中控ECS-700 在烃类生产中的应用

齐 荣

（中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京 102500）

早先应用的控制系统，从硬件到软件已不能满足日新月异的过程自动化高水平控制的要求，为此再选择新的控制系统，除了要求利于操作人员对工艺过程的监控与管理之外，还能够显著提高自动化水平，增强仪表控制系统可靠性，保证生产安全等。

ECS-700 系统是旨在帮助用户实现生产自动化的大型集散控制系统。ECS-700 系统以国际标准和行业规范为准则进行设计与研发，确保系统的可靠性、实时性和易用性；同时该系统拥有多种强大的功能，如工艺过程整体监控管理功能，多人协同工作管理功能等，在国内各行业获得了广泛的应用。因此基于以上优势，在烃类生产中应用了中控ECS-700 系统。

1 控制系统硬件配置方案

1.1 系统结构

ECS-700 系统拥有集成化的系统结构，主要包括三大要素，即控制要素（控制节点及配套设备）、操作要素（操作节点即各类应用站点）及网络要素（包括SCnet控制网、I/O 总线等）。ECS-700 系统可以根据工艺安全和生产特性，灵活方便地组建大规模联合系统，利于将来实行全厂级的分域管理。

ECS-700 系统网络可以配置多层通信网络，如过程控制网、过程信息网、企业信息网等。过程控制网用于连接控制系统的控制站和操作节点，在两者之间传输实时数据和操作指令。该网络采用双重化冗余设计，数据传输可靠、实时、高效。过程信息网用于连接控制系统中的操作节点，如OS 操作站、ES 工程师站、数据OPC 站等，在操作节点间传输报警过程信息、操作记录信息和历史信息等。挂在该网络上的各类应用站点可以通过OPC 服务器访问过程信息同时下达指令。而企业管理网用于连接上层管理节点，通过管理服务器从过程信息网中获取系统过程信息，对工艺生产进行整体管理或实施远程监控[1]。

1.2 系统硬件配置

DCS 系统硬件配置由控制站、操作站、配套设备等构成。

现场机柜室控制站主要包括全冗余的控制器（即数据处理中心）、IO 模块、网络设备（交换机、时钟服务器等）。配套设备主要指各类机柜如电源柜、系统柜、继电器柜、网络柜和端子柜等。

CCR 控制室配置4 台操作站，可以便于操作人员同时对多工段工艺过程的监控与管理。现场机柜室配置1 台组态工程师站和1 台操作站兼数据OPC 站，可以便于仪表人员进行控制系统维护和数据库组态。每台操作站可以完成许多功能，如选择流程画面、调用报警信息、查看历史趋势等。该控制系统中，每台操作站之间可以互为备用。

由于CCR 控制室与现场机柜室两处直线距离超过100 m，宜选用光纤连接配套交换机进行数据传输[2]；现场机柜室控制站与操作站之间的数据传输采用网线连接。系统I/O 总线属于系统控制站内部通信网络，连接控制器、I/O 或通信接口模块，均为冗余配置。系统硬件配置图如图1 所示。

图1 系统硬件配置图

1.3 系统IO 配置

控制站完成整个工业过程的实时监控功能，由控制器、I/O 接口模块、I/O 信号模块、串行通信模块和供电单元等组成。控制站的所有模块均可冗余配置。

本项目ECS-700 系统的控制站配置了2 对控制器，6 对串行通信模块。在提高系统的可靠性上，除了控制站的控制器、串行通信模块都采用冗余配置外，控制回路的I/O 模块也都采用冗余配置。根据设备位号及控制点的数量，合理配置系统的硬件、软件及网络。控制站硬件配置见表1。

表1 控制站硬件配置

1.4 系统网络

在工艺生产过程中，除了选用中控DCS 控制系统外，现场也会采用利于生产的高新、智能的第三方设备或者有别于DCS 系统的其他控制系统。在确保可靠安全的基础上，现场需要ECS-700 控制系统与第三方设备或其他控制系统进行数据通信，以便于操作人员在CCR 控制室就能够获得较为全面的信息。例如智能仪表、SIS 系统、GDS 系统等，就可以通过设备及系统间的通信来实现在中控DCS 系统的集中显示与监控。

