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1、項目背景

分散控制系統（DCS）自1975年問世以來，經歷了近50年的發展，其功能與性能得到了不斷的提升與完善，但在系統結構上并沒有發生重大變化，主要分為三層：系統網絡層（連接現場控制站、操作員站、工程師站和數據通信模件等，傳送過程控制實時信息，同時也可將這些信息向上層的信息管理網傳送），控制網絡層（實現現場控制站內部的各個I/O模件和控制模件之間的互聯和信息傳遞）和現場設備層（實現I/O模件與現場溫度、壓力、流量、液位等四種檢測儀表，氣動和電動調節器執行機構，在線分析儀表等設備的連接）。鑒于控制系統本身的網絡架構特點，傳統的部署方式主要是將控制系統設備集中部署在中心控制室，通過大量的電纜線實現與現場的連接，中心控制室的面積需求比較大、線纜多，后期維護不方便，所以傳統的控制系統面臨著以下挑戰：

·  電纜用量大，成本高，施工難度大，后期維護不方便；

·  機柜間占用面積大，且根據安監規范要求，距離要遠，還要抗爆，建設成本高；

·  備件類型多，管理麻煩，變更不便；

·  工程周期長，機柜采用定制化設計，需要等待發貨，工程組態調試為串行流程，時間長。

針對上述問題，優穩公司推出了基于電子布線技術的新一代控制系統，并進行推廣應用。

2、項目目標與原則

2.1 項目目標

·  提高生產效率：通過自動化設備和控制系統，提高生產速度和效率，減少生產周期；

·  降低人力成本：減少對人工操作的依賴，降低人力成本，并提高安全性；

·  提高產品質量：確保生產過程的穩定性與一致性，減少人為錯誤，從而提升最終產品的質量；

·  數據監控與分析：實現實時監測和數據收集，以便于進行過程優化和故障分析，提升決策支持能力；

·  環境保護與安全：減少生產過程中的廢物和排放，提升車間操作環境的安全性，滿足環保法規要求；

·  靈活性與可擴展性：設計可適應市場需求變化的系統，便于未來的擴展和改造。

2.2 項目原則

·  系統集成：確保各個自動化設備和控制系統的相互兼容，形成一個統一的自動化網絡；

·  用戶友好性：自動化系統的界面設計簡單易懂，方便操作員使用和維護；

·  可靠性與穩定性：設備和系統應具備高可靠性和穩定性，能夠在惡劣的生產環境中正常運行；

·  安全第一：在自動化改造中要優先考慮員工的安全，符合相關的安全標準和規定；

·  經濟性：在確保性能和安全的前提下，盡可能降低投資成本和運營成本；

·  適應性與靈活性：系統應具有良好的適應性，能夠很方便地應對生產工藝和產品的變化。

3、項目實施與應用

某硫酸二乙酯、碘化鉀和聚氨酯生產車間改造項目，采用了UW500 DCS電子布線系統整體解決方案。

該項目共配置I/O點數3600點，4控制站和11操作站，I/O測點及系統配置見表1所列。控制站02帶載15個電子布線箱，控制站03帶載4個電子布線箱，控制站04帶載9個電子布線箱子，電子布線箱均部署在現場，根據單元設備進行點數劃分，相應的點數就近接入附近的電子布線箱，這樣做相比傳統的直接將信號電纜拉到中控室的方式，可以大量縮短信號電纜的長度，網絡架構如圖1所示。

表1  I/O測點及系統配置

圖1 網絡架構圖

該項目系統配置的網絡架構的特點如下：

1）現場的電子布線箱網絡連接有兩種方式，對于箱子比較集中的場景，可以使用冗余網線連接組成可靠性高的星型網絡，再使用冗余光纖連接到中控室的網絡柜；對于箱子比較分散的場景（如碘化鉀車間），使用冗余光纖單獨連接到中控室的網絡柜。

2）針對現場環境的不同，有多種規格的箱體可供靈活選擇。爆炸危險環境，配置UW5100電子布線防爆控制箱，防爆標志為Ex eb ec nC nR [ia Ga] IIC T4 Gc，防護等級為IP66，防腐等級為G3，可部署在爆炸危險區域2區/22區；非爆炸危險環境，配置UW5041_F工業標準機柜，可節省成本，維護也更加方便。

3）控制站配置Modbus通信模塊，負責和現場的PLC設備、智能儀表（比如回流比控制器、氣化膜儀表等）進行通信，并開通OPC協議與上層的MES/ERP通信，構建一個數據共享的高效信息化智能工廠。

4）電源分配柜負責給控制站及現場的電子布線箱提供獨立的UPS和市電雙路220 V供電。

控制要點如下：

1）原料卸車：通過設定重量、液位等聯鎖限值控制加料和出料，保持物料的相對穩定；

2）中間體合成：通過設定重量、壓力等聯鎖限值控制加料和出料，保持物料的相對穩定，通過設定壓力、溫度等聯鎖限值控制釜內壓力溫度，確保反應釜內維持能夠持續進行反應的適合壓力溫度，保證了產品合成的精度；

3）合成反應：通過設定溫度、流量累計等聯鎖限值控制加料，保持物料的相對穩定；通過設定壓力、攪拌電流等聯鎖限值控制釜內壓力，確保反應釜內維持能夠持續進行反應的適合壓力，保證了產品合成的精度；

4）精制和間歇蒸餾：通過設定壓力、溫度等聯鎖限值控制釜內壓力溫度，確保反應釜內維持能夠持續進行反應的適合壓力溫度，保證了產品合成的精度；

5）流量累計：通過流量計采集數據，進行流量累計計算，控制液體物料的進出，保持其相對穩定；

6）PID控制：通過對壓力、重量等信號進行數據采集，對其相應的閥門開度進行PID控制，實現維持反應條件的相對穩定；

7）閥門互鎖：通過閥門互鎖控制防止操作員誤操作，實現反應過程的高精準度。

4、效益分析

節省信號電纜是電子布線最顯著的優勢，表2和表3分別對兩種布線方式所用到的線纜材料進行了對比計算，傳統布線方式采用的電纜，成本約為1472800元，電子布線方式采用光纜，成本約為2800元，節約成本約147萬。

表2 電纜成本計算

表3 光纜成本計算

除了節省電纜成本外，電子布線技術在快速的項目交付及設計變更處理方面也有明顯優勢，在傳統的DCS項目建設過程中，仍使用硬件設計-組態設計的串行設計流程，DCS硬件機柜仍采用定制化設計，每個項目都需要生產成套機柜，使用通用I/O的電子布線技術，可將DCS硬件與軟件解耦，提前啟動組態設計，再配合標準的防爆機柜，提前進行生產，快速供貨。

在該項目設計階段：統一化的硬件，可在項目設計階段縮減硬件選型、通道類型配置工作，減少設計時間50%；在項目組態階段：統一化的I/O設計，將硬件設計階段、邏輯組態階段從串行改為并行，并簡化邏輯組態與硬件通道號的一一對應，縮短組態工期50%；在項目成套階段：采用模塊化的標準機箱\機柜設計，避免了DCS項目的定制型成套工作，可縮減機柜成套時間75%；在項目實施階段：明了便捷的接線方式，可避免復雜的接線柜接線，減少施工接線時間50%。

該項目采用電子布線技術，線纜成本節省了98%，施工周期縮短了54%，中控室控制柜數量減少了50%，I/O備件減少了75%。電子布線技術具有先進性的同時，也具有實用性，為客戶帶來較大的經濟價值。