PlantPAx DCS控制系统在电解铝行业的应用研究.docx
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PlantPAxDCS控制系统在电解铝行业的应用研究
PlantPAxDCS控制系统在电解铝行业的应用研究
摘要:
以某电解铝厂实际应用的DCS控制系统为背景,研究了PlantPAxDCS控制系统在电解铝行业中的应用。
首先,详细阐述了电解铝厂的控制系统网络结构和PlantPAx系统结构;其次,描述了PlantPAx控制系统的功能特点和系统设计;最后,介绍了PlantPAx系统在电解铝具体工艺段的实际应用效果,为今后该系统在电解铝厂的应用提供借鉴。
关键词:
PlantPAx;电解铝;应用效果
近年来,随着自动控制系统的不断革新和发展,DCS与大型PLC控制系统在功能及应用场景的区分越来越模糊。
在具有一定控制规模的工业应用中,以PLC为基础发展而来的现代DCS控制系统几乎可以完成传统DCS系统的所有功能,并逐步得到实际应用。
本文所提及的PlantPAx系统是罗克韦尔公司的现代DCS控制系统,此系统在某50万吨电解铝项目中得到实际应用,有别于传统电解铝PLC控制系统,PlantPAx系统内置多种工业控制所需要的功能模块,只需要进行“连线”式编程,便可快速搭建工业控制所需要功能并形成统一的功能模板进行多工艺段的快速部署。
在HMI人机交互界面中,PlantPAx系统为DCS中内置标准功能模块配套开发了交互窗口,只需要按照功能模块的ID进行连接便可以完成人机交互组态工作。
基于PlantPAx以上功能特点,该系统特别适合电解铝行业单体设备多,控制功能相对复杂,模板利用率较高的控制场合,既利于项目的快速实施又能够显著提升控制功能的稳定性。
1PlantPAx系统组成和电解铝控制系统网络结构
1.1PlantPAx系统架构
PlantPAxDCS控制系统按照架构级别和控制系统规模可分为以下几种结构[1]:
(1)单工作站结构:
集PlantPAx自动化系统服务器(PASS)、操作员工作站(OWS)和工程师站(EWS)功能于一体的独立工作站,适用于小型系统。
(2)分布式-单个PASS服务器结构:
该架构拥有单个PASS,并支持多个OWS和EWS,适用于中大型系统。
(3)分布式-多个PASS服务器结构:
该架构拥有多个PASS,并支持多个OWS和EWS。
多个PASS服务器可获得更多系统容量,利于通过操作区域分隔服务器,适合于大型系统,特别是有操作区域分隔需求的工业场景。
图1PlantPAx架构级别示意图
1.2PlantPAx服务器功能
PlantPAx系统以开放式行业标准为基础,并以EtherNet/IP以太网作为其主干网络。
EtherNet/IP网络有助于支持系统组件的无缝集成,提供高级业务系统。
多种服务器按照功能分布在系统网络中完成系统所需任务。
系统中服务器主要分为以下几类[2]:
(1)PASS过程自动化系统服务器,用作人机交互界面HMI服务器(可以根据需求选择冗余服务器)。
(2)EWS专用工程师站,用于开发及维护系统的控制程序及HMI操作画面,包括上下位之间的网络连接组态、系统安全及权限管理。
通过该服务可以导入标准的功能模块以及对应的上位图形模板,实现控制系统的快速部署和实施。
(3)OWS操作员站,用作图形界面与下位程序的交互与操作。
(4)各类应用服务器,用于批处理管理、历史数据采集、报警管理、资产管理等。
图2PlantPAx系统结构示意图
1.3电解铝项目控制系统网络结构
电解铝厂控制系统网络通常以各个工艺段为汇聚节点,主控制室为核心节点组成单星型网络,各个工艺段如有成套设备需进入控制网络,则在本工艺段内使用交换机组成局部小规模星型网络实现整个控制系统网络的连接。
在本项目中根据PlantPAx系统特点,实施了如图3所示的控制系统网络结构,提高控制网络的安全稳定性。
在全厂主干控制网络中采用双冗余Ethernet/IP主干网络,主要工艺段通过本系统的两台汇聚交换机分别接入A、B两条主干网络作为冗余使用,小型辅助工艺段通过单台交换机接入A、B网络中的一条,这种设计既能满足主要工艺的网络安全,又能在一定范围内节省不必要的投资。
当其中一条主干网络发生故障时,系统可以直接切换到另一条主干网络,保证HMI与控制器之间的连接可靠性。
各个工艺段按照系统规模、控制功能以及系统重要性,采用了CPU冗余单环网、非CPU冗余单环网、星型等多种网络结构,各种网络结构最终通过区域汇聚交换机接入主干冗余网络。