中控ECS-700 系统配套提供了串行通信模块COM741-S。该模块是ECS-700 系统的串行异构设备接入网关设备，通过扩展I/O 总线，利用标准协议（MODBUS RTU 协议）和自定义协议将使用同样通信协议的第三方设备或系统的数据读取到DCS 控制系统[3]。该模块可冗余配置，以保证更高的可靠性；通过使用对应软件对硬件设备进行组态，使用简单、方便。通过标准协议接入到DCS 控制系统中，相当于DCS 系统的I/O 模块，可以在DCS 系统上直接实现数据显示与操作。这种方式不仅提高了DCS 系统的安全性，易于操作与管理，而且还节约了系统前期组建成本及未来维护成本。

2 系统组态与控制方案实例

2.1 系统组态软件功能

ECS-700 系统组态应用软件AdvanTrol Pro Visual Field。该软件根据用户需求，不断升级软件版本。组态应用软件包括在线组态、保存编译、下载发布等功能。系统组态功能由以下控制组态工具软件共同完成。

2.1.1 系统结构组态软件

用于搭建整体控制系统的结构框架的软件，包括配置控制域和操作域的功能划分，分配对应工程师的组态权限等。

2.1.2 系组态管理软件

用于关联和管理各种组态软件的平台。该平台具有许多功能，如IO 硬件配置、设备位号组态、联锁与控制组态和监控与操作组态等。该平台支持数据库的组态维护，支持用户程序的在线联机调试、支持整体组态的上传或单点组态的下载等[4]。

组态软件具有强大的组态功能，包括控制站内的硬件组态功能，用于硬件的参数设置、组态下载及在线/离线调试等；现场设备的位号组态功能，用于位号的参数设置与检查、位号文档的导入导出、位号的监控调试等；联锁与控制组态功能，用于通过选用不同的编程语言或功能块来实现联锁与控制的方案，支持用户程序的在线联机调试等；监控与管理组态功能，用于实现工艺过程的监控与管理的功能。包括操作域和操作小组的组态，如操作域内操作员的权限分配、报警信息的颜色设置、历史趋势的位号分配和报警分组的自定义等；如各操作小组的监控界面组态即总貌、分组、趋势及工艺流程画面、操作员键盘设置、报警分区组态等。1位操作员可以调用1 个或多个操作小组。

2.2 特殊控制方案实例

ECS-700 系统提供有SCX 语言编程和图形化编程2 种编程方式，用于实现复杂的控制算法及顺控、联锁等复杂的控制方案。图形化编程软件提供了功能块图（FBD）、梯形图（LD）、顺控图（SFC）及ST 语言4 种编程器。每个控制站对应一个带图形化编程的工程，但每个工程可以存在多个段落，而每个段落限定选择1种编程器，但用它们编程的功能块可以互相调用[4]。

2.2.1 分程控制方案

为响应企业节能降废减排的号召，工艺往往在生产过程中，尽量利用循环过程的工艺废热水等低耗能源。例如生产过程中的出口物料需要保持温度恒定，从而保证后续生产的稳定及产品的质量。工艺以废热水为主并以少量蒸汽来作为换热器的热媒质对物料进行加热，保持温度恒定。但当废热水不足以满足物料温度恒定时，需要补充蒸汽以满足工艺要求。

根据上述工艺需求，现场设有1 台蒸汽压力仪表，2 台蒸汽阀A/B。在不同的范围段，控制不同的阀门。而分程控制就是通过一个调节器按照信号的分析对应不同的需求以达到控制不同的阀门。综合分析最终选用分程控制方案来实现工艺要求。具体步骤如下。

1）新建位号蒸汽压力PI005、蒸汽调节阀PV005A、PV005B，阀门现场为气开式（DIRECT）。

2）新建一个蒸汽压力调节器PC005，选用常规PID 控制块（PIDEX），控制作用选反作用（RESERVE）。

3）分程控制的分程特性如图2 所示。控制器输出信号在0%~50%，A 阀从全关到全开；在50%~100%范围，B 阀从全关到全开；随着控制器输出信号的变化，2个控制阀同向动作。

