1、項目背景

分散控制系統(tǒng)（DCS）自1975年問世以來，經(jīng)歷了近50年的發(fā)展，其功能與性能得到了不斷的提升與完善，但在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上并沒有發(fā)生重大變化，主要分為三層：系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層（連接現(xiàn)場控制站、操作員站、工程師站和數(shù)據(jù)通信模件等，傳送過程控制實時信息，同時也可將這些信息向上層的信息管理網(wǎng)傳送），控制網(wǎng)絡(luò)層（實現(xiàn)現(xiàn)場控制站內(nèi)部的各個I/O模件和控制模件之間的互聯(lián)和信息傳遞）和現(xiàn)場設(shè)備層（實現(xiàn)I/O模件與現(xiàn)場溫度、壓力、流量、液位等四種檢測儀表，氣動和電動調(diào)節(jié)器執(zhí)行機構(gòu)，在線分析儀表等設(shè)備的連接）。鑒于控制系統(tǒng)本身的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特點，傳統(tǒng)的部署方式主要是將控制系統(tǒng)設(shè)備集中部署在中心控制室，通過大量的電纜線實現(xiàn)與現(xiàn)場的連接，中心控制室的面積需求比較大、線纜多，后期維護(hù)不方便，所以傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)面臨著以下挑戰(zhàn)：

·  電纜用量大，成本高，施工難度大，后期維護(hù)不方便；

·  機柜間占用面積大，且根據(jù)安監(jiān)規(guī)范要求，距離要遠(yuǎn)，還要抗爆，建設(shè)成本高；

·  備件類型多，管理麻煩，變更不便；

·  工程周期長，機柜采用定制化設(shè)計，需要等待發(fā)貨，工程組態(tài)調(diào)試為串行流程，時間長。

針對上述問題，優(yōu)穩(wěn)公司推出了基于電子布線技術(shù)的新一代控制系統(tǒng)，并進(jìn)行推廣應(yīng)用。

2、項目目標(biāo)與原則

2.1 項目目標(biāo)

·  提高生產(chǎn)效率：通過自動化設(shè)備和控制系統(tǒng)，提高生產(chǎn)速度和效率，減少生產(chǎn)周期；

·  降低人力成本：減少對人工操作的依賴，降低人力成本，并提高安全性；

·  提高產(chǎn)品質(zhì)量：確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性與一致性，減少人為錯誤，從而提升最終產(chǎn)品的質(zhì)量；

·  數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析：實現(xiàn)實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集，以便于進(jìn)行過程優(yōu)化和故障分析，提升決策支持能力；

·  環(huán)境保護(hù)與安全：減少生產(chǎn)過程中的廢物和排放，提升車間操作環(huán)境的安全性，滿足環(huán)保法規(guī)要求；

·  靈活性與可擴(kuò)展性：設(shè)計可適應(yīng)市場需求變化的系統(tǒng)，便于未來的擴(kuò)展和改造。

2.2 項目原則

·  系統(tǒng)集成：確保各個自動化設(shè)備和控制系統(tǒng)的相互兼容，形成一個統(tǒng)一的自動化網(wǎng)絡(luò)；

·  用戶友好性：自動化系統(tǒng)的界面設(shè)計簡單易懂，方便操作員使用和維護(hù)；

·  可靠性與穩(wěn)定性：設(shè)備和系統(tǒng)應(yīng)具備高可靠性和穩(wěn)定性，能夠在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中正常運行；

·  安全第一：在自動化改造中要優(yōu)先考慮員工的安全，符合相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定；

·  經(jīng)濟(jì)性：在確保性能和安全的前提下，盡可能降低投資成本和運營成本；

·  適應(yīng)性與靈活性：系統(tǒng)應(yīng)具有良好的適應(yīng)性，能夠很方便地應(yīng)對生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的變化。

3、項目實施與應(yīng)用

某硫酸二乙酯、碘化鉀和聚氨酯生產(chǎn)車間改造項目，采用了UW500 DCS電子布線系統(tǒng)整體解決方案。

該項目共配置I/O點數(shù)3600點，4控制站和11操作站，I/O測點及系統(tǒng)配置見表1所列。控制站02帶載15個電子布線箱，控制站03帶載4個電子布線箱，控制站04帶載9個電子布線箱子，電子布線箱均部署在現(xiàn)場，根據(jù)單元設(shè)備進(jìn)行點數(shù)劃分，相應(yīng)的點數(shù)就近接入附近的電子布線箱，這樣做相比傳統(tǒng)的直接將信號電纜拉到中控室的方式，可以大量縮短信號電纜的長度，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

表1  I/O測點及系統(tǒng)配置

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

該項目系統(tǒng)配置的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點如下：

1）現(xiàn)場的電子布線箱網(wǎng)絡(luò)連接有兩種方式，對于箱子比較集中的場景，可以使用冗余網(wǎng)線連接組成可靠性高的星型網(wǎng)絡(luò)，再使用冗余光纖連接到中控室的網(wǎng)絡(luò)柜；對于箱子比較分散的場景（如碘化鉀車間），使用冗余光纖單獨連接到中控室的網(wǎng)絡(luò)柜。

