1、焦油加工工程 DCS 系统技 术 方 案1 总述1.1 项目概况唐山沙利玛有限公司焦油加工工程为新建项目，位于河北省唐山市京唐港，规模为7.2 万 t/a。本文为焦油加工工程 DCS 系统技术方案。焦油加工程 DCS 系统涉及 8 个工段，系 统总控制规模为 297 点：# 工段热电阻输入AI(RTD)热电偶输入AI(K)模拟量输入AI(4-20mA)模拟量输出AO(4-20mA)开关量输入DI开关量输出DO1 827 废水脱酚 2 5 2 3 32 840 焦油蒸馏 21 5 27 7 16 143 843 洗涤分解 7 9 5 11 114 847 工业萘 20 6 30 7 18 145
2、 176 油库 5 56 853 沥表成型 3 5 57 循环水处理 2 15 28 锅炉房 2 10合计 57 11 96 21 58 541.2 设计原则作为新建项目，DCS 系统宜采用较高标准，在技 术 上应有一定的超前性，充分考虑到未来发展的需要，并充分利用现代信息技术与自动化控制技术，实现过程控制的自动化，以利于企业提高效率和 质量， 进而提高效益。为此，在进行方案设计时，遵循以下设计原则：1 系统设计的总原则是安全可靠、技术先进、 经济实用；2 电气元器件及智能控制产品要选择高性价比的产品；3 系统具有高可靠性、高稳定性，充分 满足工艺和连续生产的要求；4 技术适度先进，扩展与升级
3、容易，做到适用、好用、够用、易扩展；5 基础自动化工业控制网络结构清晰，传输效率高，并实现电仪一体化；6 具有完善的人机界面，实现设备监控与管理之间无缝隙的数据共享与一体化集成，有助于提高控制与管理一体化水平；7 在技术适度先进的基础上，充分考虑经济性。1.3 设计依据本方案的设计依据如下：1) 用户提供的招标文件；2) 用户提供的有关的设计成果；3) 踏勘现场和与用户沟通过程中，对用户意图的了解及用户的要求；4) IEC 标准和中国国家标准。我方提供的技术设计，均符合相关的 IEC 和中国国家标准。在我方提供的文字资料、图纸资料和产品标识中，均采用 IEC 和中国国家标准的规定的术语和符号。
4、2 系统总述2.1 系统结构DCS 系统由控制站(Control Station)和操作员站(Operator Station)构成，其中控制站1 个(CS) ，操作员站 2 个(OS1 、OS2)。控制站位于控制室，由 PLC 系统构成。PLC 选用一套 S7-400 CPU 作为控制主站，选用 5 套 S7-300 I/O 作为从站。从站提供了现场开关量信号和模拟量信号与 DCS 系统联接的 I/O 模板。从站与主站之间通过实时现场工业总线 Profibus 联接。主站的 CPU 自I/O 模板接采集到的信息，并 经过软件处理后，将指令信息发送到 I/O 模板。特别指出的是，考虑 到系统的
5、规模、特点，我方 认为， 针对本工程的应用，S7-400 CPU 比 S7-300 CPU 具有更高的性价比( 后文详述)，故本方案选用 S7-400 CPU 与 S7-300 I/O 共同组合DCS 系 统的方案。在综合楼上的控制室(控制中心)设综合操作台。综合操作台放置 2 台工业计算机作为操作员站(OS1、OS2)。操作员站提供大屏幕彩色 显示器，运行基于 WINCC 的组态软件，为操作人员提供友好的人机界面和信息处理功能。操作员站还提供两台打印机，分别用于报警/记录的输出和文档打印。 2 台操作员站同 时运行，提供相同的功能，互 为热备。操作 员站可以兼作工程 师站，运行基于 Step
