HONEYWELL EXPERION PKS在制浆造纸行业的应用--控制网



HONEYWELL EXPERION PKS在制浆造纸行业的应用
企业：霍尼韦尔中国公司 日期：2010-10-23
领域：人机界面 点击数：4621
    制浆造纸行业工艺规程复杂、多样,对系统和设备都有着较高的要求,尤其对系统来说,其可靠的稳定性和较高的灵活性是保证生产工艺顺利进行的前提，在森博一期30万吨项目中，我们采用了HONEYWELL TPS开放型分布过程控制系统，其完善的诊断，组态工具，模块化的软硬件结构，完全满足了系统的连续性和稳定性要求。在二期扩建的100万吨浆项目中，我们再次采用HONEYWELL 新一代控制系统PKS ，到目前为止，我公司的木片输送，给水及污水处理已进行了应用和实践，下面将逐一介绍新一代控制系统的结构、布局和控制方案。

    EPKS硬件组成及结构

    EXPERION PKS 过程控制系统是HONEYWELL最新一代过程自动化系统，它的功能高于一般的集成控制系统，其中嵌入式决策支持和诊断技术，为决策者提供了所需信息，其安全组件使安全环境独立于主控系统，也提高了系统整体的安全稳定

               

                                   图1.1经典EPKS系统结构图

    在每套PKS系统中，服务器都可以选择冗余配置，有效存储数据库信息，基于操作站有多种类型可以选择，最多可以连接40个FLEX,10个CONSOLE, 3个CONSOLE EXTENSION，而FTE容错以太网提供了HONEYWELL的四路冗余通讯专利技术，可通过网络通讯接口卡与C300，操作站，服务器，第三方设备及其它PC连接，避免了因单点故障而引起的系统瘫痪，大大提高了系统性能。 

    1.1部分硬件结构及功能 

    C300控制器 C300分散过程控制器的设计师采用新颖的立式设计，有效节省了空间。它包括控制器硬件和控制软件CEE，支持组态，下载，以及各功能模块的执行。每套控制器最多支持64个IO Units，每个控制器有两个IOLINKS接口，可以连接C系列IO卡件或PMIO卡件，还可以连接多至8个FTEB接口卡与PLC通讯。

    C300输入输出端子板 为C300控制器提供连接点和所有电缆终端连接口（如FTE，IOLINKS，冗余，电池等），为控制器提供24V直流电源。

    I/O卡件  模拟量输入输出卡都有16位模拟量通道，支持冗余，支持HART协议通讯，有4个可以配置的调制解调器来 处理HART协议信号，50m扫描速率。数字输入卡有32位数字量通道，两种模件类型分为24V直流输入和100V/120V/125V/240V交流输入两种，支持冗余。输出卡32位输出，分为触点输出和继电器输出，支持扩展。

                                              

                          
   
                                                 图1.2卡件结构图

    防火墙模块及FTE容错以太网络 防火墙模块支持C系列产品，为C和现场接口模块提供9口FTE分布。C300及C系列现场端口模块都必须与防火墙连接。防火墙与L1或L2开关之间采用光缆或STP连接。它采用24V直流供电，支持冗余及运行自诊断，但是与其他防火墙之间只可并接不可串接。当发生故障时，指示灯显示。防火墙输入输出端子板可连接控制器，C系列现场接口模块及FTEB 。

    FTE由多路选择逻辑单网的组网方式代替了双网结构，实现了多路由选择，最优路径选择和交换机快速切换。它包括冗余的交换机和电缆，需要两个防火墙的支持，一个支持FTEA，另外一个支持FTEB。FTE节点间有 4条路径，与普通以太网有两条路径。

               

               

                                               图1.3 系统FTE结构图

    FIM  总线接口卡支持冗余， 支持4条H1总线（每条可接16台设备），它不占控制器负荷，可独立运行，但当控制需要时可与控制器连接，一个控制器可支持15个FIM，当控制器故障对其不影响。

    电源供电系统 提供三种选择：不冗余无后备电池，冗余无后备电池，冗余有后备电池。可提供现场设备电源和现场总线电源，提供C控制器内RAM的备份电池电源提供24V直流，20Amp电源给所有模件，冗余电池电量可操作控制器及I/O卡件30 分钟 。

