【摘 要】
本文闡述了DCS集散控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線在甲醇制造中的應(yīng)用，介紹了ABB DCS系統(tǒng)及Rosemount 3051s現(xiàn)場(chǎng)總線儀表所具有的全數(shù)字化通信、分散控制、穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，最后介紹了該系統(tǒng)下FF儀表的組態(tài)。
【關(guān)鍵詞】
FF（Fieldbus Foundation）現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)
DCS(Distributed Control System)集散控制系統(tǒng)
Industrial IT工業(yè)控制系統(tǒng)
FCS (Field Bus Control System)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)
一、DCS 系統(tǒng)簡(jiǎn)述
自上個(gè)世紀(jì)80年代DCS問(wèn)世以來(lái)，集散控制系統(tǒng)在近30年的發(fā)展過(guò)程中逐步完善、成熟,并在工業(yè)控制領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位。其基本思想是分散控制集中管理。ABB DCS系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)是上、下位機(jī)系統(tǒng)及其通信網(wǎng)絡(luò),上位機(jī)稱(chēng)為操作站、工程師站或操作站與工程師站共用, 操作站實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的控制操作、過(guò)程狀態(tài)顯示、報(bào)警狀態(tài)顯示、歷史數(shù)據(jù)的收集和各種趨勢(shì)顯示及報(bào)表生成與打印等；工程師站用來(lái)對(duì)軟件組態(tài)、系統(tǒng)生成與下裝程序等。下位機(jī)稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)控制站，它也是一個(gè)小型的PC系統(tǒng)，除了CPU，存儲(chǔ)器，通訊卡等設(shè)備以外，還附帶有各種擴(kuò)展卡件。現(xiàn)場(chǎng)控制站是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)物理信號(hào)(包括開(kāi)關(guān)信號(hào)，模擬量信號(hào))進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)算,并將結(jié)果傳送到上位機(jī)；系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)各種功能站之間的數(shù)據(jù)通信和聯(lián)絡(luò)。集散控制系統(tǒng)具有控制功能多樣、操作簡(jiǎn)便、維護(hù)方便、可靠性高、便于與其他計(jì)算機(jī)聯(lián)用等優(yōu)點(diǎn)，這也是它有別于PLC的主要原因之一。
二、FF 現(xiàn)場(chǎng)總線描述
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是上個(gè)世紀(jì)80年代誕生的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它不僅包含有過(guò)程控制信息交換，而且還包含設(shè)備管理信息的交流。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線，各種智能設(shè)備（智能變送器、調(diào)節(jié)法、分析儀和分布式I/O單元）可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，過(guò)程控制策略可以完全在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層次上實(shí)現(xiàn)，經(jīng)歷十多年的發(fā)展，國(guó)際上成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(Fieldbus Foundation,FF)，致力于開(kāi)發(fā)國(guó)際上統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。目前，使用較多的現(xiàn)場(chǎng)總線主要是基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF總線）和PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以將各種分布在控制現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)智能設(shè)備和I/O單元方便的連接在一起，構(gòu)成控制系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為DCS發(fā)展的趨勢(shì)，F(xiàn)F的體系結(jié)構(gòu)參照ISO/OSI模型的第1、2、7層協(xié)議，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，另外增加了用戶(hù)層。