1、项目背景

分散控制系统（DCS）历经数十年发展，其功能性能虽持续完善，但基于集中部署、分层网络（系统网、控制网、现场设备层）和大量实体电缆的架构模式未有根本性改变。这种传统模式在大型工业项目中，尤其在工程实施和全生命周期运维方面，暴露出显著问题：

• 工程成本高昂，施工复杂：系统依赖海量电缆连接控制室与现场设备，导致电缆采购、敷设成本极高，施工难度大，且后期维护与排查困难；

• 空间占用大，建设标准严苛：需建设大型中心控制室与远端机柜间，占地面积大。根据安全规范，这些设施常需满足远距离、抗爆等要求，进一步推高了基建成本；

• 系统灵活性差，变更困难：硬件配置（如I/O卡件、机柜）定制化程度高，备件类型繁多，管理复杂。任何设计变更或扩容都涉及大量的物理接线改动，工程流程串行，周期漫长；

• 项目周期长，效率受限：从硬件定制、发货到现场的机柜安装、接线、组态调试，均为串行流程，整体项目工程周期长，拖慢了项目投产进度。

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

• 变革工程实施模式，大幅缩短项目周期：通过应用电子布线技术，减少80%以上的现场至机柜间主干电缆，简化安装，将现场施工调试周期缩短30%以上，实现项目快速交付。

• 构建高度柔性化的控制系统基础架构：打造扁平化、模块化的系统架构，支持I/O与控制站的分布式灵活部署。实现控制逻辑与物理点位的“软”连接，使生产流程变更或产能调整时，能通过软件配置快速完成，硬件改动减少70%以上，极大提升生产灵活性。

• 降低全生命周期综合成本：初期投资上，显著节省电缆、桥架及相关安装材料成本。长期运营上，通过减少备件种类、简化维护操作、降低故障排查难度，有效控制运维成本，提升整体经济效益。

• 实现关键技术的自主可控与安全可靠：完成从硬件、核心软件到工程工具链的全国产化开发与验证。确保系统符合工业高可靠性与功能安全标准，平均无故障时间达到行业领先水平，保障连续生产安全。

• 打造数据驱动的智能化运维基础：利用网络化、数字化的原生优势，实现设备级与信号级的全景状态感知与数据透明化。为预测性维护、能源优化等高级智能应用提供高质量数据底座，赋能工厂数字化转型。

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2.2 项目原则

• 技术前瞻与工程务实相结合原则：采用先进的电子布线与网络化技术，但所有设计必须以工业现场的长期可靠运行为最终检验标准，确保技术先进性与工程实用性的统一。

• 顶层设计与模块化实施原则：进行全系统架构的顶层设计，确保网络、供电、控制逻辑的整体最优。同时采用高内聚、低耦合的模块化设计，便于分步实施、测试与扩展。

• 安全性与可靠性优先原则：将功能安全和信息安全贯穿于系统设计、开发与实施的全过程。在任何功能与成本的权衡中，人员、设备与环境的安全均为首要决策依据。

• 用户中心与体验至上原则：针对工程设计、安装调试、日常操作、维护诊断等不同角色的工作流程，优化工具链和人机界面设计，大幅降低各环节的技术门槛与工作负担。

• 全生命周期成本最优原则：决策评估需统筹考虑一次性投资与长期运营维护成本。优先采用能显著降低长期运维复杂度、提升效率的技术方案，追求项目的全生命周期综合效益最大化。

• 标准化与开放性兼顾原则：在实现自主技术体系的同时，关键接口与协议遵循主流的国际或国内工业标准，保障与现场智能仪表、上层管理系统兼容互通的能力，保护用户既有投资和未来选择权。

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3、项目实施与应用

某新材料科技有限公司年产5000吨半导体芯片封装及5G覆铜板高分子聚合物新材料项目采用了UW500 DCS电子布线系统，该项目规模为8台操作站，4台控制站，43台电子布线站，共计5000余点。I/O测点及系统配置见表1所列。

表1  I/O测点及系统配置

DCS系统采用电子布线技术，车间和罐区现场配置具有一体化防爆认证的电子布线防爆UIO箱，箱内AI、AO信号全部配置具有独立防爆认证的本安型IO卡，内置安全栅功能，且均为单卡单通道、点点隔离、点点热插拔，单卡支持4-20mA/RTD/TC通用输入；DI和DO信号全部配置继电器隔离，单台电子布线防爆UIO箱配置IO点数不超过96点（包含余量）；

公用工程楼机柜间配置电子布线普通IO机柜（非防爆），公用工程现场I/O信号接入其中，柜内配置DCS常规I/O模件，其中DO信号全部配置继电器隔离；

中控室配置1台DCS控制柜，含4对CPU，控制柜中还配置有通讯模件（MODBUS RTU等），用于和现场第三方设备通讯。

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，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：

系统将按照预设程序，自动执行1#线的完整生产工艺流程，实现从准备到出料的“一键式”顺序启停与监控：

氮气置换→反应釜进液体料→高位槽碱液配制→真空置换→升温保持（溶解）→碱液滴加→加水、升温、静置、分液→回收ECH→精制→萃取→升温脱水后启动打循环过滤/过料→常压、减压脱溶剂→减压脱溶剂→常压、减压脱溶剂→出料。

