HONEYWELL EXPERION PKS在制漿造紙行業的應用
August 8, 2013
ShareTweet+ 1Mail
HONEYWELL EXPERION PKS在制漿造紙行業的應用

李媛  劉磊  郭合芳
亞太森博漿紙有限公司

【摘 要】：二期100萬噸項目的上線，使對控制系統的有了更高要求，本公司通過有效利用Honeywell 產品搭建完整控制系統得到解決方案，達到裝置更安全可靠運行，為制漿造紙行業進行過程控制提供參考。

【abstract】：With the startup of PL12 new project in APRIL SSYMB, more sophisticated demands have been taken into consideration. By this paper, we will introduce a complete set of Honeywell production in our mill, which results in excellent functions in the process control system. Wish it could provide any help to related industries with Honeywell production.

【關鍵詞】：過程自動化系統  應用策略  EPKS        PHD  DSA

【Keywords】：Process  Control  System  Control Strategy  EPKS        PHD  DSA

制漿造紙行業工藝規程復雜、多樣,對系統和設備都有著較高的要求,尤其對系統來說,其可靠的穩定性和較高的靈活性是保證生產工藝順利進行的前提，在森博一期30萬噸項目中，我們采用了HONEYWELL TPS開放型分布過程控制系統，其完善的診斷，組態工具，模塊化的軟硬件結構，*了系統的連續性和穩定性要求。在二期擴建的100萬噸漿項目中，我們再次采用HONEYWELL 新一代控制系統PKS ，到目前為止，我公司的木片輸送，給水及污水處理已進行了應用和實踐，下面將逐一介紹新一代控制系統的結構、布局和控制方案。

EPKS硬件組成及結構
EXPERION PKS 過程控制系統是HONEYWELL一代過程自動化系統，它的功能高于一般的集成控制系統，其中嵌入式決策支持和診斷技術，為決策者提供了所需信息，其安全組件使安全環境獨立于主控系統，也提高了系統整體的安全穩定

 

圖1.1經典EPKS系統結構圖

在每套PKS系統中，服務器都可以選擇冗余配置，有效存儲數據庫信息，基于操作站有多種類型可以選擇，zui多可以連接40個FLEX,10個CONSOLE, 3個CONSOLE EXTENSION，而FTE容錯以太網提供了HONEYWELL的四路冗余通訊技術，可通過網絡通訊接口卡與C300，操作站，服務器，第三方設備及其它PC連接，避免了因單點故障而引起的系統癱瘓，大大提高了系統性能。

       1.1部分硬件結構及功能

C300控制器 C300分散過程控制器的設計師采用新穎的立式設計，有效節省了空間。它包括控制器硬件和控制軟件CEE，支持組態，下載，以及各功能模塊的執行。每套控制器zui多支持64個IO Units，每個控制器有兩個IOLINKS接口，可以連接C系列IO卡件或PMIO卡件，還可以連接多至8個FTEB接口卡與PLC通訊。

C300輸入輸出端子板 為C300控制器提供連接點和所有電纜終端連接口（如FTE，IOLINKS，冗余，電池等），為控制器提供24V直流電源。

I/O卡件  模擬量輸入輸出卡都有16位模擬量通道，支持冗余，支持HART協議通訊，有4個可以配置的調制解調器來 處理HART協議信號，50m掃描速率。數字輸入卡有32位數字量通道，兩種模件類型分為24V直流輸入和100V/120V/125V/240V交流輸入兩種，支持冗余。輸出卡32位輸出，分為觸點輸出和繼電器輸出，支持擴展。

 



圖1.2卡件結構圖

防火墻模塊及FTE容錯以太網絡 防火墻模塊支持C系列產品，為C和現場接口模塊提供9口FTE分布。C300及C系列現場端口模塊都必須與防火墻連接。防火墻與L1或L2開關之間采用光纜或STP連接。它采用24V直流供電，支持冗余及運行自診斷，但是與其他防火墻之間只可并接不可串接。當發生故障時，指示燈顯示。防火墻輸入輸出端子板可連接控制器，C系列現場接口模塊及FTEB 。

FTE由多路選擇邏輯單網的組網方式代替了雙網結構，實現了多路由選擇，*路徑選擇和交換機快速切換。它包括冗余的交換機和電纜，需要兩個防火墻的支持，一個支持FTEA，另外一個支持FTEB。FTE節點間有 4條路徑，與普通以太網有兩條路徑。

 



圖1.3 系統FTE結構圖

FIM  總線接口卡支持冗余， 支持4條H1總線（每條可接16臺設備），它不占控制器負荷，可獨立運行，但當控制需要時可與控制器連接，一個控制器可支持15個FIM，當控制器故障對其不影響。

