【摘要】化工行業在我國有著舉足輕重的地位，化工產品在各個領域都有著不可替代的作用，整個化工行業的生產狀況將直接影響到國民經濟的發展和人們的日常生活，本文運用先進的控制系統對高塔復合肥的生產線設計DCS控制系統進行控制，對于提高產品的質量和產量，降低原材料損耗，增加企業經濟效益有著重大意義。

　　關鍵詞：DCS；自動化；PLC；WINCC；化工

　　1引言

　　以集成電路和電子計算機為代表的電子技術的發展水平及其在社會生產和生活各領域應用的深度和廣度，已成為當今衡量一個國家技術進步和現代化程度的重要標志。

　　當今世界正處于新技術革命的時代，電子信息技術是這場世界性產業革命的先導。在微機應用技術和范圍方面，發展最快的是用于生產過程自動化的監測、顯示與控制，其中尤其以發展傳統產品、節能降耗為最。在節能與環保、實現節能與文明生產、提高經濟效益等一系列急切要求的推動下，國內外都很重視對工業自動化的技術履行。

　　工業過程先進集成自動化技術是集自動化控制技術、計算機信息技術、綜合控制理論、智能控制工程及高效節能技術于一體的綜合過程控制技術系統。本項目就是將工業過程先進集成自動化技術成功應用于工業生產過程中，運用先進的控制系統對化工產品的生產線過程進行自動化監測、顯示與控制，實現智能化控制（DCS），提高產品的質量和產量，降低原材料損耗，節省能源，提高經濟效益，實現節能與環保、節能與文明生產的有效融合。

　　2系統總體設計方案

　　2.1系統設計原則及能夠達到的性能

　　l實用性原則

　　從具體情況出發,制定符合實際且技術先進的生產控制功能,本系統的設計目標是只在工藝要求的情況采用手工操作,由DCS系統實現對生產過程的全自動控制，提高產品的質量和產量。

　　l可靠性原則

　　對化工生產系統的高可靠性是十分重要的。首先是硬件系統的可靠性,實現了雙CPU、雙CP的熱備冗余連接機制,總線冗余配置可以使系統的運行可靠性更高，其次是軟件系統具有較高的可靠性,具有容錯功能。

　　系統的平均無故障時間(MTBF)：15年

　　模件的平均無故障時間(MTBF)：50年

　　系統可利用率(MTBF/MTBF+MTTR)：大于99.99%，

　　l安全性原則

　　采用分散控制，選用的I/O模件在運行過程中都可帶電插、拔，而且具備完善的故障檢測、診斷功能。上位機具有完善的報警顯示、故障處理及操作報警等功能。具有連鎖、緊急停機功能，使系統具有良好的安全運行性能。

　　l先進性原則

　　系統設計應把握先進穩定的傳感器技術、最新電子控制技術、計算機技術、網絡和通信技術的發展方向，采用先進的體系結構；盡量選用同行業內先進成熟的技術和設備，選用先進的軟硬件平臺，營造高起點的系統開發與應用環境，系統具有先進的體系結構，先進的控制算法，先進的通訊功能，先進的網絡功能，先進的熱備冗余功能，既具有控制功能，還具有完善的信息處理和管理功能，使其具備全集成自動化的控制模式，在國內處于領先水平。

　　l靈活性原則

　　系統采用分布式I/O結構，ET200作為從站通過PROFIBUS-DP現場總線使現場信號與自動化系統相連，它可以集中裝在室內或分散裝在控制現場，使系統配置具有極大的靈活性，并且具有靈活的軟件組態功能，能夠靈活的進行控制算法的修改，很方便的完成控制參數的整定。

　　l擴展性原則

　　系統具有開放似的模塊化體系結構和軟件系統，易于系統的擴展及與管理信息系統的互聯。系統具有開放性，在功能，配置，通信接口等方面具有較好的控制能力，系統能隨著科學技術的發展而不斷平滑升級。

