DCS控制系统的分域改造

图1  分域前的系统结构图

中海壳牌石油化工有限公司80万t/a乙烯装置（LOP）于2005年建成投产。控制系统采用日本横河公司的CENTUM CS3000 DCS。经过5年的运行，该乙烯装置于2010年进行大修并扩能至100万t/a。在装置扩能改造之前, 控制系统的V-Net的负荷已高达61.85%, 是装置大修和扩能期间必需消除的瓶颈。为了有效地降低V-NET的负荷, 并为新建裂解炉增设新的控制站和操作站，横河在无锡的工程公司对该装置的DCS系统进行了分域改造, 并取得了圆满的成功。对在用的DCS控制系统进行分域改造是一项很少有人做过的风险极高的工作, 因此在此做一总结, 供同行们参考。

控制系统概貌

分域前的系统结构

在LOP装置中，V-Net 网负责过程控制与监控，提供实时数据和事件信息处理。V-Net 网分为三层，分别命名为Level1 V-Net, Level2 V-Net, Level3 V-Net。LOP装置控制系统分域前的系统结构图如图1。

Level1 V-Net 共一个域D01，连接以下设备：

厂级工程师站

动态数据链接系统

Level2 V-Net 共一个域D2，连接以下设备：

装置工程师站

动态数据链接系统

资产管理系统

APC 控制器

控制站

Level3 V-Net 共两个域D15和D16，连接以下设备：

操作站

动态数据链接系统

控制站

Level1 V-Net 和 Level2 V-Net 通过一台总线转换器BCV001连接，Level2 V-Net 通过两台总线转换器BCV101和BCV102连接到Level3 V-Net 的两个域D15和D16。域D15有16台FCS和7台HIS；域D16有14台FCS和7台HIS。LOP共有四个不同的操作组，HOT，COLD， DSET，BDE。每个操作组有三台操作站。

图2  分域后的系统结构

   
分域后的系统结构

分域后，将域D15分为两个域：D09和D15；域D16也被分为两个域：D10和D16。HOT操作组里新加了一台工程师站，DSET操作组里新加了一台操作站。LOP装置控制系统分域后的系统结构图如图2。

详细设计

建立分域的DCS系统

在工厂停车半年之前，Yokogawa从现场取得乙烯装置的DCS数据库的拷贝，并基于此拷贝进行这次改造项目的DCS主数据库的设计和维护。所有现场DCS组态的修改都必须纪录，并对DCS主数据库进行同步修改。

分域后的DCS主数据库按照以下步骤建立：

将分域前的DCS数据库的拷贝LOP更名为LOP_OLD，并作为分域前的备份。

建立一个新的DCS数据库LOP。

在新建的DCS数据库LOP下建立新的控制站和操作站，并以上面所述的分域后的名字命名。

用Yokogawa专用的工程工具Engineering Tools将备份LOP_OLD中的组态全部拷贝到新建的DCS数据库LOP中，包括数据库公共的组态和每个控制站和操作站的组态。

MODBUS子系统迁移

分域后，有些同域通信变成了跨域通信。为了减少跨域跨站通信，将相对独立的MODBUS子系统迁移到与其相应的DCS控制回路所在的控制站或者域。

1.将位于FCS1513N3S3和FCS1513N3S4的MODBUS通信卡ALR121移到新的位置FCS1509N5S7和FCS1509N5S8。将1#裂解炉的IPS子系统组态从FCS0905移到FCS1509。

图3  临时系统DCS网络

这两块ALR121卡用于1#裂解炉的IPS子系统。分域前，1#裂解炉的DCS控制回路和IPS子系统都在同一个域Domain15里。分域后，控制站FCS1513改名为FCS0905， 所以需要把IPS子系统从域Domain09的FCS0905移到域Domain15的FCS1509。

2.将位于FCS1614N1S5和FCS1614N1S6的MODBUS通信卡ALR121移到新的位置FCS1006N4S3和FCS1006N4S4。将1700单元的IPS子系统组态从FCS1606移到FCS1006。

这两块ALR121卡用于1700单元的IPS子系统。分域前，1700单元的DCS控制回路和IPS子系统都在同一个域Domain16里。分域后，1700单元的IPS子系统控制站FCS1614改名为FCS1606，而1700单元所在的FCS1609改名为FCS1004， 所以需要把IPS子系统从域Domain09的FCS1606移到域Domain10的FCS1006。

3.将位于原FCS1614N1S8MODBUS通信卡ALR121移到新的位置FCS1006N3S7。将1700单元的IPS子系统组态从FCS1606移到FCS1006。

