魏革

(沈阳化工股份有限公司，辽宁 沈阳 110143)

转化器是乙炔、氯化氢合成VCM的关键设备，经混合器混合的两种气体进入转化器，在触媒(氯化汞)的催化作用下转化为粗VCM。该过程属强放热反应，最高温度可达190 ℃，故转化器床层温度是转化反应的关键指标。沈阳化工股份有限公司VCM装置现场共有44台转化器，每台转化器设有12个温度检测点，采用Pt100型三线制多支热电阻测量，共528个测温点。VCM转化器位于工厂防爆区域，而DCS机房位于较远的非防爆区域，若此528点温度信号直接接入DCS系统，需要用到大量仪表电缆，在DCS端还需要配置许多IO模件、端子板及配套机柜等，不但会极大地增加工程的采购和施工成本，同时也会严重增加DCS系统的负荷。

当下，SCADA系统(数据采集与监视控制系统)在诸多领域有着越来越广泛的应用，特别是伴随着现场总线通讯技术的迅猛发展，SCADA系统与DCS等自控系统的集成成为一个新的发展方向，其具有简单、可靠、经济实用等特点，因此，采用SCADA系统是监测转化器温度、节约工程成本的极佳解决方案。经综合比较，沈阳化工股份有限公司选择了意大利GM公司的SCADA系统。

1 D2000M型SCADA系统的技术特点

(1)搭配不同现场采集模块可接收全分度热电偶和热电阻信号、4～20 mA信号及开关量信号。

(2)现场采集模块所有通道之间相互隔离，任何通道发生故障或接地不会影响其他通道的信号采集。

(3)现场采集模块的防爆等级为ExiaⅡCT4，可安装在防爆区域。

(4)现场采集模块的工作温度为-40～60 ℃，可安装在北方室外环境。

(5)采用开放的现场总线协议Modbus-RTU与其他系统冗余通讯，通讯接口为RS-485，最大通讯距离可达5 km。

(6)所有模块均采用回路供电，无须单独配置直流电源。

2 D2000M型SCADA系统组成

D2000M型SCADA系统架构如图1所示。

(1)通讯电源模块(网关)：D2050M-010。

D2050M安装在安全区域，用于与安装在装置现场的采集模块进行通讯并通过Modbus-RTU转换数据至其他控制系统，最高通讯速率可达115 200 bit/s。该模块同时通过冗余的通讯电缆为现场采集模块供电，并能识别现场采集模块的短路、开路状态。模块的RS-232串行接口用于连接工程师站进行系统组态。

图1 D2000M型SCADA系统架构Fig.1 System architecture of SCADA D2000M

(2)模拟量信号采集模块：D2010M-010。

D2010M可安装在现场危险区域的防护机箱内，通过冗余形式与D2050M通讯，配有16个模拟量输入通道，可接收热电阻、热电偶、4～20 mA信号，其中热电阻信号的测量精度为±200 mΩ。每个D2050M网关模块最多可连接4个D2010M模块。

(3)模拟量信号扩展模块：D2011M-010。

D2011M是D2010M的扩展模块，通道数量、可接收的信号类型及测量精度与D2010M相同。该模块不能直接与D2050M实现通讯，每个D2010M最多可扩展3块D2011M，但每增加1块D2011M，系统扫描时间会相应增加约425 ms。

D2010M与D2011M之间、D2010M与D2011M之间的连接根据长度不同使用CABF005或CABF006型扁平电缆。

(4)组态软件：SWC2090。

个人计算机通过RS-232转USB专用电缆与D2050M网关模块连接，通过该软件可实现对系统进行组态、监视、操作和文档管理。

3 方案设计

如图2所示，VCM装置现场的44台转化器a1～a44布置在A、B区域，每个区域的22台转化器分2排排列，每排11台。每台转化器的12点温度采用3线制连接形式接入1块现场采集模块D2010M或D2011M，预留4个通道作为备用，方便管理和维护。1块D2010M及其最多3块扩展模块D2011M安装在1个防护机箱内，并将防护机箱布置在距离最近的4台转化器处，可最大程度地节约温度仪表至防护机箱的电缆材料。考虑到整体性和维护方便，每区域末端的a21与a22、a43与a44转化器温度接入2个不同的防护机箱，每个机箱设置1块D2010M和1块2011M即可。现场共设有12个防护机箱A1～A12，全部528点温度信号接入其中，每4个就近防护机箱内的D2010M模块“串联”，再接至安装在DCS机柜内部的网关模块D2050M，所有连接电缆均采用冗余的RS-485专用电缆，共需3块网关。

