基于ABB AC800F控制平臺在100萬噸/年焦化項目中的應用

1、 引言

青海某責任有限公司投資新建一個100 萬噸/年焦化項目。由于地處高原，為了提高產(chǎn)率，保證系統(tǒng)持續(xù)的安全、穩(wěn)定運行，在該公司選中了廣泛使用的ABB AC800F 系統(tǒng)。ABB AC800F dcs 系統(tǒng)是基于工業(yè)IT（Industrial IT）的控制平臺，它的工業(yè)自動化水平較高，采用開放的一體化控制器、最新技術(shù)和標準，具有信息總和，高工程效率，高級可升級的解決方案，開放的通訊，既插既用等特點。又同時具有開放的一體化控制器、全局化的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，是世界領(lǐng)先的集dcs 和PLC 優(yōu)點于一體自動化控制系統(tǒng)。

2、 項目簡介

該公司是一個集采礦、選礦、冶金、煤化工產(chǎn)業(yè)為一體的綜合性大型民營獨資企業(yè)集團。為了適應惡劣環(huán)境，考慮到現(xiàn)代企業(yè)的信息化和自動化，及可持續(xù)發(fā)展的需要，在新建的100 萬噸/年焦化項目中應用了最新技術(shù)，選擇了ABB AC800F 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有Industrial IT 控制平臺，并基于現(xiàn)場總線，提高公司的信息化和自動化水平。I/O 模件選用了S800 系列作為分布式過程站，使工作更加輕松。

3、 AC800F 控制器的特點

AC800F 控制器是ABB 公司推出的一套世界領(lǐng)先的自動化控制系統(tǒng)，集dcs 和PLC 優(yōu)點于一體，并支持多種國際現(xiàn)場總線標準。它既具備dcs 的復雜模擬回路調(diào)節(jié)能力、友好人機界面（HMI）及方便的工程軟件，又具有與高檔PLC 指標相當?shù)母咚龠壿嫼晚樞蚩刂菩阅?。系統(tǒng)既可連接常規(guī)I/O，又可連接Profibus、FF、CANModbus 等各種現(xiàn)場總線設備。系統(tǒng)具備高度的靈活性和極好的擴展性，無論是小型生產(chǎn)裝置的控制還是超大規(guī)模的全廠一體化控制，甚至對于跨廠的管理控制應用，都能應付自如。該系統(tǒng)升級到V7.1 版本或以上版本后，系統(tǒng)容量可以達到無窮多點（超過100 萬個I/O），今后如果系統(tǒng)需要擴展，可直接在這個基礎(chǔ)上增加I/O 或現(xiàn)場總線儀表，利于今后的發(fā)展。AC800F系統(tǒng)將ABB 控制系統(tǒng)從傳統(tǒng)的過程自動化控制概念提升到基于面向全廠信息化的工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)，其目的是實現(xiàn)在最恰當?shù)臅r間及最合適的角度向用戶各級人員提供他們需要的最準確及詳細的信息，使他們能夠高效率的運行工廠生產(chǎn)。該系統(tǒng)可分為操作管理級和過程控制級。操作管理級包括操作站OS、工程師站ES、網(wǎng)關(guān)GS。

在操作管理級上不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)監(jiān)控操作功能（預定義及自由格式動態(tài)畫面顯示、趨勢顯示、彈出式報警及操作指導信息、報表打印、硬件診斷等），而且能完成配方管理及數(shù)據(jù)交換等管理功能。過程控制級可以由一個或幾個過程站組成，每個站都包括AC800F 和擴展I/O S800 單元。

過程站CPU 和I/O 單元均可以配置為冗余或不冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)具有各種I/O 模塊可以與現(xiàn)場各類過程信號相連接。

比較于其他集散控制系統(tǒng)，結(jié)合AC800F 控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史，我們總結(jié)了系統(tǒng)的新技術(shù)如下：

（1）開放的現(xiàn)場總線技術(shù)

雖然該項目暫時沒有用現(xiàn)場總線型現(xiàn)場儀表，為了利于用戶今后的發(fā)展，我們預留了總線硬件接口。在軟件方面ABB AC800F 控制器的Profibus 模板支持DPV1。標準模件與純DP 標準模件相比增加了對儀表的組態(tài)能力，這樣無須安裝各種儀表的專用組態(tài)軟件，僅導入每個儀表的設備參數(shù)文件（GSD 文件），就可以實現(xiàn)在統(tǒng)一的系統(tǒng)編程軟件下對所有PA 標準的儀表的參數(shù)編程組態(tài)的功能，該功能有效節(jié)省軟件成本，提高工程組態(tài)的效率。

