大型石化装置全集成自动化系统和FF现场总线的应用.ppt
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1、大型石化装置全集成自动化系统和FF现场总线技术的应用,上海赛科 教授级高工 吴国良 2005-12-6,目录 全集成管理系统 网络集成的可靠性要求 90 万吨/年乙烯联合装置全集成自动化系统概况 1)与DCS控制系统关联的网络 DCS 控制网络 远程访问服务网络 (RAS网络) 中央历史数据库网络 (PI网络) WEB 服务器网络 先进控制和优化系统网络 (APC网络) 通过MODBUS串行数据链与DCS通信的其它检测、控制系统 SIS的报警和事件历史(SOE)用OPC 总线 SIS系统的AMS HART总线 基金会现场总线 2) 安全连锁(SIS)系统网络 (1) 安全连锁系统(SIS)控制
2、 器与外部连接的网 络 (2) 安全连锁系统(SIS)内部连接的网络,3) 仪表局域网 (1) 仪表局域网插座(RS485), (2) 气相色谱分析仪系统(GC)控制器 (3)机械设备监视系统(MMS) (4) APC操作网络 4) 闭路电视(CCTV)局域网 5) 火灾和可燃气体系统网络 (F&G) 6) 电气局域网络 (MCC ) 7) 实验室信息管理系统(LIMS) 8)办公室局域网 (OFFICE LAN) 4 FF现场总线技术应用 1) FF现场总线的优点 (1) FF现场总线具有开放性, 互操作性与互用性 (2) FF现场设备的智能化与功能自治化 (3) 系统控制功能高度分散化 (
3、4) 数字信息技术发展迅速,今后数字技术的发展打下了基础 (5) 节省安装材料和调试工作量 (6)利用资产管理系统功能,降低设备生命周期成本 (7)模型装置FF技术的应用投资分析 2) FF总线物理层 (1) 物理信号转换 (2) H1现场总线网段(Segment)硬件的限制条件,3) 数据链路层 (1) 链路活动调度器(LAS) A 周期性时间的调度的通讯 B 非周期性时间的调度的通信 (2) 活动维护表 (3) 现场总线访问子层(FAS) 4) 用户应用层 (1) 模块的应用 (2) 现场总线段的功能块设置规定 5) 现场总线回路的测试 (1) 总线电缆的电阻,电容和绝缘测试 (2) 直流
4、电压检查 (3) 波形测试 6) 调试FF总线设备 7) FF现场总线使用中出现的问题分析 (1)存在的主要问题 (2) 现场总线的检查手段,1. 全集成管理系统,大型企业全集成管理系统分三个层次,ERP: (Enterprise Resource Planning)企业资源计划: 财务 ,人事(HR),采购, 生产计划,维修(SAP),销售 MES: (Manufacturing Execution Systems)生产执行系统 是工厂层面系统,能够优化从发布命令到最终完成的整 个生产活动。典型的生产执行系统包括: 实时过程信息(PI)、质量信息(LIMS)、成本,工厂生产事件信息的采集、历
5、史存储、分析和报告的信息系统集成,培训,CAD,HSE,效评估绩。 PCS: (Process Control System)过程控制系统: DCS控制系统,, 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) , 在线色谱检测网络(GC) , 电气设备检测控制系统(MCC), CCTV网络监视系统,等 90 万吨/年乙烯联合装置包括有10套石油化工生产装置及公用工程设施。每个生产装置都有自己的各种控制系统。,将这些系统集成为一个大的系统是为下列部门服务: 企业高层的经营决策, 生产管理层的计划调度, 安全部门的监视管理, 设备管理部门的资产管理,
6、制定维护、检修计划, 这些部门可以从自动化集成系统获取经营管理,生产调度,维护、检修所需要的各种工艺参数,安全状态,设备运行状态参数,故障检测信息等,以达到增加产量,提高产品质量,减低工厂设备运行周期成本,提高管理水平,满足商业需求,实现最大利润。,我们不仅要将一个装置内各种控制系统信息集成起来,而且要将全厂所有装置的控制系统和信息集成起来,成为一个管、控一体化的全集成主控制系统,使工厂各部门能够共享信息资源。 实现这种全集成的手段是网络通信技术,2. 网络集成的可靠性要求,1) 一般监视系统网络,可采用单路通信网络 。 2) 重要的控制、连锁系统网络,采用双冗余通信网络 。 3) 对于重要的