以电解烟气净化区域为例说明工艺段内的网络结构,由于净化区域控制点位较多,为合理分配控制系统布局,采用了多个分布式远程IO机架及双冗余CPU组成控制系统。
冗余CPU与各个远程机架之间使用以太网组成工艺段内DLR协议单环网,高压设备远程机架由于距离问题使用光纤进行系统连接并使用一对光电转换器接入环网,成套设备通过区域汇聚交换机接入控制网络。
该项目的网络结构在控制项目预算的同时,对网络结构进行了合理的设计优化,既保证了核心工艺区域的网络稳定,又保证了整个系统投资预算在合理范围。
图3电解铝项目控制系统网络结构图
2PlantPAx控制系统开发特性
2.1PlantPAx过程对象库
PlantPAx控制系统编程主要以罗克韦尔公司为DCS系统重新开发的过程对象库为核心(包括逻辑功能和对应的可视化功能),实现系统功能模块化和模块可视化,过程对象库提供可配合PlantPAx系统使用的电机、阀、驱动器、连锁、允许条件和附加对象的各种模块化指令,足以满足大多数流程行业控制需求。
使用PlantPAx过程对象库具有以下优势[3]:
(1)可重用设计:
只需要简单的指令模块组合,指令集即可对工艺设备进行控制、状态监控及故障处理。
进行控制逻辑编程时只需配置预定义的各种过程库对象,不必为每个特定控制逻辑设计功能。
(2)简化开发:
指令的每个实例均可组态,而无需更改源定义。
一旦将可视化元素添加到项目中,便可从关联的操作面板进行模块属性配置,无需打开控制组态。
(3)实时数据的可视化:
全局对象允许访问预定义操作面板,查看设备的运行方式、报警和诊断信息。
当预定义逻辑与显示元素和操作面板在FactoryTalkViewStudio软件中结合使用时,可在图4所示环境中实现拖拽式配置。
图4过程库对象使用流程简图
2.2PlantPAx系统设计
IAB是罗克韦尔公司对其控制系统进行系统设计的辅助软件,该软件集成在PlantPAx系统中提供给系统设计者使用。
IAB系统的主要功能为:
(1)可以按照不同的CPU系列进行辅助设计向导;
(2)根据实际IO点数及点位类型进行系统负荷的计算,也可添加第三方系统点位数量进行计算,高校利用CPU资源及预留储备性能(供扩展使用);
(3)系统设计出现不合理的时候,可以及时给出修改意见,确保系统的设计始终在硬件性能边界以内;
(4)最终可以导出BOM模块清单以及对应的标准设计报告(英文),可作为技术附件和硬件采购清单使用;
IAB的合理应用解决了传统设计中仅凭借估算进行系统硬件设计,往往造成控制系统性能大幅度过剩或者预留扩展资源不足的问题,使得系统设计变得有依据有原则,系统资源得到合理使用,易于控制系统的二次扩展。
在本项目中我们使用IAB对该电解铝厂控制系统进行了完善的系统设计,对系统PASS、EWS、OWS、CPU系列、及IO模块进行了合理规划得到最优解决方案,如图5所示。
图5IAB系统设计总体框图
从图5可以看到部分工艺区域的系统设计出现警告字样,IAB给出的警示提醒是按照系统最优性能进行提示,经分析该系统内状态变量在一定比例上没有参与复杂控制,仅作为状态显示使用,不影响控制器运行性能,因此未做调整。
图6展示了某一具体工艺段的详细设计,对设计者给出的系统模块种类、数量和IO点数进行系统性能计算,并详细展示某一具体功能对CPU实际存储空间的占用,同时设计者可以给出备用IO点位比例,系统会按照内置规则自动进行计算。
当系统检测到不合理设计时,软件会使用显著颜色进行提示,设计者可根据系统提示进行修改以满足系统需求,最大程度利用系统资源,防止控制系统性能过剩和资源不足,进而优化投资预算。
图6IAB详细设计图
3系统的软件设计与实施
电解铝厂的自动控制系统按照其工艺特点可大致分为高压综自系统、电解槽自动控制系统、辅助工艺自动控制系统等三大类,本文只讨论辅助工艺自动控制系统的软件设计与实施。
辅助工艺控制系统可大致分为电解烟气净化、空压站及循环水、阳极组装车间、超浓相输送、新鲜氧化铝输送、整流所循环水、供水加压泵房、铸造车间等多个工艺区域。
其中以电解烟气净化最具有代表性,该区域IO点位多,控制对象复杂,且与电解槽生产密不可分,本章以净化区域为例详细阐述PlantPAx系统的软件设计与实施情况。
3.1净化系统软件组态设计
电解烟气净化自动控制系统主要是控制除尘器组按照一定工艺要求进行反吹使得电解车间外排烟气达到环保指标,并回收烟气中的氟化物对新鲜氧化铝进行载氟,将载氟氧化铝通过超浓相输送系统输送至电解槽进行铝电解生产。
