控制网

    苏华（1971－）
男，河北迁西人，（河北迁安化工有限责任公司，河北   迁安   064412)，主要从事自动化仪表及控制工作。

摘要：文章结合TPS系统在某化工厂的实际应用，简单地描述了控制管理网络TPN和过程控制网络UCN的构成极其在控制上的主要应用，并对维护人员的例行检查内容、常见问题的分析与处理作了进一步的探讨。

关键词：控制管理网络；过程控制网络；HPM；GUS

Abstract: This paper simply describs the structure of control networks TPN and process control networks UCN according to their application in one company .It also gives the further discussion on routine check content, analysis and treatment of common problem.

Key words: TPN;UCN;HPM;GUS;

1     概述

    TPS（Total plant solution）系统,是全厂一体化解决方案，它是将工厂的商业信息系统和生产过程的控制系统统一在一个平台上的自动化系统。其特点是：

    （1） TPS的核心技术是将各种技术高度集成在一起，包括：Windows NT ，OLE公共软件、ODBC公共数据库等；

    （2） TPS是开放的，它基于MS Windows NT  工作站，并被设计为Ntive window嵌入在NT环境中，拥有更多的功能，应用灵活容易；

    （3） TPS提供唯一的人机接口GUS，其基于Windows 界面；

    （4） TPS还具有很强的网络安全性能，有着极高的可靠性。TPS系统包含三层网络，工厂控制网络PCN（PIN）、控制管理网TPN（LCN）和过程控制网络UCN。河北迁安化工有限责任公司20万吨甲醇工艺的控制系统应用了美国霍尼韦尔公司生产的TPS系统，采用了TPS系统的TPN网和UCN网，其控制方案的设计、实施具有充分的灵活性、容易性和可靠性。

2     TPN 网络结构图

    （1）TPN网的拓扑结构为总线型，通讯机制令牌传输，属于广播式通讯方式，通讯协议符合IEEE802.4标准。连接电缆是同轴电缆并且冗于配置，交换频率为1次/分钟。控制室和锅炉房之间距离约800米，采用光缆连接，再通过光电转换器实现信号的转换。

    （2）GUS（01-08）：全局工作站。用于实现过程操作、过程的工程组态和控制设计功能。其硬件包括：pentium 主板，LCNP板、彩色监视器，IKB一体化键盘，球标和“T”型头MAU等。软件包括：系统软件MS Windows NT 4.0 ，应用软件base software、display sever、display builder、personality software等。GUS01、GUS02 监控锅炉运行，GUS03、GUS04、GUS05监控净化工艺过程，GUS06、GUS07 监控甲醇合成与精馏工艺过程。GUS08置于调度室，通过换区可以监视过程网络上的任何工艺过程，方便了生产的协调和指挥。

    （3）HM21：历史模件，提供海量数据存储和快速数据访问功能。存储过程报警、操作状态的改变、系统状态的改变、系统维护信息和在线过程的历史数据。

    （4）NIM11和NIM12相互冗余，是网络接口模件，用来实现TPN网和UCN网之间的通讯。

3    UCN网络结构图

    （1）UCN网在通讯方面与TPN 类似，只不过传输方式是载波通讯。它由主干电缆RG-11、分支电缆RG-6、75欧姆终端电阻、TAP和节点（设备）组成。

    （2）HPM：高性能过程控制站，实现过程数据采集、各种运算、控制以及通讯功能，具有快速的内部处理器和很大的存储容量。它由高性能过程管理模件（HPMM）、输入输出卡件（IOPS）和现场终端（FTA）组成。其中HPM11、12控制锅炉工艺，HPM13、14控制净化，HPM15、16控制合成与精馏。

