Experion PlantCrusie DCS在过程控制系统中的应用

杜青青，李海霞，李映达

(兰州石化职业技术学院电子电气工程学院，甘肃 兰州 730060)

0 引言

《集散控制系统原理及应用》是三年制高职类院校中，工业过程自动化专业、工业自动化仪表专业课程体系中的主干课程；其工程应用性与实践性较强，是一门直接为生产过程服务的理实一体化课程。

由于化工企业的大部分设备自动化程度高，通常处于易燃易爆、高温高压的环境[1-2]。因此，生产运行过程具有一定的危险性，通常设备连续作业，很难遇到开停车机会，各种不安全因素致使学生下厂后也难以深入实际地实践操作[3-5]。

针对校内实训装置资源有限、学生群体规模大的这一特点[6-8]，设计了一种基于Honeywell Experion PlantCrusie分布式控制系统(distributed control system,DCS)的过程控制试验系统。本文首先介绍了CS2000过程控制试验装置的结构组成，以及Experion PlantCrusie DCS的特点；其次给出了基于Experion PlantCrusie DCS的过程控制试验系统的基本结构、软硬件配置、系统组态的基本思路。近一年半的运行表明，Experion PlantCrusie DCS 与CS2000构成的过程控制系统，在很大程度上缓解了校内DCS实训教学的压力，较好地实现了相关专业的学生在过程装置的投运、参数整定、故障诊断与维护等方面的技能培训，并为校外企业自控工程设计人员培训和学习搭建了一个有利平台[9-11]。

1 CS2000型过程试验装置简介

仿真建模组态模块包括阀门、机泵、储罐、换热器、塔器、反应器、仪表等基础功能组件，支持用户根据相关设计规范自定义工艺流程。CS2000 过程控制试验对象系统包括现场试验对象、变送器及执行器、供电系统。

CS2000 型过程试验装置如图1所示。

图 1 CS2000 型过程试验装置示意图 Fig.1 CS2000 process experiment device

现场试验对象由上水箱、中水箱、下水箱、储水箱、换热器、单相2.5 kW电加热锅炉及管路及阀件等组成。过程试验装置包含两条基本支路。支路1由威乐泵、电动调节阀、孔板流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。支路2由威乐泵、变频调速器、涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。液位传感器用于测量上水箱、下水箱的液位。孔板流量计、涡轮流量计分别用于检测单相水泵支路流量和变频器动力支路流量。Pt100热电阻温度传感器用于检测锅炉内胆、锅炉夹套和强制对流换热器冷水出口、热水出口。单相可控硅移相调压装置用于调节单相电加热管的工作电压。电动调节阀用于调节管道出水量。变频器调用于节副回路水泵的工作电压。

2 控制系统设计要求

控制功能是DCS设计的核心及关键。基于Honeywell Experion PlantCrusie DCS 的过程控制试验系统具备如下控制功能。

①在Experion PlantCrusie DCS操作员站，可以对上水箱、中水箱、下水箱及锅炉内进行注水。

②在Experion PlantCrusie DCS操作员站发出命令，控制站实现水箱的液位控制。

③控制站可以实现锅炉内胆的温度自动控制。

④控制站可以实现管道内流体流量的自动控制。

⑤在Experion PlantCrusie DCS工程师站上进行组态，内胆温度、加热过程、冷却水三者之间可实现联锁控制。

⑥Experion PlantCrusie DCS控制站可以挂接现场总线变送器，实现了现场总线网段的接入校验。

3 Experion PlantCrusie DCS及其系统配置

3.1 系统简介

Experion PlantCruise是Honeywell公司生产的集新型、先进、可靠于一体的DCS。系统综合了过程知识系统(process knowledge system,PKS)技术与8系列 I/O模块设计，广泛使用在石油、化工、冶金、电力等行业。

①Experion PlantCruise过程控制网络。

综上所述，在素质教学理念不断发展的当今时代，运用信息技术开展小学语文教学能够有效地帮助教师提升整体的教学质量，完成教学任务，促进学生综合素养的提升。在小学语文教学的过程中，开展翻转课堂教学能够有效地激发学生的主体意识，使其形成一定的自主学习能力以及自主学习欲望，在降低自身学习难度的同时，提升自身的学习质量，促进自身的全面发展。

Experion PlantCruise DCS采用Honeywell专利容错以太网(fault tolerant ethernet,FTE)。这是一种高性能的先进的工业以太网解决方案。

②Experion PlantCruise过程控制器。

C300过程控制器是将连续控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制集于一身的控制器，具有紧凑、高效、低成本的特点。其控制功能由控制算法库提供，采用Control Builder先进的图形化控制组态工具，不仅可用于组态控制策略，还可以将组态好的控制策略下装至控制器，并进行在线监控和在线修改。

