纯碱生产装置的 ＤＣＳ系统升级改造
发布时间：2021-06-21
摘要：基于“和利时集成化系统平台1.0”一期90万t/a纯碱工程原Smartpro3.1.3DCS控制系统升级改造为最新版本MACSV6.5.2系统工作，对控制系统原状、出现问题，提出符合该项目DCS系统升级改造的必要性，可行性，技术要求，新系统升级改造后的功能、特点，以及在同行业当中的影响力等，进一步提升了企业在同行业当中的竞争力、影响力。
关键词：DCS控制系统;纯碱;生产装置;可行性;功能;升级
1DCS控制系统升级改造前状况
青海发投碱业有限公司一期90万t/a纯碱装置DCS控制系统于2004年7月至9月在工厂组态调试，2005年10在生产装置投运至2016年，已连续运行11年时间，使用的是杭州和利时自动化有限公司(以下简称和利时)Smartpro3.1.3SP2系统版本。2010年和利时就将此版本定位为退役系统，已停止对该软件的后续开发、技术支持、问题解决等。如现场出现新的软件问题，只能采取软件升级补丁等措施，而不能彻查其原因并解决。
2015年在检修期间，和利时对DCS系统进行全面检测，发现模块精度不合格率达80%，系统运行、控制缺陷问题较多。现场计算机型号为DELL745、780、755、790，已连续使用11年，计算机各方面性能已临近报废期限，存在较大隐患。windows2000、windowsXP系统已于2010年底停产，目前市面上所有计算机(DELL、HP等)品牌的工业计算机都已不支持windows2000、windowsXP系统，DCS系统计算机故障瘫痪，将无法找到同档次的计算机代替，而且Smartpro3.1.3系统软件不支持windows7系统，交换机使用的是TSC-1016，D-LINK，已连续使用11年，交换机各方面性能已临近瘫痪期限。随着近几年DCS现场网络安全、网络风暴等大量问题暴露，防网络风暴的安全交换机也是DCS系统必备的设备。
2系统升级改造的可行性
本公司纯碱装置DCS控制系统从2005年出厂至2016年已运行11年，设备问题、系统问题也越频繁的暴露出来，热备用控制单元不能有效切换导致系统死机或瘫痪、通讯中断。操作站计算机系统版本低、老化死机、通讯故障等系列问题，影响生产稳定运行，严重时造成产量损失。杭州和利时公司在多年里随着不断地实践研发，在之前DCS系统的基础上，已开发出功能更强大，可靠性更高的MACSV6.5.2系统，通过众多现场运行，得到了广泛好评。
MACSV6.5.2系统相对Smartpro3.1.3系统有了众多改进，完全能解决Smartpro3.1.3系统上出现的所有问题，对DCS系统的稳定运行起了必要的保障作用。和利时有大量的开发力量投入在MACSV6.5.2系统中，是和利时自主研发的一套系统，代码开放，一旦发现问题，能很快有效的解决。
MACSV6.5.2系统是目前和利时公司最先进的控制系统，在2012年后的新建125MW以上的电厂，都采用此版本，且运行稳定、可靠，国内大型600MW机组以上的机组都有成功应用的案例和经验可以借鉴。
3升级后MACSV6.5.2系统主要功能特点
3.1系统高可靠、安全
MACSV6.5.2系统高可靠的设计理念，采用安全系统设计理念，如信号质量位判断、故障导向安全，提高系统可靠性。多重隔离技术，系统总线和模块之间采用光电隔离;模块工作的系统电源和现场两线制仪表电源双隔离供电;模块通道之间故障隔离;网络具有物理层和协议层双重隔离。适应恶劣环境，系统基于恶劣的工业环境设计，符合EMC的设计规范，抗干扰性符合工业环境下的国际标准IEC61000，系统防腐蚀能力满足ISAS71.04标准G3等级要求。网络安全性技术，系统网络采用确定性实时以太网通讯协议，标配带有防火墙的交换机，确保网络安全。
3.2工业级芯片，冗余设计
控制器CPU采用PowerPC构架工业级芯片，基于实时操作系统，内置防网络风暴组件;采用多比特位开关量和信号质量判断，故障导向安全。全面诊断技术，控制站和I/O模块均带有智能自诊断单元，所有类型的故障，如通信、断线、短路、超量程等都可以被检测并及时上报到操作员站。失效安全技术，整个系统遵循安全设计理念，逻辑计算之前进行信号质量验证，故障时输出可以自动切换到预先设定的安全值;可支持ECC内存错误检测。
全冗余设计理念，系统组件包括系统网、控制网、控制器、电源模块、I/O模块、历史站均可冗余配置。
3.3电磁兼容性、抗干扰能力强
