CENTUM CS 3000在硫磺焦化装置中的应用

1  前言 胜利油田石化总厂为了尾气达标排放的环保要求和产品质量升级的需要，对硫磺，延迟焦化和蜡油催化三套装置进行改造，并增设DCS系统。采用了一套日本横河电机的CENTUM CS-3000控制系统，对三套独立装置进行管理和控制。该控制系统分三个域，其中1000吨／年硫磺回收, 4000吨／年硫磺回收和酸性汽提为一域(以下简称硫磺装置；延迟焦化装置和蜡油催化装置各为一域。CENTUM CS-3000集散控制系统是一个结构真正开放得到系统，采用微软公司的Windows 2000操作系统，具有操作简单，界面直观，组态维护方便的特点。该控制系统全面提高了装置的控制管理水平，保证了总厂尾气达标排放的环保要求和产品质量升级的需要。 2  系统组成 控制系统主要包括七个操作站（HIS）、一台工程师站（EWS）和两个现场控制站(FCS)。整个控制系统共有检测回路680多个，控制回路300多个，通讯卡件2个，累计I/O总数达1000多个。装置所有过程检测数据都可在DCS上进行显示，并通过DCS对过程实现控制。系统向上与工厂信息管理网相联,向下对装置内PLC控制系统进行监控。系统配置如图1所示。 2.1操作界面站（HIS） 操作界面站又叫操作站，是过程控制的人―机接口，操作人员通过它们来监视和控制现场设备，在HIS的屏幕上，操作员可以观察到所有挂在通信总线上的各个设备状况，甚至可以观察到控制站上的某个I/O点的状况。屏幕的刷新速度为1s，HIS可以显示各种画面：如流程图、控制组、趋势等。它也可以监视设备运行状态，通过指令窗口发送指令、记录报警及其他事项和确认报警。 系统共有7台DELL WS330型操作站，其中2台 用于硫磺装置，3台用于延迟焦化装置，2台用于蜡油催化装置。由于三套装置之间相互独立，所以每个装置之间操作站设置管理和监控权限，不能相互操作和监视。另外每个装置配有串行通信接口，用来连接串口打印机打印报警和报表。 操作站采用Windows  NT操作系统，它的基本组件包括了防护及网络功能，该系统可支持Windows应用软件如Office 2000软件，用来制作报表；OPC软件包用来共享数据，这个功能使该系统与全厂信息管理网数据交换得以实现；横河CENTUM  CS 3000系统所提供的操作站软件使用权包括标准操作和监视功能，用来监视和控制现场设备等。

                                                    ( 图1) 2.2  工程师站（EWS） 工程师站是一台DELL Optiplex WS 330机架型工作站，硬件配置是在操作站基础加一套外置ZIP驱动器，以Window NT 为系统平台，运行CENTUM  CS－3000系统的标准组态功能软件、流程图组态软件、标准操作和监视功能软件，OPC Server接口软件，office2000及报表软件，主要用于系统组态、在线维护和数据传递生成报表等。 2.3 现场控制站（FCS） 系统共有AFS20D—H4221双冗余现场控制站两台，控制站的CPU做到了成对冗余，电源、通讯卡、RIO总线等做到了双重化冗余，其中一台用于硫磺回收、尾气处理及酸水汽提装置，在该控制站安装了减少现场安装电线的远程I/O结点（Remote I/0 Node），用来连接蜡油催化装置。另一台用于焦化、焦化气压机，在该控制站安装了两块通信模件，用来对焦化水力除焦PLC控制系统进行监控。 现场控制站（FCS）是横河电机新一代的控制站，运用了“成对冗余”的容错技术（spare & spare）浮点计算技术、顺控描述技术及批量控制技术等。主要完成现场数据点的采集（包括AI、DI、TC、RTD以及内部数据的交换）、控制输出（AO、DO），自动控制（包括连续PID控制和顺序逻辑控制），远程I/O控制以及网络通信等功能。 2.4 系统网络：    CENTUM CS 3000控制系统共有三种网络，即V网、E网和远程I/O网络。 2.4.1 V网（V net） V网是一个系统实时控制网，采用双冗余结构，用于连接操作接口站、现场控制站、总线转换器等设备，传输过程控制信息。每个系统总共能有16个域，每个域能支持64个站点。或总供256个站点。V网支持IEEE802.4通讯协议，同时支持10M bit/s令牌传递网络协议，其特性如下： 。传输介质：50Ω同轴电缆,通过中继器和光纤。 。冗余结构：双重化冗余结构。 。通阠协议：IEEE802.4。 。通讯速率：10mbps。 。通讯方式：总线型。 。传输距离：50 m ∽20 km。 2.4.2  E网（Ethernet） E网是一个信息通信网，用于连接操作接口站、总线转换器等设备，构成一个局域网，传输各操作接口站信息。其特性如下： 。传输介质：50Ω同轴电缆,通过中继器和光纤。 。冗余结构：双重化冗余结构。 。通阠协议：IEEE802.4。 。通讯速率：10mbps。 。通讯方式：总线型。 。传输距离：185 km。 