西门子PCS7在甲醇给排水中的应用

岳宗梅

（河南煤业化工集团中原大化公司，河南濮阳 457000）

我公司煤化工500kt／a甲醇项目给排水装置，主要包括脱盐水单元、循环水单元、污水处理单元，同时负责甲醇装置区的生产水、消防水、生活水、雨水系统的运行管理。脱盐水单元设计外送脱盐水量560t／h，采用了先进的膜处理技术和离子交换除盐工艺。使用荷兰诺瑞特公司生产的超滤镜元件，除去原水中大部分悬浮物、胶体及部分有机物。使用美国陶氏公司生产的反渗透膜，除去原水中的95%的杂质，经阳床、阴床、混床进一步脱盐后作为锅炉给水。较常规离子交换除盐工艺大大减少了酸碱用量，减少了环境污染。循环水单元设计循环量为44 000t／h，采用9台上海KSB泵厂生产的循环水泵，单泵设计流量为650t／h。11座逆流式凉水塔，单塔处理水量4 500t／h。污水处理单元采用SBR序批式间歇活性污泥法，处理量100t／h。

该项目过程控制采用了西门子公司的PCS7 6.1SP1版本DCS控制系统，它采用先进的分布式客户机／服务器架构，基于标准的SIMATIC软件和硬件，支持总线冗余（系统总线和现场总线）和组件冗余（控制器、模块和PROFIBUS），支持在线组态修改和故障诊断，是新一代全集成自动化控制系统。

1 系统组成及网络结构

本项目DCS控制系统的上位机系统采用冗余操作员站服务器和客户端的监控结构，共配置了1对冗余服务器，1台工程师站，1台归档服务器，8台客户端操作站，6对冗余的AS控制和若干I／O卡件，整套系统实际提供I／O点数3 224点。DCS控制系统配置一台工程师站，用于对DCS系统进行组态调试。在DCS控制系统正常投运后，操作员站通过冗余的操作员站服务器对工艺过程进行操作和监视。

整个系统网络分为三层：各操作员站通过普通交换机与工程师站和服务器构成上层的标准以太网；工程师站和服务器则通过OSM交换机与各分散卡站（ET200M）采用冗余的PROFIBUS DP现场总线网络进行下次通讯。系统网络及节点如图1所示。

2 冗余供电方案

该项目整套DCS系统及附件采用两种规格电源：220VAC和24VDC。所有操作站、服务器、控制器、直流稳压电源使用220V电源，卡件、仪表、交换机等采用24V直流电源。

24V供电采用了两个直流稳压电源并联加二极管输出的办法进行冗余，使用220V供电的设备如操作站、控制器、稳压电源等通过冗余的两个UPS（不间断电源）分散供电，由于这些设备本身设计成了冗余双机模式，因此即使一个设备掉电也能保证整个系统正常运行（这种方式在其中一个UPS维护时非常有用）。

图1 给排水DCS网络图

UPS采用了两台20kVA的梅兰日兰品牌机型，两台UPS输入供电采用图2的冗余供电模式，两路380V电源通过开关和互投（互投型号为施耐德ATS MT160／160H1 3PBA）接入UPS。当主电源由于故障掉电时，互投自动接入备用电源给UPS供电。

图2 UPS输入供电

两台UPS的输出供电按图3分散接入不同的冗余用电设备。

图3 UPS输出供电

由于UPS本身有蓄电池组，具有冗余不间断送电功能，再加上输入电源的双路切换，这样更保证了系统供电的可靠性，同时，两台UPS的备用也为UPS停电维护提供了可能（如定期清扫卫生、充放电、更换电池等）。

