扬子乙烯联合装置过程控制系统网络设计
日期：2008-10-19 12:45:31 来源：中国自动化网
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扬子石化650kt/a乙烯改造使用了大量新技术，尤其是网络技术在整个乙烯装置的控制系统中得到了较多使用，实现了装置新、老区控制系统的实时通信，远程机柜间(NRR)和中央控制室(CCR)间的远程通信，ESD和DCS系统的高速通信，以及ESD工程师站、GUS站间的以太网通信，使整个控制系统实现了完整性、一体化，提高了整个乙烯装置生产的安全性、可靠性、可操作性和经济性，节省了投资费用。
一 原有400kt/a乙烯装置控制系统的网络配置
原有400kt/a乙烯装置DCS的配置见图1所示，系统由1条LCN网络和2条UCN网络构成，其中UCN1有4台HPM控制1～10#裂解炉单元，UCN3有10台APM控制除1-10#裂解炉外的急冷、压缩、分离、加氢、11#裂解炉和成品罐区等单元，UCN3网络上还有2台LM(逻辑管理器)进行全装置的联锁控制，LCN上有13台US操作站、1个HM、1个AM和2个APP(1个用于优化控制，另1个用于PHD实时数据采集)。上述所有控制设备都位于CCR内，实现集中监控。
二 扩建控制系统的设计思路
乙烯装置改造是将乙烯生产能力从400kt/a提高到650kt/a，由于CCR内可利用的空间已不能放置大量机柜，且设计中要求仪表控制电缆不能离开现场太远(一般要求小于500m左右)，以免影响测量的准确性和控制的安全性，所以必须设立远程控制站，实现远程控制，集中操作。按照这一设计思想，制定了下列设计原则：
(1)在新建乙烯装置变电所(316)边上建一个远程控制室机柜间(NRR)，新区所有控制、联锁、分析、计量信号全部引入NRR；
(2)所有与操作有关的US操作站、辅助操作站、505(E)3机电子调速器、可燃气体检测仪等仪表装置均设置在CCR中，NRR中设立4台工程师站，也可作为后备操作站；
(3)在CCR中设置相关控制站采集辅助操作台上的开关信号，并控制A、B、C类报警灯状态；
(4)为解决新、老区控制系统的连接问题，确定采用DCS和ESD都分别设置远程站的方法，通过LCN扩展卡将DCS连接为一体；通过RXM扩展机架将ESD系统连为一体，其中DCS主机柜安装在CCR中，远程机柜安装在NRR中，ESD主机柜安装在NRR中，远程机柜安装在CCR中；
(5)远程机柜和本地机柜的通信通过双冗余光缆实现安全通信，2条光缆的敷设路线要求分开，以防止因光缆意外中断而引起事故；
(6)在ESD系统中实现控制的过程偏差报警信号和现场机泵的运行状态信号通过ESD与DCS间的通信接口实现在DCS中的显示、监控；
(7)ESD系统分布在新区和老区的工程师站、SOE站通过以太网相接；
(8)为防止光缆全部失效而引起停车困难，特别关键的停车信号从CCR中再通过硬接线直接连接到NRR中。
三 扩建后控制系统的网络配置
根据设计原则经过各方面论证，采用图2所示配置方案，网络上各节点设备的地址分布情况如表所示。
扩建后，LCN网络上增加了9台US操作站，2个HM，3个AM，2条UCN总线，11台HPM，2台SM(即ESD)。
(1)DCS由3条网络构成：
(a)工厂控制网络PCN，它是一条开放的以太网络，DCS可将过程网络的数据通过Honeywell的PHD软件上传到工厂网中，为生产管理和经营管理提供生产实时数据。
(b)LCN(也称TPN)，它是遵循IEEE802.4通信协议的局域控制网络，LCN网络是令牌传输的网络结构，持有令牌者发送信息，其他节点侦听信息，持有令牌者发送完信息，便把令牌传给下一地址节点，依次传递，直至地址最高节点，这个节点再把令牌送给地址最低的节点，在软件上形成一个令牌环。
LCN主要功能：在网络上各模件间传送所有信息；按有效规约和高速通信，保证实时信息交换；通过冗余的传输媒介及信息完整性检查，提供可靠通信；保持各模件时钟同步。
(c)UCN实时控制网络，它采用IEEE802.4T和ISO标准通信协议，是一种令牌式通信，是过程控制I/O和TDC3000系统之间连接的可靠平台，UCN最多可挂接32对冗余节点设备。
(2)老区中央控制室内LCN网络通过LCN扩展模块LCNE与新区LCNE相连，实现老区和新区LCN网络连成一个整体，实现统一操作。
(3)ESD通过安装在ESD内的SMM(Safety Management Module)模件实现与DCS中UCN网络相连接进行通信，每个ESD控制站都安装一块SMM，每块SMM上有2个UCN电缆接口与UCN网络的A、B电缆相连；DCS与ESD通信实现后，DCS将ESD101和ESD102作为UCN网络上的设备进行管理。
(4)每个ESD内有1块NCM(Network Communication Module)模件实现与ESD工程师站通信，结构见图3。