7、网络要求有最高等级的安全性,所有互连的网络之间应配备防火墙。 除了与生产装置现场的检测和控制设备外,DCS内部的数据高速公路上不应与外部有直接的连接。 5) SIS安全连锁系统的DI、DO信号使用硬导线连接。 数据库和应用软件的使用应通过密码保护的手段,使其限制在授权用户的范围内。 7) 整个现场范围内的通信光缆应至少有50%的冗余量。在需要双冗余信号的情况下,应使用二种光缆路径敷设,(一路走地下埋设,另一路走架空电缆桥架。),3 . 90 万吨/年乙烯联合装置 全集成自动化系统概况,被全集成的自动化系统和网络包括: 1) 与DCS控制系统关联的网络, 2) 安全连锁(SIS)系统网络, 3)
8、 仪表局域网, 4) 闭路电视(CCTV)局域网, 5) 火灾和可燃气体系统网络(F&G), 6) 电气局域网络 (MCC ), 7) 实验室信息管理系统(LIMS), 8) 办公室局域网 (OFFICE LAN)。,1)与DCS控制系统关联的网络, DCS 控制网络 每套DCS控制系统均有一个安全的、双冗余的DCS控制网络(例如,Delta V控制网络)。 它连接: DCS控制器(MD)(安装在生产装置卫星控制站内), 操作员站(OS) (安装在中央控制室内,卫星控制站内也有一个), DCS工程师站(ES) (安装在中央控制室), 各种用途的应用站 (AS) (安装在中央控制室), 这种DC
9、S控制网络实际上是一个专用协议的以太网IEEE 802.3 10/100baseT/F。见图一。,图二中显示了7个网络,它们分别是: 远程访问服务网络 (RAS网络) 它连接: 每个DCS系统有一个起远程访问服务作用的应用工作站(AS),这些应用工作站是与各自的DCS的控制网络(Delta V)相连接的, 8个专业远程工程师站(ES)(设置在 CCR内的), 8个远程监视员操作站(OS)(设置在 CCR内的)。 这些专业远程工程师站和远程监视员操作站每次可以为10套DCS中的任何一套DCS服务。这个网络是双冗余网络。, DCS和SIS使用的时间服务器(执行网络时间协议NTP), 它确保所有控制
10、器和工作站的时钟都依据一个共同的时间基准源而相互保持同步。该基准时间通过一个GPS卫星接收器传递到NTP服务器中。, 中央历史网络 (PI网络) 它连接: 各DCS负责记录和储存工艺数据的连续历史记录应用工作站(AS-03),同时与自己的DCS控制网络连接 , 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数据库服务器(中央PI)相连接。 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中,供企业各部门查阅。 见图二。, WEB 服务器网络,它连接: 每套DCS系统的负责发送WEB图形的应用工作站(AS-01), 通过防火墙与设置在行政大楼办公室内的办公室局域网 (OFFICE LA
11、N) 相连接。 他能提供制作成WEB形式的信息和图形,例如报警信息分析报告 (KPI) 供企业各部门查阅。 见图二。, 先进控制和优化网络 (APC网络) 它连接: 各装置的先进控制和优化系统的APC服务器, 对应装置的DCS控制网上的专用OPC应用工作站 (AS-04) 。 先进控制APC服务器中的计算结果,控制数据和DCS的实时数据通过APC网络相互传送,可实时处理各种设定点及其它控制参数。 OPC应用工作站的主要功能是起OPC通信作用和放置在DCS中没有的中间计算模块。 与该先进控制相关的硬件放置在控制室中。APC网络是冗余的。 APC服务器还与仪表网络连接,在仪表网络一节中说明。 见图
12、二。,通过MODBUS串行数据链与DCS通信的其它检测、控制系统 有: A) SIS安全连锁保护系统, 使能在DCS的操作员站上显示SIS系统的检 测数据,也可以参加DCS的连锁逻辑控制和程序控制。 B) 电气智能开关装置数据集中器,例如 INSUM- ICU, 使能在DCS的操作员站上(通过电机操作面板)显示和操作电机设备,控制电机启动、停止、正、反运转和禁止启动等操作。,C) 电气MCC数据集中器和远方终端单元, 使能在DCS的操作员站上监视供电系统分布, 大功率电机的电流、温度等参数等。 D)火灾和可燃气体报警连动系统(F&G), E) 转动机器轴振动,轴位移检测系统(MMS) , F)