FF提供兩種物理標(biāo)準(zhǔn)：H1和H2。本文介紹Rosemount 3051s現(xiàn)場(chǎng)總線儀表是基于H1過(guò)程控制的低速總線，速率為31.25kbps,傳輸距離為200m、400m、1200m和1900m四種。H2的傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps兩種，其通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、同軸電纜和光纖，協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。
三、甲醇生產(chǎn)的簡(jiǎn)單介紹
以天然氣為主要原料，輔助二氧化碳加壓催化氫化制甲醇是目前工業(yè)上普遍采用的方法，以天然氣加二氧化碳為原料反應(yīng)原理：3CH4+2H2O+CO2→4CH3OH
典型的流程包括：原料氣制造，原料氣凈化，甲醇合成，初甲醇精餾等工序，整個(gè)工藝可以分為若干個(gè)工段：大氣壓縮，原料氣精脫硫，原料氣轉(zhuǎn)換工段，轉(zhuǎn)化氣壓縮，蒸汽制造，蒸汽冷凝，甲醇合成，初甲醇精餾，火炬，CO2制氣，引風(fēng)機(jī)透平—潤(rùn)滑油站，鍋爐給水—潤(rùn)滑油站等工段。根據(jù)控制點(diǎn)可以設(shè)立兩個(gè)冗余現(xiàn)場(chǎng)控制站，DCS 結(jié)構(gòu)圖如下：
甲醇生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為：上位機(jī)七臺(tái)，分別為工程師站，廠長(zhǎng)室，調(diào)度室和四臺(tái)操作員站，其中四臺(tái)操作員站可以按工段來(lái)分配，比如說(shuō)1#操作員站只能操作原料氣制造及相關(guān)輔助設(shè)備部分，2#操作員站只能操作原料氣凈化及相關(guān)輔助設(shè)備部分，如此類(lèi)推，每臺(tái)計(jì)算機(jī)都可以顯示各個(gè)工段流程畫(huà)面，但只能操作各自工段的設(shè)備；下位機(jī)可設(shè)計(jì)為冗余的兩對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制站，以及安全保護(hù)系統(tǒng)站等。
四、ABB DCS系統(tǒng)及FF儀表在甲醇生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn) 甲醇的制造危險(xiǎn)系數(shù)是極高的，從工藝氣進(jìn)入到管道開(kāi)始，一直到精甲醇產(chǎn)品的生成，整個(gè)工藝所產(chǎn)生的物質(zhì)都具有可燃性，生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜多變，并且生產(chǎn)環(huán)境帶有潛在爆炸危險(xiǎn)，在這一領(lǐng)域中對(duì)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的新型控制系統(tǒng)提出了更高的要求：
1）、要有完備的防爆保護(hù)措施，以保證在爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中生產(chǎn)過(guò)程的絕對(duì)安全。
2）、系統(tǒng)本身要有很高的可靠性，以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
3）、對(duì)應(yīng)“連續(xù)過(guò)程”這一特點(diǎn)，控制系統(tǒng)要有處理模擬數(shù)據(jù)的能力。
4）、所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以在線插拔，而不影響系統(tǒng)的正常工作。
5）、系統(tǒng)實(shí)時(shí)加載穩(wěn)定，通訊正常。
這就要求控制系統(tǒng)更加的智能化，靈敏化，以避免危險(xiǎn)發(fā)生，一旦出現(xiàn)事故，也要把事故危險(xiǎn)系數(shù)降到最低。ABB DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有極高的優(yōu)越性，操作員站出現(xiàn)故障可以利用工程師站操作，工程師站和操作員站可以相互更換，保證上位機(jī)的可操作性，下位機(jī)做冗余設(shè)計(jì)，卡件可以即插即用，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，下設(shè)安全保護(hù)系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的靈敏度，等等諸多優(yōu)點(diǎn)，加上 FF總線儀表的使用使DCS變成新型的全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，依靠現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備本身實(shí)現(xiàn)基本控制功能，即使上位機(jī)和下位機(jī)出現(xiàn)故障，只要通訊正常，就能維持現(xiàn)場(chǎng)儀表（FF儀表）的正常工作，擺脫了儀表本身對(duì)于系統(tǒng)的依賴(lài)，而且組態(tài)參數(shù)更改后加載不會(huì)引起資源中斷（除非更改變量名，也就是更改了數(shù)據(jù)庫(kù)），保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：