各Tristation1131工程师站与远程SOE(Sequence Of Events)站通过Hub以星形方式连接通信；工程师站内可安装Tristation1131组态软件和SOE监控软件，也可将两种功能分开设置，NCM模件采用TCP/IP802.3协议通信，通信速率达10MBaud，标准通信距离达185m；
(5)ESD本地机架和远程机架间通过主RXM模件和远程RXM模件实现远程通信，通信距离可达12km，RXM模件由完全相同的模件组成，RXM支持光调制解调和点对点光缆通信，每个主RXM模件支持3个远程RXM，每个远程RXM与主RXM通信需配6条光缆；
(6)为实现DCS和ESD的资源共享，通过以太网络将Tristation1131工程师站和GUS站相连通信。
四 网络新技术在过程控制中的应用
(1)LCNE光纤通信的应用是DCS系统LCN网络远程扩展的重要技术，LCNE是LCN的扩展接口模件，必须成对使用。
它具备光电转换或电光转换功能，用于把在光缆中传输的电信号转换为光信号和在光缆中传输的光信号转换为电信号的功能，2块LCNE模件和1条冗余光缆就可把不在同一区域的LCN网连接起来，使远程控制系统集成为一体化系统。这种方法可使LCN网通信距离最多扩大到2km，而仅用同轴电缆传输的信号通信距离不能超过300m，所以使用LCNE光缆通信具有很大优势。
系统配置时只需把LCNE模件安装到适当DCS系统LCN网络上的某个5槽卡件箱的卡槽中接受电源，再连接上光缆和相应的同轴电缆，而不必进行任何与之相应软件设置和组态。要注意的是LCN网是冗余配置的，有LCNA和LCNB两条网络，所以最多需要4块LCNE模件和两条光缆就可把LCN网扩展到所需要的地方，解决了两个控制室距离远、信号易衰减的问题，同时也有效解决了新区LCN网络和老区LCN网连接问题。
还有一种实现LCN网络相连接的方法是采用新、老区各组一条LCN网，两条LCN网之间用网关(NG)相连，此种方式从新区读老区的数据或从老区读新区的数据就受到限制。而现在采用的方法使乙烯装置新、老区的联系十分紧密，是一体化方案，因此这种组成一条LCN网的方法比用NG连接2条LCN网的方案相比有更多优点，投资更省，新、老区DCS中数据和信息更易共享，其间软件组态上的障碍更少，更有利于工艺生产。
(2)ESD使用远程机架和光纤通信技术，解决了主控制器和远程机架的通信问题，实现了在CCR中辅操台上控制按钮、开关和灯屏信号的远程控制，通信原理见图4。
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一 原有400kt/a乙烯装置控制系统的网络配置
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原有400kt/a乙烯装置DCS的配置见图1所示，系统由1条LCN网络和2条UCN网络构成，其中UCN1有4台HPM控制1～10#裂解炉单元，UCN3有10台APM控制除1-10#裂解炉外的急冷、压缩、分离、加氢、11#裂解炉和成品罐区等单元，UCN3网络上还有2台LM(逻辑管理器)进行全装置的联锁控制，LCN上有13台US操作站、1个HM、1个AM和2个APP(1个用于优化控制，另1个用于PHD实时数据采集)。上述所有控制设备都位于CCR内，实现集中监控。
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二 扩建控制系统的设计思路
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乙烯装置改造是将乙烯生产能力从400kt/a提高到650kt/a，由于CCR内可利用的空间已不能放置大量机柜，且设计中要求仪表控制电缆不能离开现场太远(一般要求小于500m左右)，以免影响测量的准确性和控制的安全性，所以必须设立远程控制站，实现远程控制，集中操作。按照这一设计思想，制定了下列设计原则：
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(1)在新建乙烯装置变电所(316)边上建一个远程控制室机柜间(NRR)，新区所有控制、联锁、分析、计量信号全部引入NRR；
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(2)所有与操作有关的US操作站、辅助操作站、505(E)3机电子调速器、可燃气体检测仪等仪表装置均设置在CCR中，NRR中设立4台工程师站，也可作为后备操作站；
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(3)在CCR中设置相关控制站采集辅助操作台上的开关信号，并控制A、B、C类报警灯状态；
