1 背景和研究意义

      在国家大力提倡节约能源，发展绿色环保工业的前提下，生产环境污染的治理已经提到议事日程，为了符合国家的产业发展政策，更好地保证苯酚生产装置安全、稳定、绿色环保开车的要求，提出通过自控集散控制系统，结合苯酚车间生产装置环境污染的具体情况，进行点源治理。整个项目在原有DCS系统控制基础上采用增加现场总线控制和OPC开放应用系统，以实现上级有效远程监控及通过互联网进行时时监管的目标。

    2 DCS自动化控制、总线控制的开放性技术介绍

    2.1 现有自控系统概述

      本装置采用了Honeywell公司的TDC-3000LCN/UCN-PM(LM) 系统， 它是该公司于80年代末推出的第二代产品，具备当时的世界先进水平。

    2.1.1 该系统的技术特点

      该系统是一个开放性系统。采用了IEEE802.4和IS08802／4国际标准，以OSI模型为基础，遵循MAP协议；
该系统通过计算机接口与工厂资本、财务、物流管理系统相连构成综合管理系统，以实现全装置的优化控制和优化管理。

      为使装置操作安全可靠，大多数系统的设备具备冗余性。

      控制系统构成： 就总体而言， 系统主要由基本系统（BASIC）、万能控制网络（Universal Control Network，UCN）和局部控制网络（Local Control Network，LCN）组成，如图1所示。

      2.1.2 通信网络

      TDC3000的通信部分包括高速数据通路（HW）、局部控制网络（LCN）和万能控制网络（UCN）三部分。

    2.1.2.1 HW通信系统

      HW是TDC3000的第一代通信网络，它是基本系统中功能模块与人机接口和上位计算机之间的信息传递通道。系统采用总线型结构和广播式通信协议，由高速通路通信指挥器（HTD）“监督”数据通信。

      2.1.2.2 LCN通信系统

      LCN网的主要功能是：担负各模块间的信息传递；通过有效的协议和高速通信确保信息的及时交换；通过1:1冗余配置和完善的信息检错功能提供高安全性的通信。

      2.1.2.3 UCN通信系统

      UCN网络是一个高性能的回路级实时控制网络，其采用IEEE802通信标准和令牌总线存取方式，传输速度是5Mbps。最多可带32个冗余设备。UCN网络支持网上设备间的点到点通信。UCN通过网络接口模块NIM与LCN相连，最多可以有20个UCN网络和HW网络连接到同一LCN上。UCN也采取双重冗余电缆确保安全可靠性。
 

      2.1.3 软件组态

      TDC3000提供了三部分系统软件组态形式，分别是NCF组态、控制组态和画面组态。

    2.2 现场总线控制及OPC系统技术理论介绍

    2.2.1 现场总线控制策略

    2.2.1.1现场总线控制系统介绍

      现场总线控制是指由现场总线与现场智能设备组成的控制系统。现场总线定义为安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。

      现场总线控制系统（简称FCS），是继集散控制系统（简称DCS）基础产生的新型控制系统，FCS系统是DCS系统的发展和延续。它是一个开放性的系统，采用通信协议一致的通讯模式。

      通过标准通讯协议可以使不同厂家的设备、不同类型的设备通过数据总线实现信息通讯，构建成一个有机的互联系统，克服了传统DCS系统只限于同种型号、同厂家的产品进行更换、相互通讯的局限性问题。