　　l可維護性原則

　　系統具有自診斷功能，對軟、硬件系統可以進行故障定位和故障報警，并能進行故障處理記錄，故障平均修復時間(MTTR)為3分鐘，并可進行在線維護。

　　2.3設計依據及標準

　　過程控制系統系統的主要標準和規范如下：

　　《監控、數據采集和自動控制系統采用的定義、規范ANSI/IEEEC37.1-1987》

　　《電子設備雷擊保護導則》GB1450

　　《計算機接地技術要求》GB2887

　　《低壓電器基本標準》

　　《自動化儀表工程施工及驗收規范》GB50093-2002

　　《電氣裝置安裝工程施工及驗收規范》GBJ232－90,92

　　《安全防范工程程序與要求》GAT75－94

　　《過程測量與控制儀表的功能標志及圖形符號》HG/T20505-2000

　　《自動化儀表選型設計規定》HG/T20507-2000

　　《信號報警、安全聯鎖系統設計規定》HG/T20511-2000

　　《儀表配管配線設計規定》HG/T20512-2000

　　《儀表系統接地設計規定》HG/T20513-2000

　　《儀表及管線伴熱和保溫設計規定》HG/T20514-2000

　　《儀表隔離和吹洗設計規定》HG/T20515-2000

　　《自動分析器室設計規定》HG/T20516-2000

　　《自控設計常用名詞術語》HG/T20699-2000

　　《可編程控制器系統工程設計規定》HG/T20700-2000

　　《自控安裝圖冊總說明、圖形符號規定及材料庫》HG/T21581-95

　　《電氣裝置安裝工程盤、柜及二次回路接線施工及驗收規范》（GB50171-92）；

　　IEEE802.3網絡技術標準，IEC870-5-103,以及GB、SD、JIEC、IEEE、IEC、ISO、ANSI、DIN等相關的最新標準。

　　2.4系統總體結構圖

　　冗余的系統結構圖

　　2.5各單元功能描述

　　2.5.1上位操作員站

　　主控室上位監控計算機通過PROFIBUS總線對下面的DCS系統進行監控，上位機操作員站主要完成以下功能：

　　檢測點實時顯示：實時顯示各種狀態點實際值。

　　檢測點棒柱顯示：可設置報警上下限。

　　各種PID調節：可進行PID參數設置，并可實現手、自動切換。

　　報警功能：任何方面出現故障都能及時產生報警（包括監控畫面報警顯示以及報警訊號）。

　　錯誤信息診斷：根據系統故障，提出診斷報告。

　　歷史曲線實時記錄：實時顯示各種重要參數的曲線狀態，方便監控以及以后翻查。

　　操作記錄顯示：能夠將所有相關人員的各種操作實時作記錄歸檔，這樣當錯誤操作而引起事故時便能迅速查出事故原因及責任人。

　　動畫演示：各流程畫面都有一定的動畫效果，增強了監控畫面的形象性。

　　2.5.2上位機工程師站

　　工程師站可以兼做操作員站，除此之外它還可以提供以下的功能：

　　用戶管理：設置管理員用戶名及密碼，包括新建和刪除管理員、操作員用戶。

　　權限設置：可以針對不同的現場操作按鈕設置不同的操作員權限，然后對操作員設置不同的權限。

　　程序、組態下載：可以在線或離線下載用戶程序和組態數據到DCS控制器。

　　在線故障診斷：可以實時的對下面DCS控制器進行硬件診斷，當出現故障時，可以實時的進行故障診斷和定位。

　　2.5.3DCS過程控制器

　　西門子的過程控制器S7315-2DP通過PROFIBUS總線與上位機完成通訊，并且實現兩個過程控制器之間的冗余配置，當一臺控制器因斷電等故障工作異常時，系統可以自動切換到另一臺冗余控制器進行工作。

　　控制器通過Profibus總線與下面的2臺控制分站相連，對控制分站的采集信號，進行高速的采集、處理。

　　2.5.4DCS過程控制分站

　　本系統的過程控制分站一共2臺，完成對廠方要求的所有模擬量、數字量信號的實時采集和輸出控制功能。

　　實時性問題在工業監控領域具有十分重要的地位,本通訊系統達到的要求如下:

　　&sup2;數字量采集周期<0.05s；

　　&sup2;模擬量采集周期:電量<0.1s，非電量<0.2s；

　　&sup2;實時數據庫更新周期:<1s；

　　控制命令響應時間:①控制命令回答響應時間

　　3DCS系統的硬件配置和性能

　　該系統包含了計算機技術、控制技術、網絡通訊技術、現場總線技術等，并通過網絡總線把計算機、PLC、DCS、現場智能儀表和連接成一個有機的整體，使用戶在遠程監控室內就可以監視和控制現場控制器的狀態。

　　本系統設置兩個控制柜，以對生產裝置進行控制。

　　對于每套生產裝置，分別設置兩臺ET200M作為PROFIBUSDP從站，用于將分布式IO信號送至控制器。

　　在本系統中我們設置了兩臺CPU315-2DP作為PROFIBUSDP主站，用于對來自DP從站的現場信號進行處理。任意一臺均能控制兩套生產裝置，其中一臺平時作為備用機。當主CPU發生故障時，有專門的冗余程序來保證控制任務自動切換到備用系統中運行。

