上海90万吨年乙烯联合装置全集成自动化系统和FF现场总线技术的应用

1上海赛科90万吨/年乙烯联合装置全集成自动化系统和FF现场总线技术的应用《世界仪表与自动化》杂志06年第9期发表教授级高级工程师。吴国良摘要：主要阐述了上海赛科90万吨/年乙烯工程的全集成自动化系统和FF现场总线控制技术的特点和应用情况，并对现场总线控制技术应用的要求、回路测试、现场总线网段故障分析及处理等进行了说明和探讨。关键词：上海赛科90万吨/年乙烯工程全系统集成系统网络资产管理系统FF现场总线总线网段互操作性现场总线设备FF总线投资分析通信故障参数统计数一．概述上海赛科(SECCO)90万吨/年乙烯联合装置是目前世界范围内生产规模最大、工艺技术最新、自动化系统集成度最高的石油化工联合工厂，该工程总投资约27亿美元。2005年3月18日90万吨/年乙烯装置开车成功，标志着上海赛科90万吨/年乙烯工程所有的9套生产装置、公用工程及辅助设施进入正常生产试运行。同时也表明，大规模采用FF现场总线控制技术在现代化大型石油化工联合装置中的应用获得了成功。上海赛科90万吨/年乙烯工程包括：90万吨/年乙烯装置等9套生产装置及公用工程、辅助设施等。全厂设一个中央控制室，所有生产装置的操作控制和生产管理全部集中，其中主控制室约800米2，其中设有全部操作员站和监视站，另外还有工程师站室、应用服务器室、通信光缆交换机室、UPS室、管理工程师室、工艺工程师室、操作培训室、会议室、，空调机房等。全厂设有十五个控制系统外站，分别设在各个生产装置中。各控制系统外站内安装各种控制系统的机柜，并设一台带工程师属性操作站，面积大约50-300米2。全部按抗爆结构设计。最远的控制外站到中央控制室的距离大约2.5公里，各控制外站到中央控制室的各种信号全部采用双冗余光纤电缆通信方式传输。上海赛科90万吨/年乙烯工程采用主仪表供货商（MainInstrumentVendor–MIV）采购策略，通过国家公开招标方式确定分散控制系统（DCS）采用Emerson公司的DeltaV系统，安全仪表系统（SIS）采用HIMA公司经TUV认证的四重模件冗余（QMR）系统，FF现场总线智能仪表（变送器、阀门定位器等）主要采用Emerson公司Fisher-Rosement的产品，现场总线网段电源，FF总线专用端子模块和端子箱是采用MTL公司的产品。二．全集成自动化系统上海赛科90万吨/年乙烯联合装置共有10套DCS系统分别控制9套生产装置及公用工程（OSBL）。此外各生产装置还有SIS安全连锁系统，火灾和可燃气体报警、连动系统（F&G），转动机器检测保护系统（MMS），在线色谱检测系统（GC），电气设备检测控制系统（MCC），CCTV网络监视系统，各种用途的PLC控制器。所有监视控制系统都有它们自己的网络系统，同时又通过Modbus与DCS通信，使操作员能够在DCS上监视这些系统的状况。各种系统之间通过网络连接构成全集成自动化系统。网络连接的安全可靠性是十分重要的，采用冗余和加密等措施。网络的通信方式应采用工业标准或专用局域网标准，或串行数据链接。2下面介绍除DCS系统外的几个主要的监视、控制系统的网络情况：1.安全连锁（SIS）系统网络SIS系统通过通信方式与外部DCS的相关设备连接，互相交换信息。它们有：①通过冗余的Modbus串行链与DCS接口，显示SIS系统的检测数据，②通过HART通信与DCS系统的AMS应用工作站连接，用于设备资产管理，③通过OPC总线与DCS系统的收集报警和事件历史（SOE）的应用工作站连接，收集SIS系统的报警和事件。此外SIS系统内部也通过网络通信将设置在中央控制室的设备与设置在控制外站内的控制器连接起来构成整个SIS系统网络，它们有：④通过冗余的安全以太网（HIPRO-S）将各装置控制外站内的SIS的控制器与设置在中央控制室内的公用的SIS控制器通信连接，辅助操作台上的紧急按钮和旁路开关通过硬导线作为DI点输入到中央控制室内的公用SIS控制器，这样连锁系统用的紧急切断开关动作和旁路开关状态可以通过安全以太网（HIPRO-S）进入到设置在控制外站内的SIS控制器中，参加连锁逻辑运算。