远程I/O系统在联合罐区中的应用

2020-11-28

中国科技纵横 2020年15期

关键词：罐区电源模块组态

（上海赛科石油化工有限责任公司，上海 201507）

1 装置概况

某储运罐区是由多个车间罐区合并，成为联合储运罐区装置。该储运罐区装置每天进出的物料量较大，主要化工介质有丙烯、丙烷、溶剂油、异丙苯、环氧丙烷、丁二烯、液化气、重碳四等，这些物料具有易燃、易爆、有毒等特点，而原料的安全贮存是装置的主要任务。

储运罐区装置是生产和物料供应的原料中心，在装置内大型球罐、卧罐及各类贮罐多，区域所储存的介质易燃、易爆、贮存量较大，由于历史原因，该罐区的地理位置正处于生产装置的中心，安全间距较短。

2 系统简介

整个DCS控制系统由远程I/O站、控制站、操作站、工程师站、历史趋势站、应用站等设备组成。

本项目DCS系统的远程I/O站分别设置在现场7个单元中。6个球罐区域的远程I/O站以及1个火炬区域的I/O站。工程师站和电源柜、控制柜设置在二楼中央控制室。装置DCS的操作站集中安装在一楼操作室。远程I/O站与控制站之间的通讯是通过冗余的铠装光缆进行，通讯结构采用星型，最远的远程I/O站与控制器之间的距离为600m，操作站与控制器之间的距离为60m。

中央控制室设置一台工程师站，用于正常的组态修改及维护。一台历史趋势站用来存储历史趋势。中央控制室一楼配两台操作站，通过冗余的工业以太网与控制柜AS站、操作站、历史趋势站形成环形网络。

整个联合罐区装置的DCS控制单元独立设置，保证了装置在正常生产和开、停工过程中与其他生产装置互不干扰，减少了关联影响。

3 西门子PCS 7的应用

本项目DCS系统采用西门子SIMATIC PCS-7 400系列过程控制系统。该系统基于过程自动化，从传感器、执行器到控制器，再到上位机，自下而上形成全集成化自动化架构，主要包括Step7、CFC、SFC、WinCC以及PDM等软件，组态选用S7-400高端CPU，广泛用于石化行业。

3.1 软件组态

打开组态软件Simatic Manager建立罐区项目后，我们在厂区Plant View中将联合罐区装置按照工艺性质分别设置了：丙烯丙烷、丁二烯、环丙、火炬回收、碳六油、卸料站、异丙苯等几大单元。分别对每个单元的各个IO点进行CFC模块组态，量程、单位等参数与现场仪表一一对应，并可进行报警点设置、联锁逻辑等。打开WINCC建立操作界面，通过工程师站编译生成动态连接，根据工艺流程画流程图。

在组态界面Component view内，即按工业Ethernet连接的设备，我们分AS控制器、工程师站、操作站、应用站等。

在AS控制器组态界面的Hardware中，我们分别对系统建立7个远程I/O站，用冗余PROFIBUS连接，并对站内所有IO点进行通道组态。7个I/O远程站可通过PROFIBUS DP协议完成数据交换。

3.2 硬件组态

3.2.1 电源控制柜的配置要求

电源控制柜为两路电源，一路GPS，一路UPS。分别对AS站、现场7个IO远程柜冗余供电。此外，一路GPS、一路UPS对中控室操作站分别供电。工程师站由UPS供电。现场声光报警仪、雷达液位计也是通过UPS供电。

西门子24V电源模块为西门子SITOP 10A，可将220VAC电转换为24VDC电源，既能为控制柜及所有通讯转换器OLM模块供电，也能为现场分析仪表、4线制AI仪表等提供24V电源。

3.2.2 控制站AS的结构

该装置采用SIMATIC PCS 7容错自动化系统，凭借两个冗余CPU，提供了更高的可用性与容错性，它根据二选一的原则，在发生故障时开关将从运行中的子系统切换到备用子系统。

AS控制站机架上由冗余PS 407电源模块，冗余CPU 414-4H模块以及冗余CP 443-1工业以太网通讯模块组成。

（1）PS 407模块 10A，冗余设计，带有用于2块后背电池的电池槽，需要占用2个卡槽。

（2）CPU模块型号为414-4H，容量2.8MB RAM，模块占用2个卡槽。上半部分为状态指示灯。CPU模块下半部分内有2个PROFIBUS内置接口，总线长度最大距离可为10m。

PROFIBUS能够通过通讯协议PROFIBUS DP与智能分布式I/O进行高速通讯，它对硬件和空间的要求不高，能够显著降低布线、跳线、分布、电源和现场安装的开销，双向通讯和大容量信息增强了快速定位故障以及排除故障的诊断功能，并且具有高速通讯、高测量精度的优点。