这两块ALR121卡用于1700单元的IPS子系统。分域前，1700单元的DCS控制回路和LP子系统都在同一个域Domain16里。分域后，1700单元的LP子系统控制站FCS1614改名为FCS1606，而1700单元所在的FCS1609改名为FCS1004， 所以需要把LP子系统从域Domain09的FCS1606移到域Domain10的FCS1006。

控制站站间交互信号的校对

由于子系统的跨域跨站信号命名与控制站名相关，子系统通信卡和组态迁移后原信号命名可能不再适用，所以相关的跨域跨站信号必须经过验证或修改。跨域跨站信号的传输有以下三种方法：

方法1：使用全局变量。使用这种信号传输方法有三种可能：

域名及站名都没改变。在这种情况下不需要对信号命名做任何改动。

域名没改变但站名改变。在这种情况下全局变量的命名需要做相应的改动。假设分域前控制站为FCS1516全局变量为%GS00116，分域后控制站更名为FCS1511，那么全局变量%GS00116需要改名为%GS00111。

域名改变。由于全局变量不适用于不同的域，所以信号传输需要用别的方法重新设计。

方法2：使用CI/CO批量传输模块。

方法3：使用AreaOut传输模块。这种方法适用于跨域或跨站的信号传输。

分域的具体实现

停机前的准备

停机前按以下步骤准备：1.安装所有新的机柜，包括CC1网络柜和CC1 ODS OPS服务器柜。2.铺设CC1、FAR1-05和FAR1-06的V-Net网线和Ethernet网线；3.在原有机柜里安装新设备及配件，包括：在FAR1-05和FAR1-06中的AMADAS机柜，OPC服务器和KVM开关。3.在所有控制站和操作站上贴上标示分域前及分域后的域名和站名的标签。4.将停机前的现场调整参数恢复到由Yokogawa维护的DCS主数据库。5.建立临时系统DCS数据库。6.从现场取得乙烯装置停机前的DCS数据库的拷贝。7.将停机前的DCS数据库的拷贝LOP更名为LOP_TA，并作为停机前的备份。8.建立一个新的DCS数据库LOP。9.在新建的DCS数据库LOP下建立控制站FCS1601/1603/1604/1611/1612和HIS0264。10.用Yokogawa公司专用的工程工具Engineering Tools将备份LOP_TA中的组态全部拷贝到新建的DCS数据库LOP中，包括数据库公共的组态和每个控制站和操作站的组态。

表1  控制站与操作站的站名变更

建立临时监控系统

大修期间，乙烯部分单元和设备不能长期停机，所以必须建立一个临时系统对这些单元和设备进行简单控制和监控。临时系统DCS网络如图3。

临时系统按照以下步骤建立：1.新建一台操作站/工程师站HIS0264用于对不停机部分单元和设备进行操作和监控。2.在操作站/工程师站上安装V-Net通信卡VF701，安装操作系统Windows XP, 安装组态平台Centum CS3000。3.将临时系统DCS数据库安装到操作站/工程师站。4.在CC1安装一台光纤总线转换器用于连接操作站/工程师站。5.用光纤将光纤总线转换器连接到机柜CC1-FOT-001/003。6.铺设V-Net电缆将光纤总线转换器连接到操作站/工程师站。7.安装控制站：FCS1601安装在机柜105-DCS-003；FCS1604安装在机柜105-DCS-006；FCS1611安装在机柜105-DCS-013；FCS1612安装在机柜105-DCS-014。8.在机柜105-MDF-081安装一台光纤总线转换器。9.用光纤将光纤总线转换器连接到机柜105-FOT-001。10.铺设V-Net电缆将从光纤总线转换器连接到控制站。11.从临时 FCU到上述控制器的第一个Node铺设临时ESB总线 (YCB301)。12.从配电柜到每个控制站铺设电源电缆。13.确认控制器供电准备好。14.临时系统控制器第一路电源上电并检查当前DCS系统控制器供电是否正常。15.临时系统控制器第二路电源上电。16.下载临时系统DCS数据库到控制站。17.确认控制器与操作站/工程师站通信正常。18.新加一块IO卡AAI835到控制器105-DCS-006 (FCS1604N5S7)。19.从 FCS1603 DR0026拷贝相关组态到FCS1604 DR0020, 修改相关组态并下载，详细修改如图4所示。20. 从机柜105-DCS- 006 (FCS1604N5S7)到机柜105-MDF-022铺设电缆。

