CS3000DCS控制系统在PTA装置的应用

　　随着计算机技术的不断发展 ，DCS 控制技术得到了飞速的发展和完善。其控制策略涵盖了传统 PID 控制、逻辑控制、顺序控制等各种控制策略 ;同时使用 PC 机为基础的人机接口 ，使 DCS 的工程组态得到了简化 ，提高了工程组态效率。在辽化 80 万 t PTA 改扩建项目中采用横河公司的 CENTUM CS3000 系列 DCS 系统 ，完成对装置生产过程的控制 ，为装置的平稳运行奠定了基础。

　　CENTUM-CS3000系统是日本横河公司推出的基于WINDOWS-XP的大型DCS系统。该机型继承了以往横河系统的优点 ，并增强了网络及信息处理功能。操作站采用通用PC机，控制站采用全冗余热备份结构，使其性能价格比最优，是目前世界上最先进的大型DCS系统之一。

　　特点

　　① 监控点可以由多个HIS（Human Interface Station）同时操作，每个HIS也可以同时操作多个监控点（可以是不同岗位的多个监控点）。

　　② CS3000系统的处理能力非常强大，它可以处理100，000tags（工位号）、4，000幅画面（包括各种监控画面），每幅画面上可显示多达400个数据。

　　③ 人机界面比较好。选用Windows NT作为操作系统，采用X—Windows（多画面）技术，类似一般的PC机。可根据工艺的要求，实现各种友好的控制监测画面。比如它可以用棒图动态显示液/界位的变化；采用颜色、闪烁、声音等手段提醒操作人员发生过程报警及高低级别；单点操作采用Faceplate（面板）类似于常规仪表的柱状液晶显示，监视及操作较直观。

　　④ CS3000系统具有强大的数据处理能力，足以完成一般生产所需的数据运算、统计要求，并能对生产数据实时打印输出。

　　⑤正常生产中可按需求在线修改组态，更好地服务于生产。

　　⑥易于与信息系统（ERP、MES）相结合在Windows 2000、Windows XP的优异网络功能上，安装上OPC上位接口，就可以很 方便地从上位对过程进行访问，从而实现经营级别的整体优化。另外，不仅与安 装OPC的PC连接可以连接，而且也具有与原来以UNIX为首的上位计算机连接功能。

　　⑦与FA系统的连接性 在生产设备中，以生产后的包装、库存管理为首，需要与FA方面的系统特别是以PLC（Programmable Logic Controller）为主的子系统进行同步CENTUM CS 3000具备与子系统连接用的丰富多样的软件包。能够实现包含子系统 在内的优化。

　　1 总体设计

　　PTA 即精对苯二甲酸 ，是以对二甲苯为原料、以醋酸为溶剂装置经过氧化反应 ，再经过加氢精致得来的。因此该装置划分为氧化、精致、辅助 3 个单元。DCS 就是要对该装置的正常操作、开车、停车进行控制。控制功能由控制站（ FCS） 完成 ，主要包括指示回路、常规 PID 控制、联锁、顺序控制等 ， 另外 ， 由于PTA 生产工艺非常复杂 ，因此还包括大量的复杂控制方案。操作站（ HIS） 作为人机接口完成下列功能 ，指示被控制和非控制变量;操作控制回路 ，包括设定点、操作方式及输出信号; 记录实时趋势和历史趋势 ;报警信号与显示 ;系统状态及诊断报告 ;报警累计 ;工艺动态图形显示;给操作员的信息;报告显示。

　　为完成上述对 PTA 装置的控制和操作 ，氧化单元设置控制站（ FCS） 2 套、操作站 （ HIS） 3 台 ，精致单元设置控制站 （ FCS） 1套、操作站（ HIS） 3 台 ，辅助单元设置控制站 （ FCS） 1 套、操作站（ HIS） 2 台 ，工程师站 1 台。系统结构简图如图 1 所示。

