ABB AC800F 型集散控制系统在煤化系统中的应用

1 引言

　　青海某责任有限公司投资新建一个100 万吨/年焦化项目。由于地处高原，为了提高产率，保证系统持续的安全、稳定运行，在该公司选中了广泛使用的ABB AC800F 系统。ABB AC800F dcs 系统是基于工业IT（Industrial IT）的控制平台，它的工业自动化水平较高，采用开放的一体化控制器、最新技术和标准，具有信息总和，高工程效率，高级可升级的解决方案，开放的通讯，既插既用等特点。又同时具有开放的一体化控制器、全局化的数据管理系统，是世界领先的集dcs 和PLC 优点于一体自动化控制系统。

　　2 项目简介

　　该公司是一个集采矿、选矿、冶金、煤化工产业为一体的综合性大型民营独资企业集团。为了适应恶劣环境，考虑到现代企业的信息化和自动化，及可持续发展的需要，在新建的100 万吨/年焦化项目中应用了最新技术，选择了ABB AC800F 控制系统，该系统具有Industrial IT 控制平台，并基于现场总线，提高公司的信息化和自动化水平。I/O 模件选用了S800 系列作为分布式过程站，使工作更加轻松。

　　3 AC800F 控制器的特点

　　AC800F 控制器是ABB 公司推出的一套世界领先的自动化控制系统，集dcs 和PLC 优点于一体，并支持多种国际现场总线标准。它既具备dcs 的复杂模拟回路调节能力、友好人机界面（HMI）及方便的工程软件，又具有与高档PLC 指标相当的高速逻辑和顺序控制性能。系统既可连接常规I/O，又可连接Profibus、FF、CANModbus 等各种现场总线设备。系统具备高度的灵活性和极好的扩展性，无论是小型生产装置的控制还是超大规模的全厂一体化控制，甚至对于跨厂的管理控制应用，都能应付自如。该系统升级到V7.1 版本或以上版本后，系统容量可以达到无穷多点（超过100 万个I/O），今后如果系统需要扩展，可直接在这个基础上增加I/O 或现场总线仪表，利于今后的发展。AC800F系统将ABB 控制系统从传统的过程自动化控制概念提升到基于面向全厂信息化的工厂生产管理系统，其目的是实现在最恰当的时间及最合适的角度向用户各级人员提供他们需要的最准确及详细的信息，使他们能够高效率的运行工厂生产。该系统可分为操作管理级和过程控制级。操作管理级包括操作站OS、工程师站ES、网关GS。

　　在操作管理级上不仅可以实现传统的控制系统监控操作功能（预定义及自由格式动态画面显示、趋势显示、弹出式报警及操作指导信息、报表打印、硬件诊断等），而且能完成配方管理及数据交换等管理功能。过程控制级可以由一个或几个过程站组成，每个站都包括AC800F 和扩展I/O S800 单元。

　　过程站CPU 和I/O 单元均可以配置为冗余或不冗余系统，系统具有各种I/O 模块可以与现场各类过程信号相连接。

　　比较于其他集散控制系统，结合AC800F 控制系统的发展历史，我们总结了系统的新技术如下：

　　（1）开放的现场总线技术

　　虽然该项目暂时没有用现场总线型现场仪表，为了利于用户今后的发展，我们预留了总线硬件接口。在软件方面ABB AC800F 控制器的Profibus 模板支持DPV1。标准模件与纯DP 标准模件相比增加了对仪表的组态能力，这样无须安装各种仪表的专用组态软件，仅导入每个仪表的设备参数文件（GSD 文件）,就可以实现在统一的系统编程软件下对所有PA 标准的仪表的参数编程组态的功能，该功能有效节省软件成本，提高工程组态的效率。

　　（2）开放的控制功能

　　该系统控制器采用RISC 处理器芯片，程序采用任务运行方式，每个任务都可以设定运行的周期和运行优先级。所以既可以满足复杂调节回路控制要求（一般要求控制周期较长），又可以满足快速电气开关量控制，从而一个控制器就可以覆盖工厂所有环节控制要求。编程时预留了大量的用户自定义的控制功能块，根据今后生产的需要，用户可以自己添减功能，而IEC61131-3 编程标准的应用，使用户只要有一些基础知识，就能很快熟悉该系统编程。

　　（3）系统全局数据库技术

　　系统全局数据库核心技术即“分散存储，全局管理”。系统编程软件仅为项目生成一个项目文件，虽然每个控制器均开辟一定空间作为数据变量存储区，但在系统编程软件上仅为一个全局系统变量表操作员站与过程站之间的数据交换无须数据库转换编程为直接存取，变量的修改与检查也是系统全局，系统的过程站与操作员站的组态为一套软件。整个工程自控部分的安装调试开车只用了两三周的时间，这是一个很重要的因素。

　　（4）开放的TCP/IP 协议

　　以太网技术在操作员站、工程师站和过程TCP/IP 协议以太网模件，这样使系统无须增加设备就可以与工厂局域网连接，由于系统支持标准DDE 和OPC 数据交换标准，使系统与各种第三方数据库或软件的数据交换将更加容易。

　　（5）系统易于扩展

　　系统软件无资源限制，用户今后如果需技术改造,新增加控制点、过程站，工程师站软件无须重新购买，编程时仅在原项目文件项目树下添加几个资源即可，方便了用户今后的系统扩展和长远发展。

　　（6）中文界面

　　系统菜单，操作面板，系统字符表及系统提示信息均为中文。

　　4 S800 I/O 站的特点

　　Industrial IT 的I/O 模件均为自带CPU 的智能化模件，主要功能是进行信号调理及A/D、D/A转换、并完成包括线性化、工程单位转换在内的各种数据预处理。

