和利时系统在中石化高酸原油项目中的应用

王晓玉 宋 蓓

(1.中国石化青岛石油化工有限责任公司，山东 青岛 266000;2.海工英派尔工程有限公司，山东 青岛 266000)

1 引言

中国石化青岛石油化工有限责任公司加工高酸原油适应性改造项目是中国石化集团2009年20个重点工程项目(其中炼化工程14项)中的重要一项。项目规模较大，由多套联合装置组成，对自控系统的产品、工程实施能力等要求非常高。此项目实际包括：500万吨/年常减压装置、1.5万标方/小时制氢装置、160万吨/年延迟焦化装置、100万吨/年汽柴油加氢精制装置、60万吨/年催化汽油选择性加氢脱硫装置(含锅炉除氧水工段)、2万吨/年硫磺回收及溶剂再生装置等。

六套生产装置的工艺操作、监视、控制、生产管理均在一个中央控制室内通过DCS的工程师站，操作员站等完成。各生产装置设现场机柜室，安装DCS的过程接口，控制站(冗余)，各种机柜及开停车维护用带工程师属性操作站等对生产装置进行控制。现场机柜室与中央控制室采用冗余光缆进行数据通信连接，全厂DCS系统由管理网络和6个局域控制网络组成安全可靠。随着装置的建成投产标志着和利时自主知识产权的HOLLiAS MACS分布式控制系统在大型石化炼油联合主装置项目应用上取得重大突破。此项目的成功实施，标志着中国石化集团在推进国产化控制系统的道路上迈出了坚实的一步。

2 HOLLiAS MACS－S概述

杭州和利时自动化有限公司为本项目提供的是第四代DCS--HOLLiAS MACS-S系列分布式控制系统，它是2005年推出的，是和利时公司在总结十多年用户需求和多行业的应用特点、积累三代DCS系统开发应用的基础上，全面继承以往系统的高可靠性和方便性，综合自身核心技术与国际先进技术而推出的新一代DCS。

2.1 HOLLiAS MACS-S系统网络组成

HOLLiAS MACS-S系统工业控制网络由三部分组成，管理网(MNET)、系统网(SNET)、控制网(CNET)。其中：系统网和控制网都是冗余配置，管理网为可选网络。

管理网络(MNET)：由100M/1000M以太网络构成，用于历史数据服务器与厂级信息管理系统(REALMis或者ERP)、INTERNET、第三方管理软件等进行通讯。实现数据的高级管理和共享系统网络(SNET)：由控制站、操作站节点(包括工程师站、操作员站等)构成。由1000M高速冗余工业以太网络构成，用于工程师站、操作站、现场控制站、通信控制站的连接，完成工程师站的数据下装，操作员站的在线数据通讯。可快速构建星型、环型或总线型拓扑结构的高速冗余的安全网络，符合IEEE802.3及IEEE802.3u标准，基于TCP/IP通讯协议，通讯速率10/1000M自适应。

控制网络(CNET)：由双冗余主控内部的I/O总线网络卡、双冗余I/O总线、I/O总线模块(每个模块内置双冗余IO BUS从站接口)。采用IO BUS现场总线与各个I/O模块及智能设备连接，实时、快速、高效的完成过程或现场通讯任务，符合IEC61158国际标准(国标：JB/T10308.3-2001/欧标：EN50170)。