    模块间的连接

    C系列卡件及PM收集现场信息通过控制器上IOTA的IOLINK送达控制器，控制器进行判断，执行，控制器及总线接口模块FIM通过FTE连接至防火墙，防火墙通过L1/L2 开关将信息向上级网络发布。

               

                                                     图1.4 系统硬件连接图

    1.3我公司二期工程的硬件结构及工艺组成

    我公司100万吨浆项目规模浩大，总项目I/O点数达1万多个，Profibus I/O点数达2万多个，原本的结构已经远远跟不上产量的要求。现在将原来的生产车间进行扩充，将原来的制浆车间与化学品车间分开，碱回收车间与动力车间分开，进行独立控制又相互通讯连接，更高的实现了集成化，提高了生产效率。

    第一套PKS应用于制浆车间和化学品车间。制浆车间主要职能是将采购来的木片经过筛选，蒸煮，洗浆，漂白等工段，生产出合格的漂白化学浆，化学品车间利用外购液氯、精盐水、液态二氧化硫生产二氧化氯水溶液和二氧化硫水溶液，供硫酸盐木浆漂白使用。该系统包括浆线，化学品等。其中化学品4台CE,4台C, 木片处理2台C，用LEVEL 2 FTE LAN1连接。

               

                              图1.5 制浆化学品车间部分EPKS结构图

    第二套用于浆板车间。浆板车间将制浆车间来的浆，经过压力筛过滤掉残渣后入流浆箱，随后三重压榨后成型。

    第三套用于碱回收车间。碱回收车间把制浆来的稀黑液经蒸发工段变成浓黑液，并生成二次蒸汽。浓黑液经碱炉燃烧产生熔融物，再回收利用，并处理制浆过程中所产生的污染气体。该车间包括蒸发一台CE，两台C，苛化，碱炉和石灰窑分别都是一台C，两台CE，通过LEVEL 2 FTE LAN2 连接。

                

                                    图1.6 碱回收车间部分EPKS结构图

    第四套用于动力车间。动力车间主要是为全公司生产提供电力及蒸汽。系统包括锅炉，汽轮机，化水和污水处理。除污水是有一台CE外，其余均为一台CE和一台C，用LEVEL 2 FTE LAN3连接。

               

                                图1.7 动力车间部分EPKS结构图

    此外，我公司二期系统还特设虚拟训练系统，包括一台教师用PC机和两台学生用PC机，由以太网与DCS虚拟服务器连接。同时安装了硬件C300系列训练系统，同样连接到以太网络，与PC机配合，可提高新进人员的组态与编程能力，同时避免了真机操作可能引起的误操作，对生产造成影响。

               

                                   图1.8 模拟训练控制室部分EPKS结构图

    1.4 PKS系统硬件结构总结

    由以上介绍可以看出，EPKS比先前我们所使用的TPA开放性分布式控制系统，功能更强大，模块间利用容错一台网通讯，可靠性更高，更稳定，它的模块集中式设计，更易于系统安装和维护，有利于公司控制策略的制定和方案的解决。

    2.EPKS控制策略的组态及功能

    PKS所用的组态工作室软件为Configuration Studio，是一种单一化，集成化的全新系统组态环境，避免了组态工作的混乱从而改进了组态效率。它将所需要的组态工具集成在组态工具室中，可以在一地对所有服务器进行组态工作。

    2.1 Control builder 设计控制策略，生成控制策略的文档，提供功能块的算法库，可实现所有逻辑、顺序、串级控制，支持批量设计并可以在线监控，改变控制参数。此外，它支持远程访问，而多个用户也可在不同工作站上同时组态，增强了灵活性和工程的生产力。

    首先，在程序中启动Configuration Studio。

                

    然后选择服务器后点击连接，输入用户名和密码，同时选择域。

               

    选择Control Strategy,过程控制策略，就进入了Control builder界面。

               

    在Control builder界面下，我们进行组态。主要顺序为C300控制器，CEE，IOLINK（包括C系列及PMIO），之后进行IOM的组态及分配，再统一进行下载，激活。下面就各个组态过程做一些简单介绍。