（2）開放的控制功能

該系統(tǒng)控制器采用RISC 處理器芯片，程序采用任務運行方式，每個任務都可以設定運行的周期和運行優(yōu)先級。所以既可以滿足復雜調(diào)節(jié)回路控制要求（一般要求控制周期較長），又可以滿足快速電氣開關(guān)量控制，從而一個控制器就可以覆蓋工廠所有環(huán)節(jié)控制要求。編程時預留了大量的用戶自定義的控制功能塊，根據(jù)今后生產(chǎn)的需要，用戶可以自己添減功能，而IEC61131-3 編程標準的應用，使用戶只要有一些基礎(chǔ)知識，就能很快熟悉該系統(tǒng)編程。

（3）系統(tǒng)全局數(shù)據(jù)庫技術(shù)

系統(tǒng)全局數(shù)據(jù)庫核心技術(shù)即“分散存儲，全局管理”。系統(tǒng)編程軟件僅為項目生成一個項目文件，雖然每個控制器均開辟一定空間作為數(shù)據(jù)變量存儲區(qū)，但在系統(tǒng)編程軟件上僅為一個全局系統(tǒng)變量表操作員站與過程站之間的數(shù)據(jù)交換無須數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換編程為直接存取，變量的修改與檢查也是系統(tǒng)全局，系統(tǒng)的過程站與操作員站的組態(tài)為一套軟件。整個工程自控部分的安裝調(diào)試開車只用了兩三周的時間，這是一個很重要的因素。

（4）開放的TCP/IP 協(xié)議

以太網(wǎng)技術(shù)在操作員站、工程師站和過程TCP/IP 協(xié)議以太網(wǎng)模件，這樣使系統(tǒng)無須增加設備就可以與工廠局域網(wǎng)連接，由于系統(tǒng)支持標準DDE 和OPC 數(shù)據(jù)交換標準，使系統(tǒng)與各種第三方數(shù)據(jù)庫或軟件的數(shù)據(jù)交換將更加容易。

（5）系統(tǒng)易于擴展

系統(tǒng)軟件無資源限制，用戶今后如果需技術(shù)改造，新增加控制點、過程站，工程師站軟件無須重新購買，編程時僅在原項目文件項目樹下添加幾個資源即可，方便了用戶今后的系統(tǒng)擴展和長遠發(fā)展。

（6）中文界面

系統(tǒng)菜單，操作面板，系統(tǒng)字符表及系統(tǒng)提示信息均為中文。

4 、S800 I/O 站的特點

Industrial IT 的I/O 模件均為自帶CPU 的智能化模件，主要功能是進行信號調(diào)理及A/D、D/A轉(zhuǎn)換、并完成包括線性化、工程單位轉(zhuǎn)換在內(nèi)的各種數(shù)據(jù)預處理。

S800 I/O 作為分布式過程I/O 站，為模塊設計，經(jīng)濟，靈活，易于安裝，接線，可直接與傳動系統(tǒng)連接。其模件及接線端子可任意組合以適用于不同空間及應用要求。

S800 I/O 可通過Profibus DP 或ABB AF100 現(xiàn)場總線實現(xiàn)與高一級控制系統(tǒng)的通信。同時可與ABB 傳動設備連接，模件狀態(tài)有狀態(tài)顯示等現(xiàn)實，也可通過現(xiàn)場總線遠程診測。數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線按照一定周期掃描I/O 模件，根據(jù)模件類型掃描周期定為4-108ms。S800 I/O 具備全冗余功能，包括總線接口模件冗余，總線介質(zhì)冗余I/O 模件冗余。可實現(xiàn)無擾動切換，所有輸出可強制或預設定。I/O 模件通過機械鎖定鍵與接線端子鎖定，所有模件均可帶電插拔。提供本質(zhì)安全模件及HART通訊，把HART 協(xié)議轉(zhuǎn)換為Profibus-DP V1，同時可以使用DTM 進行組態(tài)。各模件及通道狀態(tài)顯示等易于錯誤診斷，所有模件注塑成型，防護等級為IP20。S800 I/O 站為導軌式安裝，即可水平安裝，也可垂直安裝。緊湊型和擴展性端子可混合安裝在一起。選用擴展電纜可使安裝更為靈活以適用不同安裝空間的要求。

5 、系統(tǒng)組成方案

系統(tǒng)配備了四個過程站和八臺操作員站：工程師站使用工控PC機（也可使用便攜機）作為調(diào)試設備，按照煤化工藝和現(xiàn)場的布置圖，我們共建立了4個過程站；系統(tǒng)操作員站運行在工業(yè)PC機上，基于MS Windows NT平臺的全中文Digivis軟件包開發(fā)的操作界面，其圖形操作接口增強了系統(tǒng)的使用與操作功能。此外，還可以提高PC機的外部設備指標如：顯示器、打印機、鼠標及鍵盤等，使系統(tǒng)操作更方便。根據(jù)廠方要求對應四個過程站分別建立一個或兩個操作員站，每個操作員站只可以監(jiān)視和操作相應過程站的信息。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整個系統(tǒng)設計安全、可靠。工業(yè)以太網(wǎng)采用冗余網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)具有高可靠性和安全性，當操作員站、工程師站關(guān)閉一臺或全部關(guān)閉，只要過程站不停，系統(tǒng)不會停機；而過程站采用雙機熱備份的冗余方式，在控制器EI模件都可以放置電池，這個電池可以在斷電的情況下維持20毫秒的正常運行，當一個控制器出現(xiàn)錯誤，系統(tǒng)會自動切換到另一個控制器，實現(xiàn)主從AC800F控制器之間的平滑切換及同步，所以整個系統(tǒng)安全性很高。不僅控制器可以冗余，所有的輸入及輸出均支持冗余配置，這樣可以進一步提高系統(tǒng)的可靠性。但如果使用輸入輸出冗余就會增加成本，所以我們只使用了控制器冗余。