（3）CP443-1通讯卡用于TCP/IP，ISO和UDP将SIMATIC S7-400连接至工业以太网的通讯模块，集成带2个端口的实时开关ERTEC，2个RJ45接口，具有FETHC/WRITE功能、诊断功能和多点传送功能，通过IP访问列表进行访问保护。通过工业Ethernet网与上位机，如工程师站、操作站等网卡的连接，由于该通讯卡在AS站内是冗余的，可与上位机双网卡匹配形成冗余环型工厂总线。

在工程师站上组态完成时，工程师站可通过冗余工业Ethernet网上传数据到PCS7系统的CPU中，也可下装程序到工程师站、历史趋势站、操作站。其中AS控制站是通过该系统CP 443-1通讯卡以及交换机SCALANCE X-200来完成与工程师站、操作站等数据交换。

从CPU模块内的PROFIBUS接口通过PROFIBUS DP现场总线连接信号转换器OLM模块，转换成光纤信号后，再连到背面的光纤盒，通过冗余的铠装光缆连接到现场远程I/O站的光纤熔接盒内，通过信号转换器OLM模块，将数据转为PROFIBUS DP协议，随后与ET 200isp系统的通讯卡IM-152连接，实现了现场仪表信号与中控室CPU的数据交换。

3.2.3 光纤链路模块OLM的特点

电气/光纤技术传输为PROFIBUS DP网络提供了许多不同的组态选项。使用SIMATIC PCS7时，PROFIBUS DP拓扑结构是通过自动化系统上的标准电气PROFIBUS DP接口或混合（电气/光纤）网络实现。在混合网络的情况下，两种介质的转换由光纤链路模块OLM来实现。而联合罐区DCS系统的现场远程通讯正是使用了OLM作为路由器的混合电气/光纤网络，与远程I/O站组态成星型拓扑结构。

OLM模块具有紧凑的金属的外壳，分别安装在室内控制柜内和室外远程I/O站内的DIN导轨上，两个OLM模块之间使用单模光纤的最大距离可以达到15km。该模块能够自动识别所有PROFIBUS数据传输速率，通过浮动信号发送触点来显示模块状态，通过用于光纤接收器进行记录和检查光纤链路每段的损耗。

4 罐区现场的远程IO通讯柜

4.1 现场机柜分布

在罐区现场，6个远程IO机柜分布每个棚内分别设置三个IO远程站，北面1#、2#、6#站设一个站棚、东南面3#、4#、5#站设置站棚。站棚位于非装置密集区域，尽最大能力避开危险区域，使得系统运行安全可靠。

由于罐区环境为易燃易爆区，为系统稳定运行，防止系统信号中断而操作失控，该远程柜具有防爆配置，防护等级须不低于IP65。通讯柜侧面配有一个正压供气箱，内部为供气装置，保持正压通风从而防止现场装置的泄漏气体弥漫到柜内。

4.2 隔爆电源模块PS

ET 200isp 电源单元是冗余模块PS1、PS2与匹配的端子模块TM-PS-B的组合。该电源模块具有的功能有：

（1）可为ET 200isp的其他组件提供安全隔离运行电压。（2）出于安全考虑，限制输出电压。（3）具有防爆金属外壳，防爆等级EEx d。（4）电源模块可冗余。

该电源模块可以在危险区域热插拔，但电源模块的工作状态显示在IM 152通讯模块的两个LED上。

4.3 IM 152通讯模块

IM 152接口模块使用本安RS 485-is传输技术讲ET 200isp连接到PROFIBUS DP，传输速度可达1.5Mbit/s，也可以进行冗余连接，在此情况下，ET 200isp通过两个接口模块与系统两个冗余PROFIBUS DP段相连。

该模块的任务是将ET 200isp连接至本质安全PROFIBUS DP与中央控制室内的主自动化系统进行自主通讯，为已安装的电子模块准备数据，保存电子模块参数等。

IM 152卡件和PROFIBUS连接器可以在危险环境中进行热插拔。

IM 152的LED可指示电源电压、组故障、总线故障、冗余运行的活动IM以及安装电源模块的工作状态。

4.4 I/O卡件

在4.2节优点中已经提到，为了减少系统故障对设备正常运行的影响，ET 200isp其中一个特点就是每块卡件的I/O通道较少，本系统I/O卡件模块主要包括以下几种类型：

（1）4 通道模拟量输入模块 AI 2/4 WIRE HART EEx i可以在4-20mA的量程范围内进行电流测量，适用于2/4线制变送器。（2）4通道模拟量输入模块AI RTD EEx i温度卡件，可以进行电阻测量以及通过PT100电阻温度计进行温度测量。（3）4通道模拟量输出模块AO I HART EEx i，用于将0/4-20mA范围内的电流信号输出到现场设备。（4）8通道数字量输入模块 DI NAMUR EEx，可用于NAMUR传感器，测已连接和未连接触点通断，也可用作计数器或频率表。（5）2通道数字量输出模块DO RELAY EEx e，用于开关电磁阀、直流继电器或信号灯。可安装在最高区域Ex 1的环境中。