图2 分程特性图

4）控制功能块分别选用分程控制块（SPLIT）和手操器（MANUAL），控制2 个调节阀PV005A 和PV005B。控制器PC005 的输出信号MV 作为分程控制块SPLT005 的给定值CSV，而分程控制块的2 个输出值MV1/MV2 分别作为2 个手操器HIC005A 和HIC005B 的输入IN，最终2 个手操器各自输出MV 值来控制2 个调节阀。用户程序如图3 所示。

图3 用户程序

2.2.2 串级控制方案

塔釜工艺过程原先仅选用常规PID 进行液位控制，但易造成被控过程有较大的容量滞后，以致影响后续生产。通过分析工艺过程，并比较各类控制回路的特性，确定新的控制方案。以塔釜的液位控制为主与流量采出为辅组成串级控制回路，利于改善过程控制品质。具体方案步骤如下。

1）工艺控制指标为塔釜液位，原液位调节器LIC2007，作用方式为正作用（DIRECT）。再设置1 个调节器，即流量调节器FIC2003，也选用常规PID 控制块（PIDEX），作用方式为反作用（RESERVE）；现场1 台调节阀FV2003，阀门现场为气开式（DIRECT）。它们组建为串级控制回路。串级控制回路示意图及方框图如图4 所示。

图4 串级控制回路示意图及方框图

2）串级控制回路是将2 只调节器串联起来工作，目的是克服回路扰动，改善过程特性，提高过程控制品质[5]。其中液位调节器LIC2007 作为主调节器，其控制变量为主变量，即工艺控制指标；而流量调节器FIC2003 作为副调节器，其控制变量为副变量，主要起到稳定主变量的作用。液位调节器LIC2007 的输出值MV 作为流量调节器FIC2003 的给定值，流量调节器FIC2003 的输出值MV 控制现场调节阀。按回路要求设置相关参数。用户程序如图5 所示。

图5 用户程序

2.2.3 选择控制方案

工艺生产中，换热器的工艺流程操作原则是：换热器A/B 的出口设置温度调节回路，通过调节加热蒸汽来满足工艺需求；但若换热器出口管束温度过高，则会加快设备腐蚀，影响设备使用。因此根据工艺及设备要求，需要优选控制方案。换热器控制流程图如图6 所示。

图6 换热器控制流程图

换热器是有A/B 两台，各有一个出口温度检测显示。2 个温度值需要选择一个，作为温度调节回路的输入源，来控制蒸汽阀的开度，调节蒸汽进量，既满足生产又保护设备。选择性控制是将逻辑控制与常规控制结合起来以增强系统的控制能力。选择控制可以在被控变量（输入）和控制器之间放置选择器，也可以在控制器和操纵变量（输出）之间放置选择器[5]。根据工艺要求，选择器位于调节器之前，对温度检测信号进行选择，选出最高或最低测量值。因此在温度调节回路之前加入选择器，组成新的选择控制回路。具体步骤如下。

1）新建位号温度TT2086TT2087；调节阀TV2087（即FV2042），阀门现场为气开式（DIRECT）。

2）新建一个温度调节器TC2087，选用常规PID 控制块（PIDEX），控制作用选反作用（RESERVE）。

3）选择器可以分为高选器和低选器。根据工艺需求，该控制方案配置低选器。其逻辑关系可以表述为在被控变量（TT2086 和TT2087）中选择两者之间的较低值。新建一个温度选择器TS2087，设置低选器，功能块选择ASW。功能块ASW 的输出值OUT 作为调节器TC2087 的输入值PV，其输出值MV 来控制调节阀的开度。用户程序如图7 所示。

图7 用户程序

3 结束语

自工艺生产开车投用以来，控制系统运行平稳良好。ECS-700 系统通过OPC 站能够上传工艺生产实时数据，为工艺人员掌握分析生产动向提供了可靠数据。该系统具备了可靠性、安全性，亦满足了生产监控、报警管理与历史记录等功能要求，简明易用。

浙江中控DCS 系统在企业中的广泛应用，使得企业技改技措更有经济成效。操作人员使用更得心应手，能够在短时间培训和实际操作下，对ECS-700 系统操作熟练掌握。同时，完善的人机交互界面降低了操作人员的劳动强度，控制效果较平稳，故障率较低，提高了劳动生产率，给企业创造了更好的经济效益。