生产控制远程网络监控系统的研究与应用

杨 跃

（云南大为制氨有限公司 电仪中心，云南 沾益 655338）

0 引言

公司建有50万吨/年合成氨装置1套，53000Nm3/H空分装置1套，130T/H锅炉装置4套，220T/H锅炉装置1套，30万吨/年尿素装置（C尿素装置）1套，脱硫脱硝装置1套。2017年通过资产业务重组，又并入18万吨联碱/年装置1套，13万吨/年尿素装置（A/B尿素装置）两套，48000Nm3/日污水处理装置1套。装置建设时间有的前后相差近20年，采用的DCS控制系统类型和生产厂家不尽相同，公司DCS控制系统主要采用以下几种类型：

1）合成氨装置、空分装置、30万吨/年尿素装置：采用了3套横河CS3000 DCS系统，为了便于维护管理和数据共享，2016年通过对控制系统软件硬件升级改造，合并为一整套大型DCS控制系统并升级到CENTUM VP。

2）130T/H锅炉装置，220T/H锅炉装置与脱硫脱硝装置：原来采用3套独立的横河CS3000 DCS系统，2016年利用全厂停车机会合并为一整套控制系统并升级到CENTUM VP。

3）A/B两套13万吨尿素/年装置：B尿素装置采用浙江中控JX300XP控制系统；A尿素装置采用UDC6000智能调节器+AIMAX工业控制机进行控制，由于使用时间长（20年），买不到备件，公司计划采用浙江中控JX300XP对A尿素系统进行改造，将两套系统合并在一起，可以精简操作人员，提高生产效率。

4）污水处理装置：采用浙江中控GSC-2 DCS系统。

5）联碱装置：采用霍尼韦尔HC900控制器+AIMAX工控机控制系统。

公司内部设立有全厂生产调度室，负责统一指挥各个生产装置的开车、停车，生产运行调整监控。通过利用现有设备和通讯网络进行改造，将不同的控制系统信号集中到生产调度室和网络平台进行显示和监控，以便于公司领导和调度人员准确了解生产装置实时运行状况，及时对生产进行调整，减少开停车时间，对异常情况进行处理，确保生产装置正常稳定运行，提高经济效益。

1 设计选型分析

远程通讯由于距离远，通常采用光纤进行连接，通讯协议有标准或专用以太网、MODBUS RS485、MODBUS TCP/IP等，远程网络监控系统可以采用远程操作站、OPC上位机、MODBUS上位机等网络架构。

由于各个控制系统生产制造厂家不一样，为了实现它们之间的通信，主要采用MODBUS和OPC协议，最常见的是MODBUS，最好的通信方法是用OPC[1]。

1.1 远程监控系统网络通讯方式

2017年，48000m3/d污水站，联碱装置、AB尿素装置先后并入公司，为了加强管理，公司要求将上述装置DCS监控信号引入生产调度室进行集中显示，通过分析研究，可以采用以下3种通讯方式进行远程监控：

1）远程DCS操作站方式

将DCS系统信号引入生产调度室进行集中显示，并通过权限设置，远程操作站只能监视，不能控制。优点是与操作站监控画面一致，不用重新进行编程设计组态，工作量小，实施方便，只需要增加操作站电脑和软件授权。不足之处是只能显示本DCS系统的信号，不能实现信息共享，其它装置操作人员不能查看该DCS的信号。

2）OPC通讯方式

OPC数据通讯量大，数据更新速度快，每秒可同时通讯达到数千上万点。缺点是如果没有采用隔离网关，不同DCS系统之间容易相互传染病毒，而且OPC软件由DCS厂提供，价格较贵。

3）MODBUS 通讯方式

图1 光纤网络结构Fig.1 Fiber optic network structur

图2 污水站DCS与主装置DCS通讯网络结构Fig.2 DCS communication network structure of DCS and main device in sewage station

MODBUS主要分MODBUS TCP/IP 和MODBUS/RS485两种，MODBDUS TCP/IP采用以太网通讯，通讯速度快，通过光纤及光纤收发器可实现远距离通讯。MODBUS RS485采用双绞线通讯，通讯方式比较常见，大多数DCS系统均带有MODBUS RS485功能，需要远距离传输时，可采用MODBUS RS485光电转换模块及光纤实现。优点是数据通讯不用考虑信号隔离，通讯协议开放，大多DCS系统都自带有此功能，但要增加相应的接口或卡件。缺点是通讯速度较慢，只适用于通讯点数少，实时性要求不高的地方。