6、 7 的 PLC 编程工具软件，以对系统进行维护。控制站和操作员站的 软件均可通过工程师站进行在线的维护，而不影响系统的正常运行功能。操作员站和控制站之间采用实时工业总线网络 Profibus 联接，实现 3 个网络节点的快速、可靠的通信，使信息层和控制层集成于一个统一的系统。软件系统由人机界面软件(HMI)和过程控制软件构成，依据过程工艺要求开发。HMI 软件运行于工业计算机，执行人机信息交换和信息处理功能，采用在 WINCC 软件工具开发和维护。过程控制 软件运行于 PLC 中，执 行数据采集、过程调节、逻辑控制功能，采用 Step 7 软件工具开 发和维护。2.2 I/O 配置按用户要求
7、，I/O 规模要求具有 20%的冗余，据此，IO 的配置点数如下：# 类型 需用点数 配置点数 冗余点数 冗余比例 配置模块1 AI（RTD） 57 72 15 21% 92 AI（K） 11 16 5 31% 23 AI（4 20mA） 96 120 24 20% 154 AO（420mA） 21 32 11 34% 45 DI 58 96 38 40% 36 DO 54 96 42 44% 3sum 297 432 135 32% 363 控制站3.1 CPU 主站控制站采用一套 S7-400 CPU，这是西门子(Siemens A&D) 为多种类型的控制提供的功能强大的高性能控制平台，具
8、有较高的性能价格比。这个平台是模块化的，可以有效地设计、建立和修改。在这一平台上，用 户就可以 实现顺序控制、过程控制、传动或运动控制的任意组合。S7-400 既具有 DCS 系统综合的操作和监视功能、完善的记录、报警和信息管理功能、全面的逻辑控制功能、模拟控制和顺序控制功能等，又拥有 PLC 系统高速位处理功能。该系 统自动化程度高，功能完善，操作 简单、直 观。S7-400 CPU 是应用于 S7-400 系统本地基板上的一个 CPU 模板。CPU 是一种数字化的电子操作系统，它使用用 户保存在可编程存储器中的指令进行操作。这些指令用于实现一些专用功能，诸如逻辑 、过程顺序控制、 时序、耦
9、合、算术运算等，以通过数字量和模拟量输出对不同类型的设备装置和过程进行控制。S7-400 CPU 模板具有强大的整数和浮点运算能力及网络通信能力。它是超级 32 位RISC CPU，内存最大可扩展至 8Mbyte,还有最大可到 512 kbyte 的 Flash Memory，该Flash Memory 可内嵌实时 多任务操作系统和监控软件。此外，它 还具有 LED 自诊断功能，直接显示该模板的工作状 态和故障情况，并具有后备电池，用以保存系 统的正常关闭，防止数据的掉失。后备电池在无外部电源供电情况下，可维持约 3 年。选择 CPU 时，须考虑本工程的以下特点：1) 控制规模中等(共有 29
10、7)，但模拟量规模较大(185 通道)，对 CPU 的运算速度要求较高；2) 过程调节回路较多，对 CPU 浮点计算能力、 调节 指令功能和内存要求较高；3) 生产过程为连续生产，对 CPU 的可靠性要求较高。本系统 CPU 的主要特点及性能参数如下：1) 高性能的数据运算能力：a) 指令执行时间：0.1us(位、字或定点数加法操作 )，0.6us(浮点数加法操作)；b) 计数器：数量：256，范围 1-999；c) 定时器：数量：256，范围 10ms-9990s；d) 最大块容量：64kB；2) 强大的 I/O 能力：支持多达 131072 个开关量或 81932 个模拟量；3) 存储能力
11、强：提供 256KB RAM，并且可以扩展；4) 通讯能力强：a) 通讯接口：集成的 Profibus DP 接口和 MPI/DP 接口；b) 通讯速率：12Mbps；c) 连接节点数量：16 个(MPI/DP)；64(Profibus DP)5) 实时诊断功能：故障和中断事件保存在 FIFO 缓存器中，并标上时间，供诊断使用；6) 集成的 HMI 服务：只需为 HMI 设备定义数据源和目的地，系统能自动地循环传送参数。3.2 I/O 从站I/O 系统 S7-300 I/O 模板，通过 ET-200 接入总线网络。I/O 模块相当于电-数信号转换器，它将送至和来自现场 装置的信号如限位开关、接