③PlantCruise软件。

监控软件提供高速缓存区的实时动态数据存取、趋势、报警/事件处理、管理、报表报告生成等功能。企业模型组态软件Simplified Enterprise Model Builder可实现企业资产按分级结构直观描述。显示控制策略组态软件Control Builder为生成控制策略提供全套控制算法库系统资源组态。用户画面组态软件HMIWeb Display BuiIde用于创建基于HTML格式的操作员图形界面强大的数据交换功能，支持先进过程网络结构的多种其他应用(如uniformance PHD、eServer等)。

3.2 系统配置

Experion PlantCrusie DCS基本结构如图2所示。

图2 Experion PlantCrusie DCS基本结构图 Fig.2 Structure of Experion PlantCrusie DCS

系统采用两层的网络结构。第一层为过程控制层。这一层的节点是控制系统的核心，一般包括网络交换机及控制器。第二层为监控操作层。这一层的节点主要是控制系统的服务器和显示控制节点，一般包括网络交换机、工程师站、操作站。

3.2.1 现场控制站

3.2.2 工程师站与操作员站

工程师站主要实现在线组态、监督及维护功能，在工程师站数据库中自动建立每个组态生成的模块(CM、SCM、IOM等)所对应的点。通过工程师站，可以下装控制站，实现相应的控制功能。

负责系统连续运行的操作员可使用PlantCruise操作站。PlantCruise系统的人机界面(human machine interface,HMl)采用霍尼韦尔HMIWeb技术，将所有的人机界面、应用数据和商务数据完整地集成在基于Web的体系结构中。使用HTML作为用户显示画面格式。不需要通过繁琐的程序插件，或影响功能的export方式。用户可通过安全的操作站(Station)环境或直接采用Microsoft的lE浏览器，显示和操控过程画面。

3.2.3 通信网络

Experion PlantCruise DCS系统采用FTE，为各节点间提供了可靠的100/1 000 bit/s的连接。FTE节点之间有4条通信路径，对电缆和电子设备中的各种多重故障具有容错功能。FTE硬件冗余提供多重路径功能，两个并行的交换机和电缆线路构成树状拓扑结构在顶部链接，以形成一个容错网络。每个独立标识的树状结构网络由颜色编码、电缆标记、交换机和FTE节点端口来维护。

Experion PlantCrusie DCS通信网络如图3所示。

图3 Experion PlantCrusie DCS通信网络 Fig.3 Communication network of Experion PlantCrusie DCS

4 系统组态

首先启动 Configuration Studio软件。在Control Builder 应用程序窗口建立项目，依次创建仿真控制器C300、8系列I/O卡件及控制功能块CM等。

4.1 硬件组态

在 Control Builder应用程序窗口建立新项目“水箱液位控制系统”。首先，新建CPU，按照Root-New-Controllers-C300的顺序进行组态。其中，Associated Asset# 选择已有的组，Device index主CPU拨码为3、副CPU拨码为4(和硬件有关，与CPU拨码一致)，并选中Module is redundant。其次，组态8系列I/O板卡。以模拟输入卡件为例，依次按照如下操作、C300-146SEC-New-I/Omodules-series 8 I/O-AIHart。其中，Associated Asset#依然选择已有的组，IOMNumberAI为1，依次点击IOLINK147-I/OFaminly-series8I/O types。

4.2 控制回路组态

DCS核心技术实现相应的控制功能。以上水箱液位为例，建立控制回路。

在已建模拟板卡AI_HART_185的基础上，右键New，选择Control Module，双击可以打开Tag num输入LIC101。在AICHannel-01中configuration可以选择channel PV Range改变量程。其中，DATACA模块和AICHannel-01模块的上下限一致。通过Alarms，可以对测量值上下限进行设置。依次将AICHannel-01模块、DATACA模块、PIDA模块及AOCHannel-01模块相连，从而构成一个单回路液位控制系统。

4.3 监控画面组态

DCS系统监控界面主要用于实现对工艺流程监视及操作功能。Experion PlantCruise DCS系统HMIWeb可提供流程图画面、趋势图画面、报警画面、PID控制画面等。

5 结论

基于Honeywell Experion PlantCrusie DCS 的过程控制试验系统改造于 2018年9月完成安装调试及试运。采用Experion PlantCrusie DCS 实训装置进行为期一年半的学生实训，能够实现单回路一阶液位控制、单回路二阶液位控制、液位串级控制、液位流量串级控制、锅炉内胆温度系统的搭建、投运、控制系统的无扰动切换、相应系统PID参数整定、报警事件记录、DCS维护及故障诊断，完全满足了相关石油化工专业群学生DCS实训及工业过程自动化专业、工业仪表自动化专业学生毕业设计及工程实习的要求。由于实训装置贴近生产实际，为学生将来就业打下了坚实的基础，同时也可为教师科研、学生创新创业实践以及校外企业人员培训提供服务。