　　在控制站的上位機部分，我們設置了操作員和工程師站。

　　上位機與控制站之間，主系統CPU同備用系統CPU間，通過PROFIBUS總線進行通訊。

　　下面對DCS系統的硬件配置進行一下介紹。

　　3.1操作員站、工程師站具體配置

　　該系統有兩臺工控機組成，其中一臺作為操作員站，一臺作為工程師站。

　　兩臺工控機我們采用了研華IPC610，性能可靠，CPU主頻為Pentium2.4G，160G硬盤，2G內存。

　　1．操作員站

　　操作員站滿足如下要求:

　　•動態工藝流程圖不小于100幅，可進行多窗口畫面顯示（每屏&sup3;4幅）。

　　•調用任一畫面一般只需擊鍵一次即可，最多不會大于三次。

　　•操作站動態標簽數&sup3;3000點。

　　•具有趨勢曲線記錄功能，趨勢曲線總數&sup3;100條，1分鐘時間間隔，24小時趨勢曲線>80條，每幅趨勢曲線圖允許6條以上曲線疊加顯示。

　　•具有生產報告、事件報告、報警報告等功能。

　　•操作站與現場控制站之間用PROFIBUS總線進行連接，采用PROFIBUS總線作為其傳播介質，通訊速率為>10Mbit/sec。

　　•流程圖狀態更新、畫面切換或刷新時間可調，最小值小于100ms。（包括動態和靜態數據）。

　　•供電電源：220VAC±15%，50Hz。

　　2．工程師站

　　工程師站具有操作員站的全部功能，此外，工程師站還具有編程、組態、診斷、調試和修改等功能。

　　工程師站滿足如下要求：

　　•工程師工作站可以調出任一已定義的系統顯示畫面。在工程師站上生成的任何畫面和趨勢圖等，可以通過通訊總線加載到操作員站。

　　•工程師站可以通過通訊總線，調出系統內任一處理單元的系統組態信息和有關數據，也可以將組態數據從工程師站上下載到各分散處理單元和操作員站。當新的組態數據被確認后，系統能自動地刷新其內存。

　　•工程師站包括了站用處理器、圖形處理器及能容納系統內所有數據庫、各種顯示和組態程序所需的主存儲器和外圍設備，能提供系統趨勢顯示所需的歷史趨勢緩沖器。

　　供電電源：220VAC±15%，50Hz

　　3.2控制器

　　1．CPU

　　在控制器方面，我們采用的是SIEMENSPLC較高性能系列S7-300的CPU315-2DP。

　　CPU315-2DP具有如下設計特點：

　　•高性能的處理器

　　CPU315-2DP執行一條二進制指令僅需要100ns，滿足對程序規模和指令處理速度的更高要求。

　　•擴展的存貯器能力

　　CPU315-2DP具有128KBRAM。

　　•靈活的擴展性

　　CPU315-2DP可以擴展多達32768個數字量或2048個模擬量I/O，其第二個接口可以連接的DP從站總量達96個，具有很強的擴展能力。

　　•PROFIBUS-DP接口

　　集成的PROFIBUS-DP接口使CPU315-2DP能夠作為主站直接連接到PROFIBUS-DP現場總線,建立一個高速的分布式自動化系統，并且使得操作大大簡化，傳輸速率最大為12Mbit/s。