12、近开关、温度 传感器、电磁阀、阀执行器等信号转换成 CPU 能够处理的信号电平和格式。所有与总线相连的 I/O 模块都是经过光电隔离，确保安全和无故障操作。所有开关量输入和开关量输出信号都经过中间继电器柜与 I/O 模板，中间继电器采用 Omron 系列继电器，容量为 5A220V，DCS 系统与外部电气回路在 DCS 柜的出线端子排交接。本系统 I/O 模板具有以下特点：1) 无需硬件设置，全部通过软件组态，易于快速配置 I/O 系统；2) 支持生产者/消费者通信模式， I/O 模板仅需要时产生信息，从而减轻处理器负担，提高系统效率；3) I/O 模板种类丰富， 满足各种控制信号要求，模拟量
13、输入输出模板具有 13bit 分辨率；4) 模拟量支持模板级的工程单位转换，双重高低报警；5) 所有 I/O 模板均设有信号开路或短路检查、一次元件工作状态检查、信号范围检查等检查功能。这一功能在每次扫描过程中同时完成，作为判断信号是否有效的重要依据之一。同时输入模板均设有专用的滤波功能，以防止信号不稳定和接点抖动；6) 所有的 I/O 模板都带有 CPU，I/O 扫描/ 输出周期（最小 2ms）及采样时间是可以组态的，可大大减轻 CPU 模板的负荷；7) 在 I/O 模板级完成输入滤波、工程单位转换及对非线性输入的线性化；8) 各过程 I/O 单元具有较强的自制能力，保存主机下装的初始化信息
14、及其它初始设置信息；9) 所有 I/O 模板均采用可拆卸的接线臂，更换模板时不需要解除联接电缆，所有模板支持热拆拔。本系统 I/O 模板主要性能参数：1) 模拟量输入模板a) 输入信号：可组态，0-20mA/4-20mA/0-10V/1-5V/10V/(模拟型)；RTD100(热电阻型) ；E/N/J/K(热电偶型) ；b) 电压输入时允许的输入电压(max):30V ；c) 电流输入时允许的输入电流(max):40mA；d) 与背板总线的隔离：有；e) 分辨率：13bit；f) 运行误差极限：0.1%；g) 模板干扰抑制频率：400/60/50/10Hz( 可组态) ；h) 功耗：1.3W(
15、模拟型)，4W( 热电阻/热电偶型)2) 模拟量输出模板a) 输出信号：可组态，0-20mA/4-20mA/0-10V/1-5V/10V/；b) 额定负载电压：24VDC；c) 负载阻抗(max)：1k(电压 )；0.5 k(电流)；1uF(容性)；1mH(感性)；d) 电压输出短路电流(max) ：25mA，有短路保护；e) 电流输出开路电压(max) ：18Vf) 与背板总线的隔离：有；g) 分辨率：12bit；h) 通道转换时间(max)：0.8ms；i) 运行误差极限：0.5%(电压)，0.6%(电流)；j) 模板干扰抑制频率：400/60/50/10Hz( 可组态) ；k) 功耗：6
16、W3) 开关量输入模板a) 额定负载电压：24VDC；b) 输入延迟：1.2-4.8s；c) 隔离测试电压：500VDC；d) 功耗：6W4) 开关量输出模板a) 额定负载电压：24VDC；b) 隔离测试电压：500VDC；c) 功耗：5W3.3 电源通过电源模块，实现 220VAC 与系统的隔离，改善电源的品质，提高系 统的可靠性。可在市电断电情况下，提供 20ms 能量使系统有序关 闭，当外部市电来电时，系 统可自动恢复，无需人工干预。4 操作员站/工程师站操作员站采用 2 台工控机和显示器，运行人机界面软件，2 台操作员站的可同时运行，互为备 用。操作员站具有带覆膜保护的平面式键盘 和大