13、气相色谱分析仪系统(GC) 。 G) 各DCS之间数据通信连接。, SIS的报警和事件历史(SOE)用OPC 总线 它连接: 各DCS系统的用于收集报警和事件历史(SOE) 的应用工作站(AS-02), 各生产装置卫星控制站(outstation) 内的SIS控制器, 通过安装在报警和事件历史应用工作站(AS-02)内的 OPC软件读取来自SIS系统的SOE报警和事件历史(A&E)信息。 这是个冗余的网络。 见图四。, SIS系统的AMS HART总线 它连接: 各DCS系统的AMS应用工作站(AS-01), 各生产装置卫星控制站内的SIS系统I/O点的 HART信号转换卡连接, 收集SIS系
14、统现场仪表的资产管理信息。 见图四。, 基金会现场总线 它连接: DCS的总线通信卡H1, 总线冗余电源, 现场仪表专用端子, 现场总线仪表设备, 基本会现场总线是执行H1协议,通信频率是31.25Kb/s 。 见图三。,每块H1卡有两个通道,现场总线电源,图三 现场总线图,现场总线电源,H1卡,总线干线,总线干线,总线支线,总线支线,总线支线,现场总线专用端子,现场总线专用端子,现场总线设备,现场总线设备,2) 安全连锁(SIS)系统网络,(1) 安全连锁系统(SIS)控制 器与外部连接的 网 络有: 通过冗余的MODBUS串行链与DCS接口。 通过HART串行数据链与DCS系统的AMS应用
15、工作站(AS-01)连接。 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(AS-02)连接。,(2)安全连锁系统(SIS)内部连接的网络有: 冗余的安全以太网(HPRO-S) 每个卫星控制站内的安全连锁系统(SIS)控制器通过冗余的安全以太网(HPRO-S)与设置在中央控制室内的公用SIS控制器, 辅助操作台上的紧急按钮和开关,选择器, BYPASS开关等通过硬导线作为DI点输 入到中央控制室内的公用SIS控制器。这样连锁系统用的各种操作开关动作可以通过安全以太网(HPRO-S)进入到设置在卫星控制站内的SIS控制器,参加连锁逻辑运算。, ELOPII总线 设置在中央控
16、制室内的SIS系统工程师站 通过ELOPII总线与各卫星控制站内的SIS系统控制器连接, 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。 另外在各卫星站内利用PC机也可以对本站内的SIS系统进行工程组态。 见图 六。,3) 仪表局域网,仪表局域网由单工的10/100 baseT以太网组成,作为通用性的仪表通信网络 。,它连接: (1) 仪表局域网插座(RS485), 分布在各生产装置卫星控制站内的,中央控制室(CCR)工程师室内的和机柜室内墙上的仪表局域网插座(RS485), 使任何装有访问软件的笔记本电脑与此插座相连接时就能访问仪表局域网上的信息。,(2)气相色谱分析仪系统(G
17、C)控制器, 在线气相色谱分析仪系统(GC)网络的控制器(安放在有关生产装置的卫星控制站内)通过仪表局域网络与设置在中央控制室(CCR)工程师室内(或维修大楼内)的GC工程师站连接。 从而能够对连接在在线气相色谱分析仪系统(GC)网络上的所有气相色谱仪进行组态和工程修改,并用于数据的采集、诊断、校准等。,(3) 机械设备监视系统(MMS): 连接到仪表局域网络上的设备有: 机械设备监视系统(MMS) 3500, 位于卫星控制站内的机器状况监视数据采集器(DAQ), 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, 这样卫星控制站内的MMS 3500测得的振动数据可以传送至
18、DAQ,而且仪表局域网上的用户也可以访问MMS 3500和DAQ中的数据。 机器状况监视服务器(DAQ)能分析和显示转动机械动态特性图形,它所需要的过程实时数据是由中央历史数据库(PI)通过办公室局域网(OFFICE LAN)和仪表局域网提供的。,(4) APC操作网络: 先进控制和优化 APC服务器通过仪表局域网络与操作员台上的一般用途PC机连接。 这台PC机是操作员与先进控制和优化(APC)控制的界面,可以进行投运APC操作,改变APC控制设定参数等。 仪表局域网络见图五。,4) 闭路电视(CCTV局域网),在闭路电视局域网(CCTV LAN)上连接的有: 闭路电视数字视频记录 / 服务器