⑤设置在中央控制室内的SIS系统工程师站通过ELOPII总线与10个装置外站内的SIS控制器通信连接，这样在中央控制室可以对全厂10个SIS系统分别进行工程组态。同时在各控制外站内利用PC机也可以对本站内的SIS系统进行工程组态。2.火灾和可燃气体系统网络（F&G）在各装置的控制外站内都安装有火灾和可燃气体（F&G系统）控制器，它的作用是：①通过Modbus串行数据链与Minerva–M80火灾报警盘通信链接。此Minerva–M80火灾报警盘又通过通信总线与可寻地址的火焰检测器，烟雾检测器，手动报警器等连接，这样在控制器上可以采集到这些火灾检测信号。②各种可燃气体和有毒气体检测器的4-20mA信号作为AI点输入到火灾和可燃气体控制器中，使控制器能够采集到可燃气体和有毒气体信号。③在控制器内可以组态F&G系统控制逻辑，并输出DO点去驱动警报喇叭、报警灯、报警解除装置以及SIS系统的安全连锁动作。④F&G系统控制器不仅通过一个双冗余Modbus串行数据链与DCS相连，而且各控制外站内的F&G控制器之间还通过基于双冗余的安全以太网相互连接，并连接到CCR中的三台F&G系统操作站，这三台F&G操作站作为全厂火灾和可燃气体监视系统的备份，当DCS系统出现故障时，此F&G系统操作站可以在中央控制室（CCR）内监视全厂的安全状况。同时在这三台F&G操作站的辅助盘上可以远程操作灭火喷淋系统，以及全厂火灾和可燃气体报警声和光的测试，赛科的HHSE部门是每周检查测试一次。⑤火灾和可燃气体网络同时也连接到赛科公司和漕泾工业区的消防站，消防站内的F&G操作站可以监视并发出指令通过F&G网络传送到各控制外站内的火灾和可燃气体控制器并向全厂发出警报。⑥在有些生产装置内还安装有火焰电视摄像探头，通过独立的CCTV网络连接到中央控制室的电视接收机上供操作员监视用。3.转动机械设备监视系统（MMS）转动机械设备的位移和振动检测系统的MMS-3500机架除通过冗余的Modbus串行链接与本控制外站内的DCS通信外，同时通过仪表局域网与设置在控制外站内的机器状况监视数据采集器（DAQ）和设置在中央控制室（CCR）工程师室内（和维修大楼内）的MMS工程师站相连接。这样MMS-3500机架的位移和振动数据可以传送至DAQ，而且用户可以通过连接仪表局域网访问MMS3500和DAQ中的数据。机器状3况监视服务器（DAQ）能分析和显示转动机械动态特性图形，它所需要的工艺过程实时数据是通过中央历史数据库（PI）与仪表局域网的连接来提供的。4.在线气相色谱分析仪系统（GC）在线气相色谱分析仪系统（GC）的控制器安放在有关生产装置的控制外站内，它除了通过一个双冗余Modbus串行链接与DCS通信之外，还通过仪表局域网连接到设置在中央控制室（CCR）工程师室内（或维修大楼内）的GC工程师站中，从而使得组态设计功能可在中央控制室（CCR）工程师室内（或维修大楼内）执行，并能够访问在线气相色谱分析仪（GC）网络上所有的气相色谱仪，用于数据的采集、诊断、校准等。5.电气设备检测控制系统（MCC）①电气系统是使用智能开关装置（Intelligentswitchgear，例如INSUM-MCU）对电机和其它电气设备进行控制。每个智能开关都带有基于微处理器的保护、监视和控制装置。各配电室内的数据集中器（例如INSUM-ICU）通过电机控制总线（例如LON总线）连接最多128个智能开关装置，网络是环形连接，如果总线中间断开不会影响数据集中器与各电气设备的通信。②一个配电室内可能有多个数据集中器（INSUMICU），它们通过双冗余Modbus串行链相互链接并与对应控制外站内的DCS通信链接。所有低压电机控制数据，电机运行状态和电机的功率均通过Modbus链接传送到DCS中显示。