基于ABB AC800F控制平臺(tái)在100萬(wàn)噸/年焦化項(xiàng)目中的應(yīng)用

1、 引言

青海某責(zé)任有限公司投資新建一個(gè)100 萬(wàn)噸/年焦化項(xiàng)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(yùn)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(tái)，它的工業(yè)自動(dòng)化水平較高，采用開(kāi)放的一體化控制器、最新技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，具有信息總和，高工程效率，高級(jí)可升級(jí)的解決方案，開(kāi)放的通訊，既插既用等特點(diǎn)。又同時(shí)具有開(kāi)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(diǎn)于一體自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

2、 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

該公司是一個(gè)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(yíng)獨(dú)資企業(yè)集團(tuán)。為了適應(yīng)惡劣環(huán)境，考慮到現(xiàn)代企業(yè)的信息化和自動(dòng)化，及可持續(xù)發(fā)展的需要，在新建的100 萬(wàn)噸/年焦化項(xiàng)目中應(yīng)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(tái)，并基于現(xiàn)場(chǎng)總線，提高公司的信息化和自動(dòng)化水平。I/O 模件選用了S800 系列作為分布式過(guò)程站，使工作更加輕松。

3、 AC800F 控制器的特點(diǎn)

AC800F 控制器是ABB 公司推出的一套世界領(lǐng)先的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，集dcs 和PLC 優(yōu)點(diǎn)于一體，并支持多種國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。它既具備dcs 的復(fù)雜模擬回路調(diào)節(jié)能力、友好人機(jī)界面（HMI）及方便的工程軟件，又具有與高檔PLC 指標(biāo)相當(dāng)?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(chǎng)總線設(shè)備。系統(tǒng)具備高度的靈活性和極好的擴(kuò)展性，無(wú)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(duì)于跨廠的管理控制應(yīng)用，都能應(yīng)付自如。該系統(tǒng)升級(jí)到V7.1 版本或以上版本后，系統(tǒng)容量可以達(dá)到無(wú)窮多點(diǎn)（超過(guò)100 萬(wàn)個(gè)I/O），今后如果系統(tǒng)需要擴(kuò)展，可直接在這個(gè)基礎(chǔ)上增加I/O 或現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程自動(dòng)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(shí)現(xiàn)在最恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間及最合適的角度向用戶各級(jí)人員提供他們需要的最準(zhǔn)確及詳細(xì)的信息，使他們能夠高效率的運(yùn)行工廠生產(chǎn)。該系統(tǒng)可分為操作管理級(jí)和過(guò)程控制級(jí)。操作管理級(jí)包括操作站OS、工程師站ES、網(wǎng)關(guān)GS。

在操作管理級(jí)上不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)監(jiān)控操作功能（預(yù)定義及自由格式動(dòng)態(tài)畫(huà)面顯示、趨勢(shì)顯示、彈出式報(bào)警及操作指導(dǎo)信息、報(bào)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(guò)程控制級(jí)可以由一個(gè)或幾個(gè)過(guò)程站組成，每個(gè)站都包括AC800F 和擴(kuò)展I/O S800 單元。

過(guò)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(chǎng)各類(lèi)過(guò)程信號(hào)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(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

雖然該項(xiàng)目暫時(shí)沒(méi)有用現(xiàn)場(chǎng)總線型現(xiàn)場(chǎng)儀表，為了利于用戶今后的發(fā)展，我們預(yù)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(biāo)準(zhǔn)模件與純DP 標(biāo)準(zhǔn)模件相比增加了對(duì)儀表的組態(tài)能力，這樣無(wú)須安裝各種儀表的專(zhuān)用組態(tài)軟件，僅導(dǎo)入每個(gè)儀表的設(shè)備參數(shù)文件（GSD 文件），就可以實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一的系統(tǒng)編程軟件下對(duì)所有PA 標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)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(wù)運(yùn)行方式，每個(gè)任務(wù)都可以設(shè)定運(yùn)行的周期和運(yùn)行優(yōu)先級(jí)。所以既可以滿足復(fù)雜調(diào)節(jié)回路控制要求（一般要求控制周期較長(zhǎng)），又可以滿足快速電氣開(kāi)關(guān)量控制，從而一個(gè)控制器就可以覆蓋工廠所有環(huán)節(jié)控制要求。編程時(shí)預(yù)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(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，使用戶只要有一些基礎(chǔ)知識(shí)，就能很快熟悉該系統(tǒng)編程。

