盧 倩 王福元 崔 治

(鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

0 引言

目前，現(xiàn)場總線是自動(dòng)化領(lǐng)域的主流技術(shù)之一[1]，但由于現(xiàn)場總線技術(shù)是針對(duì)現(xiàn)場的機(jī)器設(shè)備、控制對(duì)象而研發(fā)的專有通信控制系統(tǒng)，因此每一套控制系統(tǒng)實(shí)際上就是一套獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)[2]，不同的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不可避免地會(huì)出現(xiàn)彼此無法兼容、無法通信的現(xiàn)象，由此造成了“信息孤島”[3]。分布式工業(yè)以太網(wǎng)能夠有效地避免上述情況的發(fā)生，但如何利用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)化工廠的綜合自動(dòng)化控制一直是化工生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)難題之一[4]。

本文結(jié)合廣西田東縣某化工廠三氯乙酰氯車間的自動(dòng)化改造工程，采用分布式工業(yè)以太網(wǎng)替代現(xiàn)場總線構(gòu)建一體化的綜合自動(dòng)化控制平臺(tái)，以此探討分布式工業(yè)以太網(wǎng)在化工廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 化工自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

1.1 化工生產(chǎn)流程及控制要點(diǎn)

該化工廠的三氯乙酰氯制備工藝流程如圖1所示。利用氯氣和硫磺作為原料，經(jīng)過氯化反應(yīng)、?；磻?yīng)、一級(jí)氧化、二級(jí)氧化和精餾之后得到最終成品三氯乙酰氯。在如圖1所示的三氯乙酰氯制備工藝流程中，氯化、?；?、一級(jí)氧化和二級(jí)氧化均是在反應(yīng)釜中進(jìn)行的，需要對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)的溫度和壓力進(jìn)行監(jiān)測與控制，以確保三氯乙酰氯的純度和質(zhì)量。

圖1 三氯乙酰氯制備工藝流程圖Fig.1 Technological process of trichloroacetyl chloride

通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前三氯乙酰氯車間的生產(chǎn)，除了氯氣泄漏時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警外，其他都需手動(dòng)控制。工人需要時(shí)刻對(duì)各個(gè)反應(yīng)釜的溫度和壓力進(jìn)行巡檢，當(dāng)某個(gè)反應(yīng)釜的溫度和壓力異常時(shí)，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)壓力閥門或者通氯閥來實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)釜壓力和溫度的調(diào)整，從而保證反應(yīng)釜內(nèi)氯化、?；把趸磻?yīng)的正常進(jìn)行。

如果采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線對(duì)三氯乙酰氯車間進(jìn)行綜合自動(dòng)化控制改造，需要對(duì)現(xiàn)場內(nèi)的眾多設(shè)備的不同接口分別設(shè)計(jì)并配置適宜的現(xiàn)場通信協(xié)議。但通?，F(xiàn)場總線繁冗復(fù)雜，因此從現(xiàn)場反應(yīng)釜的分布來看，采用現(xiàn)場總線并不可行。相反，如果采用工業(yè)以太網(wǎng)作為自動(dòng)化控制的平臺(tái)，則只需要完成通信控制網(wǎng)絡(luò)的布線，即可實(shí)現(xiàn)將整個(gè)車間內(nèi)的設(shè)備都納入到綜合自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中[5]，不但組網(wǎng)成本大幅下降，而且有利于系統(tǒng)的后期維護(hù)。

1.2 總體建設(shè)目標(biāo)與內(nèi)容

為了進(jìn)一步提高化工廠的綜合管理水平和企業(yè)的核心競爭力，真正實(shí)現(xiàn)以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，保障安全生產(chǎn)，必須要對(duì)該化工廠進(jìn)行基于工業(yè)以太網(wǎng)的綜合自動(dòng)化改造。改造建設(shè)的總體目標(biāo)是:實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制的信息化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化。建成后的監(jiān)測系統(tǒng)將是一個(gè)有易于擴(kuò)充、升級(jí)和管理使用的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)綜合管理平臺(tái)。該系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)采集、各監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)資料智能檢索、人機(jī)交互等功能相結(jié)合的安全生產(chǎn)監(jiān)測和分級(jí)管理系統(tǒng)，充分滿足了化工廠現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。

系統(tǒng)控制采用主控中心集中式管理模式，采用模塊化、可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)思路，可根據(jù)化工廠實(shí)際需要不斷擴(kuò)充、升級(jí)，既有效保護(hù)了項(xiàng)目的投資，又使系統(tǒng)不會(huì)落后?；诠I(yè)以太網(wǎng)的自動(dòng)化改造的具體建設(shè)內(nèi)容如下。

①建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，將生產(chǎn)所需的各生產(chǎn)設(shè)備、機(jī)電設(shè)備及其他需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測的設(shè)備接入化工廠內(nèi)部，并通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)設(shè)備、機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)化監(jiān)測，為無人值守提供技術(shù)支撐。