電源供電系統 提供三種選擇：不冗余無后備電池，冗余無后備電池，冗余有后備電池。可提供現場設備電源和現場總線電源，提供C控制器內RAM的備份電池電源提供24V直流，20Amp電源給所有模件，冗余電池電量可操作控制器及I/O卡件30 分鐘 。

模塊間的連接

C系列卡件及PM收集現場信息通過控制器上IOTA的IOLINK送達控制器，控制器進行判斷，執行，控制器及總線接口模塊FIM通過FTE連接至防火墻，防火墻通過L1/L2 開關將信息向上級網絡發布。

 

圖1.4 系統硬件連接圖

1.3我公司二期工程的硬件結構及工藝組成

我公司100萬噸漿項目規模浩大，總項目I/O點數達1萬多個，Profibus I/O點數達2萬多個，原本的結構已經遠遠跟不上產量的要求。現在將原來的生產車間進行擴充，將原來的制漿車間與化學品車間分開，堿回收車間與動力車間分開，進行獨立控制又相互通訊連接，更高的實現了集成化，提高了生產效率。

*套PKS應用于制漿車間和化學品車間。制漿車間主要職能是將采購來的木片經過篩選，蒸煮，洗漿，漂白等工段，生產出合格的漂白化學漿，化學品車間利用外購精鹽水、液態二氧化硫生產二氧化氯水溶液和二氧化硫水溶液，供硫酸鹽木漿漂白使用。該系統包括漿線，化學品等。其中化學品4臺CE,4臺C, 木片處理2臺C，用LEVEL 2 FTE LAN1連接。



圖1.5 制漿化學品車間部分EPKS結構圖

第二套用于漿板車間。漿板車間將制漿車間來的漿，經過壓力篩過濾掉殘渣后入流漿箱，隨后三重壓榨后成型。

第三套用于堿回收車間。堿回收車間把制漿來的稀黑液經蒸發工段變成濃黑液，并生成二次蒸汽。濃黑液經堿爐燃燒產生熔融物，再回收利用，并處理制漿過程中所產生的污染氣體。該車間包括蒸發一臺CE，兩臺C，苛化，堿爐和石灰窯分別都是一臺C，兩臺CE，通過LEVEL 2 FTE LAN2 連接。

 

圖1.6 堿回收車間部分EPKS結構圖

第四套用于動力車間。動力車間主要是為全公司生產提供電力及蒸汽。系統包括鍋爐，汽輪機，化水和污水處理。除污水是有一臺CE外，其余均為一臺CE和一臺C，用LEVEL 2 FTE LAN3連接。



圖1.7 動力車間部分EPKS結構圖

此外，我公司二期系統還特設虛擬訓練系統，包括一臺教師用PC機和兩臺學生用PC機，由以太網與DCS虛擬服務器連接。同時安裝了硬件C300系列訓練系統，同樣連接到以太網絡，與PC機配合，可提高新進人員的組態與編程能力，同時避免了真機操作可能引起的誤操作，對生產造成影響。



圖1.8 模擬訓練控制室部分EPKS結構圖

1.4 PKS系統硬件結構總結

由以上介紹可以看出，EPKS比先前我們所使用的TPA開放性分布式控制系統，功能更強大，模塊間利用容錯一臺網通訊，可靠性更高，更穩定，它的模塊集中式設計，更易于系統安裝和維護，有利于公司控制策略的制定和方案的解決。

2.EPKS控制策略的組態及功能

PKS所用的組態工作室軟件為Configuration Studio，是一種單一化，集成化的全新系統組態環境，避免了組態工作的混亂從而改進了組態效率。它將所需要的組態工具集成在組態工具室中，可以在一地對所有服務器進行組態工作。

2.1 Control builder 設計控制策略，生成控制策略的文檔，提供功能塊的算法庫，可實現所有邏輯、順序、串級控制，支持批量設計并可以在線監控，改變控制參數。此外，它支持遠程訪問，而多個用戶也可在不同工作站上同時組態，增強了靈活性和工程的生產力。

首先，在程序中啟動Configuration Studio。



然后選擇服務器后點擊連接，輸入用戶名和密碼，同時選擇域。



選擇Control Strategy,過程控制策略，就進入了Control builder界面。



在Control builder界面下，我們進行組態。主要順序為C300控制器，CEE，IOLINK（包括C系列及PMIO），之后進行IOM的組態及分配，再統一進行下載，激活。下面就各個組態過程做一些簡單介紹。

