基于電子布線的控制系統在化工生產中的研究與應用

趙慶凱,周巍巍,陳豐波,肖蕓,王文海

(1. 中海石油(中國)有限公司 天津分公司,天津 30045; 2. 杭州優穩自動化系統有限公司,浙江 杭州311000)

分散控制系統(DCS)自1975年問世以來,經歷了近50年的發展,其功能與性能得到了不斷的提升與完善,但在系統結構上并沒有發生重大變化,主要分為三層: 系統網絡層,用于連接現場控制站、操作員站、工程師站和數據通信模件等,傳送過程控制實時信息,同時也可將這些信息向上層的信息管理網傳送;控制網絡層,用于實現現場控制站內部的各個I/O模件和控制模件之間的互聯和信息傳遞;現場設備層,用于實現I/O模件與現場檢測儀表、執行機構、在線分析儀表等設備的連接[1]。鑒于控制系統本身的網絡架構特點,傳統方式主要是將控制系統設備集中布置在中心控制室,通過大量的電纜線實現與現場儀表的連接,中心控制室的面積需求比較大、線纜多,后期維護不方便,傳統的控制系統面臨著以下挑戰:

1)電纜用量大,成本高,施工難度大,后期維護不方便。

2)機柜間面積大,且根據規范要求,距離要遠還要抗爆,建設成本高。

3)備件類型多,管理麻煩,變更不便。

4)工程周期長,機柜采用定制化設計,工程組態調試為串行流程,時間長。

針對上述問題,某公司推出了基于電子布線技術的新一代控制系統,并進行推廣應用。

1 電子布線技術

1.1 概 述

隨著工業以太網技術的飛速發展,以及光纖通信技術的大量應用,控制系統的網絡架構也在不斷地演變,尤其是在控制網絡層,突破了物理空間的限制,將I/O模件直接移植到現場,再通過光纖將信號傳輸到中心控制室,這種技術被稱為電子布線技術,電子布線方式如圖1所示。

圖1 電子布線示意

1.2 核心技術

該公司在自動化控制系統領域有近30 a的技術積累,推出的UW500電子布線系統具有三大核心技術:

1)軟件定義數據鏈接。分離控制模塊與I/O模塊,基于網絡技術與軟件定義技術,改變控制模塊與I/O模塊傳統的靜態固定連接模式,實現數據鏈接的動態再分配。軟件定義數據鏈接如圖2所示,具有如下特點:

圖2 軟件定義數據鏈接示意

a)控制器與I/O解耦可重新定義,電子布線I/O單元支持連接多達4個控制器,后期變更維護方便,投資長期有效。

b)將傳統的I/O模件與控制模件的“一對一”的關系演變為“多對多”的關系,1個控制器可以連接多達16個電子布線SMART節點(如圖2虛線所示),電子布線SMART節點支持連接4個控制器。

c)該技術可以解決“一點多用”的問題,比如罐區的檢測點經常會被多個主站調用,傳統的方式只能通過站間通信來解決,不能保證數據的可靠性,而電子布線本身支持I/O點連接到不同的控制器,可直接調用數據,通信更可靠;另外,針對后期工藝有改動的場景,可以方便快速地適應工藝調整,不需要硬件連接的變動,只需軟件調整即可。

2)軟件定義I/O信號類型。軟件配置實現多種信號的輸入輸出,實現單路的信號隔離、類型配置、程控放大、數據處理、故障診斷、濾波、線性校正、工程轉換等,支持在線模塊更換與免開箱變更信號類型。采用軟件定義信號類型的通用I/O模塊具有如下特點:

a)雙重化冗余I/O處理模塊。I/O模塊、I/O通信、供電全冗余。

b)16路智能信號模塊。多類型混合配置,模塊間完全隔離,支持單點熱插拔,可快速更換安裝[2]。

c)全通用型I/O模塊。支持AI/AO/DI(SOE)/DO/RTD/TC/PI/NAMUR等多種信號類型免開箱在線配置。

d)I/O模塊集成安全柵功能?？芍苯优c爆炸性氣體危險場所0區、1區、2區中的本安型設備直接連接。

e)I/O組件可靈活分配。在不移動任何I/O接線的情況下,可分配到指定控制器或多控制器[3]。

f)支持HART 7通信。實現現場智能設備的配置管理和診斷維護。

g)具備完整的自診斷功能。不僅可以實現模塊內部診斷,還能實現回路診斷。

h)符合功能安全TüV SIL3認證?？捎糜诎踩嚓P回路控制。

3)光纖通信。I/O模塊前置于工業現場,在信號端實現數模和模數轉換,構建功能安全網絡協議,提高抗干擾度與環境適應性。光纖通信具有如下特點:

a)傳統主電纜采用多對銅芯對絞電纜,每根電纜都長達幾百米,材料和安裝成本較高;現場通用I/O技術采用光纖提高了信號傳輸效率,節省了大量的材料和安裝費用。

b)信號電纜用量少。無I/O總線,因而無需施工,光纜少,大幅縮短施工周期。

c)支持DMR雙重化,QMR四重化冗余模式。采用SNetSafety工業以太網安全通信協議,功能安全符合TüV SIL3等級,具有高可用性和可靠性。

d)采用2×4路隔離100 M自適應以太網通信冗余電接口和2×1路100 M/1 000 M冗余光纖接口。

1.3 電子布線產品及特點

電子布線安全通信SMART節點由冗余安全通信組件、冗余電源模塊和I/O模塊組成,支持連接16個I/O端子座,節點可靈活配置,規模為32,48,96點。單個控制站可支持16個安全通信SMART節點,單控制站帶載能力為2×103點,配合標準的防爆控制箱,可部署在爆炸危險區域2區/22區。

