淺談ABB DCS系統及Rosement 3051s FF儀表在甲醇制造業的應用

【摘　要】 本文闡述了DCS集散控制系統的現場總線在甲醇制造中的應用，介紹了ABB DCS系統及Rosemount 3051s現場總線儀表所具有的全數字化通信、分散控制、穩定性的優點，最后介紹了該系統下FF儀表的組態。 【關鍵詞】 FF（Fieldbus Foundation）現場總線基金會　 DCS(Distributed Control System)集散控制系統　 Industrial IT工業控制系統 FCS (Field Bus  Control  System)現場總線控制系統 一、DCS 系統簡述 　　自上個世紀80年代DCS問世以來，集散控制系統在近30年的發展過程中逐步完善、成熟,并在工業控制領域中占主導地位。其基本思想是分散控制集中管理。ABB DCS系統的典型結構是上、下位機系統及其通信網絡,上位機稱為操作站、工程師站或操作站與工程師站共用, 操作站實現控制系統的控制操作、過程狀態顯示、報警狀態顯示、歷史數據的收集和各種趨勢顯示及報表生成與打印等；工程師站用來對軟件組態、系統生成與下裝程序等。下位機稱為現場控制站，它也是一個小型的PC系統，除了CPU，存儲器，通訊卡等設備以外，還附帶有各種擴展卡件。現場控制站是對現場物理信號(包括開關信號，模擬量信號)進行實時采集并進行數據處理、控制運算,并將結果傳送到上位機；系統的網絡負責各種功能站之間的數據通信和聯絡。集散控制系統具有控制功能多樣、操作簡便、維護方便、可靠性高、便于與其他計算機聯用等優點，這也是它有別于PLC的主要原因之一。 二、FF 現場總線描述 　　現場總線技術是上個世紀80年代誕生的網絡通信技術，它不僅包含有過程控制信息交換，而且還包含設備管理信息的交流。通過現場總線，各種智能設備（智能變送器、調節法、分析儀和分布式I/O單元）可以方便地進行數據交換，過程控制策略可以完全在現場設備層次上實現，經歷十多年的發展，國際上成立了現場總線基金會(Fieldbus Foundation,FF)，致力于開發國際上統一的現場總線協議。目前，使用較多的現場總線主要是基金會現場總線（FF總線）和PROFIBUS現場總線，應用現場總線技術可以將各種分布在控制現場的相關智能設備和I/O單元方便的連接在一起，構成控制系統，這種結構已經成為DCS發展的趨勢，FF的體系結構參照ISO/OSI模型的第1、2、7層協議，即物理層、數據鏈路層和應用層，另外增加了用戶層。FF提供兩種物理標準：H1和H2。本文介紹Rosemount 3051s現場總線儀表是基于H1過程控制的低速總線，速率為31.25kbps,傳輸距離為200m、400m、1200m和1900m四種。H2的傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps兩種，其通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質可支持雙絞線、同軸電纜和光纖，協議符合IEC1158-2標準。 三、甲醇生產的簡單介紹 　　以天然氣為主要原料，輔助二氧化碳加壓催化氫化制甲醇是目前工業上普遍采用的方法，以天然氣加二氧化碳為原料反應原理：3CH4 2H2O CO2→4CH3OH 　　典型的流程包括：原料氣制造，原料氣凈化，甲醇合成，初甲醇精餾等工序，整個工藝可以分為若干個工段：大氣壓縮，原料氣精脫硫，原料氣轉換工段，轉化氣壓縮，蒸汽制造，蒸汽冷凝，甲醇合成，初甲醇精餾，火炬，CO2制氣，引風機透平—潤滑油站，鍋爐給水—潤滑油站等工段。根據控制點可以設立兩個冗余現場控制站，DCS 結構圖如下：