在总流程框架下，针对以下核心单元操作实施高级控制策略，以确保产品质量与工艺指标。

自动打料：

控制目标：实现同种物料向多个反应釜的高效、有序输送。

实现方式：DCS提供“一键打料”功能，系统可根据预设逻辑（如顺序依次进料或优先级动态调度），自动管理泵阀启停，确保流程无误、避免混淆。

碱液浓度自动配比与匀速滴加

控制目标：精确配制碱液浓度，并通过匀速滴加控制副反应，降低总氯和易水解氯含量。

实现方式：

自动配比：系统根据配方设定，通过称重模块实时反馈与物料泵的联动控制，依据算法自动调节溶剂与碱的加入量，实现浓度的精准、自动配制。

匀速滴加：采用高精度计量泵或调节阀构成的滴加模块，由DCS进行PID控制，确保在整个滴加工艺段流量恒定，保证反应平稳均匀。

反应釜高精度温度分程控制

控制目标：根据批次粘度等指标制定的严格温度曲线，实现快速、稳定的升温、保温与降温控制。

实现方式：采用PID结合分程控制策略，根据设定温度与实际温度的偏差，自动、无扰地切换并控制蒸汽（加热）、循环水（冷却）及冷冻水（深度冷却）阀门的开度。系统具备介质选择记忆功能，能根据工艺阶段自动调用最优控制回路，提升控温品质与响应速度。

中和吸收过程自动控制

控制目标：精确控制pH值或反应终点，实现气体组分的高效分离与吸收。

实现方式：

中和控制：通过在线pH计监测，自动调节酸性/碱性物料或中和剂的加料速率，使反应体系维持在目标pH范围。

吸收控制：根据进气组分、流量与压力，自动调节吸收剂流量、塔釜液位及循环量，优化传质效率，确保排放达标与组分回收。

造粒过程参数化控制

控制目标：确保产品粒径分布均匀、颗粒形态符合标准。

实现方式：对造粒机转速、粘结剂喷雾速率、进风温度与流量等关键参数进行连锁与PID控制，建立可重复执行的参数化配方，实现产品质量的一致性。

全自动真空抽提程序控制

控制目标：在蒸馏、干燥等工序中，自动建立并维持工艺要求的真空度，提高产品质量与过程效率。

实现方式：DCS按预设程序自动启动真空泵组，通过调节阀与真空度变送器的闭环控制，平稳地将系统压力降至目标范围，并在此过程中自动处理冷凝液、维持系统平衡。

4、效益分析

1）运营效益：生产更安全、质量更稳定、过程更高效

• 安全风险本质化降低：通过DCS的精确程序控制与SIS系统的独立保护，将操作人员从高风险工序（如碱液滴加、真空抽提）中剥离，实现了“自动化换人”。安全联锁的快速响应机制，能自动、可靠地切断危险源，构筑了预防事故的坚实屏障，显著提升了工厂本质安全水平。

• 产品质量一致性显著提升：对温度、滴加、压力等关键工艺参数的高精度、闭环自动控制，最大程度消除了人工操作的波动性，确保了批间生产的高度一致性，为产品质量的持续稳定提供了可靠保障。

• 生产运行效率优化：“一键式”全流程自动控制和智能化的多釜调度（如自动打料），减少了工序间的衔接等待与人为干预时间，有效缩短了生产周期，提升了整体生产效率。

2）经济效益：实现全生命周期成本最优

• 直接建设成本显著节约：电子布线技术大幅减少了现场至机柜间的物理电缆、桥架及附属材料用量，直接降低了约30%的电缆采购与敷设成本。采用标准化、模块化的控制设备，减少了定制化机柜需求和对大型抗爆机柜间的依赖，节省了宝贵的空间资源和土建投资。

• 长期运维与变更成本大幅降低：统一的通用I/O模块使备件种类减少60%以上，降低了库存资金占用与管理复杂性。故障定位从复杂的“查线对点”转变为直观的“模块诊断与更换”，平均故障修复时间缩短约50%。工艺调整或扩产时，主要通过在DCS中修改组态配置即可完成“软连接”，几乎无需改动物理接线，使改造周期和成本降低约70%。

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3）工程效益：项目交付模式的革命性突破

电子布线技术将传统串行工程流程转变为并行高效模式，实现了项目全流程的提质、增效、降本。

4）战略与技术效益：为未来智能化发展奠定基石

• 构建了面向未来的数字基础：本次部署的扁平化、全数字化控制架构，天然支持数据的无障碍采集与传输，为工厂实施设备健康管理、能效优化、数字孪生等高级智能化应用提供了理想的底层平台。

• 实现了自主可控与国产化替代：全国产化系统的成功应用，保障了核心生产控制系统的供应链安全与技术主权，具备重要的行业示范意义和战略价值。

该项目以电子布线技术为核心，实现了控制体系架构的颠覆性重构，成功打造了全国产化、全数字化的新一代分散控制系统。通过将传统依赖海量电缆的集中式架构革新为扁平化、模块化的分布式部署，项目不仅减少了80%以上主干电缆，显著降低了建设成本与施工复杂度，更将串行工程模式转变为高效并行流程，使现场施工调试周期缩短超30%，实现了工程实施效率的质变飞跃。在实际应用中，该系统支撑了年产5000吨新材料生产线全流程“一键式”智能控制，凭借高精度配比、分程控温等先进策略保障了工艺稳定与产品质量，并通过硬件与逻辑的“软连接”使后期改造效率提升70%。项目以全生命周期成本最优为导向，在提升本质安全、简化运维的同时，构建了数据全透明采集的数字化基座，为工厂智能化升级奠定了开放可靠的基础。其成功实践，不仅验证了国产自主技术在高端流程工业中的领先性与可靠性，更为行业提供了可复制的“提质、降本、增效”的完整解决方案，对推动工业自动化工程模式的根本性变革具有重要的标杆示范意义。