　　S800 I/O 作为分布式过程I/O 站，为模块设计，经济，灵活，易于安装，接线，可直接与传动系统连接。其模件及接线端子可任意组合以适用于不同空间及应用要求。

　　S800 I/O 可通过Profibus DP 或ABB AF100 现场总线实现与高一级控制系统的通信。同时可与ABB 传动设备连接，模件状态有状态显示等现实，也可通过现场总线远程诊测。数据通过现场总线按照一定周期扫描I/O 模件，根据模件类型扫描周期定为4-108ms。S800 I/O 具备全冗余功能，包括总线接口模件冗余，总线介质冗余I/O 模件冗余。可实现无扰动切换，所有输出可强制或预设定。I/O 模件通过机械锁定键与接线端子锁定，所有模件均可带电插拔。提供本质安全模件及HART通讯，把HART 协议转换为Profibus-DP V1,同时可以使用DTM 进行组态。各模件及通道状态显示等易于错误诊断，所有模件注塑成型，防护等级为IP20。S800 I/O 站为导轨式安装，即可水平安装，也可垂直安装。紧凑型和扩展性端子可混合安装在一起。选用扩展电缆可使安装更为灵活以适用不同安装空间的要求。

　　5 系统组成方案

　　系统配备了四个过程站和八台操作员站：工程师站使用工控PC机（也可使用便携机）作为调试设备，按照煤化工艺和现场的布置图，我们共建立了4个过程站；系统操作员站运行在工业PC机上，基于MS Windows NT平台的全中文Digivis软件包开发的操作界面，其图形操作接口增强了系统的使用与操作功能。 此外，还可以提高PC机的外部设备指标如:显示器、打印机、鼠标及键盘等，使系统操作更方便。根据厂方要求对应四个过程站分别建立一个或两个操作员站，每个操作员站只可以监视和操作相应过程站的信息。具体结构如图1所示。

整个系统设计安全、可靠。工业以太网采用冗余网络拓扑结构具有高可靠性和安全性，当操作员站、工程师站关闭一台或全部关闭，只要过程站不停，系统不会停机；而过程站采用双机热备份的冗余方式，在控制器EI模件都可以放置电池，这个电池可以在断电的情况下维持20毫秒的正常运行，当一个控制器出现错误，系统会自动切换到另一个控制器，实现主从AC800F控制器之间的平滑切换及同步，所以整个系统安全性很高。 不仅控制器可以冗余，所有的输入及输出均支持冗余配置，这样可以进一步提高系统的可靠性。但如果使用输入输出冗余就会增加成本，所以我们只使用了控制器冗余。

　　AC800F控制器系统通讯模板为标准TCP/IP协议以太网模件，这样使系统无须增加设备就可以与企业局域网连接，由于系统支持标准DDE和OPC数据交换标准，使系统与各种第三方数据库或软件的数据交换将更加容易，给现场的实时数据管理和企业的信息管理系统带来方便。

　　6 工艺实现

　　根据其工艺过程将分为:“筛焦系统”、“备煤”、“脱硫及硫回收”，“硫铵”、“洗脱苯”、“综合给水”、“生化处理”、“炼焦”、“制冷站”、“空压站”、“罐区”等岗位站。在系统设计时以岗位站设计流程图画面。在画面中我们制作了很多的宏库，这样既方便我们绘制操作员画面，又可以保证画面的统一、美观。在操作员站的操作界面制作了多个动态显示的棒图，既形象描述了变量的变化，又避免操作员的视觉疲劳，画面里还制作了很多的图形符号。这些图形符号不但可以表示当前变量的状态，而且操作员也可以通过这些符号来调用相应变量的操作面板，用软件逻辑控制，控制泵的开关、手自动切换，及变量的预定义值或操作值。

　　焦炉在焦化行业是一个关键，其炉内温度直接影响着炼制的焦炭质量，所以我们必须保证炉内温度稳定在一个可靠的范围内，因此对焦炉烟道及煤气主管内的压力控制我们采用了复合控制方式，即前馈加反馈/手动切换的方式实现控制要求。洗脱苯冷凝液贮槽内的液位、蒸铵塔塔顶温度和铵水的PH值等温度进行了自动调节制，由于许多调节回路的SP值（设定值）是一个不确定的数，需根据不同时期的要求不同；在PID调节与手动/自动切换的设计上，我们设计成手动时SP跟踪PV，自动时根据切换时的SP值调节工艺过程值，这样当操作员由手动调节工艺过程值切换到自动即可立即以这个工艺值进行调节。利于操作人员进一步摸索提高工作效率的方法。

　　在操作员站的操作界面上，制作“蒸铵塔底压力”、“再生塔液位”等重要变量的趋势图，有利于操作员直观的观测重要数据的变化趋势。我们使用了信号顺序功能来记录各操作的变化过程，其最快的扫描周期为两毫秒，这样我们就可以清楚地记数据的变化顺序，当有事故发生时我们可以参照这些数据来分析事故原因。我们还制作了数据库来累计记录“备煤”、“筛焦”、“罐区”等工艺过程中的重要变量，企业可以依据数据分析生产过程，优化生产过程，不断提高效率。

　　系统中设计了OPC标准软件接口，为企业的现场数据管理提供了基础。同时为企业实现信息化管理提供了保障。

　　7 小结

　　现该厂已经投入生产，按照设计要求，整个系统设计为年产焦炭为100 万吨/年，dcs 控制系统为实现该目标提供了保障。ABB AC800F 型集散控制系统运行稳定、可靠，同时给企业的信息管理带来方便。实践证明dcs 控制系统在提高劳动生率、提高产品质量、避免事故等方面做出了贡献，为企业带来的经济效益非常可观，达到了用户满意的效果。