（上海賽科石油化工有限責(zé)任公司，上海 201507）

1 裝置概況

某儲運罐區(qū)是由多個車間罐區(qū)合并，成為聯(lián)合儲運罐區(qū)裝置。該儲運罐區(qū)裝置每天進出的物料量較大，主要化工介質(zhì)有丙烯、丙烷、溶劑油、異丙苯、環(huán)氧丙烷、丁二烯、液化氣、重碳四等，這些物料具有易燃、易爆、有毒等特點，而原料的安全貯存是裝置的主要任務(wù)。

儲運罐區(qū)裝置是生產(chǎn)和物料供應(yīng)的原料中心，在裝置內(nèi)大型球罐、臥罐及各類貯罐多，區(qū)域所儲存的介質(zhì)易燃、易爆、貯存量較大，由于歷史原因，該罐區(qū)的地理位置正處于生產(chǎn)裝置的中心，安全間距較短。

2 系統(tǒng)簡介

整個DCS控制系統(tǒng)由遠程I/O站、控制站、操作站、工程師站、歷史趨勢站、應(yīng)用站等設(shè)備組成。

本項目DCS系統(tǒng)的遠程I/O站分別設(shè)置在現(xiàn)場7個單元中。6個球罐區(qū)域的遠程I/O站以及1個火炬區(qū)域的I/O站。工程師站和電源柜、控制柜設(shè)置在二樓中央控制室。裝置DCS的操作站集中安裝在一樓操作室。遠程I/O站與控制站之間的通訊是通過冗余的鎧裝光纜進行，通訊結(jié)構(gòu)采用星型，最遠的遠程I/O站與控制器之間的距離為600m，操作站與控制器之間的距離為60m。

中央控制室設(shè)置一臺工程師站，用于正常的組態(tài)修改及維護。一臺歷史趨勢站用來存儲歷史趨勢。中央控制室一樓配兩臺操作站，通過冗余的工業(yè)以太網(wǎng)與控制柜AS站、操作站、歷史趨勢站形成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。

整個聯(lián)合罐區(qū)裝置的DCS控制單元獨立設(shè)置，保證了裝置在正常生產(chǎn)和開、停工過程中與其他生產(chǎn)裝置互不干擾，減少了關(guān)聯(lián)影響。

3 西門子PCS 7的應(yīng)用

本項目DCS系統(tǒng)采用西門子SIMATIC PCS-7 400系列過程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于過程自動化，從傳感器、執(zhí)行器到控制器，再到上位機，自下而上形成全集成化自動化架構(gòu)，主要包括Step7、CFC、SFC、WinCC以及PDM等軟件，組態(tài)選用S7-400高端CPU，廣泛用于石化行業(yè)。

3.1 軟件組態(tài)

打開組態(tài)軟件Simatic Manager建立罐區(qū)項目后，我們在廠區(qū)Plant View中將聯(lián)合罐區(qū)裝置按照工藝性質(zhì)分別設(shè)置了：丙烯丙烷、丁二烯、環(huán)丙、火炬回收、碳六油、卸料站、異丙苯等幾大單元。分別對每個單元的各個IO點進行CFC模塊組態(tài)，量程、單位等參數(shù)與現(xiàn)場儀表一一對應(yīng)，并可進行報警點設(shè)置、聯(lián)鎖邏輯等。打開WINCC建立操作界面，通過工程師站編譯生成動態(tài)連接，根據(jù)工藝流程畫流程圖。

在組態(tài)界面Component view內(nèi)，即按工業(yè)Ethernet連接的設(shè)備，我們分AS控制器、工程師站、操作站、應(yīng)用站等。

在AS控制器組態(tài)界面的Hardware中，我們分別對系統(tǒng)建立7個遠程I/O站，用冗余PROFIBUS連接，并對站內(nèi)所有IO點進行通道組態(tài)。7個I/O遠程站可通過PROFIBUS DP協(xié)議完成數(shù)據(jù)交換。

3.2 硬件組態(tài)

3.2.1 電源控制柜的配置要求

電源控制柜為兩路電源，一路GPS，一路UPS。分別對AS站、現(xiàn)場7個IO遠程柜冗余供電。此外，一路GPS、一路UPS對中控室操作站分別供電。工程師站由UPS供電。現(xiàn)場聲光報警儀、雷達液位計也是通過UPS供電。

西門子24V電源模塊為西門子SITOP 10A，可將220VAC電轉(zhuǎn)換為24VDC電源，既能為控制柜及所有通訊轉(zhuǎn)換器OLM模塊供電，也能為現(xiàn)場分析儀表、4線制AI儀表等提供24V電源。