17、屏幕彩色显示器。操作 员站配有 2 台打印机，其中 1 台 为黑白喷墨打印机， 1 台 为针式打印机。作为操作员站的工业计算机是独立的电子单元，可以支持 64k(=64*1024)个数据标签，显示 1000 幅流程显示画面，调用 100 个报表。操作员站兼作工程师站，至少有一台工业计算机可以具备工程师站功能，包括：a) 系统组态；b) 对 PLC 程序进行离线或在线维护；c)对人机界面在开发状态下维护。工程 师可以在任一终端上对所有站点进行组态或改变组态，工程师的操作设置安全密码。操作员站的主要性能参数如下：CPU：PIV2.8G内存：256M硬盘：40G网络接口： Ethernet(TCP/
18、IP，10/100Mbps)/Profibus DP显示器大小：21彩显显示器分辨率：1280x1024，75Hz；5 控制网络Profibus 是目前国际上通用的现场总线标准之一，符合 IEC、欧洲和中国的标准。Profibus 以其独特的技术特点、 严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的现场总线标准。Profibus 具有以下性能：1 具有 12M 的通讯速率和可靠的通讯质量；2 适用于多种通信介质，本方案采用 铜缆；3 灵活的网络拓扑，支持 线型、 树型、环型以及冗余结构，本方案采用线型结构；4 强大的通讯功能，支持基于 总线的驱动技术和符合 IE
19、C61508 的总线安全通讯技术；5 网络距离：1200m( 无中继)，90km(最长)；6 节点数：126 个总线站点；7 抗干扰能力：10mV/m 场强的电磁及无线电干扰 ；8 完善的诊断功能，提高系 统可维护性。6 软件系统本系统人机界面组态软件采用 WinCC 软件，PLC 编 程工具采用 Step7 软件。这些软件提供从工业底层到顶层的完整的软件体系，并拥有友好和相似的用户界面。6.1 Step 7 软件为方便用户开发控制程序，西门子提供了功能强大的 S7 的 32 位编程软件。其具有相当友好的界面，并可通过 网络进行远程编程。运行环境为 Windows2000，学 习使用方便，并可
20、使用中文和英文描述。Step 7 软件提供了 IEC 所有的 5 种编程语言，即 1)LAD，2)FBD，3)STL，4)SCL，5)GRAPH 等，并包含 PLC 离线防真软件 S7-PLCSIM。Step 7 软 件要求计算机主存储器最小为 256MB，计算机中需要磁盘存储容量为200-430MB。Step 7 软件易于使用，具有 强大的编辑和诊断工具，提供在线和离线编程模式。Step 7 软件实现以下功能：1) 硬件的组态和参数化；2) 通讯的组态；3) 编程；4) 测试，启动和维护；5) 文档化和归档；6) 运行/诊断功能。Step 7 软件具有以下性能：1) 符号化编程：文档和编程功
21、能集成在一起加快了编程速度；2) 块读写机制：获取了最快通讯速度，减少了网络负荷；3) 管理数据表并跟踪 I/O 使用信息；4) 交叉参考信息：可显示与某一地址相关的所有指令，梯级数和程序文件的列表；5) 自定义显示屏幕：可从数据表中选择最多 40 个不同的地址，并将其显示在一个屏幕上；6) 利用 I/O 偏移进行块剪切/复制/粘贴：在梯形图间可拷贝及粘贴梯级块，多次使用重复的梯级程序；7) I/O 模块的布局和组态：在梯式图编程完成前后完全定义 I/O，智能块传送模块可使用组态和监视屏幕；8) 梯级和数据表程序比较；9) 支持多个通讯设备的并行运行。6.2 WinCC 软件Wincc 软件是
