霍尼韦尔PKS系统及C300控制器在煤间接液化装置上的应用

【摘要】鄂尔多斯煤制油分公司煤间接液化生产装置控制系统，采用了霍尼韦尔pks集散控制系统及c300控制器，进行煤间接液化生产，经过投料试车，系统稳定可靠，操作灵敏方便，提高了分公司的自动化控制水平、创造了显著的经济效益。

【关键词】DCS；霍尼韦尔PKS系统；C300控制器；煤间接液化

1.前言

由于煤直接液化项目中全部使用的是霍尼韦尔Experion PKS系统，煤间接液化装置建设在煤直接液化项目的厂区内，是以煤直接液化项目中煤气化装置的合成气为原料，利用煤直接液化项目中的公用工程进行煤间接液化生产的。考虑到相关装置之间的信号传输多、通讯数据量大，以及全厂控制系统一体化等因素。在煤间接液化项目控制系统的选型上，霍尼韦尔PKS系统就成了唯一的选择。

2.PKS系统结构

霍尼韦尔的Experion PKS过程知识系统，是目前最先进的控制系统之一，包含了霍尼韦尔三十多年来在过程控制、资产管理、行业知识等方面积累的经验，采用最先进的开放平台和网络技术，为工业企业提供一个全厂统一的过程控制、生产管理、设备管理、资产管理、等一体化的知识体系结构和全系列的解决方案。

Experion PKS系统能满足各种自动化应用要求，为过程控制、数据采集和批量控制提供一个开放式控制系统，能满足工业生产领域要求的灵活性、易用性、高性能和高可靠性。

Experion PKS系统的体系结构如图1所示。

Experion PKS系统的控制主干网络是容错以太网——简称FTE，是Honeywell公司开发的FTE驱动程序与Cisco交换机相结合的网络技术。FTE是在商用以太网技术上结合霍尼韦尔设计的鲁棒控制网络专长，成为霍尼韦尔的专利，作为先进的控制网络解决方案。通过为任意两个FTE节点提供多达4条通讯路径，FTE既可容错单故障点，还可容错多故障点。此外，FTE还支持普通以太网节点的连接和标准TCP/IP的应用（如本系统中的串口网络服务器，FDM现场设备管理站）。其拓扑结构是顶部连接在一起的双重并行树形网络结构，是冗余网络结构的单网，由冗余的交换机和通讯电缆构成。基本FTE网络是直至3层交换机设置的并行的两个树形结构，如图2所示。FTE节点（本系统中的服务器/工程师站、操作员站、C300控制器类型的节点）含有FTE软件和双网络接口控制。FTE不仅提供容错技术，还提供工业控制应用要求的快速响应、传输的确定性和安全性等。一个FTE网段可连接多台服务器，最多可连接200个FTE节点和200个非FTE节点；一对服务器最多可带10台控制器、10台CONSOLE站、40台FLEX站，2万个过程点。

过程控制网络（FTE）分为控制层（Level 1）和监视层（Level 2），控制层（Level 1）的设备主要有C200控制器和C300控制器；监视层（Level 2）的设备主要有服务器和操作站。

高级应用网络层（Level 3）是普通以太网，不是FTE网络。网上的设备有PHD服务器、多变量优化控制器、远程操作站等管理设备。

工厂信息网络层（Level 4）是通过防火墙连接的管理网。网上的设备有企业级高级应用服务器、安全只读访问过程画面的WEB服务器（e-Server）、工厂业务客户端等设备。

3.控制器的选择

煤直接液化项目使用的Experion PKS系统，原设计软件为R211.3版本，控制器使用C200控制器带PMIO卡件，如图3所示。由于C200控制器的顺序控制功能较差，不能完成PSA（变压吸附）的复杂逻辑控制，PSA控制采用了HPM控制器和PMIO卡件。HPM控制器是TPS系统的控制器，不是Experion PKS系统的控制器，再通过ESVT服务器把TPS系统升级到Experion PKS系统。

