1、項目背景

分散控制系統（DCS）自1975年問(wèn)世以來(lái)，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，但在系統結構上并沒(méi)有發(fā)生重大變化，主要分為三層：系統網(wǎng)絡(luò )層（連接現場(chǎng)控制站、操作員站、工程師站和數據通信模件等，傳送過(guò)程控制實(shí)時(shí)信息，同時(shí)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(shí)現現場(chǎng)控制站內部的各個(gè)I/O模件和控制模件之間的互聯(lián)和信息傳遞）和現場(chǎng)設備層（實(shí)現I/O模件與現場(chǎng)溫度、壓力、流量、液位等四種檢測儀表，氣動(dòng)和電動(dòng)調節器執行機構，在線(xiàn)分析儀表等設備的連接）。鑒于控制系統本身的網(wǎng)絡(luò )架構特點(diǎn)，傳統的部署方式主要是將控制系統設備集中部署在中心控制室，通過(guò)大量的電纜線(xiàn)實(shí)現與現場(chǎng)的連接，中心控制室的面積需求比較大、線(xiàn)纜多，后期維護不方便，所以傳統的控制系統面臨著(zhù)以下挑戰：

·  電纜用量大，成本高，施工難度大，后期維護不方便；

·  機柜間占用面積大，且根據安監規范要求，距離要遠，還要抗爆，建設成本高；

·  備件類(lèi)型多，管理麻煩，變更不便；

·  工程周期長(cháng)，機柜采用定制化設計，需要等待發(fā)貨，工程組態(tài)調試為串行流程，時(shí)間長(cháng)。

針對上述問(wèn)題，優(yōu)穩公司推出了基于電子布線(xiàn)技術(shù)的新一代控制系統，并進(jìn)行推廣應用。

2、項目目標與原則

2.1 項目目標

·  提高生產(chǎn)效率：通過(guò)自動(dòng)化設備和控制系統，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(lài)，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(guò)程的穩定性與一致性，減少人為錯誤，從而提升最終產(chǎn)品的質(zhì)量；

·  數據監控與分析：實(shí)現實(shí)時(shí)監測和數據收集，以便于進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化和故障分析，提升決策支持能力；

·  環(huán)境保護與安全：減少生產(chǎn)過(guò)程中的廢物和排放，提升車(chē)間操作環(huán)境的安全性，滿(mǎn)足環(huán)保法規要求；

·  靈活性與可擴展性：設計可適應市場(chǎng)需求變化的系統，便于未來(lái)的擴展和改造。

2.2 項目原則

·  系統集成：確保各個(gè)自動(dòng)化設備和控制系統的相互兼容，形成一個(gè)統一的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )；

·  用戶(hù)友好性：自動(dòng)化系統的界面設計簡(jiǎn)單易懂，方便操作員使用和維護；

·  可靠性與穩定性：設備和系統應具備高可靠性和穩定性，能夠在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中正常運行；

·  安全第一：在自動(dòng)化改造中要優(yōu)先考慮員工的安全，符合相關(guān)的安全標準和規定；

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

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

3、項目實(shí)施與應用

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

該項目共配置I/O點(diǎn)數3600點(diǎn)，4控制站和11操作站，I/O測點(diǎn)及系統配置見(jiàn)表1所列?？刂普?2帶載15個(gè)電子布線(xiàn)箱，控制站03帶載4個(gè)電子布線(xiàn)箱，控制站04帶載9個(gè)電子布線(xiàn)箱子，電子布線(xiàn)箱均部署在現場(chǎng)，根據單元設備進(jìn)行點(diǎn)數劃分，相應的點(diǎn)數就近接入附近的電子布線(xiàn)箱，這樣做相比傳統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(cháng)度，網(wǎng)絡(luò )架構如圖1所示。