②在人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)需具備設(shè)備運(yùn)行工況監(jiān)測、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)/參數(shù)的統(tǒng)計(jì)查詢與自動(dòng)存儲(chǔ)、定期生成報(bào)表等功能，全面實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備、機(jī)電設(shè)備的數(shù)字化、信息化管理。

③系統(tǒng)所采集監(jiān)測到的參數(shù)與系統(tǒng)內(nèi)的報(bào)警臨界值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)被監(jiān)測參數(shù)異常超限時(shí)，自動(dòng)報(bào)警，并根據(jù)參數(shù)的超限狀態(tài)自動(dòng)控制通氯閥和壓力閥，以調(diào)節(jié)反應(yīng)釜的溫度和壓力，確保生產(chǎn)穩(wěn)定可靠進(jìn)行。

④將原有的氯氣泄漏報(bào)警集成到該工業(yè)以太網(wǎng)綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中，以實(shí)現(xiàn)三氯乙酰氯車間內(nèi)的生產(chǎn)、報(bào)警的聯(lián)動(dòng)控制。

2 綜合自動(dòng)化平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的分布式綜合自動(dòng)化平臺(tái)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)介質(zhì)，將三氯乙酰氯車間生產(chǎn)工藝流程的每一個(gè)采集點(diǎn)都納入自動(dòng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的傳輸范圍內(nèi)，從而方便構(gòu)建分布式自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。具體的綜合自動(dòng)化平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2 綜合自動(dòng)化平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.2 Network structure of the integrated automation platform

圖2中，基于分布式工業(yè)以太網(wǎng)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為以下幾個(gè)層次。

①傳感儀表層

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)工業(yè)流程的全程監(jiān)控，必須選用合適的傳感器對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)的壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，傳感器采用4～20 mA電流信號(hào)作為傳輸介質(zhì)，將模擬量信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊中。

②數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集模塊接收傳感器傳送過來的模擬量信號(hào)，采集模塊通過網(wǎng)絡(luò)RJ45接口，借助于TCP-IP通信協(xié)議或者工業(yè)以太網(wǎng)Modbus-TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，從而構(gòu)建基于分布式工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。

③PC終端

PC終端通過專用的組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)眾多設(shè)備的參數(shù)變量的實(shí)時(shí)顯示，并提供友好的人機(jī)交互界面，完成數(shù)據(jù)的查詢、存儲(chǔ)和報(bào)表統(tǒng)計(jì)等管理功能。

④驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)層

當(dāng)被監(jiān)測的參數(shù)變量異常超限時(shí)，由PC終端發(fā)出相應(yīng)的控制指令，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)層實(shí)現(xiàn)控制指令的放大和執(zhí)行，輸出到動(dòng)作執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的報(bào)警動(dòng)作或聯(lián)動(dòng)控制動(dòng)作。

⑤動(dòng)作執(zhí)行層

動(dòng)作執(zhí)行層主要由通氯閥和壓力閥構(gòu)成，通氯閥的開度可以調(diào)節(jié)反應(yīng)釜內(nèi)的溫度，壓力閥的開度可以調(diào)節(jié)反應(yīng)釜內(nèi)的壓力，它們通過接收來自PC終端發(fā)出的控制指令，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大轉(zhuǎn)變?yōu)殚y門調(diào)節(jié)的開度大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)化工生產(chǎn)工藝流程的自動(dòng)控制。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于以太網(wǎng)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是面向化工廠的生產(chǎn)運(yùn)行設(shè)備而開發(fā)設(shè)計(jì)的，因此系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備及其他相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)控制。具體來說，本自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要包含以下幾個(gè)方面。

①在線監(jiān)測

通過布置合適的壓力變送器和溫度變送器，能夠?qū)ιa(chǎn)過程中的壓力與溫度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過所選用的差壓變送器和溫度變送器，將設(shè)備的這兩個(gè)運(yùn)行參數(shù)采集到數(shù)據(jù)采集模塊中，并通過以太網(wǎng)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)客戶端，客戶端專門開發(fā)的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而為保證生產(chǎn)過程的連續(xù)性和可靠性提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)支撐[6]。

②數(shù)據(jù)查詢

依靠上位機(jī)軟件的功能開發(fā)，一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)觀察;同時(shí)，利用曲線圖表反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的走勢(shì)，輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的查詢與訪問，提高了數(shù)據(jù)的客觀性與真實(shí)性;并對(duì)相關(guān)設(shè)備的性能狀態(tài)參數(shù)作出合理的預(yù)估，提高對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和性能的合理判斷。另一方面，系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)操作，歷史數(shù)據(jù)均保存在軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，在對(duì)某些設(shè)備進(jìn)行檢修時(shí)，可以按照日期進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢[7]。

③生成報(bào)表與統(tǒng)計(jì)分析

上位機(jī)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的報(bào)表統(tǒng)計(jì)與分析，可以按照用戶的需求自動(dòng)生成Word或者Excel報(bào)表文件，從而為用戶提供相關(guān)決策的數(shù)據(jù)支撐。

