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ABB DCS系统在焦化化工控制领域的应用
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2008-04-04 11:43:15  中国工控网  中国工控网  
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        济南钢铁集团总公司投资建设两座JN60-6型焦炉,以及配套的备煤、干熄焦和化产回收与精制系统,在该系统中,广泛采用了ABB AC800F型DCS系统。ABB AC800F型DCS系统是基于工业IT(Industrial IT)的控制平台,该控制系统平台基于现场总线,工厂自动化水平较高,采用开放的一体化控制器、最新技术和标准,具有信息综合,高工程效率,高级可升级的解决方案,开放的通讯,即插即用等特点。
       
        1、项目简介

        焦化行业是集冶炼、化工于一体的复杂性工艺,由于其生产环境恶劣,对于温度、压力、流量以及回路控制的要求比较高,所以,如何使控制系统更好地发挥作用,提高生产效率,是很重要的一环。济南钢铁集团焦化厂是以生产冶金焦为主的企业,为了融入世界经济洪流,做大做强,跨入千万吨级大钢的行列,济钢决定将新上的120万吨/年的两座新型环保焦炉应用最新技术,提高自动化生产效率,同时为今后的发展打下基础。在此项目中,我们选择了ABB的AC800F:具有IndustrialIT控制平台,基于现场总线的控制系统。
       
        2、系统方案与控制结构概述

        AC800F系统是ABB集团推出的具有世界领先水平的全能综合型开放控制系统,融传统的DCS和PLC优点于一体,并支持多种国际现场总线标准。它既具备DCS的复杂模拟回路调节能力、友好的人机界面(HMI)及方便的工程软件,又同时具有与高档PLC指标相当的高速逻辑和顺序控制性能。系统既可连接常规I/O,又可连接Profibus、FF、CAN、Modbus、等各种现场总线设备。系统具备高度的灵活性和极好的扩展性,无论是小型生产装置的控制,还是超大规模的全厂一体化控制,甚至对于跨厂的管理控制应用,都能应付自如。该系统升级到V6.2(及以上版本)后,系统容量可以达到无穷多点(超过100万个I/O),今后如果系统需要扩展,可直接在这个基础上增加I/O或现场总线仪表,利于今后的发展。

        系统包括操作级与过程级,操作级包括传统控制功能,如操作与监视,归档与信息记录,趋势与报警,回路与逻辑控制功能等,为便于管理,所有功能均可在相应过程站中执行。

        做为过程级是由一个或几个过程站组成,每个过程站由AC800F和扩展I/O S800单元组成。过程站CPU可以配置为冗余或不冗余系统,系统具有各种I/O模块与现场各种类型过程信号相连接。

        系统提供了两种工业标准总线。过程站总线用于PROFIBUS-DP通信;I/O总线 用于现场I/O数据通信,具有较高的安全性与较强数据可靠性。

        DigiNetS系统总线:(Ethernet)用于过程级与操作级,通信传输介质可以选择同轴电缆或光缆。

        该系统配备了多个工程师站和多台操作员站:工程师站使用工控PC机作为工程师站(也可使用便携机作为调试设备);系统操作员站运行在工业PC机上,全中文DigiVis软件包基于MS WindowsNT平台,其图形操作接口增强了系统的使用与操作,此外,还可以提高PC机的外部设备指标如显示器、打印机、鼠标及键盘等使系统操作更方便,该控制系统在一台PC机上完成操作与监控,系统可扩展至100个操作员站和100个过程控制站。

        具体系统构成图见下图:


    图1 DCS系统构成图

        3、新技术的应用与发展
       
        1) 开放的现场总线技术

        虽然该项目暂时没有用现场总线型现场仪表,为了利于用户今后的发展,我们预留了总线硬件接口。在软件方面ABB AC800F控制器ProfiBus模板支持DP V1标准,与纯DP标准模件相比增加了对仪表的组态能力,这样我们无须安装各种仪表的专用组态软件,仅导入每个仪表的设备参数文件(GSD文件),就可以实现在统一的系统编程软件下对所有PA标准的仪表的参数编程组态的功能,该功能有效节省软件成本,提高工程组态的效率。
       
