水质净化生产装置监控系统的集成化改造

1　引　言　　 　　集散控制系统（Distributed Control System－DCS）集计算机技术、控制技术、通信技术、CRT技术于一体，广泛应用于生产过程控制系统。随着计算机和网络技术的飞速发展，产生了一种新型的控制系统———现场总线控制系统（Fieldbus Control System－FCS）。但国内生产企业的情况是：大多数企业还处于模拟仪表和人工控制的阶段，采用DCS控制系统的企业仍是少数。由于DCS应用广泛、技术成熟，在现有的技术条件和市场条件下，FCS还不能完全取代DCS，而且目前现场总线设备和系统还十分昂贵。因此，除了新建企业外，国内企业在较长时间不可能全面采用现场总线技术，而必须走逐步发展、过渡的道路。 　　我们在上海石化股份公司环保部水质净化厂监控系统的改造项目中，对3个生产单元已有的DCS和PLC进行改造，增加通信功能，实现总调度室对各生产装置的集中监控。 2　系统改造方案　　   根据水质净化厂各生产单元的功能和建设阶段，分为厂外调节池、污水一段、氧化沟、四期污水处理、污泥脱水、污泥干化6个生产单元。另外，在厂部设有总调度室，但是总调度室的监控水平较为落后，改造之前基本上不能对各个生产单元进行监控。为了适应生产需要，提高生产效率，改善操作条件，加强监控手段，确保各生产装置的正常运行，急需对各生产单元和总调度室进行技术和设备的更新改造，从而能在总调度室对各装置进行监视管理，及时了解各装置的运行情况，达到指挥及时和调度准确的目的。 2．1　现场监控系统的改造 　　现场监控系统的改造要充分利用原有仪表和设备，主要考虑可靠性和实时性。首先对自控程度较高的3个单元进行改造（系统结构见图2—1）： 　　四期污水处理生产单元控制设备配置了两套ALLEN－BRADELY公司PLC设备。25块开关量输入信号卡，可采集384点信号；7块开关量输出信号卡，可输出112点信号；3块模拟量输入信号卡，可采集24点信号。两套AB—PLC通过DH＋（数据高速通道）实现数据共享。在原有的现场控制计算机上分别增加以太网卡，通过以太网将实时数据送到总调度室处理。　　输出192点信号；1块模拟量输入信号卡，可采集8点信号。系统运行采用遥控开关操作与全模拟流程盘显示。在原有的Siemens S5－115UPLC上增加RS－232通讯模块（CP524）和1台现场操作站，用点对点方法连接，使PLC的数据通过现场操作站送到以太网上，与总调度室监控计算机通信。但RS－232传输速率只有9600bps，操作站仅对现场起到监视作用。

　　污泥干化生产单元控制设备采用Honeywell9200e PCS。系统配置了9块开关量输入信号卡，可采集288点信号；3块开关量输出信号卡，可输出96点信号；3块模拟量输入信号卡，可采集48点信号； 5块模拟量输出信号卡，可输出20点信号。由于现场使用的工业计算机的CPU、内存与硬盘都不能满足进行数据通讯等项要求，必须予以更新。新的计算机选用工业控制计算机，配置以太网卡，使总调度室监控计算机可以通过以太网访问Honeywell 9200e的实时数据。 　　由于3套控制系统为不同时期所建，采用了不同的PLC，不具备开放性，相互之间直接通信在技术上存在很大困难，且意义不大；并且3套装置距离较远，施工费用也将很高。综合考虑成本和效益，不再建立3个单元之间的现场级网络。对其余3个自控程度较低的生产单元，可考虑使用现场总线技术，即可方便地实现各单元之间的通信。虽然现场总线的应用从技术和成本考虑都并非如宣传的那样完美，但它毕竟是一种开放、分散、可互操作的技术和产品，代表了控制领域的发展方向。在已有的DCS系统中应用现场总线新技术，实现FCS与DCS的集成，根据不同的应用需求，可有3种模式，具体可参阅文献［3］、［4］。 2．2　上位机网络的实现 　　上位机网络主要考虑网络的可靠性、传输效率及可扩展性。Ethernet在工业领域的应用受到限制，主要是由于它采用CSMA／CD碰撞检测方式，在网络负荷较大时，网络的确定性不能满足工业控制的实时要求。但随着网络技术的发展，Ethernet在工业控制领域的应用已经得到了广泛的认可。 　　常用的网络拓扑结构有总线型、星型、环形等，由于总调度室到各生产单元之间要交换实时数据，选择星型拓扑结构，任意站点之间的通信通过交换机实现透明的转发，不存在信道共享引起的竞争问题。 　　对于通信介质的选择，由于总调度室与各个生产单元距离较远，分别为1000m、800m和900m，因此选用4芯多模室外光缆作为通信介质，它具有通信速率高、抗电磁干扰、信号传输衰减小等优点。两端采用转换器EM316E／M进行光电转换。 　　另外，由于Ethernet是目前应用最广泛的计算机网络技术，人们对Ethernet技术十分熟悉，可以降低系统的开发、培训和维护费用。同时，由于应用广泛，其硬件价格也十分低廉。目前，Ethernet网卡的价格只有Profibus、FF等现场总线网卡的十分之一。 　　采用这种网络结构，单机故障不会影响其它站点，即使网络瘫痪，各现场操作站仍可独立运行。另外，该系统具有良好的可扩展性，向下可以增加其余生产单元，向上可以和公司内各个部门互连。另置一台2900系列交换机提供10M／100M自适应端口便于扩展（见图2—2）。公司内多数事业部，如化工部、塑料部等有各自的服务器，可以很方便地浏览各事业部的主页，实现信息共享。