　　甲醇生產控制系統設計為：上位機七臺，分別為工程師站，廠長室，調度室和四臺操作員站，其中四臺操作員站可以按工段來分配，比如說1#操作員站只能操作原料氣制造及相關輔助設備部分，2#操作員站只能操作原料氣凈化及相關輔助設備部分，如此類推，每臺計算機都可以顯示各個工段流程畫面，但只能操作各自工段的設備；下位機可設計為冗余的兩對現場控制站，以及安全保護系統站等。 四、ABB DCS系統及FF儀表在甲醇生產的優點 　　甲醇的制造危險系數是極高的，從工藝氣進入到管道開始，一直到精甲醇產品的生成，整個工藝所產生的物質都具有可燃性，生產過程復雜多變，并且生產環境帶有潛在爆炸危險，在這一領域中對基于現場總線的新型控制系統提出了更高的要求： 1）、要有完備的防爆保護措施，以保證在爆炸危險環境中生產過程的絕對安全。 2）、系統本身要有很高的可靠性，以保證數據的可靠傳輸。 3）、對應“連續過程”這一特點，控制系統要有處理模擬數據的能力。 4）、所有現場設備可以在線插拔，而不影響系統的正常工作。 5）、系統實時加載穩定，通訊正常。 　　這就要求控制系統更加的智能化，靈敏化，以避免危險發生，一旦出現事故，也要把事故危險系數降到最低。ABB DCS系統設計具有極高的優越性，操作員站出現故障可以利用工程師站操作，工程師站和操作員站可以相互更換，保證上位機的可操作性，下位機做冗余設計，卡件可以即插即用，保證系統的穩定性，下設安全保護系統，增加了系統的靈敏度，等等諸多優點，加上 FF總線儀表的使用使DCS變成新型的全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場設備，依靠現場智能設備本身實現基本控制功能，即使上位機和下位機出現故障，只要通訊正常，就能維持現場儀表（FF儀表）的正常工作，擺脫了儀表本身對于系統的依賴，而且組態參數更改后加載不會引起資源中斷（除非更改變量名，也就是更改了數據庫），保證了系統的穩定性。系統結構圖如下：

五、 系統組態 　　程序組態使用ABB Industrial IT下Control Builder F V7.1或以上版本，否則會不支持FF協議而無法組態。組態步驟： 1）、打開CBF程序，建立以yanshi 為程序名的程序

2）、組態硬件結構：先指定資源，再插入相關的卡件：電源模塊SA801，以態網卡件 EI803，FF/HSE模塊 FI840。

3）、HSE 硬件組態 　　先通過“庫”導入相應的HSE性能文件后，可以在庫里找到相關的設備性能文件，如圖所示

　　再通過插入硬件即可，最后需要在協議對象里設置I/O信號，但要注意的是I/O編輯菜單里有使用（英文Usage）選擇方法是：顯示儀表要求選擇“FF→EIC61131”，可以理解為FF現場總線符合國際電工委員會61131協議，控制儀表要求選擇“EIC61131→FF”，可以理解為現場的儀表要接受H1送來的信號，定義標簽，設置數據類型，信號起止，要注意的是FF信號只能唯一。

　　定義信號源：信號源優有H1和HSE兩種，現場儀表是采集數據輸送到系統，則源于H1，反之是源于HSE輸送到現場儀表，對應于FF與EIC61131。

4）、現場儀表的組態 　　先要往庫里面導入儀表的硬件識別文件后才能找到相關的儀表設備，再在H1鏈接下，插入儀表，儀表的IP地址會自動從20開始排列。

　　總線地址可以更改，理論上一根總線上可以掛15塊總線儀表，但出自電源符合及通訊考慮，最好不要超過12塊比較穩定。儀表設置優化，H1設定“建議”優化，以上數據除灰色背景數據不能修改外，其他數據都可以修改，但采用建議數據最優，這一步很重要，涉及到儀表內部的參數設置。

　　然后在H1 鏈接里插入功能塊應用圖，通過連接的設備找到相關的儀表，每塊儀表在下拉菜單里找到用戶要使用的功能塊，對應的儀表連接到對應的FF信號，要注意：1、FB庫里的功能塊非儀表內部功能塊，所以不能使用；2、儀表功能塊只能使用一次，也只能在本儀表里選擇導入，每個功能塊導入以后自身會變成灰白色。

五）、儀表功能塊的組態 　　儀表功能塊的設置要選擇儀表，找到其功能塊，對功能塊進行參數設置，一般要設置量程，單位，功能塊類型等，Rosemoun 3051s現場總線儀表的功能塊的類型很多，有源功能塊（Resourece  Block），傳感器功能塊（Tancducer  Block），功能功能塊（Function Block）。源功能塊只有一塊，設置設備類型：3051 Pressure或3051 Tempreture等，對應選擇“關聯”參數11。

　　傳感器功能塊有三塊，主要作用是設置傳感器功能類型，主要參數有：傳感器量程范圍設置，單位設置，表頭顯示參數的設置，報警點的設置等。

　　功能功能塊設置通道功能，測量壓力，溫度等。 六、程序加載 　　程序檢查無誤后，在聯機調試狀態下加載程序，先對HSE鏈接設備初始地址指定，再加載設備即可，如果對單塊儀表進行參數更改后，可以只對單個儀表加載而不需要對整個HSE 加載，這樣可以減少對系統的影響，加載后，在功能塊里可以直接通過鼠標連接，看見實時采集到的數據，但要注意的是每次修改傳感器功能塊參數時，先要把功能塊選擇“服務無效”（Out Of Service，OOS）此項選擇“√”，再更改參數，加載后，在線取消“√”即可，這樣更改的原因是儀表本身<< p="">