④超限報(bào)警與聯(lián)動(dòng)控制

基于工業(yè)以太網(wǎng)的綜合自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，除了要能夠?qū)崟r(shí)顯示各個(gè)數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)之外，還要能夠自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，在數(shù)據(jù)超限時(shí)實(shí)施有效的報(bào)警，或者直接參與車間生產(chǎn)聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)控制動(dòng)作，從而確保整個(gè)車間生產(chǎn)過程的安全性與可靠性。

⑤權(quán)限管理與系統(tǒng)管理

權(quán)限管理主要是為了防止非操作人員或者非系統(tǒng)管理人員登錄上位機(jī)軟件之后，對(duì)軟件系統(tǒng)誤操作而造成損失。因此，上位機(jī)軟件系統(tǒng)的登錄界面分配了用戶名和密碼，只有經(jīng)系統(tǒng)確認(rèn)無誤的人員才能夠登錄軟件系統(tǒng)并進(jìn)行操作;系統(tǒng)管理主要包含了系統(tǒng)導(dǎo)航管理、系統(tǒng)幫助管理、系統(tǒng)插件管理等內(nèi)容，其主要作用是為了提高上位機(jī)自動(dòng)監(jiān)測軟件的穩(wěn)定性和可靠性，從而為化工廠設(shè)備的連續(xù)穩(wěn)定、實(shí)時(shí)可靠監(jiān)控保駕護(hù)航[8]。

3 綜合自動(dòng)化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

①傳感儀表的選型

傳感儀表主要需要完成對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)溫度和壓力的監(jiān)測，因此需要選用高精度的溫度變送器和壓力變送器，需要注意的是，由于反應(yīng)釜內(nèi)主要進(jìn)行氯化、?；脱趸磻?yīng)，因此要求溫度變送器和壓力變送器能夠在高溫高壓的環(huán)境下正常工作，且必須具有一定的防腐蝕能力。

②數(shù)據(jù)采集模塊的選型

數(shù)據(jù)采集模塊主要是完成將傳感儀表所監(jiān)測采集到的溫度模擬量和壓力模擬量進(jìn)行保存，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳輸至上層的PC終端，這里選用模擬量采集模塊完成對(duì)溫度和壓力的數(shù)據(jù)采集。模擬量采集模塊自身集成了Modbus-TCP工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，能夠通過普通的RJ45網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和以太網(wǎng)傳輸，大大減少了系統(tǒng)的程序開發(fā)設(shè)計(jì)量，這比采用PLC完成數(shù)據(jù)采集和傳輸簡單很多。

③工業(yè)以太網(wǎng)的敷設(shè)

工業(yè)以太網(wǎng)的管線敷設(shè)全部采用明管敷設(shè)工藝，管線經(jīng)角鋼固定后沿樓板頂層走線，實(shí)現(xiàn)管線走線的合理化。

④驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是PC終端和動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接件，其主要功能是在實(shí)現(xiàn)輸入輸出隔離的同時(shí)完成由弱電到強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換。因此，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由光電隔離電路、功率放大電路和繼電器輸出電路三部分構(gòu)成，最終實(shí)現(xiàn)將由PC終端所發(fā)出的弱電控制信號(hào)(控制指令，一般是開關(guān)量信號(hào))轉(zhuǎn)換為隔離與功率放大后的強(qiáng)電控制信號(hào)(閥門開度模擬量信號(hào))，從而實(shí)現(xiàn)通氯閥和壓力閥的開度調(diào)節(jié)，完成反應(yīng)釜內(nèi)部溫度和壓力的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無人值守的全自動(dòng)化控制與管理。

3.2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

該分布式工業(yè)以太網(wǎng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用集成Modbus-TCP通信協(xié)議的模擬量采集模塊代替PLC數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場反應(yīng)釜溫度和壓力的采集。通過開關(guān)量輸出模塊，實(shí)現(xiàn)隨著以太網(wǎng)通對(duì)控制指令的驅(qū)動(dòng)放大及控制動(dòng)作的執(zhí)行，因此系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)得到了極大的簡化，沒有了繁雜的PLC程序編寫，只需要借助于組態(tài)軟件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測參數(shù)變量的實(shí)時(shí)顯示及超限報(bào)警和聯(lián)動(dòng)控制等功能。綜合自動(dòng)化平臺(tái)流程如圖3所示。

圖3 綜合自動(dòng)化平臺(tái)流程圖Fig.3 Flowchart of integrated automation platform

4 結(jié)束語

隨著以太網(wǎng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)得到了迅速普及和應(yīng)用。本論文結(jié)合化工廠實(shí)際的自動(dòng)化改造項(xiàng)目，詳細(xì)探討了分布式工業(yè)以太網(wǎng)在化工領(lǐng)域綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，給出了系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)的具體方案和技術(shù)實(shí)現(xiàn)，有效提升了整個(gè)化工廠生產(chǎn)的自動(dòng)化控制水平和信息化管理水平。該系統(tǒng)對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)在化工領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用有借鑒指導(dǎo)意義，值得推廣應(yīng)用。

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