在中央控制室（CCR）操作员能够通过各装置DCS操作员站画面上的电机操作画面访问所有的电机，同时在DCS中组态的联锁系统也通过双冗余Modbus串行链进行电机的启动、停止或启动禁止操作。但是SIS联锁系统需要进行电机的启动、停止或启动禁止操作时，则应采用硬连接线方式与电机控制回路连接。③各配电室内的远方终端单元（REF560）能够收集大功率高压电机绕组温度，功率等参数，电气供电分布系统的状态数据，并通过通信接口卡连接变频控制器（例如，西门子的Profibus变频通信总线）。远方终端单元（REF560）也通过Modbus串行链与对应控制外站内的DCS通信链接。④．各配电室内的数据集中器（INSUMICU）和远方终端单元（REF560）由电气局域网络相链接，这是一个以太网（TCP/IP）。另外放置在各配电室内的SCADA系统工程师站也链接到这个网上，它可以对整个配电分布系统的状态和所有电机运行状况进行监测，并可以对它们进行工程组态。在中央控制室（CCR）中安装有SCADA服务器，SCADA工程师站和低压电机工程师站，它们与此电气局域网络连接，同样可以对整个配电分布系统的状态和所有电机运行状况进行监测，并可以对它们进行工程组态。6.闭路电视CCTV局域网闭路电视摄像头安装在工厂开阔区域和建筑物内，并与控制外站内的闭路电视数字视频记录服务器（DVR）相连。图像数据通过专用的闭路电视局域网传送至CCR内的一般用途PC机，该PC机还起到监视器，存储和记录录像数据等作用。另外每个控制外站内也都安装有WEB网络电视摄像头，并与闭路电视局域网相连，监视控制外站内的情况。7.实验室信息管理(LIMS)系统网络各种实验室分析器和安装有分析数据库的工作站通过LIMS网络相互连接。其中所传递的数据包括各种分析器测得的数据、手工输入的数据以及计算所得数据。该网络还连接到操作台上的专用PC机，可以向操作员显示需要的有关分析数据。8.工厂信息（PI）网络各生产装置的DCS中有一个负责记录和储存工艺数据的连续历史数据库应用工作站，它一方面与本装置的DCS控制网络连接采集DCS数据，同时通过专用网络（RAS）与其它装置的连续历史数据库应用工作站互相连接。此网络通过防火墙与设置在行政大楼办公室内的中央历史记录服务器（centralPI）相连接。4这个网络称工厂信息局域网（PI网络），他将各生产装置的工艺数据通信到全厂范围的中央历史数据库（centralPI）中，供企业各部门查阅，并为其它管理软件和系统提供数据。9.先进控制和优化网络(APC网络)在具有APC先进控制的装置里，DCS控制网上有一个APC应用工作站，可以采集DCS的有关数据。各装置的APC先进控制服务器通过OPC网络与对应装置的APC应用工作站连接。先进控制APC服务器中的计算结果，控制数据和DCS的过程实时数据是通过APC网络相互传送，可实时处理各种设定点及其它控制参数。APC应用工作站的主要功能是起OPC通信作用以及放置某些DCS中没有的“中间计算”功能模块。APC网络是冗余的。另外APC服务器通过仪表局域网与操作员台上的一般用途PC机连接，这台PC机是操作员的APC控制的界面，可以进行投运APC操作，改变APC设定参数等。10.资产管理系统AMS各装置的DCS系统都有一台AMS应用工作站，它通过HART通信协议总线与设置在对应装置控制外站内的SIS系统的I/OHART信号转换器连接，收集SIS系统的现场仪表的资产管理信息。同时FF总线现场设备的资产管理信息也被收集到这台AMS应用工作站。AMS系统能够诊断现场设备的各种故障信息，并能够对现场设备进行组态。三．FF现场总线技术的应用上海赛科是全球应用FF现场总线技术的大型石油化工企业之一。描述FF现场总线的应用规模的主要参数是FF现场总线网段和FF现场总线设备的数量。上海赛科有FF现场总线设备10631台，FF现场总线网段2473个，平均每个网段上挂4.3台FF现场总线设备。上海赛科乙烯工程大规模全面使用FF现场总线控制技术是成功的，FF总线的通讯速度是能够满足