　　•多點接口（MPI）

　　CPU315-2DP用MPI能夠建立最多32個站的簡單網絡，能對在通訊總線（C總線）和MPI上的站點建立連接，其數據傳輸速率最大為12Mbit/s。

　　•功能塊保護：

　　在用戶程序中使用口令保護，可防止非法訪問。

　　•診斷緩存區：

　　315-2DP最后的故障和中斷事件保存在FIFO緩存器中，供診斷使用。存入的信息數目可以通過參數化確定。

　　•實時時鐘：

　　將從CPU來的診斷信息標上日期和時間。

　　3.3ET200M

　　1．ET200M概述：

　　•ET200M是高密度配置的模塊化I/O站，具有處理全部分布式自動化問題各種需要的能力，防護等級為IP20。

　　•符合HART協議的防爆模擬量輸入和輸出模板意味著，ET200M適用于過程工程，它也適宜于與冗余系統一起使用。

　　•ET200M是在PROFIBUS-DP現場總線上的被動站(從站)，最大數據傳輸速率為12Mbit/s。

　　•ET200MI/O站包括IM153接口模塊，最多8個S7300可編程控制器模塊，它們通過PROFIBUSDP現場總線與自動化系統相連接。

　　•ET200M可采用有源總線模板進行配置，在運行過程中允許帶電更換模板。其余模板仍繼續運行(熱插拔)。

　　2．IM153-2接口模板：

　　•將ET200M作為從站連接到PROFIBUS-DP(銅導線)。

　　•適用于冗余PROFIBUS-DP系統。

　　•有時間戳記功能和時間同步。

　　3.關于熱插拔

　　SIEMENS的PLC控制系統中：

　　S7-300作為PROFIBUSDP主站下掛DP從站ET200M、ET200S、ET200iS，支持熱插拔功能（需要使用有源總線底板）；但采用S7-300作為主站的軟冗余系統無法實現熱插拔全部功能。當將ET200M從站上的模塊拔出時，CPU不停機，主CPU、備用CPU上的SF燈亮，BUSF燈閃爍，ET200M從站上的2塊IM153-2模塊的SF燈亮，BF燈閃爍，該ET200M從站上所有模塊的I/O值被清0，S7-300主站失去對該ET200M從站的控制能力。當再次將模塊插入到ET200M站上時，系統從主CPU切換到備用CPU，SF、BUSF、BF燈熄滅，軟冗余系統重新回到正常運行狀態。

　　根據上述介紹，使作為PROFIBUSDP主站的S7-300CPU采用硬冗余方式，然后下掛DP從站ET200M，這樣就實現了整個系統的熱插拔功能（需要使用有源總線底板）。

　　4 DCS系統的軟件配置和性能

　　4.1上位監控軟件WinCC

　　上位監控軟件選用SIEMENS公司最新的WinCCV6.0，SIMATICWinCC（視窗控制中心）是西門子（SIEMENS）在自動化領域中的先進技術和Microsoft的強大功能相結合的產物。它有各種有效功能用于自動化過程，是用于個人計算機上的，按價格和性能分級的人機界面和SCADA系統。可以容易的結合標準和用戶程序生成人機界面，準確的滿足實際要求。與其他監控系統相比，WinCC具有以下系統特性：

　　1、SIMATICWinCC是一個通用的系統

　　WinCC在自動化領域中可用于所有的操作員控制和監控任務。WinCC可將過程和生產中發生的事件清楚的顯示出來。它顯示當前狀態并按順序記錄。所記錄的數據可以全部顯示或選擇簡要形式顯示，可連續或按要求編輯，并可輸出。WinCC提供各種功能塊用于以上這些功能，以及圖形顯示，結合各用戶程序、信息處理、測量值處理、配方參數和報表。

　　2、SIMATICWinCC功能可隨任務增加

　　軟件的特殊功能做成可選軟件包，客戶可以單獨選購，適用于數據和功能的擴展。例如，通過服務器可選軟件包，可以將已有的單用戶組態系統擴展成一個多用戶系統。

　　3、SIMATICWinCC提供安全保障

　　WinCC能夠在生產過程中危機情況的初發階段進行報告，這些信號即可以在屏幕上顯示出來，也可以通過聲卡用聲音表現出來。WinCC支持用幫助功能和操作指南來消除故障。某一WinCC工作站可專門用于過程控制以使那些重要的過程信息不被屏蔽。軟件輔助操作策略保護過程不會非法訪問，并提供用于工業環境中的無錯操作。世界范圍的售后支持更提供了安全保障。

　　4、SIMATICWinCC保證數據的完整性

　　通過兩個冗余的工作站，WinCC提供連續的文檔數據選擇和系統操作的安全保證。在一個服務器受干擾后系統切換客戶機到其它服務器上，以確保連續操作。當故障的客戶機重新啟動，兩臺服務器的文檔自動匹配，以保證文檔數據不中斷。

　　5、SIMATICWinCC是全面開放的軟件

　　WinCC是在MicrosoftWindows98/2000或WindowsNT4.0/5.0操作系統下，在PC機上運行的面向對象的一流的32位應用。WinCC可通過OLE和ODBC視窗標準機制，作為理想的通訊伙伴進入Windows世界。因此可容易的結合到全公司的數據處理系統中。WinCC不僅僅是數據開放，系統功能也是開放的。這就意味著系統開發人員可用WinCC作為基礎開發有關的應用軟件，或編寫擴展功能。

　　6、SIMATICWinCC易于使用

　　WinCC的組態環境與MicrosoftWindows的風格一致，并采取人機工程學的研究成果。即使操作人員的知識水平不等，也能在很短的時間里掌握該系統。系統有多媒體自學軟件，詳細的在線幫助，獨特的組態向導等等以幫助學習。