19、(DVR)。 闭路电视摄像头(安装在工厂开阔区域和建筑物内)通过专用电缆 与卫星控制站内的数字视频记录 / 服务器(DVR)相连。 每个卫星控制站内的WEB网络电视摄像头, CCR内的PC机监视器, 该PC机起到监视器作用,可以用于存储和记录录像数据。 通过防火墙与办公室局域网(OFFICE LAN)连接, 办公室局域网上的用户能够访问CCTV服务器,监视闭路电视摄像 镜头。 见 图四 。,5)火灾和可燃气体系统网络 (F&G LAN),本网络连接: 每个卫星控制站内的火灾和可燃气体控制器, 该控制器有三个作用: 接收来自可燃气体检测器的信号,与 Minerva M80火灾报警盘通信, 组态F
20、&G连锁、报警逻辑,并驱动消防执行机构,报警灯,报警喇叭, 通过Modbus与DCS通信,使能在DCS上显示F&G系统信息,同时通过硬接线与SIS连接执行连锁任务。 Minerva M80火灾报警盘可以连接各种可寻地址的火焰,烟雾,手动报警按钮等检测器。, CCR中的三台F&G系统工作站, 这三台F&G工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系统工作站可以在中央控制室(CCR)内监视全厂的安全状况。 工厂和当地工业开发区的消防站, 消防站内的F&G工作站可以监视全厂安全状况,并发出指令通过F&G网络由各卫星控制站内的火灾和可燃气体控制器面板向全厂发出警报。
21、F&G系统的UPS备用电源是24小时的。 见图七。,6) 电气局域网络 (MCC LAN),电机控制总线 (LON) 使用智能开关装置,(例如INSUM- MCU)对电机和其它电气设备进行控制。 电机控制总线(LON)最多可以连接128台智能开关装置,并与各配电室内的数据集中器相连接(例如INSUM- ICU)。, 数据集中器 (INSUM ICU) 电气局域网络 (MCC LAN)将卫星控制站内的各数据集中器(INSUM ICU)连接起来。 DCS所要求的所有低压电机运行数据和电机的功率,温度等参数通过这个链接进行传送,由中央控制室(CCR)内的操作员负责对所有电机的监控。 数据集中器与DC
22、S通过冗余的Modbus通信连接, 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。当DCS联锁需要进行电机的启动、停止或启动禁止操作时,都应通过该双冗余Modbus串行链完成。 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,则由智能开关装置采用硬连接线方式与电机控制回路连接。,远方终端单元(RTU560) 各配电室内的远方终端单元(RTU560)能够收集大功率高压电机绕组温度等参数和电气供电分布系统的状态数据,并连接变频控制器。远方终端单元(RTU560)同时也通过MODBUS串行链与对应卫星控制站内的DCS通信连接。, 电气局域网络 (MCC LAN)
23、电气局域网络是一个以太网(TCP/IP),它将下列设备连接起来: 各配电室内的数据集中器(INSUM ICU) 远方终端单元(RTU560), 放置在各配电室内的SCADA系统工程师站, 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。 见图八。,7)实验室信息管理系统 (LIMS LAN),它连接: 各种实验室分析器, 手动分析数据输入设备, 分析仪数据库的服务器, 传递的数据包
24、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。 通过防火墙与办公室局域网相连。 见图九。,8)办公室局域网 (OFFICE LAN),工厂的网络分成二大部分: 生产系统网络, 管理系统网络, 它们分别与工厂的办公室局域网 (OFFICE LAN) 相连接, 生产系统网络通过冗余的防火墙隔离后与办公室局域网。 与办公室局域网 (OFFICE LAN)相连接的生产系统网络有如下: WEB服务器网络 (web server LAN), CCTV网络, 仪表网络 (INSTRUMENT LAN), 实验室信息管理系统 (LIMS LAN), 电气局域网络(MCC LAN), 与办公室局域网
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