比較緊張。整個(gè)工期計(jì)劃為5天，化工、熱電兩部分同時(shí)進(jìn)行。

4.4 熱電升級(jí)部分

1)升級(jí)更換操作員站及工程師站,將現(xiàn)有操作員站及工程師站電腦更換為微塔式PC機(jī)/680G1/i3-4150 3.5GHz/4G/500G；DVDRW/HD Graphics 4400/鍵鼠/無OS/3年，數(shù)量為12臺(tái)(含遠(yuǎn)程操作員站),升級(jí)操作系統(tǒng)為 Windows7 專業(yè)版 32位。

2)升級(jí)更換歷史站，將現(xiàn)有歷史站電腦更換為塔式工作站/T5810/E5-1603v3/4G/500G SATA 7.2k/DVDRW/FirePro W2100/鍵鼠/無OS/3年，數(shù)量為6臺(tái)，升級(jí)操作系統(tǒng)為 Windows7 專業(yè)版 32位。

3)升級(jí)更換交換機(jī)，將現(xiàn)有交換機(jī)D-LINK更換為GM010數(shù)量為4臺(tái),增加2臺(tái)交換機(jī)以完成域組態(tài)的變更。

4)升級(jí)更換主控單元，將現(xiàn)有FM801主控更換為FM820主控單元，主頻為400 MHz，DRAM為128 MB，SSD(固態(tài)盤)為16 MB，更換新主控FM820后可使負(fù)荷率降到20%以下，可以使系統(tǒng)運(yùn)行的更穩(wěn)定,數(shù)量為16臺(tái)。

5)升級(jí)更換機(jī)籠,將現(xiàn)有FM301機(jī)籠更換為FM320 機(jī)籠數(shù)量為8臺(tái)。

6)汽輪機(jī)ETS系統(tǒng)改造工作利用原有PLC機(jī)柜及不更改原有ETS系統(tǒng)的所有功能。本次兩套ETS系統(tǒng)將原有FM214系列PLC軟、硬件更換為杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司LM系列PLC軟、硬件。

7)系統(tǒng)組態(tài)升級(jí)：

①監(jiān)控畫面重制、優(yōu)化,所有畫面全部重新組態(tài)及制作，重制原則為保留原有畫面的風(fēng)格(顏色、布局、字體大小、操作窗口等)，遵循MACS V6 系統(tǒng)組態(tài)規(guī)則的前提下，盡量不改變?cè)胁僮髁?xí)慣。畫面優(yōu)化,根據(jù)工藝要求進(jìn)行修改。

②控制邏輯重制、優(yōu)化，所有控制邏輯均需全部重新組態(tài)及制作，重制原則為實(shí)現(xiàn)全部原有系統(tǒng)功能，遵循MACS V6 系統(tǒng)組態(tài)規(guī)則和方案庫(kù)的前提下，盡量不改變?cè)胁僮髁?xí)慣。

③系統(tǒng)分域重組,本次升級(jí)將對(duì)熱電原有分域進(jìn)行重新劃分，原系統(tǒng)分域情況，1～4#爐為1個(gè)域，5#爐、1～2機(jī)、公用為1個(gè)域，將熱電域重新劃分為：1～5#爐為一個(gè)域、1～2#機(jī)為一個(gè)域、公用為一個(gè)域，新上脫硝系統(tǒng)為一個(gè)域，大大提高了系統(tǒng)的利用率和穩(wěn)定性。

④通訊恢復(fù),升級(jí)后保證了DCS系統(tǒng)與電氣綜保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的通訊正常。

4.5 化工升級(jí)部分

1)升級(jí)更換操作員站及工程師站,將現(xiàn)有操作員站及工程師站電腦更換為微塔式PC機(jī)/680G1/i3-4150 3.5GHz/4G/500G；DVDRW/HD Graphics 4400/鍵鼠/無OS/3年,數(shù)量為21臺(tái)(含遠(yuǎn)程操作員站),升級(jí)操作系統(tǒng)為 Windows7 專業(yè)版 32位。

2)升級(jí)更換歷史站，將現(xiàn)有歷史站電腦更換為塔式工作站/T5810/E5-1603v3/4G/500G SATA 7.2k/DVDRW/FirePro W2100/鍵鼠/無OS/3年，數(shù)量為8臺(tái)，升級(jí)操作系統(tǒng)為 Windows7 專業(yè)版 32位。

3)升級(jí)更換交換機(jī),將現(xiàn)有交換機(jī)更換為GM010數(shù)量為16臺(tái),增加三層交換機(jī)WS-C3750X-24T-S,兩塊(放置在調(diào)度室作為域間互聯(lián))。