煤直接液化生产线在开车调试和试生产过程中，C200控制器和HPM控制器，多次出现控制器卡板硬件故障。因此，煤间接液化装置不再使用C200控制器和HPM控制器，而采用新型结构、性能可靠性的C300控制器如图4所示。系统软件也相应升级为R311.2版本。C300控制器是HONEYWELL公司近年推出的换代产品，与C200控制器相比有如下优点：

3.1 采用全新的硬件结构设计：这些卡件不但在外形上是全新的，其内部电路也有很大变化，C300控制器采用了高性能的CPU芯片，处理速度更快、处理量比C200控制器增加了很多，采用了全新器件，性能指标上了新的台阶。可以完成PSA（变压吸附）的复杂逻辑控制。

3.2 采用全新的硬件结构，使C300控制器带C系列I/O卡件的体积只有C200控制器带PMIO卡件的1/2，由于硬件体积的压缩，使得机柜数量大量减少，同样规模的装置，采用C300控制器机柜数量，是采用C200控制器机柜数量的2/3。

3.3 C300控制器增加了控制器专用防火墙：使C300控制器免于黑客攻击。

①防火墙只允许与C300控制器有关的信息通过，通过TCP过滤的功能使只有带CDA的信号能够通过。

②I/O通讯和peer-to-peer通讯不受影响，保证确定性。

③限制广播流量，防止广播风暴。限制SYN flood攻击，防范Dos及DDos，避免C300控制器的处理器花费大量时间去清理这些垃圾信息，导致C300控制性能的降低。

3.4 C300控制器的通讯速率为100Mbps。工业以太网采用开放式802.3（载波侦听多路访问/冲突访问）星型结构100M带宽的组网方式，由于带宽的优势，在系统满负荷的情况下，网络一般处于低负荷状态，仍然能很流畅的工作。对于上层管理网络（MIS）不需要额外的协议转换器和网关。

3.5 C300控制器增加了Profit loop算法：“预估控制技术”已在很多项目上应用，其中Profit loop算法是霍尼韦尔的专利技术。

①Profit loop算法在控制器中的应用，提高了控制的鲁棒性，简化了PID调节的复杂性，提供强有力的PID闭环自整定功能。

②Profit loop算法已嵌入到控制器C300中，无需额外费用。可取代PID的控制算法。

③减少维护成本，增加过程稳定性多大30%。

3.6 先进的FOUNDATION现场总线技术使总线接口卡直接与控制器实现点对点通讯，大幅度提高了总线的通讯速度和通讯可靠性，有助于现有资产的优化，C300与C200对比如表1。

4.煤间接液化装置PKS系统的硬件配置

该PKS系统用于煤间接液化装置的过程控制、现场Hart仪表设备的资产管理、以及管理调度信息集成等应用。煤间接液化项目包括了9个生产单元，设计为一个中心控制室。分为4个操作区域，操作一区为催化剂预处理和蜡精制两个生产单元；操作二区为费托合成和油品加工两个生产单元；操作三区为轻烃提浓和PSA制氢两个生产单元；操作四区为脱碳和凝结水回收及合成水处理三个生产单元。

4.1 操作站的配置：系统硬件配置需要根据各操作区的I/O点数和操作站的数量来确定。操作一区有914点，需要配置2台操作站；操作二区有2722点，需要配置7台操作站；操作三区有905点，需要配置2台操作站；操作四区有588点，需要配置2台操作站，共配置13台操作站。每个操作区必须配置50%以上数量，能与控制器直接通讯的CONSOLE操作站。该系统配置7台CONSOLE操作站，6台FLEX操作站。