3 网络冗余方案

如前所述，西门子PCS7DCS控制系统共分三层网络，上层普通以太网，中层环网以太网，下层DP网。下层DP网连接冗余控制器和冗余ET200M卡站，每个卡站两个冗余通讯卡通过PROFIBUS DP现场总线冗余通讯电缆连接到两个冗余控制器上，这样构成了下层DP网络的冗余。中层环网本身就是冗余通讯，当环网上某一节点故障时，其他节点就变成单通讯网照常工作。环网通过OSM交换机连接，由于OSM具有网络节点智能诊断功能，因此通过在流程图画面上正确的组态，可以实施监控整个环网的运行状态。当有网络节点掉线或故障时，会在操作画面上报警，工程师可在每个OSM上查找故障点。上层以太网与我们常用的局域以太网连接相似，可将操作站分开分别通过冗余交换机与两个冗余服务器连接，冗余交换机采用级联方式进行物理连接，这样，无论哪一个操作站或服务器出问题都能确保其他微机正常通讯，交换机出现问题可保证一半的操作站通讯。

4 控制器及I／O模件冗余方案

西门子AS冗余控制器由电源、中央处理单元（CPU）、通讯处理器和输入输出模块组成。冗余控制器通过两个IF光纤接口使用光纤进行冗余连接。每个控制器则通过PROFIBUS通讯处理器与分布式双边切换I／O卡站的冗余通讯卡相连，如图4所示。这样，确保了控制器的冗余和通讯冗余。

图4 控制器及通讯冗余

卡件冗余基本都能实现，但考虑到投资费用问题，我厂只对输出卡件进行了冗余配置，包括模拟量输出卡（AO）和数字量输出卡（DO）。

DO卡根据模版类型选择不同的冗余连接方式。内部集成二极管的可直接将两个DO卡的对应冗余通道连接并接负载，内部无二极管的可通过在接线端子上串联二极管实现，如图5所示。

图5 DO卡冗余

冗余的AO卡也是通过外接二极管进行冗余连接的（见图6）。需要注意的是，在模拟信号（如4～20mA）输出时，每个输出卡通道减半输出，两个冗余卡输出值加起来正好是要求的输出电流。当一个模板故障时，另一个模板全值输出，这样就保证了AO卡件的冗余。不足的是全值、半值输出切换时有小小的波动，但现场调节阀等执行机构几乎看不出变化。由于不是所有模板都支持冗余功能，所以我们在选型前，应查询手册或相关的网上信息。

图6 AO卡冗余

5 服务器冗余

服务器的冗余通过西门子的PCS7配套软件实现，冗余服务器功能与服务器相同，与服务器并行运行。每台服务器有自己的过程连接和数据归档。正常工作时，AS控制器把数据过程和消息发送到主冗服务器中。如果一个服务器发生故障，操作站将自动从故障服务器切换到正常运行的服务器上。故障服务器恢复在线后，冗余功能将履行故障期间的归档同步，传送丢失的数据到故障服务器来填补由于故障而产生的归档缺口。

6 其他注意问题

上述DCS控制系统冗余方案没有考虑工程师站和归档服务器的供电和网络冗余，主要是因为工程师站不需要一直在线，即使坏掉也不影响系统运行，有足够的时间维修；归档服务器只是存储长期历史曲线，也不影响系统运行。

由于电脑长期运行免不了出现故障，我厂关键的服务器和工程师站都采用了镜像双硬盘配置，电脑电源也是双电源，这样，电脑本身就实现了电源和硬盘的冗余，大大降低了故障率。

AS控制器的EPROM程序控制器也采用了双锂电池供电，确保交流电失电时能够不丢失控制程序。不过，对锂电池要定期检查，以便电池失效时及时更换，防止意外发生。

DCS系统的运行环境要求温度湿度要符合标准，因此，安装空调和采取防尘措施对系统的安全稳定运行是必要的。对系统微机、卡件、风扇等设备和元件要进行定期除尘。

7 结 语

本文介绍的西门子公司PCS7 6.1SP1版本DCS控制系统能够较好地实现上述冗余功能，但不代表以前版本的PCS7系统都能实现。因此，如果用户要增加冗余功能，还需咨询西门子系统专业工程师落实系统版本和各软硬件版本。

西门子PCS7 6.1SP1虽然功能强大，但软硬件组态较复杂，而且对组态的步骤顺序要求较严格，因此对组态和维护工程师的专业水平要求较高。以上部分对系统的冗余配置还需做一些软件的组态工作，因内容步骤较多不再详述。

我厂于2009年煤化工项目的给排水项目投用了该套系统。到目前为止，运行安全可靠，确保了生产的安全稳定运行。