第五章-精馏塔物料平衡控制DCS系统设计.doc

第5章 精馏塔物料平衡控制DCS系统设计5.1 DCS系统硬件设计JX-300X DCS系统的硬件配置包括：通信系统：通信系统是选择DCS系统的关键环节之一。随着计算机网络通信技术的发展和市场的需求，大多数DCS系统都以开放系统为标准来设计其通信系统。人-机接口：人-机接口是DCS系统的操作站部分。接口单元：这里的接口单元是指DCS系统与本系统之外产品的接口单元。主要有DCS系统与上位计算机的接口，与气相工业色谱的接口及与可编程控制器的接口。高可靠性是过程控制系统的第一要求。冗余技术是计算机系统可靠性设计中常采用的一种技术，是提高计算机系统可靠性的最有效方法之一。控制系统从结构上充分地采用了冗余技术。本系统对于主控卡XP243X、数据转发卡XP233、重要I/O点对应的I/O卡件、网络通讯等都设计了1:1冗余，采用冗余结构不仅能避免控制系统的局部故障扩大事故，保证机组安全稳定运行，同时也保证设备故障的在线排除，从而消除事故隐患。本系统的卡件备用硬件实时监听工作硬件信息，内部数据实时与工作硬件保持一致，一旦工作硬件出现故障，备用硬件即可随时参与工作，不存在切换问题，也就避免了切换时对系统造成的扰动。本系统配置如图4.1所示。系统安装完成后可使用ping指令进行调试，使其设备间彼此都实现通讯。脱丁烷塔测点不是很多，经过整理得到实际测点15个，其中AI点6个，AO点7个,DI点1个，DO点1个，据此得出系统硬件配置，如表5.1所示。表5.1 系统硬件配置序号名称型号单位数量123I/0机笼数据转发卡主控制卡SP211 个SP233 块SP243X 块122456789101112131415161718电源箱机笼电源电流信号输入卡电流信号输入卡模拟量输出卡触点型开关输入卡晶体管触点开关量输出卡开关量转接端子板空卡操作员键盘机柜 Scnet 网卡 操作站主机 显示器立式操作台 集线器SP251SP251-1SP313SP322SP363SP362SP590SP000SP032SP202SP023DELL/GX-260DELL,P1130SP071 SP423个个块块块块块块个个 块 台 台 台 个 124411161121 1125.2 DCS系统的组态设计5.2.1 I/O组态确定了系统的硬件配置，这样可以开始进行主机设置。该系统测点较少，需要一个控制站，一个操作站、工程师站，分别命名为OS130、ES130。 图5.1 主机设置主机设置完成以后，可以进行控制站的 I/O 组态，I/O 组态主要包括下面的一些内容：1. 数据转发卡设置2. I/O 卡件设置3. 信号点设置数据转发卡组态是对某一控制站内部的数据转发卡在SBUS-S2 网络上的地址以及卡件的冗余情况等参数进行组态。根据本例的项目配置，可知，控制站中只有一对冗余的数据转发卡，即数据转发卡要和主控制卡放在同一个I/O 机笼，对于放置了主控制卡的机笼，必须将该机笼的数据转发卡的地址设置成00 和01。所以在地址栏中，需要填写的地址为“00”。型号为SP233 。本例中系统采用的数据转发卡为冗余配置，这样与地址为“00”的数据转发卡冗余的那块卡件就不必重新设置了，系统会根据冗余规则自动识别该机笼的另一块数据转发卡的地址“01”。接下来为I/O卡件设计，根据表5.1硬件配置，设计机笼装置表，见表5.2：表5.2 机笼装置表123400010203040506070809101112131415冗余冗余冗余冗余冗余冗余SP243XSP243XSP233SP233SP313SP313SP313SP313SP322SP322SP322SP322SP363SP362SP000SP000SP000SP000SP000SP000图5.3 I/O卡件组态如将当前选定的I/O卡件设为冗余单元，设为冗余单元的I/O卡件不再进行下一步的信号点组态。地址定义当前I/O卡件在SBUS网上的地址，地址值 0009。I/O卡件的组态地址应与它在机笼中的槽位编号相匹配，并且地址编号不可重复。类型单击类型框右部的下拉式按钮选中当前组态I/O卡件的类型。JX-300XP DCS提供多种I/O卡件以供用户选择。I/O输入对话框的I/O卡件表中列出了挂接在当前数据转发卡下已组态的I/O卡件的各项设置，可在其中选定某一I/O卡件进行I/O点的组态。各个信号点的参数属性、趋势、报警等信息都可以再I/O点组态对话框中进行设置。