        2) 开放的控制功能

        该系统控制器采用RISC处理器芯片,程序采用任务运行方式,每个任务都可以设定运行的周期和运行优先级。所以既可以满足复杂调节回路控制要求(一般要求控制周期较长),又可以满足快速电气开关量控制,从而一个控制器就可以覆盖工厂所有环节控制要求。

        编程时我们预留了大量的用户自定义的控制功能块,根据今后生产的需要,用户可以自己添减功能,而IEC61131-3编程标准的应用,使用户只要有一些基础知识,很快熟悉该系统编程。

        所以虽然该工程既有复杂的回路调节,又有较高的逻辑控制要求,我们对于每个关键的工艺通过配置冗余过程控制器满足了生产的要求,达到了用户满意的效果,完全满足了工艺过程的全部需要。

        3) 系统全局数据库技术

        系统全局数据库核心技术即“分散存储,全局管理”。系统编程软件仅为项目生成一个项目文件,虽然每个控制器均开辟一定空间作为数据变量存储区,但在系统编程软件上仅为一个全局系统变量表操作员站与过程站之间的数据交换无须数据库的转换编程为直接存取,变量的修改与检查也是系统全局,系统的过程站与操作员站的组态为一套软件。整个工程自控部分的安装调试开车只用了两三周的时间,这是一个很重要的因素。

        4) 开放的TCP/IP协议以太网技术

        在操作员站、工程师站、和过程站之间我们采用以太网的方式:AC800F控制器系统通讯模板为标准TCP/IP协议以太网模件,这样使系统无须增加设备就可以与工厂局域网连接,由于系统支持标准OPC数据交换标准,使系统与各种第三方数据库或软件的数据交换将更加容易。

        5) 系统易于扩展,系统软件无资源限制,用户今后如果需技术改造,新增加控制点、过程站,工程师站软件无须重新购买,编程时仅在原项目文件项目树下添加几个资源即可,方便了用户今后的系统扩展和长远发展。

        6) 中文界面:系统菜单,操作面板,系统字符表及系统提示信息为中文。
          
        4、工艺过程的实现与运行效果

        根据其工艺过程将流程图画面分为:“6、7#焦炉系统”,“鼓风、冷凝系统”“粗苯系统”“蒸氨系统”“溶脱系统”“制冷系统”等多幅工艺流程图画面;在画面中我们制作了“低水熄焦”、“导热油自动控制”等动态显示画面,为了避免操作工的视觉疲劳,在画面里制作了动态软开关,水(介质)的动态流动等在画面中用软件逻辑控制,可由操作工根据需要开关。焦炉加热在焦化行业是一个关键过程,加热工艺和熄焦时间是控制的关键,我们为用户制作了焦炉串级加热程序和低水熄焦自动控制程序,其串级加热和低水熄焦自动控制的逻辑程序在AC800F控制器中实现,用软件实现了串级/手动加热的逻辑切换,同时显示熄焦下水阀位和大小工作的时间,为用户进一步探索最佳的焦炉加热与熄焦方式打下了基础。

        我们为“再生器”、“蒸氨塔”、“地下放空槽”、“油放空槽”等液位和“导热油出口温度”、“出管式炉温度”等温度进行了自动调节控制,由于许多调节回路的SP值(设定值)是一个不确定的数,需根据不同时期的要求不同;在PID调节与手动/自动切换的设计上,我们设计成手动时SP跟踪PV,自动时根据切换时的SP值调节工艺过程值,这样当操作工手动将工艺过程值调节到适当的时候,切换到自动及可立即以这个工艺值进行调节。以利于操作人员进一步摸索提高工作效率的方法。

        我们还为其制作了“耗蒸汽量”、“压缩空气量”、“新水消耗量”等工艺参数的累积计算,可长达50年的自动趋势报表和每天自动日报报表,工厂可依具这些报表数据分析生产过程,优化生产过程,不断提高劳动生产率。在软件的设计上,操作画面上我们考虑了多种快捷方式,利于用户快捷查询所需要的信息。

        当操作员站、工程师站关闭一台或全部关闭,只要过程站不停,系统不会停机;而过程站采用双机热备份的冗余方式,系统接线端子均采用进口端子,降低故障率,所以整个系统安全性很高。

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