2）針對現(xiàn)場環(huán)境的不同，有多種規(guī)格的箱體可供靈活選擇。爆炸危險環(huán)境，配置UW5100電子布線防爆控制箱，防爆標(biāo)志為Ex eb ec nC nR [ia Ga] IIC T4 Gc，防護(hù)等級為IP66，防腐等級為G3，可部署在爆炸危險區(qū)域2區(qū)/22區(qū)；非爆炸危險環(huán)境，配置UW5041_F工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)機柜，可節(jié)省成本，維護(hù)也更加方便。

3）控制站配置Modbus通信模塊，負(fù)責(zé)和現(xiàn)場的PLC設(shè)備、智能儀表（比如回流比控制器、氣化膜儀表等）進(jìn)行通信，并開通OPC協(xié)議與上層的MES/ERP通信，構(gòu)建一個數(shù)據(jù)共享的高效信息化智能工廠。

4）電源分配柜負(fù)責(zé)給控制站及現(xiàn)場的電子布線箱提供獨立的UPS和市電雙路220 V供電。

控制要點如下：

1）原料卸車：通過設(shè)定重量、液位等聯(lián)鎖限值控制加料和出料，保持物料的相對穩(wěn)定；

2）中間體合成：通過設(shè)定重量、壓力等聯(lián)鎖限值控制加料和出料，保持物料的相對穩(wěn)定，通過設(shè)定壓力、溫度等聯(lián)鎖限值控制釜內(nèi)壓力溫度，確保反應(yīng)釜內(nèi)維持能夠持續(xù)進(jìn)行反應(yīng)的適合壓力溫度，保證了產(chǎn)品合成的精度；

3）合成反應(yīng)：通過設(shè)定溫度、流量累計等聯(lián)鎖限值控制加料，保持物料的相對穩(wěn)定；通過設(shè)定壓力、攪拌電流等聯(lián)鎖限值控制釜內(nèi)壓力，確保反應(yīng)釜內(nèi)維持能夠持續(xù)進(jìn)行反應(yīng)的適合壓力，保證了產(chǎn)品合成的精度；

4）精制和間歇蒸餾：通過設(shè)定壓力、溫度等聯(lián)鎖限值控制釜內(nèi)壓力溫度，確保反應(yīng)釜內(nèi)維持能夠持續(xù)進(jìn)行反應(yīng)的適合壓力溫度，保證了產(chǎn)品合成的精度；

5）流量累計：通過流量計采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行流量累計計算，控制液體物料的進(jìn)出，保持其相對穩(wěn)定；

6）PID控制：通過對壓力、重量等信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對其相應(yīng)的閥門開度進(jìn)行PID控制，實現(xiàn)維持反應(yīng)條件的相對穩(wěn)定；

7）閥門互鎖：通過閥門互鎖控制防止操作員誤操作，實現(xiàn)反應(yīng)過程的高精準(zhǔn)度。

4、效益分析

節(jié)省信號電纜是電子布線最顯著的優(yōu)勢，表2和表3分別對兩種布線方式所用到的線纜材料進(jìn)行了對比計算，傳統(tǒng)布線方式采用的電纜，成本約為1472800元，電子布線方式采用光纜，成本約為2800元，節(jié)約成本約147萬。

表2 電纜成本計算

表3 光纜成本計算

除了節(jié)省電纜成本外，電子布線技術(shù)在快速的項目交付及設(shè)計變更處理方面也有明顯優(yōu)勢，在傳統(tǒng)的DCS項目建設(shè)過程中，仍使用硬件設(shè)計-組態(tài)設(shè)計的串行設(shè)計流程，DCS硬件機柜仍采用定制化設(shè)計，每個項目都需要生產(chǎn)成套機柜，使用通用I/O的電子布線技術(shù)，可將DCS硬件與軟件解耦，提前啟動組態(tài)設(shè)計，再配合標(biāo)準(zhǔn)的防爆機柜，提前進(jìn)行生產(chǎn)，快速供貨。

在該項目設(shè)計階段：統(tǒng)一化的硬件，可在項目設(shè)計階段縮減硬件選型、通道類型配置工作，減少設(shè)計時間50%；在項目組態(tài)階段：統(tǒng)一化的I/O設(shè)計，將硬件設(shè)計階段、邏輯組態(tài)階段從串行改為并行，并簡化邏輯組態(tài)與硬件通道號的一一對應(yīng)，縮短組態(tài)工期50%；在項目成套階段：采用模塊化的標(biāo)準(zhǔn)機箱\機柜設(shè)計，避免了DCS項目的定制型成套工作，可縮減機柜成套時間75%；在項目實施階段：明了便捷的接線方式，可避免復(fù)雜的接線柜接線，減少施工接線時間50%。

該項目采用電子布線技術(shù)，線纜成本節(jié)省了98%，施工周期縮短了54%，中控室控制柜數(shù)量減少了50%，I/O備件減少了75%。電子布線技術(shù)具有先進(jìn)性的同時，也具有實用性，為客戶帶來較大的經(jīng)濟(jì)價值。