表1  I/O測點(diǎn)及系統配置

圖1 網(wǎng)絡(luò )架構圖

該項目系統配置的網(wǎng)絡(luò )架構的特點(diǎn)如下：

1）現場(chǎng)的電子布線(xiàn)箱網(wǎng)絡(luò )連接有兩種方式，對于箱子比較集中的場(chǎng)景，可以使用冗余網(wǎng)線(xiàn)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(chǎng)景（如碘化鉀車(chē)間），使用冗余光纖單獨連接到中控室的網(wǎng)絡(luò )柜。

2）針對現場(chǎng)環(huán)境的不同，有多種規格的箱體可供靈活選擇。爆炸危險環(huán)境，配置UW5100電子布線(xiàn)防爆控制箱，防爆標志為Ex eb ec nC nR [ia Ga] IIC T4 Gc，防護等級為IP66，防腐等級為G3，可部署在爆炸危險區域2區/22區；非爆炸危險環(huán)境，配置UW5041_F工業(yè)標準機柜，可節省成本，維護也更加方便。

3）控制站配置Modbus通信模塊，負責和現場(chǎng)的PLC設備、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(kāi)通OPC協(xié)議與上層的MES/ERP通信，構建一個(gè)數據共享的高效信息化智能工廠(chǎng)。

4）電源分配柜負責給控制站及現場(chǎng)的電子布線(xiàn)箱提供獨立的UPS和市電雙路220 V供電。

控制要點(diǎn)如下：

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

2）中間體合成：通過(guò)設定重量、壓力等聯(lián)鎖限值控制加料和出料，保持物料的相對穩定，通過(guò)設定壓力、溫度等聯(lián)鎖限值控制釜內壓力溫度，確保反應釜內維持能夠持續進(jìn)行反應的適合壓力溫度，保證了產(chǎn)品合成的精度；

3）合成反應：通過(guò)設定溫度、流量累計等聯(lián)鎖限值控制加料，保持物料的相對穩定；通過(guò)設定壓力、攪拌電流等聯(lián)鎖限值控制釜內壓力，確保反應釜內維持能夠持續進(jìn)行反應的適合壓力，保證了產(chǎn)品合成的精度；

4）精制和間歇蒸餾：通過(guò)設定壓力、溫度等聯(lián)鎖限值控制釜內壓力溫度，確保反應釜內維持能夠持續進(jìn)行反應的適合壓力溫度，保證了產(chǎn)品合成的精度；

5）流量累計：通過(guò)流量計采集數據，進(jìn)行流量累計計算，控制液體物料的進(jìn)出，保持其相對穩定；

6）PID控制：通過(guò)對壓力、重量等信號進(jìn)行數據采集，對其相應的閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行PID控制，實(shí)現維持反應條件的相對穩定；

7）閥門(mén)互鎖：通過(guò)閥門(mén)互鎖控制防止操作員誤操作，實(shí)現反應過(guò)程的高精準度。

4、效益分析

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

表2 電纜成本計算

表3 光纜成本計算

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

在該項目設計階段：統一化的硬件，可在項目設計階段縮減硬件選型、通道類(lèi)型配置工作，減少設計時(shí)間50%；在項目組態(tài)階段：統一化的I/O設計，將硬件設計階段、邏輯組態(tài)階段從串行改為并行，并簡(jiǎn)化邏輯組態(tài)與硬件通道號的一一對應，縮短組態(tài)工期50%；在項目成套階段：采用模塊化的標準機箱\機柜設計，避免了DCS項目的定制型成套工作，可縮減機柜成套時(shí)間75%；在項目實(shí)施階段：明了便捷的接線(xiàn)方式，可避免復雜的接線(xiàn)柜接線(xiàn)，減少施工接線(xiàn)時(shí)間50%。

該項目采用電子布線(xiàn)技術(shù)，線(xiàn)纜成本節省了98%，施工周期縮短了54%，中控室控制柜數量減少了50%，I/O備件減少了75%。電子布線(xiàn)技術(shù)具有先進(jìn)性的同時(shí)，也具有實(shí)用性，為客戶(hù)帶來(lái)較大的經(jīng)濟價(jià)值。