1.4 與傳統控制系統布線技術的對比

電子布線技術相對于傳統控制系統的布線技術,具有很大的優勢,兩者的對比見表1所列。

表1 電子布線與傳統控制系統布線技術對比

1.5 應用場景

電子布線技術具有較為明顯的優勢,可適用于以下多種場景:

1)海上平臺中控系統的接線非常復雜,中心控制室內布置較多的控制機柜,占據較大的平臺空間。由于大量的信號線纜由現場接至中心控制室內,所以現場敷線的工作量巨大。在系統調試期間,由于接線點太多,容易出現接線故障等問題,需花費大量的精力進行線纜校準工作,影響調試工作效率[4]?；谝陨峡紤],采用電子布線技術可以很好地解決上述問題。

2)對于機柜空間不足的改造項目、擴容項目,采用電子布線技術,布置位置更加靈活。

3)對于生產工藝頻繁變更,存在生產車間的增減、控制需求不斷變更的場合[5],采用電子布線技術,具有更大的優勢。

4)對于各類輔助裝置、公用系統、火炬,距離分散,點數不多,沒必要建立機柜間?！度珖踩a專項整治三年行動計劃》(安委〔2020〕3號)出臺后,控制室及機柜間不允許放置在具有甲乙類火災危險性、粉塵爆炸危險性、中毒危險性的廠房,因此采用電子布線技術代替傳統DCS的布線,具有更高的安全性。

5)可與常規控制系統混合使用。

2 應 用

某硫酸二乙酯、碘化鉀和聚氨酯生產車間改造項目,采用了UW500 DCS電子布線系統整體解決方案,以該實際應用案例介紹電子布線相關技術。

2.1 系統配置

該項目共配置I/O點數3.6×103點,4個控制站和11個操作站,I/O測點及系統配置見表2所列。電子布線箱均部署在現場,根據單元設備進行點數劃分,相應的點數就近接入附近的電子布線箱,這樣做相比傳統的直接將信號電纜拉到中心控制室的方式,可以大量縮短信號電纜的長度,系統配置的網絡架構如圖3所示。

表2 I/O測點及系統配置

圖3 系統配置的網絡架構示意

該系統配置的網絡架構特點如下:

1)現場電子布線箱網絡連接有兩種方式,對于布線箱比較集中的場景,可以使用冗余網線連接組成可靠性高的星型網絡,再使用冗余光纖連接到中心控制室的網絡柜;對于布線箱比較分散的場景(如碘化鉀車間),使用冗余光纖單獨連接到中心控制室的網絡柜。

2)針對現場環境的不同,有多種規格的箱體可供靈活選擇。爆炸危險環境,配置UW5100電子布線防爆控制箱,防爆標志為Ex eb ec nC nR [ia Ga] IIC T4 Gc,防護等級為IP66,防腐等級為G3,可部署在爆炸危險區域2區/22區;非爆炸危險環境,配置UW5041_F工業標準機柜,可節省成本,維護也更加方便,如圖3所示的聚氨酯車間的常規機柜,該機柜部署在現場的配電機柜間,無防爆要求。

3)控制站配置Modbus通信模塊,負責和現場的PLC設備、智能儀表進行通信,并開通OPC協議與上層的MES/ERP通信,構建一個數據共享的高效信息化智能工廠。

4)電源分配柜負責給控制站及現場的電子布線箱提供獨立的UPS和市電雙路220 V供電。

2.2 布線成本對比

節省信號電纜是電子布線最顯著的優勢,表3和表4分別對兩種布線方式所用到的線纜材料進行了對比計算,傳統布線方式采用的電纜,成本約為147.28萬元人民幣,電子布線方式采用光纜,成本約為2 800元人民幣,節約成本約147萬元人民幣。

表3 電纜成本計算

表4 光纜成本計算

除了節省電纜成本外,電子布線技術在快速的項目交付及設計變更處理方面也有明顯優勢。在傳統的DCS項目建設過程中,仍使用硬件設計-組態設計的串行設計流程,DCS硬件機柜仍采用定制化設計,每個項目都需要生產成套機柜;使用通用I/O的電子布線技術,可將DCS硬件與軟件解耦,提前啟動組態設計,再配合標準的防爆機柜,提前進行生產,快速供貨[7]。

在該項目設計階段: 統一化的硬件,可在項目設計階段縮減硬件選型、通道類型配置工作,減少設計時間約50%;在項目組態階段: 統一化的I/O設計,將硬件設計階段、邏輯組態階段從串行改為并行,并簡化邏輯組態與硬件通道號的一一對應,縮短組態工期約50%;在項目成套階段: 采用模塊化的標準機箱機柜設計,避免了DCS項目的定制型成套工作,可縮減機柜成套時間約75%;在項目實施階段: 明了便捷的接線方式,可避免復雜的接線柜接線,減少施工接線時間約50%[6]。

3 結束語

從上述對比可以看出,電子布線技術具有先進性的同時,也具有實用性,為客戶帶來較大的經濟價值。該項目中,線纜成本節省了98%,施工周期縮短了54%,中心控制室控制柜數量減少了50%,I/O備件減少了75%。