4.2 控制器的配置：按照每个生产单元的控制器尽可能独立配置的原则，根据各单元I/O点的多少不同配置控制器。对于I/O多的单元可以配置多对控制器，对于I/O少的单元可以几个单元配置1对控制器。操作一区催化剂预处理和蜡精制两个单元配置1对控制器；操作二区费托合成单元配置2对控制器，油品加工单元配置2对控制器；操作三区轻烃提浓单元配置1对控制器，PSA制氢单元配置1对控制器；操作四区脱碳和凝结水回收及合成水处理三个单元配置1对控制器，共配置8对控制器。

4.3 服务器的配置：I/O总点数为5129点，一个FTE网络可支持2万个过程点，可支持多对服务器，每对服务器每秒钟平均访问控制器的参数为4000个，可连接200个FTE节点和200个非FTE节点。因此可选用一个FTE网络配置2对服务器，形成2套DCS系统。操作一、三、四区配置了1对服务器构成1套DCS系统；操作二区配置了1对服务器构成1套DCS系统，2套DCS系统之间的通讯，采用HONEYWELL的DSA技术。配置的2台工程师站分别对2套DCS系统进行组态。

4.4 交换机的配置：FTE节点和非FTE节点大约有40个，FTE网络采用1对48口的Cisco Catalyst 2960交换机，将控制层（Level 1）和监视层（Level 2）合并为一层，交换机提供100Mb传输速率。

4.5 现场设备管理站的配置：需要1台Hart设备管理站对现场设备进行管理，Hart设备管理站由霍尼韦尔现场设备管理站FDM以及Hart数据信息接口等构成，提供用于管理Hart设备的数据库、组态和管理模式、人机界面等。

4.6 PHD Buffer服务器的配置：与PMCC通讯需要1台PHD Buffer服务器（PMCC系统已在直接液化项目中建成）。

煤间接液化装置PKS系统的硬件配置如图5所示。

本系统的硬件型号选择：

控制器—Experion PKS系统的C300控制器作为DCS主控制器。

操作站—选用Dell工作站T5400计算机，配置霍尼韦尔专用的操作员键盘。

工程师站—选用Dell工作站T5400计算机。

系统服务器—选用Dell PE2950服务器。

FTE网络交换机—选用Cisco WS-C2960-48TC-L交换机。

PHD Buffer服务器-选用Dell PE 1430计算机（用于与PMCC通讯）。

Hart设备管理站—选用Dell工作站T5400计算机。

串口服务器（Terminal Server）—选用8通道的Nport 5630-8串口网络连接服务器（Terminal Server）

5.结束语

PKS控制系统强大的功能模块和其优越性能保证了装置按照设计方案在预定时间内顺利开车。该PKS系统自2009年投用，系统运行稳定，没有因DCS系统本身的问题对生产造成过影响，而且由于该系统的开放性、灵活性、易操作性等优越性能，能够根据生产需要自主的进行一些过程点的组态操作，如一些控制方案的增改、联锁逻辑关系的变动，都能够在不影响正常生产的前提下在线修改。

煤间接液化项目于2008年4月10日开工建设，2009年9月30日机械竣工。煤间接液化装置在2009年12月至2010年5月期间进行了两次试生产，第一次试生产于2009年12月9日9时开工，12月18日零时计划停工，共连续运行210小时。经历1个月的改造之后，装置第二次试生产于2010年3月15日开工，2010年5月1日计划停工，共稳定运行1113小时。在试生产期间，装置运行平稳，各项工艺参数满足指标要求，总共产出轻重质醇422吨、液化气322吨、石脑油3817吨、柴油5223吨、重质蜡300吨、重柴油400吨。PKS系统运行可靠是煤间接液化装置连续、稳定生产的根本保障。

参考文献

[1]Experion PKS系统培训手册

[2]OperTune_User's Guide_Experion_R300

[3]王树青等.工业过程控制工程[M].北京：化学工业出版社，2002

作者简介：李卓（1985—），男，大学本科，毕业于内蒙古工业大学信息工程学院自动化专业，工学学士，助理工程师。