C300 控制器硬件，CEE及C系列I/O卡件組態

首先從下拉菜單中選擇添加控制器，之后輸入細節信息，如控制器名稱，設備索引地址，是否選擇冗余結構等信息，此處不再一一贅述。



同樣的步驟，我們組態CEE。



對IOLINK來說，zui重要的是類型的選擇，有PMIO及C系列IO可選。

按下面步驟建立IO，可改變模塊的名稱及其它一些屬性，然后進行分配到CEE中。



  分配過程如下：



幾種控制模塊的設計和舉例。（PID、SCM、CASCADE）

EPKS提供了多種功能塊，能完成幾乎所有控制要求，如電磁閥控制，變頻電機的控制，PID控制，接近開關控制等。而且其增強的功能及所提供的摸板塊，使在新程序組態時減少大量重復性的工作，工作量相對減少。現以SCM為例，介紹一些功能。

SCM可以控制生產過程按一定的步驟順序執行，以完成生產更高一層的自動化，智能化，如鍋爐的啟動過程，過濾機的水洗過程等等。它主要包括句何時執行該條件的條件塊，步驟的執行塊及跳轉塊等。需要注意的是條件塊和執行塊需要交替進行，不允許兩個條件塊直接連接，而步驟塊在R300中是允許直接連接的。在該塊中可以對執行的時間進行設置，氛圍zui小等待時間及zui長執行時間，后者用來表示在STEP塊報警生成前，該塊可以執行的zui長周期。

下面是SCM的一個例子：



我們對每個條件可以設置zui多10種情況，對每個條件用邏輯門進行連接。STEP塊用來執行和輸出命令來控制功能塊，我們對每個STEP塊可以zui多定義16個輸出命令。

SCM執行圖中我們可以通過它的各個模塊的顏色來讀出它的狀態，例如，綠色表示該塊已經執行輸出，藍色表示條件或者步驟已經完成，黃色表示設定范圍超越，紅色代表通訊失敗。



SCM具有分支和回路功能，支持并行執行，此外，遇到特殊情況下而執行的條件和步驟執行塊被稱做特殊處理塊。一個順序控制模塊可以有多個這樣的模塊，但是在任何時刻，只有一個是可能被執行的，他們的優先級依次為ABORT，STOP，HOLD，RESTART，INTERRUPT，CHECK，MAIN。



3.EPKS系統服務器的部分組態及功能

3.1 Quick builder 主要作用是用來組態flex和打印機，還有對第三方SCADA進行組態。

ES-F和打印機的組態

Flex操作站有兩種模式，Static和rotary。在server下點擊stations and consoles，選擇configure flex stations，點擊進入，選擇你想要組態的操作站類型。其中，在界面上你可以選擇安全模式，操作站模式或者是操作員模式。前者只能對其進行zui低的設置，而基于操作員權限的享有view only,ack only,oper,supv,engr,mngr五級方式。

對打印機的組態有著類似的程式。Server下選擇打印機，點擊進入，新建，并對其進行相應的配置。



3.2組態及對點進行復制。

可以使用兩種方式進行組態，*種是用Quick builder本身，第二種使用EXCEL表格。

在QUICK BUILDER中點擊Point，建立點，更改信息，并選中。在同畫面的菜單欄中，選擇編輯，并在編輯的下拉菜單中選擇復制點。在復制菜單內填入所需復制點數及其他信息，在summary欄下確認信息，點擊ok完成。



使用excel進行加點時，首先將點進行復制，然后打開excel插件，將點復制到表格中，個數可按要求任意選擇，再對共有及特殊參數進行設置。



此外，Quick builder支持下載，我們可以對整個數據庫進行下載并可以對點檢查，將程序及服務器中已經刪除至回收站的點進行清空，還可以改變觀看模式。

4.HMIWeb Display Builder  利用HMIWeb Display全面集成化的強大功能，我們可以在PKS系統上創建用戶畫面，并且生成in.htm格式的文件，使用戶可以在操作站，甚至是使用服務器在網絡上進行連接，查看。 系統提供了豐富的圖形庫協助用戶更好更快的進行設計，此外，它還支持用戶創建特殊符號，并可以使用腳本程序VBS，進行文本編輯，增強了畫面的功能，ActiveX組件更使音頻文件得以調用。

畫面展示分為四個級別，一級為過程控制區域的總畫面，提供了某個過程的整體畫面，展現了整個過程的各個部分，設備及流程。二級顯示主要操作畫面，允許操作員進行基本控制任務。三級提供了更多的控制信息及有關細節，其中包括許多一二級未曾展現的額外信息。四級提供更多支持信息，如啟動和關機過程，回路調節顯示等等以輔助操作及生成報告。

 