    C300 控制器硬件，CEE及C系列I/O卡件组态

    首先从下拉菜单中选择添加控制器，之后输入细节信息，如控制器名称，设备索引地址，是否选择冗余结构等信息，此处不再一一赘述。

               

    同样的步骤，我们组态CEE。

               

    对IOLINK来说，最重要的是类型的选择，有PMIO及C系列IO可选。

    按下面步骤建立IO，可改变模块的名称及其它一些属性，然后进行分配到CEE中。

               

    分配过程如下：

               

    几种控制模块的设计和举例。（PID、SCM、CASCADE）

    EPKS提供了多种功能块，能完成几乎所有控制要求，如电磁阀控制，变频电机的控制，PID控制，接近开关控制等。而且其增强的功能及所提供的摸板块，使在新程序组态时减少大量重复性的工作，工作量相对减少。现以SCM为例，介绍一些功能。
SCM可以控制生产过程按一定的步骤顺序执行，以完成生产更高一层的自动化，智能化，如锅炉的启动过程，过滤机的水洗过程等等。它主要包括句何时执行该条件的条件块，步骤的执行块及跳转块等。需要注意的是条件块和执行块需要交替进行，不允许两个条件块直接连接，而步骤块在R300中是允许直接连接的。在该块中可以对执行的时间进行设置，氛围最小等待时间及最长执行时间，后者用来表示在STEP块报警生成前，该块可以执行的最长周期。

下面是SCM的一个例子：

                

    我们对每个条件可以设置最多10种情况，对每个条件用逻辑门进行连接。STEP块用来执行和输出命令来控制功能块，我们对每个STEP块可以最多定义16个输出命令。

    SCM执行图中我们可以通过它的各个模块的颜色来读出它的状态，例如，绿色表示该块已经执行输出，蓝色表示条件或者步骤已经完成，黄色表示设定范围超越，红色代表通讯失败。

               

    SCM具有分支和回路功能，支持并行执行，此外，遇到特殊情况下而执行的条件和步骤执行块被称做特殊处理块。一个顺序控制模块可以有多个这样的模块，但是在任何时刻，只有一个是可能被执行的，他们的优先级依次为ABORT，STOP，HOLD，RESTART，INTERRUPT，CHECK，MAIN。

                

    3.EPKS系统服务器的部分组态及功能

    3.1 Quick builder 主要作用是用来组态flex和打印机，还有对第三方SCADA进行组态。

    ES-F和打印机的组态

    Flex操作站有两种模式，Static和rotary。在server下点击stations and consoles，选择configure flex stations，点击进入，选择你想要组态的操作站类型。其中，在界面上你可以选择安全模式，操作站模式或者是操作员模式。前者只能对其进行最低的设置，而基于操作员权限的享有view only,ack only,oper,supv,engr,mngr五级方式。
对打印机的组态有着类似的程式。Server下选择打印机，点击进入，新建，并对其进行相应的配置。

               

    3.2组态及对点进行复制。

    可以使用两种方式进行组态，第一种是用Quick builder本身，第二种使用EXCEL表格。

    在QUICK BUILDER中点击Point，建立点，更改信息，并选中。在同画面的菜单栏中，选择编辑，并在编辑的下拉菜单中选择复制点。在复制菜单内填入所需复制点数及其他信息，在summary栏下确认信息，点击ok完成。

                

    使用excel进行加点时，首先将点进行复制，然后打开excel插件，将点复制到表格中，个数可按要求任意选择，再对共有及特殊参数进行设置。

               

    此外，Quick builder支持下载，我们可以对整个数据库进行下载并可以对点检查，将程序及服务器中已经删除至回收站的点进行清空，还可以改变观看模式。

    4.HMIWeb Display Builder  利用HMIWeb Display全面集成化的强大功能，我们可以在PKS系统上创建用户画面，并且生成in.htm格式的文件，使用户可以在操作站，甚至是使用服务器在网络上进行连接，查看。 系统提供了丰富的图形库协助用户更好更快的进行设计，此外，它还支持用户创建特殊符号，并可以使用脚本程序VBS，进行文本编辑，增强了画面的功能，ActiveX组件更使音频文件得以调用。