图2 VCM装置现场转化器布置示意图Fig.2 Field layout of convertors in VCM plant

系统扫描周期按最大配置计算约1 600 ms，因温度仪表测量本身也具有一定的滞后性，该扫描周期可满足工艺监测要求。

4 软件组态

安装SWC2090软件之前须根据操作系统类型安装驱动程序。运行该软件，根据实际连接配置情况选择硬件D2010M或D2011M，并根据温度仪表类型及接线形式按图3所示编辑相应通道信息。图3中，a=385表示温度仪表电阻值每增加0.385 Ω，温度显示增加1 ℃，采用三线制补偿连接形式可极大程度地减少电缆线阻对温度测量结果的影响。

图3 D2010M/D2011M通道编辑信息Fig.3 Edit information of channel D2010M/D2011M

因网络模块D2050M通过Modbus-RTU形式与DCS实现通讯，通过SWC2090还需要配置D2050M参数，如图4所示。

图4 D2050M配置信息Fig.4 Information of D2050M configuration

因系统共配有3块网关，可将其Modbus站地址定义为001～003，波特率根据传输距离选择9 600 bit/s即可。图4中的“8 N 1”表示数据位为8位，无奇偶校验，停止位为1。

完成上述内容编辑和配置后，可将RS-232转USB专用电缆连接网关模块D2050M和个人计算机，在SWC2090中配置COM接口并测试通讯连接是否成功。之后可将编制好的程序写入网关模块D2050M。通过SWC2090的监视功能可查看接至该网关全部现场采集模块的通道信息和温度示值。

5 DCS硬件配置与组态

沈阳化工股份有限公司 VCM装置的DCS为日本横河公司CENTUM VP系统，其支持Modbus通讯的模件型号为ALR121。因DCS只要求可显示转化器温度，根据该模块手册信息，采用2线制RS-485电缆连接D2050M与ALR121即可。对于DCS与子系统的总线通讯，通常将DCS作为主站(Master)，将子系统作为从站(Slave)。

1块ALR121模块配有2组端口，每组端口均可独立配置，故仅需3块ALR121即可在DCS显示全部528点温度数据。2线制RS-485电缆接至ALR121的“RX+/RX-”接收端，模件属性信息中Connection Device项选择“MODBUS”，端口属性按照图5所示设置即可，须与D2050M通讯设定保持一致。

图5 ALR121端口设置Fig.5 Setting of port ALR121

DCS的I/O通讯组态中需要根据Modbus通讯信息对以下内容进行设定:①Buffer：1块ALR121两端口存储总数据大小。②Program Name：根据ALR121安装位置选择。③Size：数据类型长度，以2 byte为单位分配。所以1块ALR121的总数据长度为512 byte。④Port：端口号，根据接线端口写入1或2。⑤Station：从站设备地址，即D2050M的站地址001～003。⑥Device & Address：从站设备数据内存地址。1个温度点对应1个数据地址，每个从站设备数据(包含备用)数量最大为256，地址为A40001～A40256。⑦Data type：数据类型，选择无符号16位整型[Input(16-Bit Unsigned)]。

完成上述工作后，需要在Control Drawing中建立温度仪表的PVI功能块并连接相应通道，在PVI功能块细节编辑中输入信号转换(Input Signal Conversion)，选择通讯输入(Communication Input)，将数据增益值(Data Conversion Gain)改为0.1。

完成DCS程序流程图绘制和下装后，DCS操作站便可显示全部转化器温度示值。

6 结语

沈阳化工股份有限公司在测量VCM转化器床层温度中使用GM公司D2000M型SCADA系统后，极大降低了项目的施工成本，同时该系统具有测量精度高、功率低且无须配置温度安全栅的优点，系统安全型的硬件设计和冗余的通讯配置使整个总线通讯过程具有更高的安全性和可靠性。该系统自2016年初投用至今运行良好，可以达到DCS常规测量的效果。