（3）系統(tǒng)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

系統(tǒng)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)核心技術(shù)即“分散存儲(chǔ)，全局管理”。系統(tǒng)編程軟件僅為項(xiàng)目生成一個(gè)項(xiàng)目文件，雖然每個(gè)控制器均開(kāi)辟一定空間作為數(shù)據(jù)變量存儲(chǔ)區(qū)，但在系統(tǒng)編程軟件上僅為一個(gè)全局系統(tǒng)變量表操作員站與過(guò)程站之間的數(shù)據(jù)交換無(wú)須數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)程站與操作員站的組態(tài)為一套軟件。整個(gè)工程自控部分的安裝調(diào)試開(kāi)車(chē)只用了兩三周的時(shí)間，這是一個(gè)很重要的因素。

（4）開(kāi)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(guò)程TCP/IP 協(xié)議以太網(wǎng)模件，這樣使系統(tǒng)無(wú)須增加設(shè)備就可以與工廠局域網(wǎng)連接，由于系統(tǒng)支持標(biāo)準(zhǔn)DDE 和OPC 數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，使系統(tǒng)與各種第三方數(shù)據(jù)庫(kù)或軟件的數(shù)據(jù)交換將更加容易。

（5）系統(tǒng)易于擴(kuò)展

系統(tǒng)軟件無(wú)資源限制，用戶今后如果需技術(shù)改造，新增加控制點(diǎn)、過(guò)程站，工程師站軟件無(wú)須重新購(gòu)買(mǎi)，編程時(shí)僅在原項(xiàng)目文件項(xiàng)目樹(shù)下添加幾個(gè)資源即可，方便了用戶今后的系統(tǒng)擴(kuò)展和長(zhǎng)遠(yuǎn)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(diǎn)

Industrial IT 的I/O 模件均為自帶CPU 的智能化模件，主要功能是進(jìn)行信號(hào)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(yù)處理。

S800 I/O 作為分布式過(guò)程I/O 站，為模塊設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)，靈活，易于安裝，接線，可直接與傳動(dòng)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(yīng)用要求。

S800 I/O 可通過(guò)Profibus DP 或ABB AF100 現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)與高一級(jí)控制系統(tǒng)的通信。同時(shí)可與ABB 傳動(dòng)設(shè)備連接，模件狀態(tài)有狀態(tài)顯示等現(xiàn)實(shí)，也可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線遠(yuǎn)程診測(cè)。數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線按照一定周期掃描I/O 模件，根據(jù)模件類(lèi)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(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換，所有輸出可強(qiáng)制或預(yù)設(shè)定。I/O 模件通過(guò)機(jī)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(shí)可以使用DTM 進(jìn)行組態(tài)。各模件及通道狀態(tài)顯示等易于錯(cuò)誤診斷，所有模件注塑成型，防護(hù)等級(jí)為IP20。S800 I/O 站為導(dǎo)軌式安裝，即可水平安裝，也可垂直安裝。緊湊型和擴(kuò)展性端子可混合安裝在一起。選用擴(kuò)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(gè)過(guò)程站和八臺(tái)操作員站：工程師站使用工控PC機(jī)（也可使用便攜機(jī)）作為調(diào)試設(shè)備，按照煤化工藝和現(xiàn)場(chǎng)的布置圖，我們共建立了4個(gè)過(guò)程站；系統(tǒng)操作員站運(yùn)行在工業(yè)PC機(jī)上，基于MS Windows NT平臺(tái)的全中文Digivis軟件包開(kāi)發(fā)的操作界面，其圖形操作接口增強(qiáng)了系統(tǒng)的使用與操作功能。此外，還可以提高PC機(jī)的外部設(shè)備指標(biāo)如：顯示器、打印機(jī)、鼠標(biāo)及鍵盤(pán)等，使系統(tǒng)操作更方便。根據(jù)廠方要求對(duì)應(yīng)四個(gè)過(guò)程站分別建立一個(gè)或兩個(gè)操作員站，每個(gè)操作員站只可以監(jiān)視和操作相應(yīng)過(guò)程站的信息。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全、可靠。工業(yè)以太網(wǎng)采用冗余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有高可靠性和安全性，當(dāng)操作員站、工程師站關(guān)閉一臺(tái)或全部關(guān)閉，只要過(guò)程站不停，系統(tǒng)不會(huì)停機(jī)；而過(guò)程站采用雙機(jī)熱備份的冗余方式，在控制器EI模件都可以放置電池，這個(gè)電池可以在斷電的情況下維持20毫秒的正常運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)控制器出現(xiàn)錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到另一個(gè)控制器，實(shí)現(xiàn)主從AC800F控制器之間的平滑切換及同步，所以整個(gè)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(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。但如果使用輸入輸出冗余就會(huì)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(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)模件，這樣使系統(tǒng)無(wú)須增加設(shè)備就可以與企業(yè)局域網(wǎng)連接，由于系統(tǒng)支持標(biāo)準(zhǔn)DDE和OPC數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，使系統(tǒng)與各種第三方數(shù)據(jù)庫(kù)或軟件的數(shù)據(jù)交換將更加容易，給現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理和企業(yè)的信息管理系統(tǒng)帶來(lái)方便。