3.2.2 控制站AS的結(jié)構(gòu)

該裝置采用SIMATIC PCS 7容錯自動化系統(tǒng)，憑借兩個冗余CPU，提供了更高的可用性與容錯性，它根據(jù)二選一的原則，在發(fā)生故障時開關(guān)將從運行中的子系統(tǒng)切換到備用子系統(tǒng)。

AS控制站機架上由冗余PS 407電源模塊，冗余CPU 414-4H模塊以及冗余CP 443-1工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊組成。

（1）PS 407模塊 10A，冗余設(shè)計，帶有用于2塊后背電池的電池槽，需要占用2個卡槽。

（2）CPU模塊型號為414-4H，容量2.8MB RAM，模塊占用2個卡槽。上半部分為狀態(tài)指示燈。CPU模塊下半部分內(nèi)有2個PROFIBUS內(nèi)置接口，總線長度最大距離可為10m。

PROFIBUS能夠通過通訊協(xié)議PROFIBUS DP與智能分布式I/O進行高速通訊，它對硬件和空間的要求不高，能夠顯著降低布線、跳線、分布、電源和現(xiàn)場安裝的開銷，雙向通訊和大容量信息增強了快速定位故障以及排除故障的診斷功能，并且具有高速通訊、高測量精度的優(yōu)點。

（3）CP443-1通訊卡用于TCP/IP，ISO和UDP將SIMATIC S7-400連接至工業(yè)以太網(wǎng)的通訊模塊，集成帶2個端口的實時開關(guān)ERTEC，2個RJ45接口，具有FETHC/WRITE功能、診斷功能和多點傳送功能，通過IP訪問列表進行訪問保護。通過工業(yè)Ethernet網(wǎng)與上位機，如工程師站、操作站等網(wǎng)卡的連接，由于該通訊卡在AS站內(nèi)是冗余的，可與上位機雙網(wǎng)卡匹配形成冗余環(huán)型工廠總線。

在工程師站上組態(tài)完成時，工程師站可通過冗余工業(yè)Ethernet網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)到PCS7系統(tǒng)的CPU中，也可下裝程序到工程師站、歷史趨勢站、操作站。其中AS控制站是通過該系統(tǒng)CP 443-1通訊卡以及交換機SCALANCE X-200來完成與工程師站、操作站等數(shù)據(jù)交換。

從CPU模塊內(nèi)的PROFIBUS接口通過PROFIBUS DP現(xiàn)場總線連接信號轉(zhuǎn)換器OLM模塊，轉(zhuǎn)換成光纖信號后，再連到背面的光纖盒，通過冗余的鎧裝光纜連接到現(xiàn)場遠程I/O站的光纖熔接盒內(nèi)，通過信號轉(zhuǎn)換器OLM模塊，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為PROFIBUS DP協(xié)議，隨后與ET 200isp系統(tǒng)的通訊卡IM-152連接，實現(xiàn)了現(xiàn)場儀表信號與中控室CPU的數(shù)據(jù)交換。

3.2.3 光纖鏈路模塊OLM的特點

電氣/光纖技術(shù)傳輸為PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)提供了許多不同的組態(tài)選項。使用SIMATIC PCS7時，PROFIBUS DP拓撲結(jié)構(gòu)是通過自動化系統(tǒng)上的標(biāo)準(zhǔn)電氣PROFIBUS DP接口或混合（電氣/光纖）網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。在混合網(wǎng)絡(luò)的情況下，兩種介質(zhì)的轉(zhuǎn)換由光纖鏈路模塊OLM來實現(xiàn)。而聯(lián)合罐區(qū)DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場遠程通訊正是使用了OLM作為路由器的混合電氣/光纖網(wǎng)絡(luò)，與遠程I/O站組態(tài)成星型拓撲結(jié)構(gòu)。

OLM模塊具有緊湊的金屬的外殼，分別安裝在室內(nèi)控制柜內(nèi)和室外遠程I/O站內(nèi)的DIN導(dǎo)軌上，兩個OLM模塊之間使用單模光纖的最大距離可以達到15km。該模塊能夠自動識別所有PROFIBUS數(shù)據(jù)傳輸速率，通過浮動信號發(fā)送觸點來顯示模塊狀態(tài)，通過用于光纖接收器進行記錄和檢查光纖鏈路每段的損耗。