电磁兼容性强，系统基于恶劣的工业环境设计，抗电磁干扰性符合IEC61000，全部模块均通过ICE认证。先进的系统架构，系统支持Peer-to-Peer(对等网)、C/S(客户机/服务器)、Peer-to-Peer和C/S(混合)三种系统网络结构，并支持星形、环型或总线形拓扑结构的工业以太网连接。现场总线技术，支持HART、Profibus-DP、Profibus-PA、Modbus等各类现场总线协议。
3.4完善的系统状态和信息诊断
系统提供了完善的系统状态和诊断信息，用户使用方便，易维护、易更换。全部硬件模块具备硬件热插拔、在线下装和在线电子维护手册，为客户提供了方便且安全的现场维护。遵循国际标准，符合IEC61131-3控制算法编程软件，支持CFC、SFC、LD、ST组态语言，支持用户自定义各类功能块和脚本语言。
3.5功能、结构强大
全面的在线组态功能，MACSV6系统任何组态修改均可在线完成，包括对控制算法、硬件配置的增加、删除、修改，系统数据库、图形组态、系统配置等各项组态内容的修改，均可做到在线无扰下装，大大提高了系统的可维护性和可用性。MACSV6系统支持多工程师站协同组态功能，在超大型项目实施过程中可以保证多人同时协同工作。支持大型系统应用，MACSV6系统支持多域结构，最大支持15个域，最大可支持983，025个数据库点。
3.6一体化解决方案，系统资源整合性强
保护用户既有投资，MACSV6系统向前兼容和利时FM、SM系列I/O模块，可方便地进行老系统升级，同时可以实现与旧版本软件的多域混合使用，系统资源整合性强。MACSV6系统可以与和利时的其他产品，包括：HOLLiASAMS(资产管理系统)、BATCH(批量控制)、APC(先进过程控制)、SIS(安全仪表系统)、MES(生产执行系统)、OTS(操作员仿真培训系统)、CCS(压缩机控制系统)、ODS(操作数据管理系统)、WIS(无线仪表系统)进行无缝地集成，为用户提供一体化解决方案。
4升级改造的系统规模概述
4.1系统升级规模
本次DCS控制系统改造升级包括热电(两台汽机ETS由PLC控制并与DCS通讯)、化工(7台石灰窑由欧姆龙PLC控制与DCS通讯)两个部分，与年度大修同步进行。本项目为DCS系统目前在国内纯碱行业运用规模较大的DCS系统，物理I/O点数上万点、现场控制站配置28对冗余控制器、多达33台操作员站、7对冗余历史数据服务器(可兼做操作员站)、控制柜47面。采用了目前世界上先进的现场总线技术(ProfiBus-DP总线)，成熟先进的控制算法，域间通过冗余的光缆与中控室三层交换机连接并通讯，整个系统中任何一台计算机均可通过不同权限的登录完成对系统其他域的监视与操作，真正做到分散控制、集中管理。
4.2系统升级内容
DCS系统及升级改造工作不更改原有的DCS系统各站的所有功能(操作、显示、报警、趋势显示、历史趋势历史数据显示和查询等)，将原SmartProV3.1.3版本升级为最新MACSV6.5.2版本。DCS逻辑，画面全部重新组态。在此，因原系统是2005年投运，运行时间较长，原来的预留的备用通道几乎用尽，根据公司生产部和技术质量部提出的新增控制点数，在前期组态一并完成。
4.3系统改造时间
本次系统升级改造在2016年5月份与生产系统停车大修一并完成，时间安排上比较紧张。整个工期计划为5天，化工、热电两部分同时进行。
4.4热电升级部分
1)升级更换操作员站及工程师站，将现有操作员站及工程师站电脑更换为微塔式PC机/680G1/i3-41503.5GHz/4G/500G;DVDRW/HDGraphics4400/键鼠/无OS/3年，数量为12台(含远程操作员站)，升级操作系统为Windows7专业版32位。
2)升级更换历史站，将现有历史站电脑更换为塔式工作站/T5810/E5-1603v3/4G/500GSATA7.2k/DVDRW/FireProW2100/键鼠/无OS/3年，数量为6台，升级操作系统为Windows7专业版32位。
3)升级更换交换机，将现有交换机D-LINK更换为GM010数量为4台，增加2台交换机以完成域组态的变更。
4)升级更换主控单元，将现有FM801主控更换为FM820主控单元，主频为400MHz，DRAM为128MB，SSD(固态盘)为16MB，更换新主控FM820后可使负荷率降到20%以下，可以使系统运行的更稳定，数量为16台。
5)升级更换机笼，将现有FM301机笼更换为FM320机笼数量为8台。
6)汽轮机ETS系统改造工作利用原有PLC机柜及不更改原有ETS系统的所有功能。本次两套ETS系统将原有FM214系列PLC软、硬件更换为杭州和利时自动化有限公司LM系列PLC软、硬件。
7)系统组态升级：
①监控画面重制、优化，所有画面全部重新组态及制作，重制原则为保留原有画面的风格(颜色、布局、字体大小、操作窗口等)，遵循MACSV6系统组态规则的前提下，尽量不改变原有操作习惯。画面优化，根据工艺要求进行修改。