4)升級(jí)更換主控單元，將現(xiàn)有FM801主控單元更換為FM820主控單元,主頻為400 MHz，DRAM為128 MB，SSD(固態(tài)盤)為16 MB，更換新主控FM820后可使負(fù)荷率降到20%以下，可以使系統(tǒng)運(yùn)行的更穩(wěn)定,數(shù)量為40臺(tái)。

5)升級(jí)更換機(jī)籠，將現(xiàn)有FM301機(jī)籠更換為FM320機(jī)籠數(shù)量為20臺(tái)。

6)系統(tǒng)組態(tài)升級(jí)：

①監(jiān)控畫面重制、優(yōu)化，所有畫面均需全部重新組態(tài)及制作，重制原則為保留原有畫面的風(fēng)格(顏色、布局、字體大小、操作窗口等)，遵循MACS V6 系統(tǒng)組態(tài)規(guī)則的前提下，盡量不改變?cè)胁僮髁?xí)慣。

②控制邏輯重制、優(yōu)化，所有控制邏輯均需全部重新組態(tài)及制作，重制原則為實(shí)現(xiàn)全部原有系統(tǒng)功能，遵循MACS V6 系統(tǒng)組態(tài)規(guī)則和方案庫(kù)的前提下，盡量不改變?cè)胁僮髁?xí)慣。

③通訊恢復(fù),升級(jí)后保證系統(tǒng)與石灰工段7臺(tái)石灰窯PLC的通訊正常。

④將原來的石灰車間和壓縮車間分域，形成兩個(gè)單獨(dú)的域，增加單模光纖收發(fā)器四臺(tái)(與調(diào)度室通訊)。為保證系統(tǒng)安全，將石灰車間和壓縮車間原有的操作員站升級(jí)為歷史站，共兩臺(tái)。石灰控制室至調(diào)度室因分域所需的光纖由我方儀表人員鋪設(shè)熔接。為提高系統(tǒng)安全性和可靠性將原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了變更，將包裝工段連接至輕灰工段、將鹽水工段連接至碳化工段。此網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)光纖敷設(shè)、熔接由我方儀表人員在系統(tǒng)大修升級(jí)前準(zhǔn)備完畢。

4.6 升級(jí)為MACSV6.5.2 后DCS系統(tǒng)組態(tài)

1)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)，做好化工、熱電工程數(shù)據(jù)備份，清查現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)中的物理點(diǎn)和中間點(diǎn)。出廠前完成數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)化、校對(duì)工作；

2)配置組態(tài)，把重新編制的工程數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)入到MACS V6中，生成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖和I/O詳細(xì)模塊點(diǎn)表圖和DCS系統(tǒng)監(jiān)視圖。

3)算法組態(tài),按照以站為主，以功能為輔展開組態(tài)，同時(shí)要遵循MACS V6系統(tǒng)組態(tài)規(guī)則和方案庫(kù)完成算法組態(tài)工作。算法組態(tài)工作在出廠前完成靜態(tài)單體調(diào)試和聯(lián)調(diào)、功能驗(yàn)證。

4)涉及到因設(shè)備改型或更換等原因，要重新設(shè)計(jì)控制的算法組態(tài)或其他配置，與我方的相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員詳細(xì)溝通后再確定組態(tài)方案及聯(lián)鎖。

5)畫面組態(tài),備份原操作畫面，畫面風(fēng)格沿用原來操作畫面風(fēng)格(顏色、布局、字體大小、操作窗口等)，必要時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝的要求調(diào)整畫面的風(fēng)格。

6)圖形組態(tài),在出廠前完成畫面組態(tài)100%工作，并進(jìn)行畫面單體和聯(lián)調(diào)工作。

以上六項(xiàng)的組態(tài)工作安排在出廠前完成，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和開車爭(zhēng)取時(shí)間，待現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)再對(duì)其進(jìn)行修改完善，直到完全滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求，整套系統(tǒng)投入生產(chǎn)，正常穩(wěn)定的運(yùn)行。

5 升級(jí)改造后達(dá)到效果及影響

通過DCS系統(tǒng)升級(jí)改造后，系統(tǒng)的兼容性更強(qiáng)、人機(jī)界面更友好、系統(tǒng)容量更大。系統(tǒng)運(yùn)行至今對(duì)熱電和化工區(qū)自動(dòng)化控制水平及機(jī)組、設(shè)備的運(yùn)行效率、性能和工藝水平有了進(jìn)一步的提高，降低控制系統(tǒng)的故障率，維護(hù)率。使機(jī)組、設(shè)備的可利用率大大提高，為公司化工生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行提供了保障，同時(shí)減少了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作量，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、增產(chǎn)增效創(chuàng)造條件。因此，此次公司生產(chǎn)系統(tǒng)的DCS控制系統(tǒng)升級(jí)改造工程是經(jīng)濟(jì)的、可行的，更是成功的。