2.4.3 远程I/O网络（RIO总线）   RIO总线用于FCU（现场控制单元）和I/O结点（Node）之间的连接，完成控制组和I/O卡件之间数据传递，其特性如下： 。传递介质：双绞线，通过中继器和光缆。 。冗余配置：双重化 。通讯速率：2 mbps 。通讯方式：总线型或多点型。 。传输距离：750∽20km 。可带节点：8个 2.4.4与 PLC 间通讯 CENTUM  CS-3000控制系统还提供了与MODBUS总线PLC通信接口:RS485接口,焦化装置内高压水力除焦系统是由一套PLC控制,利用CS 3000系统所提供通讯I/O模件,将PLC内部地址进行组态后,PLC内部的I/O数据就可以在DCS上进行检测、报警和控制，使水力除焦系统所有数据和设备状态在DCS上实现了实时监控。 3  CS 3000的主要功能应用 横河机电CENTUM　CS3000集散控制系统（DCS）是一个结构真正开放的系统，其主要功能和应用如下： 3.1 过程监视： DCS的特殊操作和监视方式采用大家熟悉的视窗式操作，用户可以定义多达2500个操作窗口；在硫磺装置中共生成13幅工艺流程图，25幅历史趋势图，18幅控制分组图等，过程数据每秒钟刷新一次，可以实时监控装置各部分的运行情况，并且可以在线定义和修改过程参数的报警及显示状态，还可以结合工艺把相关的控制调节、显示仪表合成控制分组，协调操作32个功能键分别定义了一些特定功能，方便了工艺人员的操作习惯。 3.2 模拟控制 运用CENTUM CS 3000系统的模拟控制模块，可以实现模拟量显示、单回路控制及各种串级、比值、分程等复杂回路控制，操作人员通过PID调节画面干预生产过程，可以无扰动进行手动／自动切换，串级控制切换、比值控制切换、设定报警值、改变控制参数等，还可以设置控制分组，方便控制人员的协调操作等。 3.3 顺序控制 CENTUM CS 3000系统提供了各种强大的顺控模块，如顺控表、逻辑图、开关仪表模块以及逻辑运算模块，可以实现泵、阀等开关量的状态显示，阀位及泵运行的控制；可以实现装置连锁自保逻辑；可以结合模拟控制回路进行算术判断和逻辑运算，提供模拟控制和数字控制之间的连接，扩充原回路的控制功能和范围。 3.4 数据转换与网络通讯 CENTUM CS3000采用了微软公司最新的OPC(OLE  For  Process  Control)和DDE（Dynamic  Data  Exchange）技术，使得该系统与全厂信息网的数据交换得以快捷方便地实现CS3000系统支持OPC Server功能，而在全厂信息网提供OPC Client,从而完成数据上传和接收。 CS3000系统提供了符合MODBUS总线的PLC通讯接口 RS485接口。在焦化装置中，水力除焦控制系统是由两套PLC实现的，他们独立完成各自的控制任务。为了便于整个装置的集中监视，协调操作，采用RS485通讯接口及MODBUS协议，通过CS 3000系统提供的通讯模件和系统组态，实现读取PLC内部数据，显示在相应监控流程图上，并记录各参数的历史趋势，定义各参数的报警状态，实现系统的集中监视和管理。 4   控制方案组态及应用 4.1控制方案组态原则 控制方案组态是DCS组态工作中的一个极其重要的方面，控制方案的组态，并非控制方案的设计，而是控制方案的实现。但是，由于控制方案的设计与控制方案的实现之间联系密切，故在组态前应深入了解控制方案的特点，并检查其正确性和可实现性。控制方案组态的基本原则是： (1) 保证控制方案组态的正确性。即要正确地实现设计方案所指定的功能，这是对控制方案组态的最基本的要求。 (2) 保证控制系统操作的可靠性。操作可靠性具有两个方面的含义：①在任何状态下，控制系统的切换操作（如：串级、自动、手动三种方式的相互切换等）都是无扰动的。②在任何状态下，控制系统的切换操作都是可实现的。   (3) 保证操作的灵活性和简化性。在满足上述原则的前提下，应使操作起来灵活，使得系统在不同的画面上，采用相同的实质性步骤对同一控制系统进行操作，可得到同样的效果。同时，控制方案的实现尽可能简化，以减少DCS系统CPU的负荷，更充分地发挥设备潜力。 4.2控制回路组态过程 CS3000控制回路组态是利用连线的方法将适当的控制算位模块连接起来,完成特定的控制功能,并生成一个数据文件的过程。 在实际的回路组态过程中，首先分析控制方案，找出在控制方案中所需的过程输入量，输出量，所需的功能模块以及各模块之间的关系，然后用CS3000系统所提供的组态语言编程，生成需要的控制方案。从模块功能块库中取出所需的模块，确定其功能块号，并设置功能块所需相应的参数，这是整个组态过程中关键环节和重要步骤，也是组态的主要工作量所在。最后把各模块按控制关系的结构流程连接起来进行下装，并进行测试其功能的可实现性。这就是整个控制方案的组态过程。 4.3酸性气和空气比值控制系统组态方案及实施    硫磺装置是利用克劳斯法进行硫磺回收的，主要是基于酸性气（H2S为主）在燃烧炉内和空气反应生成S和水蒸气。在该反应中如果空气过多，则生