圖4.1 HMIWeb Display Builder分層結構圖

EPKS提供了三種方法啟動HMIWeb Display Builder，我們常用的是從程序里啟動EPKS，選中server,然后對其進行開啟。打開新建就可以直接創建一個新的Display畫面，根據需要可以添加不同部分的組建，并進行設定。由于新的畫圖工具跟TPA系統還是大部分相似，這里就不再一一介紹了。所要注意的是當在引用原組件的功能建立新的組件時，應將其重新命名，防止原性能缺失。

效果圖如下：



5.Enterprise Model Builder

Enterprise Model是一種可以被工程師，操作員以及管理者用來塑造及監控工廠及工藝過程的框架 ，包括資產模型和報警組兩種模型。它打破了傳統的平面結構，以樹形結構代替，有單獨的離線數據庫（EMDB）被下載至相應的服務器中 。企業模塊包括三個服務器，用Configure studio來對其各個組成部分進行定義和組態。企業模型數據庫寄附于服務器，服務器作為主機存在。結構圖如下：

圖5.1 Enterprise Model Builder數據結構圖



5.1ASSET組態

資產模型時代表企業具體模塊的數據庫實體，例如，我們公司將生產線分為紙板，制漿，堿回收，動力等等。而每個分部中有分不同的部門，如下圖所示：



圖5.2 ASSET實體分布圖

在分配過程中，我們可以給不同級別的操作者設置不同的權限，需要注意的是在EMDB中zui多允許的資產模型數位4000個，而在實際系統中是1000。允許十級asset。資產模塊中子級模塊可以分配也可以暫不分配，而總級是被直接缺省設置分配。每個模塊都有自己*的tag名及在服務器特別路徑

5.2Alarms Groups報警組組態

報警組對一組資產模式或數據點進行監控，每一個報警組又可以當作系統中的一個點，例如，所有與壓力有關的點可以被統一起來，合成一個組放在壓力報警組這一個組下。在總菜單下，系統任務中選中對組進行組態。給組起一個特殊的名字，zui多不超過40個字節。建立成功后點擊進入，可對其實體名稱進行編輯，并與SOR的資產模塊進行。zui后選擇要所要建立的報警組的個數，確定。若對該BLOCK有其他需要解釋說明的部分，可在Identification中進行標注，zui后進行下載，使用。其創建信息可在Identification直接顯示。

完成后的報警組展示：



6.PHD系統及應用

PHD是過程歷史數據庫，PHD服務器可以同時從來自所有EXPERION SERVER的zui多100，000個TAG中收集歷史數據，具有比EXPERION 更強大的存儲機制，可以對長期歷史數據進行存儲，用戶可以通過客戶端隨時對全廠生產數據進行查詢。



圖6.1PHD 系統結構圖

EXPERION SERVER收集現場實時數據端口送到RDI服務器，再由它送到PHD 服務器。PHD服務器接受實時數據后，生成ARCHIVE文件，歷史數據以該文件的形式存儲，可以用PHD軟件進行查詢。UNIFORMANCE用來對所有的點進行組態和系統配置，將PHD和EXPERION進行數據聯結后，在EXPRION系統中的點參數會自動作為TAG被添加到PHD中，而當該點從EXPERION系統中被刪除后，PHD也就停止對該點歷史數據的收集，盡管該點并未從數據庫中刪除。EXPERION中的一個獨立點若有多個參數需要被采集，分析，則PHD也應對應添加多個TAG，如同一對象的壓力，流量，液位等等。此外，PHD還支持以RDI為單位進行批量建點及按照屬性相似的點進行類似復制，這樣大大提高了點組態的效率。zui終，對于點的趨勢走向可以通過PROCESS TREND 進行顯示，更利于分析設備動態，發現故障，對生產運行提供了保障。

 

圖6.2 PHD－CMD軟件操作工具

7．Distributed System Architecture

操作站只能連接到一臺服務器上，但是有時操作站需要從另一臺服務器上讀取數據并進行顯示甚至操作。DSA結構支持冗余網絡及服務器，使這些成為可能，使多臺PKS服務器共享數據，信息，歷史數值及報警而不用對非本地服務器的點進行復制。



圖7.1 DSA 系統結構圖

當讀到一個遠程點時，本地服務器將向系統查詢該點的來源路徑及所歸屬的服務器名稱，得到確認后，本地服務器在本地數據庫會自動創建一個參考緩存，用來存放這些“緩存點”。需要注意的是，點的ID在任何一臺服務器中都應該是*的，每個點的全名應該不同。但是在不同服務器中，點的ID可以相同。對所有共享的點都要在DSA服務器中進行資產模式組態。特別注意組態DSA時，其所連接的服務器的mngr用戶密碼必須相同。