    画面展示分为四个级别，一级为过程控制区域的总画面，提供了某个过程的整体画面，展现了整个过程的各个部分，设备及流程。二级显示主要操作画面，允许操作员进行基本控制任务。三级提供了更多的控制信息及有关细节，其中包括许多一二级未曾展现的额外信息。四级提供更多支持信息，如启动和关机过程，回路调节显示等等以辅助操作及生成报告。

                 

                                图4.1 HMIWeb Display Builder分层结构图

    EPKS提供了三种方法启动HMIWeb Display Builder，我们常用的是从程序里启动EPKS，选中server,然后对其进行开启。打开新建就可以直接创建一个新的Display画面，根据需要可以添加不同部分的组建，并进行设定。由于新的画图工具跟TPA系统还是大部分相似，这里就不再一一介绍了。所要注意的是当在引用原组件的功能建立新的组件时，应将其重新命名，防止原性能缺失。

    效果图如下：

               

    5.Enterprise Model Builder 

    Enterprise Model是一种可以被工程师，操作员以及管理者用来塑造及监控工厂及工艺过程的框架 ，包括资产模型和报警组两种模型。它打破了传统的平面结构，以树形结构代替，有单独的离线数据库（EMDB）被下载至相应的服务器中 。企业模块包括三个服务器，用Configure studio来对其各个组成部分进行定义和组态。企业模型数据库寄附于服务器，服务器作为主机存在。结构图如下：

               

                         图5.1 Enterprise Model Builder数据结构图

    5.1ASSET组态

    资产模型时代表企业具体模块的数据库实体，例如，我们公司将生产线分为纸板，制浆，碱回收，动力等等。而每个分部中有分不同的部门，如下图所示：

               

                                 图5.2 ASSET实体分布图

    在分配过程中，我们可以给不同级别的操作者设置不同的权限，需要注意的是在EMDB中最多允许的资产模型数位4000个，而在实际系统中是1000。允许十级asset。资产模块中子级模块可以分配也可以暂不分配，而总级是被直接缺省设置分配。每个模块都有自己独特的tag名及在服务器特别路径

    5.2Alarms Groups报警组组态

    报警组对一组资产模式或数据点进行监控，每一个报警组又可以当作系统中的一个点，例如，所有与压力有关的点可以被统一起来，合成一个组放在压力报警组这一个组下。在总菜单下，系统任务中选中对组进行组态。给组起一个特殊的名字，最多不超过40个字节。建立成功后点击进入，可对其实体名称进行编辑，并与SOR的资产模块进行联系。最后选择要所要建立的报警组的个数，确定。若对该BLOCK有其他需要解释说明的部分，可在Identification中进行标注，最后进行下载，使用。其创建信息可在Identification直接显示。

    完成后的报警组展示：

               

    6.PHD系统及应用

    PHD是过程历史数据库，PHD服务器可以同时从来自所有EXPERION SERVER的最多100，000个TAG中收集历史数据，具有比EXPERION 更强大的存储机制，可以对长期历史数据进行存储，用户可以通过客户端随时对全厂生产数据进行查询。

               

                                           图6.1PHD 系统结构图

    EXPERION SERVER收集现场实时数据端口送到RDI服务器，再由它送到PHD 服务器。PHD服务器接受实时数据后，生成ARCHIVE文件，历史数据以该文件的形式存储，可以用PHD软件进行查询。UNIFORMANCE用来对所有的点进行组态和系统配置，将PHD和EXPERION进行数据联结后，在EXPRION系统中的点参数会自动作为TAG被添加到PHD中，而当该点从EXPERION系统中被删除后，PHD也就停止对该点历史数据的收集，尽管该点并未从数据库中删除。EXPERION中的一个独立点若有多个参数需要被采集，分析，则PHD也应对应添加多个TAG，如同一对象的压力，流量，液位等等。此外，PHD还支持以RDI为单位进行批量建点及按照属性相似的点进行类似复制，这样大大提高了点组态的效率。最终，对于点的趋势走向可以通过PROCESS TREND 进行显示，更利于分析设备动态，发现故障，对生产运行提供了保障。

               

                            图6.2 PHD－CMD软件操作工具

    7．Distributed System Architecture

    操作站只能连接到一台服务器上，但是有时操作站需要从另一台服务器上读取数据并进行显示甚至操作。DSA结构支持冗余网络及服务器，使这些成为可能，使多台PKS服务器共享数据，信息，历史数值及报警而不用对非本地服务器的点进行复制。