4 罐區(qū)現(xiàn)場的遠程IO通訊柜

4.1 現(xiàn)場機柜分布

在罐區(qū)現(xiàn)場，6個遠程IO機柜分布每個棚內(nèi)分別設(shè)置三個IO遠程站，北面1#、2#、6#站設(shè)一個站棚、東南面3#、4#、5#站設(shè)置站棚。站棚位于非裝置密集區(qū)域，盡最大能力避開危險區(qū)域，使得系統(tǒng)運行安全可靠。

由于罐區(qū)環(huán)境為易燃易爆區(qū)，為系統(tǒng)穩(wěn)定運行，防止系統(tǒng)信號中斷而操作失控，該遠程柜具有防爆配置，防護等級須不低于IP65。通訊柜側(cè)面配有一個正壓供氣箱，內(nèi)部為供氣裝置，保持正壓通風(fēng)從而防止現(xiàn)場裝置的泄漏氣體彌漫到柜內(nèi)。

4.2 隔爆電源模塊PS

ET 200isp 電源單元是冗余模塊PS1、PS2與匹配的端子模塊TM-PS-B的組合。該電源模塊具有的功能有：

（1）可為ET 200isp的其他組件提供安全隔離運行電壓。（2）出于安全考慮，限制輸出電壓。（3）具有防爆金屬外殼，防爆等級EEx d。（4）電源模塊可冗余。

該電源模塊可以在危險區(qū)域熱插拔，但電源模塊的工作狀態(tài)顯示在IM 152通訊模塊的兩個LED上。

4.3 IM 152通訊模塊

IM 152接口模塊使用本安RS 485-is傳輸技術(shù)講ET 200isp連接到PROFIBUS DP，傳輸速度可達1.5Mbit/s，也可以進行冗余連接，在此情況下，ET 200isp通過兩個接口模塊與系統(tǒng)兩個冗余PROFIBUS DP段相連。

該模塊的任務(wù)是將ET 200isp連接至本質(zhì)安全PROFIBUS DP與中央控制室內(nèi)的主自動化系統(tǒng)進行自主通訊，為已安裝的電子模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，保存電子模塊參數(shù)等。

IM 152卡件和PROFIBUS連接器可以在危險環(huán)境中進行熱插拔。

IM 152的LED可指示電源電壓、組故障、總線故障、冗余運行的活動IM以及安裝電源模塊的工作狀態(tài)。

4.4 I/O卡件

在4.2節(jié)優(yōu)點中已經(jīng)提到，為了減少系統(tǒng)故障對設(shè)備正常運行的影響，ET 200isp其中一個特點就是每塊卡件的I/O通道較少，本系統(tǒng)I/O卡件模塊主要包括以下幾種類型：

（1）4 通道模擬量輸入模塊 AI 2/4 WIRE HART EEx i可以在4-20mA的量程范圍內(nèi)進行電流測量，適用于2/4線制變送器。（2）4通道模擬量輸入模塊AI RTD EEx i溫度卡件，可以進行電阻測量以及通過PT100電阻溫度計進行溫度測量。（3）4通道模擬量輸出模塊AO I HART EEx i，用于將0/4-20mA范圍內(nèi)的電流信號輸出到現(xiàn)場設(shè)備。（4）8通道數(shù)字量輸入模塊 DI NAMUR EEx，可用于NAMUR傳感器，測已連接和未連接觸點通斷，也可用作計數(shù)器或頻率表。（5）2通道數(shù)字量輸出模塊DO RELAY EEx e，用于開關(guān)電磁閥、直流繼電器或信號燈?？砂惭b在最高區(qū)域Ex 1的環(huán)境中。

5 總結(jié)

在這次聯(lián)合罐區(qū)改造項目中，把原DCS系統(tǒng)更新為西門子PCS 7-400系統(tǒng)，所配置的遠程I/O系統(tǒng)ET200isp滿足了罐區(qū)內(nèi)儀表測點分散、新中央控制室與現(xiàn)場儀表距離較遠的特點，降低了布線技術(shù)要求和經(jīng)濟成本。

該DCS系統(tǒng)具有完備的冗余技術(shù)，包括各級網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和部件、控制站的控制器和功能卡等。冗余的設(shè)備具有在線故障診斷、報警、自動切換及維修提示。并且，遠程I/O系統(tǒng)配備高等級防爆柜及站棚，能夠很好地保護現(xiàn)場系統(tǒng)設(shè)備。此外，聯(lián)合罐區(qū)改造中對罐區(qū)操作室（機房）儀表橋架、電纜也進行了更新。

這次改造既解決了罐區(qū)回收系統(tǒng)優(yōu)化整合的控制問題，又解決了操作室與化工原料儲罐區(qū)之間距離的安全隱患，滿足了裝置安全穩(wěn)定運行的條件。