电流信号输入卡的各点信息如图5.4所示：图 5.4信号点组态I/O类型项选定当前信号点信号的输入/输出类型，类型包括：模拟信号输入（AI）、模拟信号输出（AO）、开关信号输入（DI）、开关信号输入（DO）、脉冲信号输入（PI）五种类型。地址项定义指定信号点在当前I/O卡件上的编号。信号点的编号应与信号接入I/O卡件的接口编号匹配，不可重复使用。不同的I/O卡件可接的信号点数不同，因此它们的地址数也不同。信号点参数设置组态依据信号点输入/输出（I/O）类型的不同，可分为模拟量输入信号点组态、模拟量输出信号点组态、开关量输入信号点组态、开关量输出信号点组态、脉冲量输入信号点组态五个不同的组态对话框。组态软件将根据用户的设定，自动决定进入哪个对话框进行组态。对模拟输入信号，控制站根据信号特征及用户设定的要求做一定的输入处理，系统依据组态的设定要求，逐次进行温压补偿、滤波、开方、报警、累积等处理。经过输入处理的信号已经转化为一个无单位的百分型信号量，即无因次信号。 在位号项填入当前信号点在系统中的位号。每个信号点在系统中的位号应是唯一的。操作站的软件都是通过位号来引用信号点。当信号需加报警时，选中报警项，打开其后的上上限/下下限、上限/下限、报警死区和报警等级六项。在上上限/下下限、上限/下限各项中填入适当报警限值，各项数值当然应有上上限上限下限下下限，且在信号量程内。在报警死区项中填入死区的大小，在报警等级项中填入该信号的报警优先级。在报警处理中加入报警死区是因为如果信号在小范围内会频繁波动，那么当信号接近报警限时，系统将出现频繁的报警而给操作带来不必要的麻烦，为避免此类情况的发生，需在报警处理中加入报警死区处理，死区的大小取决于信号频繁波动范围的大小。模拟量输出信号输出的是一个控制阀位（即阀门开度）的百分量信号。输出信号制为II型或III型。控制阀的特性为气开阀或气闭阀。图5.5 模拟量输出设置开入信号是数字信号， 开/关状态表述（ON/OFF状态描述、ON/OFF颜色），分别对开关量信号的开（ON）/ 关（OFF）状态进行描述和颜色定义。当信号需加报警时，打开其后的报警状态、报警描述和报警颜色项。 图5.6 开关量输出设置开关量输出信号是数字信号， 开/关状态表述（ON/OFF状态描述、ON/OFF颜色），分别对开关量信号的开（ON）/ 关（OFF）状态进行描述和颜色定义。当信号需加报警时，可打开其报警状态、报警描述和报警颜色项。 通过软件组态，可以使卡件响应频率型或累积型输入信号。卡件在对频率型或累积型信号进行处理时，都可以计算出输入信号的瞬时值与累积值。脉冲量信号有频率型、累积型两种类型。当信号频率较高（一般在2KHz以上），同时工艺对瞬时流量精度要求高的场合，应选用频率型（当信号频率较低（2KHz以下），同时工艺对总流量累积精度要求高的场合，应选用累积型。累积型、频率型的选择只是使卡件执行不同的算法，在监控画面中显示的只有瞬时流量，需要累积量时，还须选择累积，并填写正确的累积系数。在选择“累积型”时，由于输入频率低，瞬时流量在计算时会有抖动，导致瞬时流量精度较差。5.2.2 控制方案组态完成系统I/O组态后，就可以进行系统的控制方案组态。控制方案组态分为常规控制方案组态和通过图形组态编写的用户自定义控制方案组态。本次设计单回路统一采用自定义回路组态，其对话框和回路信息输入如下图所示：图5.7 回路输入对话框当把所有的回路信息输入完成之后，即可进行控制算法的组态。在图像编程中建立FBD段落，调用辅助模块库的控制模块，简单设置模块参数即可完成回路组态。下图所示为单回路功能块：图5.8单回路功能块该模块是对在自定义回路中声明的单回路进行定义，确定它的输入输出，组成一个控制回路。所要控制的对象做为系统的输入(PV)，回路的输出（MV）到能够改变控制对象值的执行机构上。将它在自定义回路中所对应的位号组入监控画面中，可在监控画面中对其进行参数设置。该模块是PID单回路控制模块，流程图5.8所示：图5.10 单回路回路组态该流程塔压分程回路采用图形组态，组态图如下：（补）图5.11 塔压分程回路 5.2.3 监控画面组态操作站上监控操作画面的组态有成为操作组态，是面向操作人员的PC操作平台的定义。它主要包括标准画面组态、流程图登录、报表登录、自定义键组态、语音报警组态五部分。在进行操作组态前，必须先进行系统单元登录及控制组态，只有当这些组态信息已经存在，操作组态才有意义。