魏 煒

* 中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

DCS在SABIC罐區(qū)中的應(yīng)用

魏 煒

*中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

闡述DCS分散控制和集中管理的特點(diǎn)，并通過在SABIC罐區(qū)項(xiàng)目中的應(yīng)用，采用多層分級、合作自治的結(jié)構(gòu)形式來體現(xiàn)。

集散控制系統(tǒng) 罐區(qū)項(xiàng)目 DCS系統(tǒng)搭建 DCS控制室搬遷

1 DCS介紹

集散控制系統(tǒng)(DCS，distributed control system)通常也稱為分散控制系統(tǒng)或分布控制系統(tǒng)。它通過分散控制、集中操作、集中管理的基本設(shè)計(jì)思想，目前DCS在電力、冶金、石化等各行各業(yè)都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。在DCS系統(tǒng)中，通訊技術(shù)尤為重要，操作員站、工程師站、現(xiàn)場控制站都是通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起，系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示、控制、組態(tài)等功能，也都是依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)來完成的。

DCS系統(tǒng)是從氣動、電動、到智能可編程控制儀再發(fā)展到今天的集散控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)功能方面，DCS系統(tǒng)和集中控制系統(tǒng)的區(qū)別不大，但實(shí)現(xiàn)方法上卻完全不同。DCS系統(tǒng)是一種控制功能分散、操作實(shí)現(xiàn)集中、采用分級結(jié)構(gòu)的智能站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其目的在于控制或管理一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過程。該系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)、通訊和屏幕顯示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、控制和保護(hù)等功能，利用通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。其主要特點(diǎn)是功能分散、數(shù)據(jù)共享、可靠性高。

DCS系統(tǒng)是以大型工業(yè)生產(chǎn)過程及其相互關(guān)系日益復(fù)雜的控制對象為前提，從生產(chǎn)過程綜合自動化的角度出發(fā)，按照系統(tǒng)過程中分解與協(xié)調(diào)的原則研制開發(fā)出來的，并以微處理機(jī)為核心。

1.1 DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

DCS的骨架為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，是DCS的基礎(chǔ)和核心。由于網(wǎng)絡(luò)對于整個(gè)DCS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和擴(kuò)充性，起著決定性的作用，因此各個(gè)廠家都在這方面進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)。

DCS的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，必須滿足實(shí)時(shí)性的要求，即在確定的時(shí)間限度內(nèi)完成信息的傳送。因此，衡量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)并不是網(wǎng)絡(luò)的速率，而是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，即能在多長時(shí)間內(nèi)確保所需信息的傳輸完成。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)還必須非?？煽?，在任何情況下，網(wǎng)絡(luò)通信都不能中斷，因此在設(shè)計(jì)上DCS均采用雙總線、環(huán)形或雙重星形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

為滿足系統(tǒng)擴(kuò)充性的要求，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上可接入的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)比實(shí)際使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大若干倍。這樣一方面可以隨時(shí)增加新的節(jié)點(diǎn)，另一方面也可以使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行于較輕的通信負(fù)荷狀態(tài)，以確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的上網(wǎng)和下網(wǎng)是隨時(shí)可能發(fā)生的，特別是操作員站，這樣，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)會經(jīng)常進(jìn)行，而這種操作絕對不能影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有很強(qiáng)的在線網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)功能。

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

過程控制站是對現(xiàn)場I/O處理并實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。一般一套DCS系統(tǒng)中要設(shè)置多個(gè)現(xiàn)場I/O控制站，用以分擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的I/O和控制功能。這樣既可以避免由于一個(gè)站點(diǎn)失效造成整個(gè)系統(tǒng)的失效，提高系統(tǒng)可靠性，也可以使各站點(diǎn)分擔(dān)數(shù)據(jù)采集和控制的功能，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。

DCS的操作員站是處理一切與運(yùn)行操作有關(guān)的人機(jī)界面(HMI, human machine interface)功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

DCS的工程師站是對DCS進(jìn)行離線的配置、組態(tài)工作，以及在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制、維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其主要功能是提供對DCS進(jìn)行組態(tài)、配置工作的工具軟件，并在DCS在線運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)地監(jiān)視DCS網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，使系統(tǒng)工程師可以通過工程師站及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)配置及一些系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，使DCS隨時(shí)處在最佳的工作狀態(tài)之下。

1.1.3 系統(tǒng)構(gòu)成

DCS系統(tǒng)是由以微處理器為核心的基礎(chǔ)控制單元以及相應(yīng)的過程控制站、操作站、高速數(shù)據(jù)通道、上位計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集站和網(wǎng)間連接器組成。