      2.2.1.2 FCS系统较DCS系统的优势

      （1）结构集约化

      相对DCS系统结构，FCS系统省去了端子柜、隔离器、I/O卡件、I/O控制单元等硬件设施，大大节约了硬件投入。由于采用总线连接，省去了大量电缆的投资。

      （2）容错能力强，精度得到提高

      由于FCS系统使用了屏蔽逻辑、自校验、错误自检、定时监督技术，因此容错能力得到进一步增强。由于采用数据通讯，因此较DCS系统模拟量传输精度得到明显提高。

      （3）抗干扰能力、控制精度明显提高

      FCS系统可以就近对现场信号进行处理，而且以数字信号进行传输，采用智能化、数字化处理技术，因此较之模拟信号传输提高了抗干扰能力和控制精度。

      （4）节约控制回路费用

      FCS系统采用“一对多”控制方式，较DCS系统“一对一”控制模式省去了大量施工材料费用，一条电缆或双绞线就可以带很多设备，因此工程费用得到降低。

      （5）便于日常维护

      FCS系统所带的设备通常带有自诊断信息，通过自诊断信息可以实现现场设备的运行信息、故障状态、潜在危险实时上传，通知相关人员及时进行处理，大大减少了日常维护工作。

      （6）电机控制智能化

      通过FCS系统可以实现电机的单向和双向控制，并可对电机的电流、电量、故障等状态进行全面监控，同时对电机接地、过流、相间不平衡进行综合保护控制。

      2.2.1.3 现场总线控制方案的应用情况

      （1）现场总线控制常见通讯协议

      现场总线控制已经广泛应用于各个领域，其中基金会现场总线、PROFIBUS现场总线、LONWORKS现场总线、CAN现场总线、HART现场总线、DEVICE现场总线、MODBUS现场总线在全球的民用、工业控制系统中发挥各自的优势和作用。

      （2）现场总线在石化行业的应用

      现场总线控制系统在石化行业系统应用比较广范，中海油目前已经有许多成功应用案例。如中海石化公司的60万吨/年甲醇项目（如图2所示）、旅大油田开发的项目、南海壳牌80万吨/年乙烯项目都是采用总线控制。

      现场总线系统不仅在石化领域内得到有效应用，在其他领域如火电厂、钢铁行业、水泥行业、烟草行业、建筑行业的楼宇智能控制、化纤行业、净水处理、温度检控系统等多个行业中发挥了相当重要的作用。

      2.2.1.4 现场总线控制方案的进步性介绍

       从图3可以看出，FCS系统相对DCS系统结构上改动不大，而且二者共有“集中管理、分散控制”的设计理念。不过，FCS系统在底层系统逻辑上较之DCS系统有较大改进。底层通信网能够实现现场智能设备的数字通讯、双向传输数据，并可进行多分枝结构间数字通讯。FCS系统先进性最突出的优点是要求现场设备必须是数字化、智能化、完全实现现场底层信息开放化。

      2.2.2 现场总线系统的控制类型

      现场总线共有7种类型，工业生产中常用的为PROFIBUS数据总线形式。该系统总线是德国西门子公司的总线标准，具有PA和DA两种形式（PA可传递信号同时传递能量，DA仅能传递信号）。该总线协议已经获得全世界260个大型电气生产厂商的支持，也几乎是欧洲通用的通讯标准。

      2.2.3 PROFIBUS总线的特点

      （1）与计算机处理器相同的分时处理功能，提高了整个系统的控制功能。
      （2）通讯快速而且简单，通讯方式可靠。
      （3）具有提高系统安全系数的冗余结构。
      （4）具有较少的软件栈。
      （5）具有便于互联互接的GSD和行规文件。
      （6）具有FISCO危险区域认证标准。
      （7）具有大容量的总线和大量高速设备，高速设备可以大量被系统挂接使用。
      （8）总线基于F/O接口和RS485通讯接口，通用性强。

      2.2.4 现场总线的DP连接方式

      （1）控制器之间的通信连接采用PROFIBUS总线进行连接。
      （2）总线中通信设备间采用主从式，共有两种主方式。一种为CLASS 1通信管理周期方式（PLC设备等），另一种为CLASS 2SMART VISION 用于非循环通信方式，而是用于组态方式。

      （3）通信介质可以是双绞线和光缆，以光缆居多。

    2.2.5 现场总线的PA连接方式

      （1）PA是现场总线通讯标准，能够为现场仪表提供电源。
      （2）PROFIBUS总线可以控制分布，其中包括主设备的数据传送和设备执行功能块。

      2.2.6 现场总线的组态说明

      （1）现场组态核心工具：用于调试和诊断的DIGTOOL（F2K-工程工具）；用于主控制器（主设备）的组态、诊断的MASTER工具；用于对附属设备（从控制器）的组态、诊断工具SLAVE。
      （2）所有现场设备与远程I/O开放，具有极大兼容性和开放性。
      （3）组态现场设备模板定义。
      （4）通过变量名连接I/O DATE与诊断数据到程序。
      （5）具有独立的DP/VI-参数对话框。
      （6）具有设备类型管理功能-DTM（DEVICE TYPEMANAGER）。