　　硬件设计

　　网络结构

　　由系统配置简图可以看到 CENTUM CS 3000 网络应用有 V - net 网、Ethernet 网、ESB 总线、ER 总线。

　　V - net 网是用于连接系统组件（如控制站和操作站等） 的实时控制网。每个域 ，既每条 V - net 网最多可以连接 64 个站 ，通讯方式为读/ 写通讯、信息通讯、link 传递 ，访问控制为令牌传递 ;传递通路为冗余型总线 ，传输速率为 10 MB/ s ，通讯电缆可选用同轴电缆和光缆 ，系统采用同轴电缆。

　　Ethernet 网是系统内部操作站 （ HIS） 之间信息相互连接网络 ，最多可以连接 16 个操作站（ HIS） ，符合 IEEE 802. 3 标准。

　　ESB 总线（增强型串口背板总线） 为冗余的输入/ 输出通讯总线 ，用于连接本地控制站 （ FCS） I/ O 卡到节点以及控制单元（ FCU） ，传输速率为 128 MB/ s.

　

　　ER 总线（增强型远程总线） 为冗余的输入/ 输出通讯总线 ，用于将远程节点连接到 ESB.

　　总线上本地节点的接口卡 ，传输速率为 10 MB/ s. 由于系统与 MCC（马达控制中心） 之间有大量的信号传递 ，因此为减少电缆敷设 ，在 MCC 设置远程节点 ，再通过 ER 总线传送到控制室。

　　控制站（ FCS） 结构

　　根据各工艺单元的输入/ 输出点数以及控制方案的复杂程度 ，氧化单元设置控制站 （ FCS0101 、FCS0102） 2 套、精致单元设置控制站（ FCS0103） 1 套、辅助单元设置控制站（ FCS0104） 1 套。各控制站所控制的点数虽不同 ，控制方案也不尽相同 ，但控制站的基本结构和原则是相同的 ， 主要构成有现场控制单元（ FCU） 、节点（NODE） 及各级总线。

　　现场控制单元（ FCU）

　　采用先进的 AFG40D 单元 ，使用 VR5432 （133 MHz） 处理器 ，主内存 32 MB ，72 h 电池备用 ，双冗余 V - net 通讯接口卡 ，双冗余的 ESB bus 接口卡。

　　节点（NODE）

　　节点（NODE） 由节点接口单元和输入/ 输出单元组成。节点接口单元是节点与现场控制单元之间的通讯接口。输入/ 输出单元即 I/ O 卡 ，负责采集现场测量信号/ 执行控制器输出到现场执行元件。FCS0101 配置本地节点 6 个; FCS0102 配置本地节点6 个 ，远程节点2 个;FCS0103 配置本地节点 8 个 ，远程节点2 个;FCS0104 配置本地节点 7 个 ，远程节点 1 个。I/ O 卡主要类型如下 ：

　　AAI143 电流输入模件（4～20mA ，16 通道） ;

　　AAI543 电流输出模件（4～20mA ，16 通道） ;

　　ALR121 RS - 422/ 485 通讯模件 ;

　　ADV151 数字输入模件 ;

　　ADV551 数字输出模件 ;

　　ADR541 继电器输出模件。

　　操作站/ 工程师站结构

　　操作站是 DCS 控制系统的人机接口界面 ，完成监视、操作、记录等功能。工程师站完成对系统的组态。操作站与工程师站从硬件上看没有什么区别 ，只是完成不同功能的软件包不同 ，因此对操作站与工程师站一起讨论 ，也可以统称它们为操作站。CENTUM CS3000 R3 操作站的特点是使用通用 PC 机作为操作站的硬件基础 ，以 WINDOWS 作为软件平台。

　　从理论上讲 ，任何一台性能可靠的 PC 机都可以作为 CEN2TUM CS3000 R3 的操作站 ，横河公司采用 DELL 公司的 PC 机作为操作站。操作站使用 VF - 701 通讯接口卡 ，使 PC 机能够连接到 V - NET 网络上。该卡具有冗余的通讯接口 ，插在 PC 机的PCI 槽上。操作员键盘采用横河专用的 USB 接口操作员键盘。其他硬件配置与通用 PC 机相同。