               

                                      图7.1 DSA 系统结构图

    当首次读到一个远程点时，本地服务器将向系统查询该点的来源路径及所归属的服务器名称，得到确认后，本地服务器在本地数据库会自动创建一个参考缓存，用来存放这些“缓存点”。需要注意的是，点的ID在任何一台服务器中都应该是唯一的，每个点的全名应该不同。但是在不同服务器中，点的ID可以相同。对所有共享的点都要在DSA服务器中进行资产模式组态。特别注意组态DSA时，其所连接的服务器的mngr用户密码必须相同。

    8.我公司系统应用策略及解决方案。

    根据实际应用需求及二期工程计划，我们首先给水系统，污水系统和制浆车间的木片备料进行了EPKS应用和实施。首先进行了硬件配置，确定了I/O卡件并分配好其相关点通道。利用组态工具Control builder，建立控制器 ，定义IOM，并根据几个工段的不同的生产特点建立CM，并将I/O Channel进行分配，下载，联机调试。

    过程总结：

    1．重要的控制器模块都设置了冗余结构，重要信号由不同的输入模件构成，使模件故障时不会导致机组跳闸，而DCS控制站故障时又可以保障安全停机。对重要参数进行测量时，根据程序设定的算法进行自动选择，若变送器测得数值与给定超出范围，即进行报警，手自动切换。如在给水程序上，给水系统对汽包液位有着至关重要的作用，我们设定了特殊的连锁保护，可将控制方式从一种自动方式切换到另一种，以保证锅炉安全运行。此外，在任何一种运行方式的切换中，都要保证是平滑的切换，不会引起对过程控制的扰动，无论是手动人为切换还是串级控制或是其他连锁控制自动进行。在调试中发现，有时因为工作人员疏忽，回路常常显示INIT状态，归查原因，发现通常是输出接口通讯失败及AOCH未激活导致。为降低控制人员的失误，我们对个别PID回路用特殊回路PL对其进行代替，使错误率明显降低，此外此算法减少了阀门磨损，对系统维护有较大帮助 。

    2．对模块的执行周期应该有合适的限制。因给水管道较多，各阀门之间必然有相应的连锁，所谓先开先关的问题，我们在污水处理的问题上采用了顺序控制的SCM模块，使供水达到平衡。这是一个需要快速处理的顺序控制回路，所以我们设定的处理时间分别为100ms和40ms执行，因情况而异。不能正常顺序执行，可在程序中强制设置，使其运行。可以用以下方法尝试处理:中止handler的激活条件，如果已经进行了组态可将它停下来，或将其进行保持。

    3.分别进行控制系统的静态和动态调试，包括组态软件检查，功能测试，模拟试验及联动试验，并对连锁保护动作进行模拟试验和接口检查等等。

    因为系统还没有大规模整套启动，只能部分进行微调，我们先是对系统软件进行了检查和静态测试，如给水污水流量信号的参数补偿，如温度补偿及压力补偿等等，报警上下限的校查和量程设置，及各个功能控制块的参数设计，逻辑关系的检查和实验，控制界面的权限的设置和画面的检查。其次对输入输出点与相关外部系统进行了检查，如变送器的量程的调节，核对，执行机构的作用范围及开关度等及控制连接图、系统组态图，连锁动作关系，都达到了比较理想的效果。 

    9.全系统总结及展望

    DCS系统是全场控制的中心，它的可靠和稳定性直接影响着全场的生产及安全。EPKS系统不仅将全场控制高度集中化，完全满足了利于系统硬软件的日常维护及项目扩建而进行的组态，而且其强大的网络使系统可以与其他如AB PLC ,HIMA安全PLC进行通讯，保证了生产工艺更加完善，安全的进行。DCS系统调试是一个涉及安装、生产工艺、设计、设备供应等多方面的工作，由HONEYWELL厂家及我方工程师共同负责，设计、监理、施工单位配合完成。目前，我公司已有部分车间进行编程与调试，Honeywell EPKS提供了完整的解决方案，为以后的工程竣工验收和生产运行打下良好的基础，也希望这两套系统的运行，为其他制浆造纸行业的自动化解决方案提供一些帮助。
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