22、在 Windows 系统上运行的一个人机界面 组态平台。WinCC 软件提供基于 BASIC 语言的开发环境 VBA，支持 DDE/OPC 通信机制，允许多于 4 个用户进程，可以 对各个控制站、操作站 进 行数据读取和发送。WinCC 软件提供以下功能：1) 画面生成，操作员可通过键盘和鼠标在线和修改显示画面。2) 数据库组态。3) 控制回路组态。4) 报表生成软件，用户可以按 DATASHEET 方式随时意定义报表格式。WinCC 软件具有以下性能：1) 工况画面制作：通过自由组态方式可以创造自己的画面体系，制作任意形状的设备图形，图形的数量仅仅受限于硬 盘容量。当前的 过 程变量或状态能
23、用数字量或模拟量进行显示。在画面中， 设备与过程的状态可以被 赋予颜色、 闪烁、位置、填充、可见等动态，从而使画面更形象、直 观；2) 多画面切换：从设备来的全部过程信息能集中显示在画面中，可以任意选择工况、趋势、 记录、 报 警等各操作画面；3) 故障与报警：提供如下警报和信息提示：系统错误、故障信息、开关信息和操作提示信息。这些信息可根据重要性分 为 6 种不同的优先级。显示在屏幕上部分的信息栏专门显示来自整个系统的最新警报和信息，不同的优先级的信息和警报以不同的颜色显示，同时显 示回路的名字和故障状态；4) 记录：重要设备状态和工艺参数可以存储在磁盘上，可以显示和打印出来；5) 报表：报
24、表分为定时报表和实时报表。定时报表一般用来在规定的时刻打印生产过程的操作记录和统计（求和、平均等），这类报表一般采用定 时驱动。 实时报表则用来随机打印某个时刻的报表或者历史报表，由操作员人工请求打印和事件启动（如事故追忆）。6 DCS 系统的功能7.1 设备逻辑控制1) 实现参控电气设备的顺序、联动、 闭锁等逻辑控制；2) 控制方式分为集控自动/集控手动/就地。正常生产时，使用集控自动方式，全厂设备按工艺要求的顺序和流程由中央控制室自动起停；集控手动时，可在中央控制室操作各设备，无闭锁和联动关系；就地时，操作权在现场；3) 对设备故障和工艺参数异常实时报警，并进行声光提示。一般故障只报警，
25、现场非正常急停或严重故障时，故障设备及其上游设备紧急停车。4) 对于顺序控制的设备，起动设备前由集控室发预警信号，若现场均满足集控自动起动条件，当集控室发出集控起动信号后，受控 设备按顺序自动起动。在起 动过程中或者运行过程中，受控设备可用停车钮停止运行；7.2 工艺过程控制1) 控制器实现所有参控工艺参数的采集、监视、 处理和调节功能。包括（但不限于）：温度、压力、流量、液位的 检测、 监视、PID 调节和各种复杂调节，各种阀门的开关、各种油泵的启停等顺序控制，各种 设备运行状态的监视及联锁保护等。2) 系统提供高性能的 PID 运算功能块，在进行 PID 调节时，只需要输入测量值、 设定值
26、、输出值以及整定值， PID 过程的整定可以在线进行。7.3 操作与管理1) 全厂所有参加自动化监控的设备形象逼真地实时动态显示，并可集中自动或集中手动远程启停现场设备，界面采用中英文标注；2) 界面直观友好，操作简便，功能 齐全，有形象逼真的动态画面和全中文显示，还具有实时报警监视、安全确认机制和数据记录功能；3) 工艺控制参数的调节、更改、整定均可在操作员站在线完成；4) 设备运行故障和工艺参数异常在操作员站实时报警，并在计算机硬盘上长期记录，在打印机上可打印实时的或历史的报警记录；5) 可灵活地调出有关工艺参数的实时的或历史的数据曲线；a) 历史数据存储能力：1000 实时点b) 历史数
27、据存储能力：10min(1-30min，可组态)c) 历史数据存储时间：30 天(1 天-10 年，可组态)6) 为不同等级的操作员或工程师设立各自操作权限，以保证系统的安全；7.4 维护与安全1) 系统具有故障自诊断功能，自动诊断 PLC 和通讯网络的运行状态，出 现异常能及时报告故障时间、位置、类型等信息； 2) I/O 模块支持热插拔，采用可拆卸端子排，出现 故障或扩展模板时，可在系 统不停机的状态下完成；3) 系统扩展方便，增加新设备或后期工程，可以方便地加入节点，并可通 过网络在线修改程序；8 操作画面操作站支持以下几类画面。1) 菜单画面列出该菜单下所有画面的名称及代号。菜单画面按