AC800F控制器系統(tǒng)通訊模板為標準TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)模件，這樣使系統(tǒng)無須增加設備就可以與企業(yè)局域網(wǎng)連接，由于系統(tǒng)支持標準DDE和OPC數(shù)據(jù)交換標準，使系統(tǒng)與各種第三方數(shù)據(jù)庫或軟件的數(shù)據(jù)交換將更加容易，給現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)管理和企業(yè)的信息管理系統(tǒng)帶來方便。

6、 工藝實現(xiàn)

根據(jù)其工藝過程將分為：“篩焦系統(tǒng)”、“備煤”、“脫硫及硫回收”，“硫銨”、“洗脫苯”、“綜合給水”、“生化處理”、“煉焦”、“制冷站”、“空壓站”、“罐區(qū)”等崗位站。在系統(tǒng)設計時以崗位站設計流程圖畫面。在畫面中我們制作了很多的宏庫，這樣既方便我們繪制操作員畫面，又可以保證畫面的統(tǒng)一、美觀。在操作員站的操作界面制作了多個動態(tài)顯示的棒圖，既形象描述了變量的變化，又避免操作員的視覺疲勞，畫面里還制作了很多的圖形符號。這些圖形符號不但可以表示當前變量的狀態(tài)，而且操作員也可以通過這些符號來調(diào)用相應變量的操作面板，用軟件邏輯控制，控制泵的開關(guān)、手自動切換，及變量的預定義值或操作值。

焦爐在焦化行業(yè)是一個關(guān)鍵，其爐內(nèi)溫度直接影響著煉制的焦炭質(zhì)量，所以我們必須保證爐內(nèi)溫度穩(wěn)定在一個可靠的范圍內(nèi)，因此對焦爐煙道及煤氣主管內(nèi)的壓力控制我們采用了復合控制方式，即前饋加反饋/手動切換的方式實現(xiàn)控制要求。洗脫苯冷凝液貯槽內(nèi)的液位、蒸銨塔塔頂溫度和銨水的PH值等溫度進行了自動調(diào)節(jié)制，由于許多調(diào)節(jié)回路的SP值（設定值）是一個不確定的數(shù)，需根據(jù)不同時期的要求不同；在PID調(diào)節(jié)與手動/自動切換的設計上，我們設計成手動時SP跟蹤PV，自動時根據(jù)切換時的SP值調(diào)節(jié)工藝過程值，這樣當操作員由手動調(diào)節(jié)工藝過程值切換到自動即可立即以這個工藝值進行調(diào)節(jié)。利于操作人員進一步摸索提高工作效率的方法。

在操作員站的操作界面上，制作“蒸銨塔底壓力”、“再生塔液位”等重要變量的趨勢圖，有利于操作員直觀的觀測重要數(shù)據(jù)的變化趨勢。我們使用了信號順序功能來記錄各操作的變化過程，其最快的掃描周期為兩毫秒，這樣我們就可以清楚地記數(shù)據(jù)的變化順序，當有事故發(fā)生時我們可以參照這些數(shù)據(jù)來分析事故原因。我們還制作了數(shù)據(jù)庫來累計記錄“備煤”、“篩焦”、“罐區(qū)”等工藝過程中的重要變量，企業(yè)可以依據(jù)數(shù)據(jù)分析生產(chǎn)過程，優(yōu)化生產(chǎn)過程，不斷提高效率。

系統(tǒng)中設計了OPC標準軟件接口，為企業(yè)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)管理提供了基礎(chǔ)。同時為企業(yè)實現(xiàn)信息化管理提供了保障。

7、 小結(jié)

現(xiàn)該廠已經(jīng)投入生產(chǎn)，按照設計要求，整個系統(tǒng)設計為年產(chǎn)焦炭為100 萬噸/年，dcs 控制系統(tǒng)為實現(xiàn)該目標提供了保障。ABB AC800F 型集散控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，同時給企業(yè)的信息管理帶來方便。實踐證明dcs 控制系統(tǒng)在提高勞動生率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、避免事故等方面做出了貢獻，為企業(yè)帶來的經(jīng)濟效益非?？捎^，達到了用戶滿意的效果。

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