五、 系統(tǒng)組態(tài) 程序組態(tài)使用ABB Industrial IT下Control Builder F V7.1或以上版本，否則會(huì)不支持FF協(xié)議而無(wú)法組態(tài)。組態(tài)步驟：
1）、打開(kāi)CBF程序，建立以yanshi 為程序名的程序
2）、組態(tài)硬件結(jié)構(gòu)：先指定資源，再插入相關(guān)的卡件：電源模塊SA801，以態(tài)網(wǎng)卡件 EI803，F(xiàn)F/HSE模塊 FI840。
3）、HSE 硬件組態(tài)
先通過(guò)“庫(kù)”導(dǎo)入相應(yīng)的HSE性能文件后，可以在庫(kù)里找到相關(guān)的設(shè)備性能文件，如圖所示
再通過(guò)插入硬件即可，最后需要在協(xié)議對(duì)象里設(shè)置I/O信號(hào)，但要注意的是I/O編輯菜單里有使用（英文Usage）選擇方法是：顯示儀表要求選擇“FF→EIC61131”，可以理解為FF現(xiàn)場(chǎng)總線符合國(guó)際電工委員會(huì)61131協(xié)議，控制儀表要求選擇“EIC61131→FF”，可以理解為現(xiàn)場(chǎng)的儀表要接受H1送來(lái)的信號(hào)，定義標(biāo)簽，設(shè)置數(shù)據(jù)類(lèi)型，信號(hào)起止，要注意的是FF信號(hào)只能唯一。
定義信號(hào)源：信號(hào)源優(yōu)有H1和HSE兩種，現(xiàn)場(chǎng)儀表是采集數(shù)據(jù)輸送到系統(tǒng)，則源于H1，反之是源于HSE輸送到現(xiàn)場(chǎng)儀表，對(duì)應(yīng)于FF與EIC61131。
4）、現(xiàn)場(chǎng)儀表的組態(tài)
先要往庫(kù)里面導(dǎo)入儀表的硬件識(shí)別文件后才能找到相關(guān)的儀表設(shè)備，再在H1鏈接下，插入儀表，儀表的IP地址會(huì)自動(dòng)從20開(kāi)始排列。
總線地址可以更改，理論上一根總線上可以?huà)?5塊總線儀表，但出自電源符合及通訊考慮，最好不要超過(guò)12塊比較穩(wěn)定。儀表設(shè)置優(yōu)化，H1設(shè)定“建議”優(yōu)化，以上數(shù)據(jù)除灰色背景數(shù)據(jù)不能修改外，其他數(shù)據(jù)都可以修改，但采用建議數(shù)據(jù)最優(yōu)，這一步很重要，涉及到儀表內(nèi)部的參數(shù)設(shè)置。
然后在H1 鏈接里插入功能塊應(yīng)用圖，通過(guò)連接的設(shè)備找到相關(guān)的儀表，每塊儀表在下拉菜單里找到用戶(hù)要使用的功能塊，對(duì)應(yīng)的儀表連接到對(duì)應(yīng)的FF信號(hào)，要注意：1、FB庫(kù)里的功能塊非儀表內(nèi)部功能塊，所以不能使用；2、儀表功能塊只能使用一次，也只能在本儀表里選擇導(dǎo)入，每個(gè)功能塊導(dǎo)入以后自身會(huì)變成灰白色。
五）、儀表功能塊的組態(tài) 儀表功能塊的設(shè)置要選擇儀表，找到其功能塊，對(duì)功能塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，一般要設(shè)置量程，單位，功能塊類(lèi)型等，Rosemoun 3051s現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的功能塊的類(lèi)型很多，有源功能塊（Resourece Block），傳感器功能塊（Tancducer Block），功能功能塊（Function Block）。源功能塊只有一塊，設(shè)置設(shè)備類(lèi)型：3051 Pressure或3051 Tempreture等，對(duì)應(yīng)選擇“關(guān)聯(lián)”參數(shù)11。
傳感器功能塊有三塊，主要作用是設(shè)置傳感器功能類(lèi)型，主要參數(shù)有：傳感器量程范圍設(shè)置，單位設(shè)置，表頭顯示參數(shù)的設(shè)置，報(bào)警點(diǎn)的設(shè)置等。
功能功能塊設(shè)置通道功能，測(cè)量壓力，溫度等。
六、程序加載 程序檢查無(wú)誤后，在聯(lián)機(jī)調(diào)試狀態(tài)下加載程序，先對(duì)HSE鏈接設(shè)備初始地址指定，再加載設(shè)備即可，如果對(duì)單塊儀表進(jìn)行參數(shù)更改后，可以只對(duì)單個(gè)儀表加載而不需要對(duì)整個(gè)HSE 加載，這樣可以減少對(duì)系統(tǒng)的影響，加載后，在功能塊里可以直接通過(guò)鼠標(biāo)連接，看見(jiàn)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，但要注意的是每次修改傳感器功能塊參數(shù)時(shí)，先要把功能塊選擇“服務(wù)無(wú)效”（Out Of Service，OOS）此項(xiàng)選擇“√”，再更改參數(shù)，加載后，在線取消“√”即可，這樣更改的原因是儀表本身<
