1、项目背景

分散控制系统（DCS）自1975年问世以来，经历了近50年的发展，其功能与性能得到了不断的提升与完善，但在系统结构上并没有发生重大变化，主要分为三层：系统网络层（连接现场控制站、操作员站、工程师站和数据通信模件等，传送过程控制实时信息，同时也可将这些信息向上层的信息管理网传送），控制网络层（实现现场控制站内部的各个I/O模件和控制模件之间的互联和信息传递）和现场设备层（实现I/O模件与现场温度、压力、流量、液位等四种检测仪表，气动和电动调节器执行机构，在线分析仪表等设备的连接）。鉴于控制系统本身的网络架构特点，传统的部署方式主要是将控制系统设备集中部署在中心控制室，通过大量的电缆线实现与现场的连接，中心控制室的面积需求比较大、线缆多，后期维护不方便，所以传统的控制系统面临着以下挑战：

·  电缆用量大，成本高，施工难度大，后期维护不方便；

·  机柜间占用面积大，且根据安监规范要求，距离要远，还要抗爆，建设成本高；

·  备件类型多，管理麻烦，变更不便；

·  工程周期长，机柜采用定制化设计，需要等待发货，工程组态调试为串行流程，时间长。

针对上述问题，优稳公司推出了基于电子布线技术的新一代控制系统，并进行推广应用。

2、项目目标与原则

2.1 项目目标

·  提高生产效率：通过自动化设备和控制系统，提高生产速度和效率，减少生产周期；

·  降低人力成本：减少对人工操作的依赖，降低人力成本，并提高安全性；

·  提高产品质量：确保生产过程的稳定性与一致性，减少人为错误，从而提升最终产品的质量；

·  数据监控与分析：实现实时监测和数据收集，以便于进行过程优化和故障分析，提升决策支持能力；

·  环境保护与安全：减少生产过程中的废物和排放，提升车间操作环境的安全性，满足环保法规要求；

·  灵活性与可扩展性：设计可适应市场需求变化的系统，便于未来的扩展和改造。

2.2 项目原则

·  系统集成：确保各个自动化设备和控制系统的相互兼容，形成一个统一的自动化网络；

·  用户友好性：自动化系统的界面设计简单易懂，方便操作员使用和维护；

·  可靠性与稳定性：设备和系统应具备高可靠性和稳定性，能够在恶劣的生产环境中正常运行；

·  安全第一：在自动化改造中要优先考虑员工的安全，符合相关的安全标准和规定；

·  经济性：在确保性能和安全的前提下，尽可能降低投资成本和运营成本；

·  适应性与灵活性：系统应具有良好的适应性，能够很方便地应对生产工艺和产品的变化。

3、项目实施与应用

某硫酸二乙酯、碘化钾和聚氨酯生产车间改造项目，采用了UW500 DCS电子布线系统整体解决方案。

该项目共配置I/O点数3600点，4控制站和11操作站，I/O测点及系统配置见表1所列。控制站02带载15个电子布线箱，控制站03带载4个电子布线箱，控制站04带载9个电子布线箱子，电子布线箱均部署在现场，根据单元设备进行点数划分，相应的点数就近接入附近的电子布线箱，这样做相比传统的直接将信号电缆拉到中控室的方式，可以大量缩短信号电缆的长度，网络架构如图1所示。

表1  I/O测点及系统配置

图1 网络架构图

该项目系统配置的网络架构的特点如下：

1）现场的电子布线箱网络连接有两种方式，对于箱子比较集中的场景，可以使用冗余网线连接组成可靠性高的星型网络，再使用冗余光纤连接到中控室的网络柜；对于箱子比较分散的场景（如碘化钾车间），使用冗余光纤单独连接到中控室的网络柜。

2）针对现场环境的不同，有多种规格的箱体可供灵活选择。爆炸危险环境，配置UW5100电子布线防爆控制箱，防爆标志为Ex eb ec nC nR [ia Ga] IIC T4 Gc，防护等级为IP66，防腐等级为G3，可部署在爆炸危险区域2区/22区；非爆炸危险环境，配置UW5041_F工业标准机柜，可节省成本，维护也更加方便。

3）控制站配置Modbus通信模块，负责和现场的PLC设备、智能仪表（比如回流比控制器、气化膜仪表等）进行通信，并开通OPC协议与上层的MES/ERP通信，构建一个数据共享的高效信息化智能工厂。

4）电源分配柜负责给控制站及现场的电子布线箱提供独立的UPS和市电双路220 V供电。

控制要点如下：

1）原料卸车：通过设定重量、液位等联锁限值控制加料和出料，保持物料的相对稳定；

2）中间体合成：通过设定重量、压力等联锁限值控制加料和出料，保持物料的相对稳定，通过设定压力、温度等联锁限值控制釜内压力温度，确保反应釜内维持能够持续进行反应的适合压力温度，保证了产品合成的精度；

3）合成反应：通过设定温度、流量累计等联锁限值控制加料，保持物料的相对稳定；通过设定压力、搅拌电流等联锁限值控制釜内压力，确保反应釜内维持能够持续进行反应的适合压力，保证了产品合成的精度；

4）精制和间歇蒸馏：通过设定压力、温度等联锁限值控制釜内压力温度，确保反应釜内维持能够持续进行反应的适合压力温度，保证了产品合成的精度；

5）流量累计：通过流量计采集数据，进行流量累计计算，控制液体物料的进出，保持其相对稳定；

6）PID控制：通过对压力、重量等信号进行数据采集，对其相应的阀门开度进行PID控制，实现维持反应条件的相对稳定；

7）阀门互锁：通过阀门互锁控制防止操作员误操作，实现反应过程的高精准度。

4、效益分析

节省信号电缆是电子布线最显著的优势，表2和表3分别对两种布线方式所用到的线缆材料进行了对比计算，传统布线方式采用的电缆，成本约为1472800元，电子布线方式采用光缆，成本约为2800元，节约成本约147万。

表2 电缆成本计算

表3 光缆成本计算

除了节省电缆成本外，电子布线技术在快速的项目交付及设计变更处理方面也有明显优势，在传统的DCS项目建设过程中，仍使用硬件设计-组态设计的串行设计流程，DCS硬件机柜仍采用定制化设计，每个项目都需要生产成套机柜，使用通用I/O的电子布线技术，可将DCS硬件与软件解耦，提前启动组态设计，再配合标准的防爆机柜，提前进行生产，快速供货。

在该项目设计阶段：统一化的硬件，可在项目设计阶段缩减硬件选型、通道类型配置工作，减少设计时间50%；在项目组态阶段：统一化的I/O设计，将硬件设计阶段、逻辑组态阶段从串行改为并行，并简化逻辑组态与硬件通道号的一一对应，缩短组态工期50%；在项目成套阶段：采用模块化的标准机箱\机柜设计，避免了DCS项目的定制型成套工作，可缩减机柜成套时间75%；在项目实施阶段：明了便捷的接线方式，可避免复杂的接线柜接线，减少施工接线时间50%。

该项目采用电子布线技术，线缆成本节省了98%，施工周期缩短了54%，中控室控制柜数量减少了50%，I/O备件减少了75%。电子布线技术具有先进性的同时，也具有实用性，为客户带来较大的经济价值。