(1)過程控制站?；究刂茊卧侵苯涌刂粕a(chǎn)過程的硬件和軟件的有機(jī)結(jié)合體，是分散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)模擬量控制和順序控制，完成常規(guī)模擬儀表所能完成的一切控制功能?；究刂茊卧泻芏鄠€(gè)，每個(gè)單元只控制某一局部生產(chǎn)過程，一個(gè)基本控制單元故障不會影響整個(gè)生產(chǎn)過程。

(2)操作站。操作站是用戶與系統(tǒng)進(jìn)行信息交換的設(shè)備，它以屏幕窗口或文件表格的形式提供人與過程、人與系統(tǒng)的界面，可以實(shí)現(xiàn)操作指令輸入、各種畫面顯示。

(3)高速數(shù)據(jù)通道。高速數(shù)據(jù)通道是信息交換的媒介，它將分散在不同物理位置上執(zhí)行不同任務(wù)的各基本控制單元、數(shù)據(jù)采集站、上位計(jì)算機(jī)、操作站連接起來，形成一個(gè)信息共享的控制和管理系統(tǒng)。

(4)上位計(jì)算機(jī)。上位計(jì)算機(jī)用于對生產(chǎn)過程的管理和監(jiān)督控制，協(xié)調(diào)各基本控制單元的工作，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程最優(yōu)化控制，并在大容量存儲器中建立數(shù)據(jù)庫。有的分散控制系統(tǒng)沒有設(shè)置上位計(jì)算機(jī)，而是把它的功能分散到系統(tǒng)的其他工作站中，建立分散的數(shù)據(jù)庫，并為整個(gè)系統(tǒng)公用，各個(gè)工作站都可以透明地對其進(jìn)行訪問。

(5)數(shù)據(jù)采集站。數(shù)據(jù)采集站主要用來采集各種生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，以滿足系統(tǒng)監(jiān)測、控制以及生產(chǎn)管理與決策計(jì)算的要求。有的分散控制系統(tǒng)沒有專門的數(shù)據(jù)采集站，而由基本控制單元來完成數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)過程控制的雙重任務(wù)。

(6)網(wǎng)間連接器。網(wǎng)間連接器是分散控制系統(tǒng)與其他標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行通訊聯(lián)系的接口，使得系統(tǒng)的通信能具有時(shí)代要求的開發(fā)性。

1.2 DCS系統(tǒng)特征

1.2.1 分散特征

分散特征為功能分散、物理分散、地理分散。

1.2.2 技術(shù)特征

DCS系統(tǒng)的技術(shù)特征是4C技術(shù)，即控制技術(shù)(control)、計(jì)算機(jī)技術(shù)(computer)、通訊技術(shù)(communication)和顯示技術(shù)(cathode ray tube)。

1.2.3 控制特征

(1)均質(zhì)性。即每個(gè)子系統(tǒng)都具有相同成分，系統(tǒng)間可相互替換，且不存在任何主從關(guān)系。

(2)局域性。即每個(gè)子系統(tǒng)只依靠當(dāng)?shù)氐男畔⒕涂勺陨砉芾?，并與其他子系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)。

(3)自含性。即每個(gè)子系統(tǒng)本身都含有管理自身和與其他子系統(tǒng)協(xié)調(diào)的功能。

1.2.4 結(jié)構(gòu)特征

DCS控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)比較固定，無論DCS系統(tǒng)的控制多么復(fù)雜，所有DCS系統(tǒng)均由四種接口構(gòu)成。

(1)運(yùn)行操作接口，也稱操作員站。運(yùn)行人員通過此設(shè)備對現(xiàn)場的所有對象實(shí)施控制和操作，對工藝信號進(jìn)行監(jiān)視，同時(shí)具有報(bào)警功能。

(2)開發(fā)維護(hù)接口，也稱工程師站。工程師通過此設(shè)備進(jìn)行保護(hù)投退、數(shù)據(jù)信號強(qiáng)制和數(shù)據(jù)修改組態(tài)。

(3)現(xiàn)場控制接口，也稱過程控制單元。每個(gè)過程控制單元相當(dāng)于一臺計(jì)算機(jī)，不同的是它的控制器、電源是冗余的，且?guī)в蠭/O卡件。

(4)網(wǎng)間通信接口，也稱網(wǎng)橋。主要作用是將工業(yè)過程控制的實(shí)時(shí)控制局域網(wǎng)和外界的網(wǎng)絡(luò)連接起來，實(shí)現(xiàn)信息共享。

2 在SABIC罐區(qū)的應(yīng)用

2.1 罐區(qū)情況及DCS系統(tǒng)環(huán)境

SABIC罐區(qū)項(xiàng)目位于沙特東面沿海城市朱拜勒的工業(yè)港口內(nèi)，整個(gè)罐區(qū)包括32個(gè)儲罐，5個(gè)裝卸碼頭，1個(gè)裝卸車站，一個(gè)尾氣處理單元及包括中央控制室在內(nèi)的廠前辦公區(qū)。雖然整個(gè)項(xiàng)目沒有太多復(fù)雜的工藝控制流程，但是廠區(qū)DCS的硬件I/O點(diǎn)數(shù)多達(dá)5000以上，在中控室、罐區(qū)、裝卸車站、每個(gè)裝卸碼頭均設(shè)有機(jī)柜間，各機(jī)柜間的功能：