    （3）NIM在UCN上是主设备，担负着时钟同步和侦听电缆交互的任务，它的地址最靠前。

    （4）UCN网络构成规则：

    a. UCN上的每个节点都有不同的地址，对于冗于设备，主设备的地址为奇数，冗于设备的地址为偶数。如果不是冗于的，偶数地址不准使用。

    b. 相互冗于的设备必须连接在相同的TAP对上。

    c. 每个TAP对上都有一个隔离断口，要保证每个TAP具有隔离标志的端口与下一个TAP的非隔离标志的断口相连，即TAP的隔离断口方向要一致。

    d. 分支电缆RG-6长度为5～50米，TAP 有多中不同规格，分支断口数量为2、4、8。干线电缆RG-11的允许长度与支线电缆RG6的长度和TAP类型有关。

4     主要应用

    （1）常规测量，常规控制，流量累积，数字量输入输出等。

    （2）实现串级控制，如锅炉液位（主变量）调节和上水流量（副变量）调节构成的串级调节系统，过热蒸汽温度（主变量）和减温器出口蒸汽温度（副变量）构成的串级调节系统等。串级控制系统其目的是精确的稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允许有偏差，因此调节规律一般选比例积分，当对象滞后较大时加入适当的微分。在控制过程中，副变量不断的跟随主调节器的输出变化而变化，要求不是很严格，一般只用比例作用，必要时可以加入适当的积分作用，微分作用一般不用。

    （3） 比值控制系统。其有两种功能方式，一是根据非受控介质流量（F1）和比值系数K，为受控介质流量（F2）的PID调节器计算给定值，是变给定调节回路。如中温变换器入口水煤气和蒸汽流量的比值调节，脱碳塔入口变换气流量和贫液流量的比值调节都采用这种方式，由于给定变化较频，为了避免输出突变，尽量不引入微分作用或者选择微分先行算法，即微分只对测量的变化速度起作用，对给定值变化无影响。二是根据受控介质和非受控介质的流量计算出实际比值，即测量值PV，再和给定的比值相比较，实现比例偏差控制。

    （4） 流量的温度压力补偿计算。当差压式流量计（如孔板、喷嘴）的实际工作条件和设计工作条件不一致时，使对介质特别是气体流量的测量不准，采用温压补偿算法克服了这一问题。如：原设计过热蒸汽压力为3.82MPa，温度450℃。但在实际工作中，由于工艺需要或其它原因，实际压力可在3.00MPa到3.82MPa之间变化，温度也在400-460℃之间变化，导致测量准确度下降，不利于能源的有效考核，加上温压补偿解决了该问题，蒸汽质量流量的补偿公式：

    其中F是未经补偿且已开方的流量，RP、RT设计工况下的绝对压力、绝对温度，P、T实际工况下的压力（表压）和温度，P0、T0标况下的绝对压力和绝对温度。

    （5） 通过逻辑点，实现报警及设备的联锁保护。如甲醇合成工艺的开工气加热炉的联锁保护，当火焰监测器监测不到火焰或炉膛内温度较低时认为火灭，这时关闭燃料气阀门同时打开蒸汽阀门，排除炉膛内未燃气体以免发生危险。

5     TPS系统的日常检查与维护

    （1）系统状态检查：在GUS里检查系统的运行状态，节点状态主要有如下几种。

    · OK：表示节点已经通过质量逻辑检测，软件已经装载，运行正常。

    · BACKUP：表示节点已经通过质量逻辑检测，软件已经装载，处于另一个节点的备用状态。

    · PWR-ON：表示已经上电，但没有通过质量逻辑检测，没有装载软件。

    · QUALIFY：表示正在经过逻辑质量检测

    · READY：表示节点已经送电，通过了质量逻辑检测，但没有装载软件。

    · OFF：表示节点没在TPN上或没有供电。

    · FAIL：表示节点运行失败。

    （2）UCN 状态检查：

    a UCN电缆状态的检查

    · 字符颜色呈反显表示处于工作状态；

    ·绿色表示工作正常；

    ·黄色表示可能有问题；

    ·红色表示一定存在问题。

    b HPM状态的检查

    ·OK表示运行正常；

    ·BACKUP表示处于备用状态；

    ·ALIVE表示已经上电，但没有装载软件；

    ·IDLE表示HPM或IOP处于空运转状态；

    ·soft-fl表示HPM或IOP有软件故障；

    ·IDLSFT表示处于空运转并有软件故障。

    （3）UPS 电源的检查：检查UPS外部输入电源、风扇运转情况及UPS的工作状态。工作状态包括负荷大小、电池电量、供电方式等。如果处于旁路供电方式说明负载可能过大或内部逆变有问题。若电池供电则说明UPS外部电源没有，应检查开关、保险或电气供电。正常情况下旁路灯、电池灯不亮，表明UPS外部电源经过滤波、整流、逆变等处理后供给用户，属于正常工作状态。

