基于CS-3000控制系统在常减压装置的应用

2022-12-23

随着工业生产过程的需要, DCS已在全世界范围内的过程控制领域中得到了广泛的应用, 它是工业自动化领域的一个重大变革, 标志着生产过程控制进入了崭新的发展阶段。DCS (Distributed Control System) 是以微处理机为基础, 对生产过程进行集中管理和分散控制的系统, 是集先进的计算机技术、通讯技术、CRT技术和控制技术于一体的新型控制系统。本文主要介绍CS-3000系统在某石化公司常减压装置的具体应用。

1 系统概述

CS (Concentrate Solution) 就是来自于综合和解决方案两个含义。CS-3000系统是日本横河公司近几年来开发出来的新型集散控制系统。综合了各种控制、各种管理、各种自动化以及实时控制数据和其它信息数据。由于该系统具有极高的抗干扰和耐环境等特点, 因此非常适用于电力、石化及化工行业的运行环境。

本文系统中主要包括PFCD控制站 (双重冗余型现场控制站) 和HIS操作站 (人机界面操作站) 两大部分, 并利用VL网将系统中定义的每个站连接在一起。在VL网上允许最多连接16个PFCD控制站和8个HIS操作站 (如果超过8个则需要加服务器) 。控制站之间用10BASE5的VL网粗缆连接, HIS站之间用10BASE2的VL网细缆连接, 并利用YCB149粗细缆转换器将两部分VL网连接起来。为了提高系统的安全稳定性, 方便上层管理, HIS站之间的通讯除了利用VF701网卡构成VL网作为操作站间的通讯总线, 还采用了Ethernet (乙太网) 连接, 因此在每台HIS站上需要分别为两个通讯网定义网址。在系统的控制站配置了双重冗余的VL网, 形成了两条总线BUS1和BUS2完成通讯任务, 当一条总线通讯失败时, 另一条总线将接管通讯任务。

2 CS-3000系统在常减压装置的实际应用

一套完整的DCS主要包括硬件和软件, 硬件由操作站 (包括工程师站) 即人机接口单元、控制站、I/O卡件及通信网络组成;软件则包括操作软件和应用软件。

2.1 硬件配置

(1) 操作站: (H I S H u m a n I n t e r f a c e Station) 配置。

根据目前DCS的发展趋势及计算机技术的普及, 操作站采用的是普通的PC机。根据装置的岗位分配及生产需要, 共配备了1台工程师站和四台操作站。工程师站主要是系统工程师用来进行组态和维护, 操作站是操作人员进行生产操作。

(2) 控制站: (FCS Field Control Stations) 配置。

为了保证装置安全稳定运行, 控制器选用横河AFS40D冗余现场控制单元, 该FCS采用双CPU、双电源、双通讯单元的自身冗余结构, 双CPU之间可以实现无扰切换功能, 以提高系统的稳定性能。每台控制站最多可以带8块I/O卡件箱, 每块卡件箱能安装8个I/O卡件。

(3) I/O卡件配置。

根据统计, 常减压装置的各种类型的数据点数如下:

控制回路:75 (其中4-20MA输入72;4-20MA输出70)

4-20MA指示点:70

热电偶指示点:105

热电阻指示点:10

脉冲信号指示点:30

开关信号输入:52

开关信号输出:5

在选用卡件数量时, 考虑负荷及以后检修的需要, 预留了20%的余量。在卡件选型上, 因为对控制回路要求较高, 对控制回路所用卡件采用了双重冗余配置。

常减压装置采用的I/O卡件如下:

AAI841:8入/8出模拟量输入/输出卡, 26

AAI141:16路模拟量输入卡, 9

AAT145:15路热电偶输入卡, 10

AAR145:16路电阻输入卡, 2

AAP135:8路脉冲量输入卡, 6

ADV859:16入/16出数字量输入/输出卡, 2

(4) 网络配置。

CS-3000系统的网络结构有两层, 一层是管理网 (E-NET) , 一层是控制网 (V-NET) 。

管理网采用通常的Ethernet (乙太网) 连接, 用集线器 (HUB) 将工程师站和操作站连接, 主要用于由工程师站向操作站下装组态文件及数据采集和上层管理。通讯网络介质采用的是屏蔽双绞线。