6、 工藝實(shí)現(xiàn)

根據(jù)其工藝過(guò)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(shè)計(jì)時(shí)以崗位站設(shè)計(jì)流程圖畫(huà)面。在畫(huà)面中我們制作了很多的宏庫(kù)，這樣既方便我們繪制操作員畫(huà)面，又可以保證畫(huà)面的統(tǒng)一、美觀。在操作員站的操作界面制作了多個(gè)動(dòng)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(jué)疲勞，畫(huà)面里還制作了很多的圖形符號(hào)。這些圖形符號(hào)不但可以表示當(dāng)前變量的狀態(tài)，而且操作員也可以通過(guò)這些符號(hào)來(lái)調(diào)用相應(yīng)變量的操作面板，用軟件邏輯控制，控制泵的開(kāi)關(guān)、手自動(dòng)切換，及變量的預(yù)定義值或操作值。

焦?fàn)t在焦化行業(yè)是一個(gè)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(gè)可靠的范圍內(nèi)，因此對(duì)焦?fàn)t煙道及煤氣主管內(nèi)的壓力控制我們采用了復(fù)合控制方式，即前饋加反饋/手動(dòng)切換的方式實(shí)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(jìn)行了自動(dòng)調(diào)節(jié)制，由于許多調(diào)節(jié)回路的SP值（設(shè)定值）是一個(gè)不確定的數(shù)，需根據(jù)不同時(shí)期的要求不同；在PID調(diào)節(jié)與手動(dòng)/自動(dòng)切換的設(shè)計(jì)上，我們?cè)O(shè)計(jì)成手動(dòng)時(shí)SP跟蹤PV，自動(dòng)時(shí)根據(jù)切換時(shí)的SP值調(diào)節(jié)工藝過(guò)程值，這樣當(dāng)操作員由手動(dòng)調(diào)節(jié)工藝過(guò)程值切換到自動(dòng)即可立即以這個(gè)工藝值進(jìn)行調(diào)節(jié)。利于操作人員進(jìn)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(shì)圖，有利于操作員直觀的觀測(cè)重要數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。我們使用了信號(hào)順序功能來(lái)記錄各操作的變化過(guò)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(dāng)有事故發(fā)生時(shí)我們可以參照這些數(shù)據(jù)來(lái)分析事故原因。我們還制作了數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)累計(jì)記錄“備煤”、“篩焦”、“罐區(qū)”等工藝過(guò)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(guò)程，優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，不斷提高效率。

系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了OPC標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，為企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)管理提供了基礎(chǔ)。同時(shí)為企業(yè)實(shí)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(shè)計(jì)要求，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為年產(chǎn)焦炭為100 萬(wàn)噸/年，dcs 控制系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)提供了保障。ABB AC800F 型集散控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，同時(shí)給企業(yè)的信息管理帶來(lái)方便。實(shí)踐證明dcs 控制系統(tǒng)在提高勞動(dòng)生率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、避免事故等方面做出了貢獻(xiàn)，為企業(yè)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^，達(dá)到了用戶滿意的效果。

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