    （4）HPM检查。正常情况下，HPM 前面板上的电源和状态指示灯亮。HPM前面面板上有4位数字显示。其中第3、4位表示节点地址。正常情况主HPM的地址前面显示OK表示运转正常 ；备用的HPM地址前面显示B表示备用。HPM的电源指示灯不亮时，要检查它的开关和保险。在I/O连接卡件的底板上有一个3.2安的快速熔断保险，它保护着HPMM卡件和UCN接口模件。

    （5）输入输出卡件IOP和FTA的检查。IOP和FTA由一个2A的快速熔断保险保护，如果IOP和FTA的电源指示灯都不亮，则应检查更换该保险。如果FTA的电源指示灯亮，IOP的不亮，应检查IOP卡件上的0.5A的快速熔断器。IOP的状态指示灯亮（ON）表示正常；灭（OFF）表示运行失败；闪烁表示出现软故障。如现场某测量点没有接，这时应把该点打死，使之处于非激活状态。

    （6）更换或拆卸HPM卡件时，要提前放电，避免静电损坏卡件内部集成电路。

    （7）组态并激活PV跟踪与初始化功能。PV跟踪和初始化可以实现无扰动切换，保证工艺的稳定性。对于单回路调节器，由自动模式变手动模式调整工艺参数时，由于启用自动跟踪功能， 这时给定跟踪测量，当投入自动模式时不会产生扰动输出。对于串级调节系统，当副回路手动时，由于主副回路都有PV跟踪功能，主、副回路的给定分别跟踪主、副变量，又由于主回路启用了初始化功能，主调节器的输出始终等于副回路的给定。这样当副回路变为串级模式，主回路变为自动模式时，没有扰动输出，对生产过程不产生干扰，实现了无扰动切换。

    （8）3线制电阻体检查时，注意减去导线电阻。当盘柜离现场较远时，导线电阻不能忽略。通常用Rab-Rbc即可。要近一步精确测量最好去现场。

    （9）工艺参数的及时调整。因为控制系统是由检测、调节器、执行器和对象四个环节组成的，其中任何一个环节的特性改变都可能影响到调节器的控制品质。如换热设备结垢，导致对象的时间常数增大，调节阀由于冲刷流通能力增大，检测设备灵敏度下降等，因此要对调节器运行状况定期检查必要时调整参数。如果对象的放大倍数增大，应减小调节器的增益，反之则增大调节器的增益。若对象的时间常数增大则适当增大微分时间，反之减小微分时间。

    （10）流量补偿系数的范围确定。一般情况下补偿系数K接近1，若设定K的范围后，如：0.9-1.1，就会避免因压力或温度测量装置出现异常情况使流量的补偿系数偏离实际值太远，从而避免了异常情况下的测量误差增大甚至错误测量，使得流量测量的可靠程度得到了保证。

    （11）TPS系统接地电定期检查，包括安全接地和主参考接地，不能大于4欧姆，并且接地可靠。NIM、HM 等机壳上滤网定期拆卸清理，以免堵塞影响换热。保证室内的环境（湿度和空气清洁度）满足TPS系统的运行要求。

6     结束语

    由于维护人员的精心维护，TPS 系统运行稳定、可靠，为工艺的安全生产创造了条件。尤其是两台75吨循环流化床，它和尿素系统的老式链条炉蒸汽管道并网，效率比链条炉高，消耗低，为了降低蒸汽成本尿素系统也由75吨锅炉供汽，不足的由链条炉补充。因此，TPS系统的正常运行不仅为生产的安全运行提供保证，而且对降低尿素产品的制造成本也起着重要的作用。