控制网 (V-NET) 是整个DCS运行的关键, 是传送过程控制实时信息的通道。所以采用双重冗余配置, 当一条总线通讯失败时, 另一条总线将接管通讯任务, 可以实现网络的无扰动切换。V-NET网采用的是同轴电缆。

由于常减压装置操作室和机柜间距离较远, 在机柜间设置了一台操作站, 中间用光纤连接, 两端都有V网和E网的光纤转换器。

2.2 软件配置

操作系统:Windows2000 Profession。

系统软件:CENTUM CS-3000。

CS-3000系统中的操作站分为工程师站和操作员站, 两者的区别主要在于CS-3000系统软件部分不同, 操作员站只具有操作监控功能, 而工程师站除了有操作监控功能外, 还具有系统组态功能。

3 系统组态

组态就是用DCS实现生产需要的功能的过程。

CS-3000系统是基于Windows2000操作系统上构建的, 其组态过程看起来一目了然。其系统组态过程大致可分为以下几个步骤。

3.1 建立项目

项目分为默认项目、自定义项目、当前项目。一个工程必须同时存在一个默认项目和一个当前项目, 当前项目是可以下装、运行的。

建一个新的项目, 然后根据装置实际建立FCS和HIS, 再对FCS、HIS进行一些设置。常减压装置有一个FCS, 5个HIS, 根据全公司统一规划, 常减压装置域号是02, 站号FCS:0201, HIS:0264-0260。

3.2 FCS (控制站) 组态

FCS组态主要包括对IOM的定义和FUTION BLOOK组态。

IOM定义就是根据装置实际需要建立NODE, 并给每个NODE配置相应的卡件, 然后对每个卡件上的点进行组态。

FUTION BLOOK组态就是控制方案组态, 也是整个系统组态的核心部分。

3.3 HIS (操作站) 组态

HIS组态就是对每个操作站 (包括工程师站) 进行设置。主要包括绘制流程图、定义趋势组、控制分组、功能键等。不同的HIS组态根据生产需要可以相同, 也可以不同。

3.4 控制方案组态

控制方案组态是整个系统组态的核心是实现DCS控制功能的关键。CS-3000系统中控制方案的实现, 就是在DR (control drawing) 图中用功能块来搭建。

CS-3000中共有200幅DR图。

常用的功能块:

PIO——输入/输出通道 (地址) PVI——输入指示

运算功能块:ADD、MUL、DIV、AVE (平均值) 、CALCU、SW-33等

本文用二套常减压装置这个典型的例子来说明CS-3000系统的控制方案组态过程:

(1) 连续控制功能。

下面是指示仪表、单回路和串级回路的DR图, 看起来简单明了, 作起来也很容易 (图1) 。

(2) 顺序控制功能。

顺序控制在CS-3000系统中, 一般用ST16 (顺控表) 功能块来实现。下是实现一个开关切换的例子:当F109=ON时, SW=1当F109=OFF时, SW=2示意如下:

(3) 逻辑控制。

逻辑控制不是CS-3000系统的强项, 它不支持PLC中常见的梯形图, 但在功能块LC64中可以画逻辑图, 并且如果定购在线查看软件也可以在线观察逻辑运行状态, 但在LC64中运行逻辑速度较慢, 所以, 我们也可以直接在DR图中用逻辑功能块来实现, 但即使是一小段简单的逻辑实现起来也非常烦琐。

(4) 程序。

对于一些复杂的控制方案, 也可以用程序来实现。在功能块CALCU中用编程语言实现。

3.5 组态内容下装:LOAD

组态下装就是将在工程师站中所作的组态分别下装到控制器和各个操作站中进行运行。在CS-3000系统中, 下装有以下几种: (1) DOWNLOADPROJECT-COMMON:相当于下装一个整体配置, 也就是系统框架下装。 (2) OFFLINE DOWNLOAD TO FCS:离线下装时, CPU要停几分钟, 所以要在安全状态 (停产或投产) 才可进行。 (3) DOWNLOAD TO HIS:依次选择HIS分别下装。 (4) 在线下装:正常生产时, 在FCS中只要不更改属性即可进行对修改部分在线下装, 不影响其它回路。