网络设备：交换机：思科或赫斯曼等国际知名品牌。

通讯介质：SNET和MNET使用STP5或UTP5类双绞线，多模或单模光缆，CNET使用IO BUS专用电缆，多模或单模光缆。

HOLLiAS MACS-S系统整体结构图如下：

2.2 HOLLiAS MACS-S系统特点

a)控制器CPU采用工业级RISC芯片，基于实时操作系统，保证控制精确、实时、高效。

b)灵活的网络结构，既保证数据的一致性，又可负荷均担;功能丰富的HMI人机界面，

灵活强劲的控制软件，支持离线仿真。

c)采用多种冗余结构(网络、控制器、电源模件、I/O模件等冗余)，系统安全稳定可靠。系统为恶劣的工业环境设计，抗干扰性符合工业环境下的国际标准。

d)智能设备管理(故障诊断、精度校正、带电插拔)，完善的系统诊断信息，在线电子维护手册，维护简单方便。

e)过程I/O单元采用的智能化设计方法，将部分控制或采集运算分散到各I/O单元，提高可靠性。

f)开放的网络系统：支持IO BUS现场总线，提供标准的RS-485、RS-232、ModBUS 通信协议接口，支持 FF、CAN、HART等。

g)操作站采用通用系统平台，采用WINDOWS XP操作系统。

h)现场总线的系统设计，有效节约整体项目投资，降低运行维护成本。

i)所有I/O单元采用光电隔离以及电气隔离，各单元之间、单元与控制器之间无任何电气联系，提高系统的抗干扰能力、可靠性和安全性。

j)现场控制站的所有单元上均带有CPU，每单元均可进行周期性自诊断。

k)系统具有离线的调试和仿真功能。降低现场实施的风险，缩短现场调试时间。

2.3 仪表设备管理系统

和利时DCS系统能够集成仪表设备管理AMS系统，仪表设备管理系统包括：仪表设备组态、状态监测及诊断、校验管理和自动文档记录管理等功能。

设备管理系统包括以下几部分：

a)数据读取：HOLLiAS AMS设备管理系统完全能够自动读取系统连接的所有HART设备中的有效数据(包括生产厂商、设备型号、产品编号、名称、系列号、软件版本、地址、仪表位号、仪表规格等)。自动完成系统的数据存储和管理，自动显示系统及设备的连接状态和诊断信息。HART信号采集可在HOLLiAS MACS-S I/O接口或端子上实现，不需要采用外配数据采集设备的方式。

b)设备组态：HOLLiAS AMS设备管理系统能完全兼容标准HART设备的通信和数据交换，采用简便易行的标准化组态方式。使用标准化的数据库和文件方式，并可采用标准化的设备描述文件，增加当前数据库外的或新品种的标准HART设备。

c)软件基础：HOLLiAS AMS设备管理系统完全能在PC机上运行。

d)模板方式：HOLLiAS AMS设备管理系统能采用模板方式建立或传送仪表组态显示数据，可自动对应不同类型智能设备，完整地显示仪表数据和诊断状态。

e)操作记录：智能设备管理系统能够自动记录和存储智能设备参数的修改数据、修改过程、修改时间和修改人员，修改过程须有确认功能才能进行。修改记录不可删除，但可以读取、显示。

f)用户管理：HOLLiAS AMS设备管理系统具有用户管理功能，可以设置不同权限的用户和密码，保证操作管理的安全

h)非智能设备管理：对非智能设备，HOLLiAS MACS-S将采用人工输入的方式建立仪表管理档案。

i)预测维护管理：HOLLiAS AMS智能设备管理系统具有预测维护管理的功能。根据仪表运行时间和诊断信息，预测维护的时间，内容和计划等。

3 系统配置说明

3.1 配置原则

a)冗余原则

系统具有完备的冗余技术，包括设备冗余和工作性能冗余。所有冗余设备在线切换不影响系统运行。

各级网络通信设备和部件1：1冗余，控制站的控制器等功能卡1：1冗余，所有电源设备和部件1：1冗余，多通道控制回路的I/O卡1：1冗余。

每个操作站有独立的计算机主机，操作站之间具备工作冗余的功能，具有在线故障诊断、报警、自动切换及维修提示。

b)控制站配置

控制站按工作区或装置(单元)配置，将同工作区或装置(单元)的控制回路和检测回路放在同一控制站中，各控制站I/O卡件插槽预留20%的余量。可燃气体、有毒气体报警检测器的I/O卡件为独立卡件。各类系统机柜已经预留20%的备用安装空间(不安装设备)。

c)控制站负荷

当控制站满负荷时，系统的电源、软件、通信负荷和其他各种负载的裕量≥40%。控制站的负荷≤50%。

d)I/O卡配置

I/O卡输入电路带电磁/光电隔离，I/O卡的通道为隔离型，符合IEC61000或SAMA PMC33.1标准。

3.2 冗余技术

a)通讯网络冗余

HOLLiAS MACS-S的硬件系统的网络分为两层：系统网络(SNET)和控制网络(CNET)。主控制器是系统网和控制网之间的枢纽。

系统网采用实时工业以太网与工程师站/操作员站连接，构建高速冗余的安全网络，符合IEEE802.3及IEEE802.3u标准，通讯速率10/1000M自适应，传输介质为带有RJ45连接器的5类双绞线或光纤，基于可靠的工业以太网通讯协议。