      2.2.7 OPC的特点

      开放性：OPC是一个开放的通信接口规范，它提供了开放的界面模式， 支持几何所有编程语言，如C++、VB、Java、HTML等。

      产业性：最终用户和供应商无需在集成方面花费过多时间，并可节约开支。

      互联性：最终用户可以在诸多自动化设备系统中自由地使用客户应用程序，例如HMI、SCADA、MES…，任何客户程序都可和服务器连接（Plug & Play）。

    3 实施方案

      3.1 氧化尾气工艺改造内容

      氧化尾气活性炭吸附器并联改为串联操作，通过增加6个数字量DI输入信号、6个数字量DO输出信号、3个数字量组合点，修改DCS活性炭吸附器程序，实现苯酚装置氧化单元排放尾气的二台活性炭吸附器串联控制过程，避免原二台活性炭吸附器两台并联运行，一台进行再生，导致超量的异丙苯被排放到大气污染现象。这样可提高吸附效率，使废气中的有机物从1520mg/m3下降到120mg/m3，解决了氧化尾气污染物排放超标问题。

    3.2 其它工艺系统的改造内容

      通过增加除盐器来实现PRU酚钠盐回收目标、实施精丙酮塔真空分立控制、更换OEC系统油萃取塔（T-502）及萃取油碱洗塔（T-503）、增加氧化进料洗涤塔（T-101）废水回收处理等一系列工艺改造来降低装置废水COD的控制目标。

      3.3 基础仪表自动化工程内容

（1）增加17点模拟量信号、12个控制回路、12个调节阀门的DCS设计组态、安装调试工作。
（2）增加1个串级、2个比值、2个选择切换、一个选择调节的DCS设计组态、调试工作。
（3）完成复杂调节所增加的中间2个操作变量、2个逻辑控制变量、6个开关变量的DCS组态调试工作。
（4）增加7个数字量输入信号、7个数字量输出信号、3个组合点信号的DCS设计组态调试工作。
（5）修改活性碳吸附程序并调试投用。
（6）现场变送器、调节阀的安装调试。
（7）现场一次表到控制室的仪表信号线的连接。

      3.4 实现上位远程监控的工程内容

      针对FCS结构局限性强的问题，采取了以下措施：通过OPC服务器把原有的DCS设备和新增的FCS连接在一起（如图4所示），这样可以实时上传和监控FCS和DCS中的设备参数，更好地实现系统开放性。这种结构的优势表现在：（1）降低了装置停车的风险性。新增的FCS与DCS分开独立运行，分散了系统设备占有率，降低了因DCS或FCS故障造成苯酚装置全面停车的风险。（2）解决了信息流阻塞问题。由于FCS和DCS分别并行与上位机进行通讯，各自通过专用的OPC服务器实现数据传输，因此整体信息数据互不干扰，提高了信息整体传输速率，完全可以避免信息流阻塞问题。（3）可以实现复杂回路调节功能。由于保留原有的DCS，因此不影响复杂回路调节功能发挥作用。（4）实现了DCS与FCS的优势互补，既解决了控制系统整体改造时间长、工作量大的困难，又节约项目资金投入，实现了系统开放性的目标。
 

      4 成效

      本装置在工艺上采取上述治理措施后，在废气及废水排放流量不变的情况下，使废气中的有机物从1520mg/m3下降到120mg/m3，使废水的COD由8000～10000mg/l下降到2500mg/l以下。整个工艺控制改造过程，全部由集散控制系统DCS系统的组态和增加总线OPC控制功能得以实现，所有工艺过程参数实现了自动控制。并将所有关键数据通过OPC上传到上级管理部门，达到总线控制系统先进性和开放性目标，创造了很好的经济效益和社会效益，为今后同类装置控制系统改造提供可参考的价值和技术经验。

参考文献：
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[5] 谢庆华. 现场总线控制系统在水泥工业中的应用[J]. 国内外机电一体化技术. 2009.02(12): 33-36.
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张会泉（1974-）
男，吉林人，吉林石化公司染料厂仪表车间副主任，工程师，在读工程硕士，一直从事仪表自动化专业工作。