2.1.1 中控室

整個(gè)項(xiàng)目的控制大樓，所有的操作站和工程師站均位于其中控室內(nèi)，并且還有整個(gè)廠前辦公區(qū)的控制信號也均進(jìn)入中控大樓的DCS過程控制單元內(nèi)。其中還有全廠火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)之間通訊工作。整個(gè)中央控制室擔(dān)負(fù)起的是全廠的DCS系統(tǒng)集中控制的重要作用。通過來自各個(gè)機(jī)柜間的光纖網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到全廠所有的數(shù)據(jù)集中到中控室進(jìn)行操作和管理的目的?？厥野ㄈg控制房間：① DCS機(jī)柜間，所有的DCS機(jī)柜都位于該房間，來自全廠其他DCS機(jī)柜間的通訊光纖都會進(jìn)入機(jī)柜間的DCS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)柜中，由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)柜通過多個(gè)網(wǎng)絡(luò)路由器分配給相關(guān)的控制器；② DCS控制室，所有DCS的操作員站，數(shù)據(jù)記錄打印機(jī)，中控顯示大屏幕，及全廠各個(gè)區(qū)域緊急停車按鈕都布置在此房間內(nèi)，該房間為全廠的DCS操作人員的工作區(qū)域，集中控制全廠的DCS系統(tǒng)；③ DCS工程師室，DCS工程師站，及記錄打印設(shè)備都位于這個(gè)房間，該房間只允許擁有DCS系統(tǒng)內(nèi)部查詢及更改組態(tài)內(nèi)容權(quán)限的工程師進(jìn)入。

2.1.2 罐區(qū)

整個(gè)項(xiàng)目中DCS系統(tǒng)控制單元最集中也是最多的一個(gè)DCS建筑。全廠32個(gè)罐區(qū)所有信號均進(jìn)該處的DCS過程控制單元內(nèi)，大概包含全廠70%的DCS點(diǎn)位采集和控制工作，并還包括眾多第三方控制系統(tǒng)的通訊。第三方控制系統(tǒng)包括：空壓機(jī)組PLC控制系統(tǒng)、冷凍機(jī)組PLC及振動監(jiān)測系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、暖通空調(diào)控制系統(tǒng)。通過DCS系統(tǒng)將第三方的控制系統(tǒng)的信息進(jìn)行整合，最后達(dá)到由DCS集中監(jiān)控的目的。罐區(qū)內(nèi)的遠(yuǎn)程機(jī)柜間還承接了裝卸車站和碼頭機(jī)柜間的DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接。

2.1.3 裝卸車站

機(jī)柜間主要作用是負(fù)責(zé)整個(gè)裝卸車站內(nèi)的DCS過程控制單元，還有和裝卸車就地控制盤之間的通訊工作。就地的裝卸車控制盤是由RS485與DCS之間進(jìn)行通訊，并由DCS進(jìn)行集中控制的一套控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由13個(gè)分散在現(xiàn)場每個(gè)裝車站臺的控制盤串聯(lián)而成。

2.1.4 裝卸碼頭

每個(gè)碼頭的機(jī)柜間則主要負(fù)責(zé)其所在的每個(gè)碼頭的現(xiàn)場點(diǎn)位的信號采集及控制工作。碼頭的機(jī)柜間還肩負(fù)裝卸船控制系統(tǒng)和氮?dú)庥?jì)量站的遠(yuǎn)程通訊和控制。

整個(gè)項(xiàng)目的DCS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)架還存在一個(gè)難點(diǎn)：在罐區(qū)的東面，有另外一個(gè)罐區(qū)項(xiàng)目，和本罐區(qū)共同使用一個(gè)中央控制大樓，并且最終要實(shí)現(xiàn)進(jìn)入中控大樓DCS系統(tǒng)，即兩個(gè)罐區(qū)的DCS為一個(gè)整體系統(tǒng)，都在中央控制大樓內(nèi)使用不同的操作員站進(jìn)行操作，但會使用相同的工程師站進(jìn)行邏輯修改和運(yùn)行維護(hù)工作。也就是說，全廠的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送分別由分散于各個(gè)罐區(qū)、碼頭、裝車站的DCS機(jī)柜間來完成，最后的控制都集中到中央控制大樓內(nèi)的控制室來完成。