1.2 网络结构设计

由于各个控制室之间距离比较远，需要采用光纤进行通讯。为了降低成本，充分利用原有光纤，新增部分采用12芯单模光纤，建立控制室之间的通讯连接，光纤网络结构如图1所示。

1.3 硬件设计

1.3.1 48000m3/d污水站DCS远程监控

除生产调度室远程监控外，合成氨分厂技术管理人员和操作人员需要监控48000m3/d污水站DCS实时数据，通过分析决定利用浙江中控DCS CPU自带的RS485串口[2]，采用MODBUS 与C尿素DCS控制站进行通信，制作DCS监控画面，实现DCS操作站远程监控。RS485转光纤转换器采用MOXA公司的TCF-142。通讯结构图如图2所示。

1.3.2 联碱DCS远程监控

联碱DCS系统采用HC-900控制器+AIMAX上位监控软件，首先将在调度室利用光纤以太网通讯，设置一台远程操作站对联碱生产进行远程监视。

然后再建立MODBUS/TCP网络，在C尿素DCS系统上增加一块ALE111（MODBUS/TCP）通讯卡[3]，实现联碱DCS与主装置DCS进行数据交换。通讯结构图如图3所示。

图3 联碱 DCS 与主装置DCS通讯网络图Fig.3 DCS Communication network diagram of alkali DCS and main device

图4 B尿素DCS通讯光纤网络结构Fig.4 B Urea DCS communication optical fiber network structure

图5 DCS与外网网络通讯图Fig.5 Communication diagram of DCS and extranet network

1.3.3 A/B尿素DCS远程监控

B尿素DCS系统采用浙大中控JX300-XP系统，同样在调度室用光纤网通讯，安装1台远程操作站对B尿素生产进行远程监视，A尿素则等待DCS升级改造后，与B尿素DCS合并为1个系统。

在JX-300XP机架内安装1块XP248（MODBUS RS485）通讯卡，并增加1块RS485转以太网的网关（MOXA公司的MB3180），如图4所示。利用备用光纤，建立MODBUS/TCP网络，与C尿素DCS系统上的ALE111 MODBUS/TCP进行通讯，实现了同主装置DCS进行数据交换的功能。

1.3.4 DCS系统与互联网通讯

由于公司氨罐区属于一级重大危险源，需要将两个常压氨罐和1个加压球罐的温度、压力、液位等28个关键数据远传至省高危行业企业安全生产监测数据平台，为了实现DCS数据安全传输到外部公网，采用了北京力控华康公司的pSafetyLink系列工业安全隔离网关，pSafetyLink系列工业安全隔离网关的双独立主机系统分为控制端和信息端，分别接入控制网络和信息网络，完成OPC Server和OPC Client的通信，同时两主机之间采用专用网络隔离技术，在保证OPC数据快速交互的同时彻底阻断其它网络连接，保证了控制网络的安全。网络结构如图5所示。

2 生产远程网络监控系统运行情况

2.1 改造后的生产调度远程DCS监控系统

图6 远程监控操作站Fig.6 Remote monitoring operation station

在公司生产调度室安装调试完成了联碱DCS远程操作站和B尿素DCS远程操作站，如图6所示。远程站与本地操作站功能完全一样，为了避免误动作，通过权限设置，只能监视不能控制。

2.2 48000m3/D污水站远程监控

48000 m3/D污水站在线分析数据是公司重点监管的对象，通过网络通讯实现了中控和生产调度室的对污水在线分析数据的实时监控。

2.3 联碱和B尿素DCS计量数据和关键参数引入主装置DCS监控

联碱DCS及A/B尿素DCS系统通过MODBUS TCP/IP和MODBUS RS485通讯实现与主装置横河DCS的通讯，联碱与B尿素计量报表集中到主装置DCS上监控。

3 结论

通过综合利用DCS网络通讯软件技术，并增加部分网络硬件设备，建立远程网络监控系统，实现了预期的目标。同时减少危险现场操作人员的人数，降低操作难度和强度，提高工作效率。

需要注意的是由于通讯数据格式不统一，有的数据信号要进行数据类型转换和计算，才能保证数据的一致，通讯数据调试要花很多的时间和功夫，推荐使用ModScan32/ModSim32调试和仿真软件，可以提高数据处理的效率。

通过本次网络安装和系统改造，建成了一个安全可靠的全厂生产数据网络监控平台，为今后建立能源计量管理系统、生产实时数据库和生产执行系统（MES)提供了良好的基础。