②控制逻辑重制、优化，所有控制逻辑均需全部重新组态及制作，重制原则为实现全部原有系统功能，遵循MACSV6系统组态规则和方案库的前提下，尽量不改变原有操作习惯。
③系统分域重组，本次升级将对热电原有分域进行重新划分，原系统分域情况，1～4#炉为1个域，5#炉、1～2机、公用为1个域，将热电域重新划分为：1～5#炉为一个域、1～2#机为一个域、公用为一个域，新上脱硝系统为一个域，大大提高了系统的利用率和稳定性。
④通讯恢复，升级后保证了DCS系统与电气综保系统数据的通讯正常。
4.5化工升级部分
1)升级更换操作员站及工程师站，将现有操作员站及工程师站电脑更换为微塔式PC机/680G1/i3-41503.5GHz/4G/500G;DVDRW/HDGraphics4400/键鼠/无OS/3年，数量为21台(含远程操作员站)，升级操作系统为Windows7专业版32位。
2)升级更换历史站，将现有历史站电脑更换为塔式工作站/T5810/E5-1603v3/4G/500GSATA7.2k/DVDRW/FireProW2100/键鼠/无OS/3年，数量为8台，升级操作系统为Windows7专业版32位。
3)升级更换交换机，将现有交换机更换为GM010数量为16台，增加三层交换机WS-C3750X-24T-S，两块(放置在调度室作为域间互联)。
4)升级更换主控单元，将现有FM801主控单元更换为FM820主控单元，主频为400MHz，DRAM为128MB，SSD(固态盘)为16MB，更换新主控FM820后可使负荷率降到20%以下，可以使系统运行的更稳定，数量为40台。
5)升级更换机笼，将现有FM301机笼更换为FM320机笼数量为20台。
6)系统组态升级：
①监控画面重制、优化，所有画面均需全部重新组态及制作，重制原则为保留原有画面的风格(颜色、布局、字体大小、操作窗口等)，遵循MACSV6系统组态规则的前提下，尽量不改变原有操作习惯。
②控制逻辑重制、优化，所有控制逻辑均需全部重新组态及制作，重制原则为实现全部原有系统功能，遵循MACSV6系统组态规则和方案库的前提下，尽量不改变原有操作习惯。
③通讯恢复，升级后保证系统与石灰工段7台石灰窑PLC的通讯正常。
④将原来的石灰车间和压缩车间分域，形成两个单独的域，增加单模光纤收发器四台(与调度室通讯)。为保证系统安全，将石灰车间和压缩车间原有的操作员站升级为历史站，共两台。石灰控制室至调度室因分域所需的光纤由我方仪表人员铺设熔接。为提高系统安全性和可靠性将原有网络结构进行了变更，将包装工段连接至轻灰工段、将盐水工段连接至碳化工段。此网络数据光纤敷设、熔接由我方仪表人员在系统大修升级前准备完毕。
4.6升级为MACSV6.5.2后DCS系统组态
1)数据库组态，做好化工、热电工程数据备份，清查现有数据库中的物理点和中间点。出厂前完成数据库的优化、校对工作;
2)配置组态，把重新编制的工程数据点导入到MACSV6中，生成系统网络图和I/O详细模块点表图和DCS系统监视图。
3)算法组态，按照以站为主，以功能为辅展开组态，同时要遵循MACSV6系统组态规则和方案库完成算法组态工作。算法组态工作在出厂前完成静态单体调试和联调、功能验证。
4)涉及到因设备改型或更换等原因，要重新设计控制的算法组态或其他配置，与我方的相关专业技术人员详细沟通后再确定组态方案及联锁。
5)画面组态，备份原操作画面，画面风格沿用原来操作画面风格(颜色、布局、字体大小、操作窗口等)，必要时可根据现场工艺的要求调整画面的风格。
6)图形组态，在出厂前完成画面组态100%工作，并进行画面单体和联调工作。
以上六项的组态工作安排在出厂前完成，为现场调试和开车争取时间，待现场调试时再对其进行修改完善，直到完全满足现场生产要求，整套系统投入生产，正常稳定的运行。
5升级改造后达到效果及影响
通过DCS系统升级改造后，系统的兼容性更强、人机界面更友好、系统容量更大。系统运行至今对热电和化工区自动化控制水平及机组、设备的运行效率、性能和工艺水平有了进一步的提高，降低控制系统的故障率，维护率。使机组、设备的可利用率大大提高，为公司化工生产的安全、稳定、可靠、经济的运行提供了保障，同时减少了操作人员的劳动强度和工作量，为企业实现节能降耗、增产增效创造条件。因此，此次公司生产系统的DCS控制系统升级改造工程是经济的、可行的，更是成功的。——论文作者：巨克选，王向钊，白德俊，周尚昆
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