整個(gè)項(xiàng)目的DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用多種通信形式，其中本項(xiàng)目罐區(qū)包括了多個(gè)子系統(tǒng)，采用的是以罐區(qū)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜間為中心的冗余的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌硗庖粋€(gè)罐區(qū)采用的是冗余的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓展，最終兩個(gè)罐區(qū)的DCS系統(tǒng)與中控室的DCS采用的是雙總線的網(wǎng)絡(luò)拓展形式，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的具體構(gòu)架見圖1。

圖1 SABIC罐區(qū)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

2.2 DCS系統(tǒng)的難點(diǎn)和解決辦法

由于整個(gè)項(xiàng)目施工內(nèi)容繁多，根據(jù)施工計(jì)劃，分片區(qū)施工、調(diào)試、投用。要求在第一階段完成的目標(biāo)是圖1中的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，即34號和35號兩個(gè)碼頭及與之連接的罐區(qū)機(jī)柜間1號和2號施工和投用；第二階段完成罐區(qū)遠(yuǎn)程機(jī)柜間，裝卸車機(jī)柜間和31號碼頭機(jī)柜間的施工和投用；第三階段完成所有機(jī)柜間的施工和投用。現(xiàn)場為了保證施工和調(diào)試過程的便捷性，在每個(gè)機(jī)柜間完成施工之后，都會架設(shè)一臺臨時(shí)的DCS工程師站在這個(gè)機(jī)柜間內(nèi)，利用DCS分散控制的特點(diǎn)，針對這個(gè)機(jī)柜間管理的現(xiàn)場信號進(jìn)行回路測試。待幾個(gè)區(qū)域的回路測試完成后，將幾個(gè)機(jī)柜間按圖1中的網(wǎng)絡(luò)連接方式進(jìn)行連接，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)交給中控室集中控制，完成后期的功能測試和進(jìn)料投用工作。

項(xiàng)目施工過程中，在整個(gè)罐區(qū)及34、35碼頭有卸船進(jìn)料要求時(shí)，中央控制室無法順利按期交付使用，為了保證能夠滿足現(xiàn)場要求，將原計(jì)劃安裝在中央控制室內(nèi)的DCS系統(tǒng)機(jī)柜和DCS網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜分別重新安置在了罐區(qū)機(jī)柜間1#和罐區(qū)機(jī)柜間2#。并且將全部的操作員站、工程師站及一臺網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜安裝在了臨時(shí)的中控室內(nèi)。

當(dāng)中央控制室完成施工并交付使用之后，現(xiàn)場又陸續(xù)計(jì)劃將位于罐區(qū)機(jī)柜間1#、2#及臨時(shí)中控室內(nèi)的DCS機(jī)柜及所有操作員、工程師站搬遷回中央控制室。并且還不能影響現(xiàn)場DCS系統(tǒng)的正常運(yùn)行，處理方案：

(1)將位于罐區(qū)機(jī)柜間1#內(nèi)的DCS網(wǎng)絡(luò)柜首先搬遷進(jìn)入中控室，并將冗余的通訊光纖接入中控室中的這臺DCS網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜，以保障整個(gè)DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)完整性。

(2)搬遷位于罐區(qū)機(jī)柜間2#內(nèi)的系統(tǒng)柜到中央控制室內(nèi)，保留網(wǎng)絡(luò)柜。這樣能夠完全保障將罐區(qū)機(jī)柜間2#內(nèi)的DCS功能在中央控制室在繼續(xù)發(fā)揮。

(3)最后將位于臨時(shí)中控室的操作員站和工程師站搬遷到中央控制室，保障整個(gè)罐區(qū)的操作和維護(hù)。之后將位于臨時(shí)中控室的網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜搬遷到中央控制室，拆除整個(gè)臨時(shí)中控室。

3 結(jié) 語

石油化工生產(chǎn)裝置運(yùn)行時(shí)一般處于高溫、高壓、有毒的工況之中，為了使生產(chǎn)過程保持最佳工況，節(jié)約原材料和能源，保證生產(chǎn)安全穩(wěn)定運(yùn)行，使用了大量過程儀表和DCS系統(tǒng)。工藝技術(shù)人員和儀表技術(shù)人員必須相互配合，才能使生產(chǎn)裝置處于最佳生產(chǎn)狀態(tài)，為企業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益提供保障。

對于DCS的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)來說，它必須滿足實(shí)時(shí)性的要求，即在確定的時(shí)間限度內(nèi)完成信息的傳送。無論在任何情況下，網(wǎng)絡(luò)通信都不能中斷，因此DCS網(wǎng)絡(luò)常采用雙總線、環(huán)形或雙重星形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2016-03-04)

*魏 煒：工程師。2008年畢業(yè)于電子科技大學(xué)自動化學(xué)院獲碩士學(xué)位。從事自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：(028)6553143， E-mail: weiwei7231@chengda.com。