控制网络采用通讯总线与各个I/O模块及智能设备连接通讯，符合 IEC61158国际标准(国标：JB/T10308.3-2001/欧标：EN50170)。采用主、从站间轮询的通讯方式。适用多种通讯介质(双绞线、光纤以及混合方式)，双绞线最大通讯距离1.2km，单模光纤最大通讯距离10km，具有完善的诊断功能。

b)控制器冗余

控制器选用工业级低功耗CPU，采用无风扇设计，正常运行功耗小于5W。CPU与存储器均采用表面贴装或DIP插装方式，抗震性能高，长期可靠运行。

控制器采用主备双模冗余配置，硬件冗余切换和故障自检电路。两个控制器进行热备份，采用主备运算同步方式，实现无扰切换。

两个控制器同时接收网络数据，同时进行控制运算，并且控制运算保持同步，保证双机的事件变量及积累运算值均相等，只有一个输出运算结果。当主控制器发生故障，备份控制器自动无扰切换到工作状态。

控制器设有独立的硬件看门狗电路，用于监视各个任务的运行状态。当出现异常时，触发看门狗动作，故障工作主控制器降为从控制器，同时原备份控制器升为主控制器。

c)系统电源冗余

电源模块是AC/DC转换设备，采用开关电源技术，实现220VAC到24VDC和/或48VDC的转换，为主控制器和I/O模块等现场设备提供纯净的电源。

电源模块内置均流冗余电路，通过在输出端串联肖特基二极管，可以两台或多台冗余配置、并联运行，实现1：1或N：1均流冗余，并且平均分担负载。一般按1：1冗余，可以直接接双路AC220电源，也可用双路220VAC电源切换装置接入两路AC220电源。

d)I/O模块冗余

模拟量输入设备、输出设备与配套端子模块使用，实现I/O设备的冗余配置。

模拟量输入模块冗余配置时，采用双通道采集输入，将结果进行比较，同时判断输入通道的正确性。

模拟量输出模块采用双机热备分，自动分配主从，并设有冗余切换机制。硬件自动比较输出结果的一致性，进行自检。

4 和利时系统在实际应用中发生的问题及解决方案

和利时系统自2009年9月开工以来，在实际运行中单个装置出现过网络通讯负荷较大，系统的通讯效率降低，短时间网络拥堵的问题。具体的现象表现为操作站从控制器读取数据时间延长，并发生过一次单个装置操作站黑屏死机数秒的故障状况。

故障发生后和利时公司派专家组来进行故障调研，并认真检查系统的各项运行指标，并结合比较其他先进DCS通讯技术的提出了整改方案。原系统的通讯机制为操作员站和控制器之间周期通讯全部的测点值，无论该测点是否在画面上使用。因此，在任何时刻，打开任何画面，其上的测点值都是在“0秒”内就会刷新为实时值。由于此项目测点数量巨大，因此这种方案存在一个问题：网络通讯负荷较大，当系统规模变大后，系统的通讯效率会变低，甚至有时会造成短时间内的通讯堵塞。

经过系统升级后，采用了新的通讯机制：操作员站和控制器之间不再周期通讯全部的测点值，仅仅通讯当前用户打开的全部画面上使用的测点值。当某个页面刚刚打开时，操作站就会立即与控制器去通讯，并取得最新的数据，这个时间大约需要200～500ms左右。完全满足生产操作的需要。从而解决了较大规模系统的通讯拥堵问题。

5 结束语

和利时HOLLiAS MACS系统在中国石化青岛石油化工有限公司加工高酸原油适应性改造项目的应用是国产DCS系统的成功应用实施，为中国石化产业的长远持续发展提供重要保障。石油、化工行业为国家的重要经济支柱产业，关系到国家的战略安全，国产DCS系统的成功应用打破国外垄断，提升我国整体装备制造业的水平，具有重要战略意义。

［1]HOLLIAS SM系列使用手册2004