　　利用WinCC的創建過程畫面功能可實現對總貌畫面、分組畫面、單點畫面（調整畫面）、趨勢畫面、圖形畫面、棒圖等畫面的顯示。

　　鑒于上述優秀特性，在工程師站及操作員站上使用WinCC，輕松滿足本裝置的生產監視、過程控制、操作畫面、參數報警、數據記錄及趨勢、數據歸檔、報表顯示打印等項的功能要求。其中在工程師站上可以實現用戶管理與設置權限，在工程師站能調出任一已定義的系統顯示畫面。在工程師站上生成的任何畫面和趨勢圖等，能通過通訊總線加載到操作員站，而且可將組態數據從工程師站上下載到各分散處理單元和操作員站。

　　4.2過程控制器編程軟件STEP7

　　PLC控制軟件選用SIEMENS的STEP7V5.4，STEP7是用于SIMATICS7-300/400站創建可編程邏輯控制程序的標準軟件。它容易使用，面向對象,直觀的用戶界面，組態取代了編程，擁有統一的數據庫，編程語言符合IEC1131-3。

　　在STEP7中，用項目來管理一個自動化系統的硬件和軟件。STEP7用SIMATIC管理器對項目進行集中管理，它可以方便的瀏覽SIMATICS7、M7、C7和MinAC的數據。實現STEP7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP7中。

　　STEP7可使用梯形邏輯LAD、功能塊圖FBD或語句表STL。STEP7功能十分強大，主要功能有：硬件配置和參數設置、通信組態、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷等。STEP7的所有功能均有大量的在線幫助，用鼠標打開或者選中對象，按F1鍵可以得到該對象的在線幫助。利用硬件組態功能實現系統組態、CPU與各模塊的參數設置；利用通信組態實現站與站之間通訊方式設置；系統診斷功能可提供自動化系統的狀態，可快速瀏覽CPU的數據和程序在運行中的故障原因，還可以圖形方式顯示硬件配置與模塊故障，實現在線故障診斷功能。

　　4.3冗余軟件包（SoftwareRedundancy）

　　本系統采用冗余方式實現冗余要求。軟冗余能夠實現：主機架電源、背板總線等冗余；PLC處理器冗余；PROFIBUS現場總線網絡冗余（包括通訊接口、總線接頭、總線電纜的冗余）；ET200M站的通訊接口模塊IM153-2冗余。

　　軟冗余系統由A和B兩套PLC控制系統組成。開始時，A系統為主，B系統為備用，當主系統A中的任何一個組件出錯，控制任務會自動切換到備用系統B當中執行，這時，B系統為主，A系統為備用，這種切換過程是包括電源、CPU、通訊電纜和IM153接口模塊的整體切換。系統運行過程中，即使沒有任何組件出錯，操作人員也可以通過設定控制字，實現手動的主備系統切換，這種手動切換過程，對于控制系統的軟硬件調整，更換，擴容非常有用，即AlteringConfigurationandApplicationPrograminRUNMode。

　　在軟冗余系統進行工作時，A、B控制系統（處理器，通訊、I/O）獨立運行，由主系統的PLC掌握對ET200從站中的I/O控制權。A、B系統中的PLC程序由非冗余（non-duplicated）用戶程序段和冗余（redundantbackup）用戶程序段組成，主系統PLC執行全部的用戶程序，備用系統PLC只執行非冗余用戶程序段，而跳過冗余用戶程序段。

　　如果CPU產生停機或斷電，或是其它一些故障，則故障診斷為大約100－1000毫秒。

　　在本系統中，我們選用了PROFIBUS方式作為主備系統間的同步方式，在這種方式下，同步1K數據所需的時間大約為250ms。

　　DP從站切換時間與從站的數量有關系，在PROFIBUS同步方式下，PROFIBUS下掛兩個從站的切換時間大約為20ms。

　　在安裝完軟冗余的軟件后，可以在STEP7當中找到例子程序和功能程序塊庫，不同網絡連接需要調用不同的程序功能塊包，通過調用不同的程序功能塊包以及在STEP7中網絡組態是選擇適當的連接方式，就能輕松的實現系統對冗余的要求。

　　5 結束語

　　高塔復合肥DCS控制系統整個設計過程遵循分散控制、集中管理思路，并在過程控制層配置了冗余結構，提高了系統的穩定性，運行先進的控制策略和控制方法以及主流的控制技術，滿足化工行業穩定性和安全性的高要求，其控制系統構建思路化工行業有一定的借鑒意義。