28、工艺分区组织。2) 工况图以类似用户的流程图的形式，显示过程信息，并 设有操作窗口可对任一控制回路进行操作。系统配有符号 库， 设备的状态和工艺参数的数值以不同的符号、着色、背景、闪烁 、移动等动态手段显示。系统应支持动态标签库 ，动态标签为 64k 点，数据更新速率不大于 1s。3) 控制分组画面以类似常规调节表和指示表的形式显示回路和测量指示点的信息，如变量值、设定值、 输出值、控制方式（MAN/AUTO/CASE）和高低报警（无报警时不出现）等。分组可任意进行，并且可以重叠。每一变量可有 10 个字符的位号名和 32 个字符的说明。操作员可从分组画面 调出任意变量（模拟或数字）的信息。对
29、模拟回路，可以 对设定值、输出值、控制方式等进行操作。 对数字回路，可对设备发出开启/ 关闭命令，或启动/停止顺序，画面应显 示出命令状态和实际状 态。4) 回路参数画面显示出任一指定控制点的全部信息，如变量值、 设定值、 输出值、操作方式和历史趋势，以及整定参数、报警限、算法 类型等由工程 师修改的参数。从参数画面也应可以对模拟回路和数字回路进行操作。5) 趋势画面显示实时趋势和历史趋势，同一趋势图上可同时设 1-8 个画笔，用不同的颜色表示不同的回路。趋势图的量程和时间可组态。6) 报警和报警汇总画面报警分为以下几类：a) 系统故障：包括诊断报警和后备硬件故障报警；b) 工艺异常报警：工艺
30、过程参数的绝对值报警、偏差报警、变化速度报警；c) 设备异常报警：设备启动超时故障等。报警具有以下方式：a) 实时报警条：无论当时屏幕上是何种画面，系统对任一报警都突出显示（闪烁、颜色改变等）并配合文字说明的方式显示在画面上；b) 报警汇总：将所有报警的时间、位置、内容等汇总的报警汇总画面中，操作员可以调出画面；c) 报警打印：报警发生时，在打印机实时输出(可设定)；d) 音响：报警发生时，发出音响提示。7) 报表报表有以下方式：a) 实时报表由指定数字信号触发或操作员启动，打印数据库所有变量的当前值。b) 定期报表在每小时、每班、每天、每月结束时打印出某些选定点（包括计算变量）的数值。变量数
31、值类型分为采样值、平均值和累计值。 报表设 有报表标题、列 标题、变量代号、变量说明、工程单位等信息。c) 报警汇总报表d) 操作记录报表e) 系统维护报表8) 系统设定画面9) 操作员登录画面10)帮助画面8 环境适应性1) 环境温湿度环境温度：-1550最大湿度：98%RH2) 热负荷：盘柜采用通风措施，盘柜室不需要强制通风冷却；3) 接地电阻：44) 抗冲击性：所有模板均满足 ANS137.90 抗冲击测试 的要求。9 安装工程DCS 系统的安装工程包括以下内容：1) DCS 系统控制盘、操作台的放置、固定；2) DCS 系统控制电缆的敷设；3) DCS 系统控制盘内接线；4) 接入 DCS 系统的仪表的接线；DCS 系统的安装工程材料：1) 控制电缆；2) 桥架及其支架、安装梁、联接件、附件（由用 户提供）；3) 辅助材料，例如焊条、油漆等（列入安装费）10 系统调试DCS 系统的调试包括以下内容：1) 验证所有接线的正确性；2) 验证自动化仪表的信号；3) 调试控制程序，确认满足设计要求；4) 调试人机界面软件，确认满足设计要求；5) 对过程调节回路进行预整定；6) 协助工艺操作人员进行热试车。附录1. DCS 系统结构图2. DCS 系统组态图3. 操作台布置示意图4. 控制柜布置示意图