从当前DCS系统切换到临时DCS系统

1.新加一张画面显示和监控所有当前DCS数据库和临时系统数据库的不停机部分主要回路的输出值。2.确认所有电缆标签清晰和正确。3.将当前DCS新加画面中回路切换到手动模式。4.确保现场阀门位置稳定。5.打印新加画面并纪录新加画面中回路的输出值。6.在临时系统运行测试模式，并把上述输出值设定到新加画面中的回路，然后退出测试模式。7.断开连接到控制站FCS1601的第一个Node的两条当前DCS的ESB总线。8.将临时系统的ESB总线连接到控制站FCS1601的第一个Node。9.对控制器FCS1604/1611/1612重复上述步骤。10.断开连接到105-MDF-022 TPA02-TM1的当前DCS系统电缆。11.将临时系统的系统电缆连接到105-MDF-022 TPA02-TM1。12.将临时系统的系统电缆连接到新加的临时输入输出卡AAI835（FCS1604N5S7/8）。13.下载输入输出卡AAI835（FCS1604N5S7/8）和组态FCS1604DR0020，并确认 AAI835 正常工作。14.检查新加画面中的输出值是否与纪录的一致,如果不一致就调整新加画面中的输出值。15.小幅度改变新加画面的输出值以确认所有回路正常工作。

完成以上步骤后，操作工可以通过临时系统对不停机的单元和设备进行操作和监控。

具体分域步骤

分域前确认将所有系统柜贴上标签，控制站名称-黄色标签，新控制站名称-绿色标签。将所有有关电缆贴上标签，原终止端名称-黄色标签，新终止端名称-绿色标签，需要移走的标签-红色标签。

每个机柜都配备检查清单在机柜内。断开临时系统外的控制站、操作站与及相关机柜电源，按照分域后的系统结构图重新布置V-Net电缆。新加的V-Net电缆配置相应的终端电阻，按照检查清单详细检查电缆。重新布置IPS通信卡 ALR121及通信电缆 AKB161，按照检查清单详细检查电缆。按照分域后的系统结构图重新命名控制站并重新设置域地址和站地址，同时更新控制站标牌，按照检查清单详细检查控制站。按照分域后的系统结构图重新命名操作站并重新设置V-Net卡VF701的域地址和站地址，同时更新操作站标牌，按照检查清单详细检查操作站。

新加操作站、控制站、服务器、总线转换器。控制站，操作站，机柜上电。下载DCS数据库，首先下载公共设置，然后下载操作站、总线转换器、控制站。测试跨域跨站信号连接，测试迁移后的IPS子系统与DCS的通信。开车正常后，移走设备和电缆的旧名称标签。

从临时监控系统切换到分域后的DCS系统

打印新加的画面用来记录重要回路的输出值。确保现场阀门位置稳定。断开连接到控制站FCS1601的第一个Node的两条临时系统的ESB总线，将原系统的ESB总线连接到控制站FCS1601的第一个Node。对控制器FCS1604/1611/1612重复上述步骤。断开连接到105-DCS- 006（FCS1603N5S3上临时增加的输入输出卡AAI835）的临时系统电缆，卸下新加的输入输出卡AAI835。断开连接到105-MDF-022 TPA02-TM1的临时系统电缆，将原系统电缆连接到105-MDF-022 TPA02-TM1，将原系统电缆连接到新加的临时输入输出卡AAI835（FCS1604N5S7/8）。下载输入输出卡AAI835（FCS1603N5S7/8）和组态FCS1604DR0020，并确认 AAI835 正常工作。小幅度改变新加画面的输出值以确认所有回路正常工作。

结束语

DCS分域后，乙烯装置成功开车，并且V-Net负载从61.85%降到了39.34%，有效提高了DCS的操作响应速度, 降低了因V-Net高负载而导致系统操作响应迟缓的概率。

短语及缩写注释

AMADAS    分析仪管理及数据采集系统
BCV    总线转换器
DCS    分布式控制系统
D 2    域 2
D 9    域 9
D 10    域 10
D 15    域 15
D 16    域 16
FAR    现场辅助室
FCS    现场控制站
FGS    火灾报警系统
HART    可寻址远程传感器数据公路
HIS    操作站
HIS-ENG    工程师站
HMI    人机界面
IPS    仪表保护系统
I/O    输入/输出
LOP    乙烯裂解装置
LP    就地盘
MDF    机柜
OPC    用于过程控制的动态数据链接
SER    事件顺序记录仪
V-net    CS3000系统控制网络
 YNT    光纤总线转换器