8.我公司系統應用策略及解決方案。

根據實際應用需求及二期工程計劃，我們首先給水系統，污水系統和制漿車間的木片備料進行了EPKS應用和實施。首*行了硬件配置，確定了I/O卡件并分配好其相關點通道。利用組態工具Control builder，建立控制器 ，定義IOM，并根據幾個工段的不同的生產特點建立CM，并將I/O Channel進行分配，下載，聯機調試。

過程總結：

1．重要的控制器模塊都設置了冗余結構，重要信號由不同的輸入模件構成，使模件故障時不會導致機組跳閘，而DCS控制站故障時又可以保障安全停機。對重要參數進行測量時，根據程序設定的算法進行自動選擇，若變送器測得數值與給定超出范圍，即進行報警，手自動切換。如在給水程序上，給水系統對汽包液位有著至關重要的作用，我們設定了特殊的連鎖保護，可將控制方式從一種自動方式切換到另一種，以保證鍋爐安全運行。此外，在任何一種運行方式的切換中，都要保證是平滑的切換，不會引起對過程控制的擾動，無論是手動人為切換還是串級控制或是其他連鎖控制自動進行。在調試中發現，有時因為工作人員疏忽，回路常常顯示INIT狀態，歸查原因，發現通常是輸出接口通訊失敗及AOCH未激活導致。為降低控制人員的失誤，我們對個別PID回路用特殊回路PL對其進行代替，使錯誤率明顯降低，此外此算法減少了閥門磨損，對系統維護有較大幫助 。

2．對模塊的執行周期應該有合適的限制。因給水管道較多，各閥門之間必然有相應的連鎖，所謂先開先關的問題，我們在污水處理的問題上采用了順序控制的SCM模塊，使供水達到平衡。這是一個需要快速處理的順序控制回路，所以我們設定的處理時間分別為100ms和40ms執行，因情況而異。不能正常順序執行，可在程序中強制設置，使其運行。可以用以下方法嘗試處理:中止handler的激活條件，如果已經進行了組態可將它停下來，或將其進行保持。

3.分別進行控制系統的靜態和動態調試，包括組態軟件檢查，功能測試，模擬試驗及聯動試驗，并對連鎖保護動作進行模擬試驗和接口檢查等等。

因為系統還沒有大規模整套啟動，只能部分進行微調，我們先是對系統軟件進行了檢查和靜態測試，如給水污水流量信號的參數補償，如溫度補償及壓力補償等等，報警上下限的校查和量程設置，及各個功能控制塊的參數設計，邏輯關系的檢查和實驗，控制界面的權限的設置和畫面的檢查。其次對輸入輸出點與相關外部系統進行了檢查，如變送器的量程的調節，核對，執行機構的作用范圍及開關度等及控制連接圖、系統組態圖，連鎖動作關系，都達到了比較理想的效果。

9.全系統總結及展望

DCS系統是全場控制的中心，它的可靠和穩定性直接影響著全場的生產及安全。EPKS系統不僅將全場控制高度集中化，*了利于系統硬軟件的日常維護及項目擴建而進行的組態，而且其強大的網絡使系統可以與其他如AB PLC ,HIMA安全PLC進行通訊，保證了生產工藝更加完善，安全的進行。DCS系統調試是一個涉及安裝、生產工藝、設計、設備供應等多方面的工作，由HONEYWELL廠家及我方工程師共同負責，設計、監理、施工單位配合完成。目前，我公司已有部分車間進行編程與調試，Honeywell EPKS提供了完整的解決方案，為以后的工程竣工驗收和生產運行打下良好的基礎，也希望這兩套系統的運行，為其他制漿造紙行業的自動化解決方案提供一些幫助。

參考文獻

1.Honeywell-EPKS系統培訓教材

2.Intrument design and process implement technical manual.

3.Honeywell PHD Manual用戶使用手冊

4.黃步全，《分散控制系統在工業過程中的應用》，中國石化出版社，1994

作者簡介：

劉磊，男，1972年生，亞太森博維修中心，儀表主任，主管，工程師，多年項目安裝，維護經驗，參加Honeywell一期芬蘭培訓及二期天津自動化學院培訓。

郭合芳，女，1972年生，亞太森博維修中心，DCS主管，中級工程師，多年DCS調試，維護經驗，參加Honeywell 一期芬蘭培訓及二期天津自動化學院培訓。

李媛，女，1984年生，山東科技大學自動控制系畢業，亞太森博維修中心，兩年DCS技術維護經驗，助理工程師，參加Honeywell二期天津自動化學院培訓。