监控登陆画面如图4.15所示。系统标准画面组态是指对系统已定义格式的标准操作画面进行组态。包括总貌画面、趋势曲线、控制分组、数据一览四种操作画面的组态。系统总貌画面是为了系统观察、操作方便，将需要观察、操作的控制组、趋势图、流程图、仪表数据等组织起来，形成的一个系统监控目录。系统的趋势曲线画面可以显示登录数据的历史趋势。在此项中可以指定当前页中所有趋势曲线共同的记录周期。同一趋势画面中的所有趋势曲线必须有相同的记录周期，时间单位秒。记录周期必须为整数秒，取值范围为13600。系统的仪表分组画面可以实时显示登录仪表的当前状态。系统的数据一览画面可以实时显示与登录位号对应的测量值及单位。系统流程图登录是通过流程图登录组态对话框完成的。单击编辑按钮，将启动流程图制作软件，对当前选定的流程图文件进行编辑组态。系统报表登录是通过报表登录组态对话框完成的。单击编辑按钮可启动报表制作软件，进行报表编辑。实时监控软件支持功能强大的操作员键盘，可通过组态软件的自定义键组态对其进行操作组态。实时监控软件支持声卡语音报警。系统语音报警组态是通过语音报警组态对话框完成的。下面分别给出了监控界面登陆画面、总貌画面、流程图、数据一览画面、参数调整画面、分组控制画面、趋势画面和故障诊断画面。图5.12 系统总貌画面图5.13 精馏塔流程图5.3 DCS系统网络设计通讯网络是DCS系统得以正常运行的重要部分，Webfield JX-300XP DCS的通讯网络自上而下分为四层：第一层是信息管理网，用户可根据实际情况选用；第二层是过程信息网SOnet，即C网；第三层是过程控制网SCnet，系统采用1:1冗余的高速工业以太网，互为冗余的两网分别叫做A、B网；第四层网络是控制站内部I/O控制总线SBUS。系统的网络结构图如下：图5.14 系统网络结构图本设计中将采用二网合一的网络架构方案，所谓“二网合一”，即将过程信息网C网和过程控制网的B网合并成一个网络，这样可以在硬件上节省一个交换机的成本。具体网络IP设置方案如下：过程控制A网的网络号为：128.128.1，即主控卡、操作站网卡在A网IP地址为：128.128.1.XXX；B网的网络号为：128.128.2，即主控卡、操作站网卡在B网IP地址为：128.128.2.XXX；其中“XXX”在控制站中由主控制卡拨码开关决定(2127)，在操作站中由软件设定(129200)。过程信息网C网IP地址格式为128.128.5.XXX，其中128.128.5为网络码，主机码XXX等于在控制网上的主机码。采用二网合一的方案时，只需在计算机B网的网卡中多配置一个虚拟的IP地址:128.128.5.XXX即可，二网合一方案示意图如下：图5.15 二网合一方案示意图5.4 DCS系统外配设计“外配”，主要是指DCS以外的硬件设备及必要时连接DCS与执行机构、DCS与检测单元的中间设备。外配设计是DCS系统总体设计的重要一环，包括电源及供电设计、三、四线制外供电仪表设计、端子板、安全栅、隔离器、防雷栅等部分的设计内容。由于系统防爆设计对于整个系统的安全可靠运行极其重要，这里主要讨论安全栅的设计内容。安全栅（safety barrier），是接在本质安全电路和非本质安全电路之间的隔离器件。它是将供给本质安全电路的电压或电流限制在一定安全范围内的装置,其 核心元件为齐纳二极管，限流电阻及快速熔断丝，它能在安全区和危险区之间双向转递电信号，并可限制因故障引起的安全区向危险区的能量转递，工作原理如下图所示：图5.16 安全栅隔离原理图安全栅分为齐纳式安全栅和隔离式安全栅两类。齐纳式安全栅，电路中采用快速熔断器、限流电阻或限压二极管以对输入的电能量进行限制，从而保证输出到危险区的能量。它相当于一个保险丝，当出现过高电流电压时，保险丝烧断，达到保护现场的目的。隔离式安全栅，采用了将输入、输出以及电源三方之间相互电气隔离的电路结构，限制到现场的电流电压在安全防爆的范围内，使现场无法达到火花电压电流。比较两类安全栅可以发现，齐纳栅原理简单、电路实现容易，价格低廉，但因由于其自身原理的缺陷使其应用中的可靠性受到很大影响，并限制了其应用范围，其原因如下：1、安装位置必须有非常可靠的接地系统，并且该齐纳栅的接地电阻必须小于1，否则便失去防爆安全保护性能，显然这样的要求是十分苛刻并在实际工程应用中难以保证。2、要求来自危险区的现场仪表必须是隔离型，否则通过齐纳栅的接