其它高低压设备的控制完全是为这一流程提供保障和动力来源,因此可以把这些设备的控制归纳为通用设备控制。
(1)通用设备的控制
PlantPAx的过程对象库中已经为这些通用设备提供标准的控制模块(包括电机、阀门、IO输入输出、联锁、报警、允许条件等),只需要按照控制需求将这些标准模块进行“连线”式编程并设定对应参数即可完成控制功能,大大提高了软件组态效率和运行稳定,避免由于编程习惯造成的控制功能错误,快速实现控制功能模板化和统一化。
图7为净化区域普通电机的模板,该模板由允许和联锁条件、IO硬件故障、电机控制三部分组成,使用多个标准功能模块进行编程并按照控制需求对各个模块进行预定义功能配置。
该区域低压电机全部使用该模板进行编程,只需要完成模板复制后改变实际连接的IO信号地址或变量名即可。
高压电机、阀门、模拟量和PID控制也都具有各自的标准模板,只需要完成单个设备控制程序后,就可快速复用到其它性质相同的设备,编程效率显著提升。
在图7左侧的树状结构中将具有同一程序模板的程序归类存放,利于快速查找。
(2)除尘器组控制
净化区域除尘器组一般由多个单体除尘器组成,在控制上多采用分组控制,以此满足工艺需求。
本项目中每个净化系列由12个单体除尘器组成并分为两组进行除尘功能控制,每组6个除尘器,两组除尘器独立控制互不干涉。
除尘器组的控制可分为差压控制模式、自动时间间隔控制模式以及手动控制模式。
差压控制模式:
每个除尘器顶端均安装差压测量仪表,当差压大于设定值以后,除尘器内的多个电磁阀按照程序设定顺序和设定的时间间隔进行反吹操作,直到差压小于设定值停止反吹操作。
自动时间间隔控制模式:
除尘器组中的各个除尘器按照设定的时间间隔和设定顺序进行反吹操作,此运行模式需要程序上进行两次循环编程,需先确定组内哪个除尘器运行,再确定该除尘器内多个电磁阀的动作顺序。
手动模式:
在上位画面中点击某个电磁阀进行手动操作,多用于测试各个电磁阀是否动作正常。
图7普通电机控制逻辑程序
以上三种运行模式以除尘器组为单位选择,即选择某种运行模式,该组内的六个除尘器全部运行在该模式下。
由于除尘器的控制相对复杂,很难在PlantPAx标准功能模块中选择合适的模块进行编程,故采用传统的梯形图进行编程实现所有控制功能。
首先使用系统的ADD-ON功能编写单个除尘器的阀门控制逻辑形成单除尘器模板,然后根据不同模式的运行原则反复调用该自定义模块实现三种控制模式。
这种混编程序方式恰恰体现了PlantPAx系统编程的灵活性,在过程对象库中无法找到合适功能模块时,可以采用自定义手段自行开发特定功能模板。
图8为除尘器控制主程序,当标志位选择某种工作模式时,主程序跳转至对应功能模块。
图8除尘器组控制主程序
3.2净化HMI画面组态
与传统PLC控制系统的HMI画面组态相比,使用PlantPAx系统进行人机交互界面设计和实施要更加快速,且风格统一功能完善,过程对象库中的标准操作模板可以高效完成多数功能的组态。
整个画面的组态大致可以分成两大类:
(1)下位程序使用标准功能模块进行编程时,上位画面仅需要调用功能模块对应的标准操作面板进行简单的ID连接就可实现与下位程序的变量连接,实现预定义的控制功能。
标准操作模板可以提供权限切换、设备启停控制、允许条件和连锁状态提示、报警提示、运行时间统计及设备状态信息等功能。
(2)下位机未使用标准功能模块编程时,上位画面与传统的PLC画面没有任何区别,需要组态人员按照下位程序功能,工程师自定义相关操作模板实现设备操作和状态信息显示。
对于电解铝厂的控制系统来说,90%以上的控制功能均可使用过程对象库中的标准功能模块进行编程并使用预定义操作模板进行HMI组态,实现操作画面的敏捷开发,显著缩短开发周期,确保画面功能完善可靠,图9为净化区域的主流程操作画面。
图9电解烟气净化主流程画面
4结语
在某50万吨电解铝厂的工程实践中,采用PlantPAx现代DCS系统对电解铝厂控制系统进行了设计和工程实施,使用罗克韦尔DCS过程对象库中的标准功能模块和操作模板实现了全厂工艺流程的远程实时监控和设备的集中操作。
实施过程充分体现了PlantPAx系统可重用设计、简化开发、实时数据的可视化等功能特点,显著缩短了开发周期、提高了程序运行稳定性,为企业的节能增效提供了坚实的基础。
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- 关 键 词:
- PlantPAx DCS控制系统在电解铝行业的应用研究 DCS 控制系统 电解铝 行业 应用 研究