　　目前横河 DCS 的操作组态软件平台采用 WINDOWS XP -SP2 。

　　这种软硬件配置使操作站成本大大降低 ， 硬件通用性加强 ，界面友好 ，便于操作 ，降低工程组态和运行维护成本 ，提高工作效率。

　　软件组态

　　CS3000 组态主要包括系统 COMMON 组态 ，操作站（ HIS） 组态 ，流程图组态 ，控制站（ FCS） 组态等。

　　系统 COMMON 组态、操作站（ HIS） 组态及流程图组态

　　系统 COMMON 组态主要包括系统构成组态 ，系统常数组态 ，工程单位组态 ，报警表组态 ， 报警优先级组态等。操作站（ HIS） 组态包括操作站构成 ，操作组分群 ，连接传输 ，趋势记录 ，画面名 ，窗口名等。流程图组态即带控制点的流程图组态。通过这部分组态 ，使操作站（ HIS） 具备了人机接口的功能 ，使操作人员能够通过操作站（ HIS） 操作生产装置。氧化反应器进料流程图如图 2 所示。

　　

　　控制站（ FCS） 组态

　　控制站组态简述

　　控制站组态主要包括控制站（ FCS） 构成 ， I/ O 模件登录 ，软件开关、全域开关的定义 ，域的定义 ，控制回路图的绘制等。控制回路图的绘制就是要根据某种控制方案 ， 将相关的 I/ O 通道、软件开关、全域开关、完成控制方案的功能块连接起来 ，达到控制目的。图 3 是一个简单调节回路的实现例子 ，将来自模拟量通道的变量 FT20830 作为 PID 功能块 FICA20830 的输入 ，输出信号传送到模拟量输出通道 FCV20830 。

　　

　　由于 PTA 生产工艺十分复杂 ，因此设计了许多复杂控制方案。为完成复杂控制回路在内的指示回路、常规 PID 控制、联锁、顺序控制等 ，采用的功能块有 ： PVI 指示功能块 ; PID 单回路功能块 ;MLD - SW 具有输出切换功能的手操器;AS - H/ M/ L 自动选择： SPLIT 分程控制信号分配块; RATIO 比率设定单元;CALCU 计算功能块 ; SW - 33 开关功能块; ST16 顺序控制功能块 ;LC64 逻辑图功能块。

　　控制回路图绘制举例

　　举一个复杂控制回路的例子 ，氧化反应器净溶剂比率控制 ，就是要控制进入反应器系统的净溶剂与对二甲苯的恒定比率 ，通过调节输出到高压吸收塔的溶剂量来实现。进入反应器系统的净溶剂 ， 等于总溶剂进入与水采出的差。主要的溶剂物料输入有高压溶剂 （由 FT22503 测量 ） ， 自高压循环泵 G1 -311A/ B 的溶剂　　（由 FT22504 测量） 。水采出由 FT20577 测量 ， 对二甲苯由FT22500 或 FT22501 测量。输出到高压吸收塔的溶剂由 FICA20516 测量和调节。图 4 为该控制方案的方框图。

　　

　　由图 4 可以看出这是一个复杂计算加串级回路。在绘制控制回路图前 ， 应先建立相关控制站组态 ， 包括输入/ 输出通道组态。净溶剂与对二甲苯的实际比率 ， 由 CALCU 计算功能块得出 ， 作为 FFIC22503 的测量值 ， FFIC22503 的输出作为 FI2CA20516 的给定值进行串级调节。CALCU 计算功能块的输入为FICA22503. PV 、FICA22504.PV 、FIA22514.PV 、FICA20577.PV 、FICA22501.PV ， 其中 FICA22501. PV 为经过 HS22501 选择的对二甲苯流量 ， 计算公式为 （ FICA22503. PV + FICA22504. PV +FIA22514.PV FICA20577.PV） / FICA22501.PV.

　

　　图 5 为控制回路图。

　　

　　横河公司新型的 CENTUM CS3000 R3 系列DCS ，既继承了高可靠性 ，增强了控制功能 ，又改善人机接口界面 ，适合对 PTA 装置复杂工艺控制。同时 ，离线组态、FCS 的仿真测试和无线测试功能 ，可使工程组态和系统调试工作得到简化 ，缩短工程组态和系统调试时间 ，提高了效率。