3　系统软件及功能　　 　　该系统上位机软件采用Intellution公司开发的iFIX组态软件。根据iFIX组件功能不同，可分为3大类：服务器软件及选项、客户端软件及选项、其它组件及Internet产品。用户可以根据需要选配适当的软件和选项。 　　上位机监控软件采用iFIXHMIPAK－Unlimited－Developer。由于数据库无数据点数的限制，系统扩展另外3套生产单元时，只要硬件具备条件，软件只需增加数据通讯接口，配置iFIX，设计相应监控流程图，数据就能为生产监控系统所用。 　　四期处理生产单元原有RSVIEW监控软件，与上位机系统的通信采用OPC方式，即RSVIEW将应该上报的数据传输到OPCServer中，iFIX和Client读取数据。 　　对于氧化沟和污泥干化两个生产单元，现场监控站软件采用iFIX2．5，然后将数据传输到上位机中。 　　系统主要通过以下几种功能方式监视主要装置的关键过程参数： 　　实时流程图：通过流程图总览画面，使全厂管理人员迅速掌握主要生产装置开、停车；实时动态地显示主要生产装置的关键过程参数。 　　实时趋势图：根据预先定义的实时趋势图，实时动态地显示关键过程参数在最近一段时间内的变化过程。 　　历史趋势图：帮助管理人员在进行质量追踪、故障事后分析或掌握生产状况时，可以对过去某一特定时间段的关键过程参数的变化过程加以了解。    异常报警：提供关键参数越限报警信息。 　　过程统计分析：提供强大的统计分析工具帮助技术人员对生产过程中的重要技术参数进行分析。 　　图形、报表打印：提供流程图、趋势图的实时打印功能。 　　总调度室模拟屏根据现场采集的数据实时仿真，可直观地反映现场生产概况。 4　结束语　　 　　本文探讨了控制系统的集成化改造，并在上海石化公司环保部水质净化厂生产装置的监控系统改造项目中实现。我们对现有的DCS和PLC进行改造，无论从经济还是技术角度考虑，都是明智之举，并为控制系统的网络化发展，实现控制—信息一体化打下基础。今后，随着企业发展的需要，必须建立完整的控制网络和信息网络，实现整个企业内部及与外界的信息共享。该项目的实现，改善了上海石化水质净化厂生产装置的控制系统，提高了生产管理水平，也为国内企业控制系统的应用和发展提供了一个可行的范例。 ［参考文献］ ［1］　孙金刚，卢志强．一种分散型控制网络系统的设计［J］．工业仪表与自动化装置，2000（4）． ［2］　吴　誉，张卫东，许晓鸣．以太网与现场总线的互连方法［J］．测控技术，2000（1）． ［3］　程晓琳，徐用懋．FCS选型及与DCS的集成［J］．工业控制计算机，2000（2）． ［4］　庞彦斌，李令琦，程　炜，赵恩平．现场总线与DCS的网络集成［J］．测控技术，1999（9）． ［5］　吴　誉，张卫东，许晓鸣．现场总线技术展望及我国的发展策略［J］．测控技术，1999（11）．