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(4)为解决新、老区控制系统的连接问题，确定采用DCS和ESD都分别设置远程站的方法，通过LCN扩展卡将DCS连接为一体；通过RXM扩展机架将ESD系统连为一体，其中DCS主机柜安装在CCR中，远程机柜安装在NRR中，ESD主机柜安装在NRR中，远程机柜安装在CCR中；
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(5)远程机柜和本地机柜的通信通过双冗余光缆实现安全通信，2条光缆的敷设路线要求分开，以防止因光缆意外中断而引起事故；
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(6)在ESD系统中实现控制的过程偏差报警信号和现场机泵的运行状态信号通过ESD与DCS间的通信接口实现在DCS中的显示、监控；
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(7)ESD系统分布在新区和老区的工程师站、SOE站通过以太网相接；
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三 扩建后控制系统的网络配置
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根据设计原则经过各方面论证，采用图2所示配置方案，网络上各节点设备的地址分布情况如表所示。
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扩建后，LCN网络上增加了9台US操作站，2个HM，3个AM，2条UCN总线，11台HPM，2台SM(即ESD)。
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(1)DCS由3条网络构成：
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(a)工厂控制网络PCN，它是一条开放的以太网络，DCS可将过程网络的数据通过Honeywell的PHD软件上传到工厂网中，为生产管理和经营管理提供生产实时数据。
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(b)LCN(也称TPN)，它是遵循IEEE802.4通信协议的局域控制网络，LCN网络是令牌传输的网络结构，持有令牌者发送信息，其他节点侦听信息，持有令牌者发送完信息，便把令牌传给下一地址节点，依次传递，直至地址最高节点，这个节点再把令牌送给地址最低的节点，在软件上形成一个令牌环。
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(c)UCN实时控制网络，它采用IEEE802.4T和ISO标准通信协议，是一种令牌式通信，是过程控制I/O和TDC3000系统之间连接的可靠平台，UCN最多可挂接32对冗余节点设备。
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(3)ESD通过安装在ESD内的SMM(Safety Management Module)模件实现与DCS中UCN网络相连接进行通信，每个ESD控制站都安装一块SMM，每块SMM上有2个UCN电缆接口与UCN网络的A、B电缆相连；DCS与ESD通信实现后，DCS将ESD101和ESD102作为UCN网络上的设备进行管理。
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(4)每个ESD内有1块NCM(Network Communication Module)模件实现与ESD工程师站通信，结构见图3。
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四 网络新技术在过程控制中的应用
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(1)LCNE光纤通信的应用是DCS系统LCN网络远程扩展的重要技术，LCNE是LCN的扩展接口模件，必须成对使用。
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还有一种实现LCN网络相连接的方法是采用新、老区各组一条LCN网，两条LCN网之间用网关(NG)相连，此种方式从新区读老区的数据或从老区读新区的数据就受到限制。而现在采用的方法使乙烯装置新、老区的联系十分紧密，是一体化方案，因此这种组成一条LCN网的方法比用NG连接2条LCN网的方案相比有更多优点，投资更省，新、老区DCS中数据和信息更易共享，其间软件组态上的障碍更少，更有利于工艺生产。
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