ExperionPKS过程知识系统的运用

[摘  要]
    针对Honeywell公司Experion PKS过程知识系统的硬件配置、网络构架、组态工具等方面进行了介绍，并结合具体运用，对系统进行了肯定。

1  系统概要
    兖矿国泰化工有限公司是以生产醋酸、甲醇为主导产品的新型现代化企业。醋酸装置工艺流程监视、控制系统选用了Honeywell公司新推出的Experion PKS过程知识系统(简称EPKS系统)，它是一体化的混合控制系统，是世界上第四代DCS控制系统的代表，其核心是基于开放且功能强大的Microsoft公司的Windows 2000服务器/客户系统。它由高性能
的控制器，先进的工程组态工具，开放的控制网络等，构成了先进的体系结构。这套系统在我公司的自动化控制方面起到很重要的作用。
2  EPKS系统硬件配置
EPKS系统的核心部件是混合控制器(简称C200)，包括电源、机架、控制处理器模件(CPM)、控制网络通讯模件(CNI)、以太网接口模件、输入输出模件和可选的冗余模件(RM)、电池扩展模件(BEM)等组成。所有模件都支持带电插拔，且适应恶劣的生产环境。C200适用于广泛的工业应用，包括连续过程、批量过程、开关量运算以及机械设备控制等各类型的控制。对于要求将调节控制、快速逻辑控制、顺序控制以及批量控制诸应用一体化的集成应用，C200是最理想的控制器。


结合EPKS系统在我公司具体应用，对其硬件作简要介绍：
  如图1为混合型控制器C200基本布置：①表示电源模件，②表示CMP模件，③表示CNI模件，④表示BEM模件，⑤表示RM冗余模件，7表示IOLIM模件，0～9代表此机架为十槽位机架。
  1)机架：机架有五种规格：4槽、7槽、10槽、13槽和17槽。我公司所选用的是十槽位的机架，机架预留两槽位，以备系统扩展。
  2)电源模件：电源模件有两种选择，非冗余或冗余配置，有120/240VAC和24VDC可选。此电源模件与机架是分离的，不占用槽位，安装在机架的左边，用于机架底板的供电。为确保系统的可靠性，每个机架还可以选择配置冗余的电源供电。
    3)CPM模件：控制处理器模件(CPM)是系统的核心，它是双槽宽度的，占用两个槽位。处理器是100MHz的PowerPC 603E，带有8M字节的EDAC内存(带出错检验和校正电路设计的内存)。CPM模件支持非冗余或冗余配置两种方式，可对处理器进行手、自动切换，我公司选用的是冗余配置。4M字节带奇偶校验的闪存(Flash ROM)CPM模件，用于存储系统软件，并且容易进行升级。内置在控制器中的锂电池用于保存控制器的数据库。
    4)GNI模件：EPKS系统的服务器(Server)通过Control
Net Interface控制网络通讯(CNI)模件和控制器进行通讯。CNI模件连接控制器到ControlNet控制网络上。
    5)BEM电源扩展模件：当系统电源掉电时，BEM模件开始工作，以防止CMP内已经下装并激活的程序丢失。它可以为CMP提供约6天的供电。
    6)RM模件：冗余模件(RM)占用机架双槽位，它提供两个控制器机架的控制处理器冗余。基本控制器和冗余控制器之间的同步对用户是完全透明的。工作时一个控制器为主，另一个为辅，当主控制器故障发生时两控制器进行切换，切换时间对应用来说是可以忽略不计的。使用光纤电缆连接两个机架中的两个冗余模件，光纤电缆可以在线更换，且不影响过程控制。
    7)l/O连接接口模件(LOLIM)：Honeywell公司过程管理站I/O的集成，使EPKS系统拥有过程管理站I/O(PMIO)的强大能力和极大的鲁棒性。LOLIM模件占用机架双槽位。通过LOLIM模件通讯，将PMIO集成进EPKS系统，使I/O处理器卡件很容易实现冗余，使I/o系统的可用性提升到最高水平。
    8)输入输出子系统：混合控制器的输入输出子系统有四种系列：A系列机架型(CIOM-A)，A系列导轨型(RIOM-A)，用于危险环境的H系列导轨型(RIOM-H)，和过程管理站I/O(PMIO)。在四种子系统中，由于PMIO提供了具有高度灵活性的数据监测和控制功能，特别其具有增强的I/O处理能力和独有的冗余I/p配置选项，因而具有广泛的应用。PMIO主要由输入／输出处理器(10P)和现场终端元件(呵A)构成。IOP和呵A最终执行对PMIO现场设备的输入和输出扫描和处理。
3  PKS系统网络架构
    (1)一体化的网络支持
    1)Ethernet：一种商用的开放的网络，使得控制器通过标准技术与服务器连接。它使用交换的网络拓扑结构，支持TCP/IP通讯协议。为保证系统的可靠性，在系统服务器和操作站之间，网络的冗余采用的是Honeywell专利技术-容错以太网FTE(Fault Tolerant Ethernet)提供了可靠的100Mbps高速以太网络。FTE采用的是单一网络结构，切换时服务器和操作员站不需要重新连接网络，因此切换的速度很快，约1s，这样大大减少了网络的故障率。普通的以太网节点(非容错以太网)也能连接到FTE网络上，同样比连接到常规的冗余以太网有更可靠的通讯环境。
    2)ControlNet：一种实时的，确定性的过程控制网络，可以通过单个或冗余的传输介质，提供确定性的数据通讯，是一种优化的过程控制网络。ControlNet是灵活的，高性能的网络，支持监控/对网络(控制器-人机接口)，对等通讯(Peer-to-Peer)以及I/O网络的通讯。ControlNet是开放的网络，由ControlNet国际组织制定技术规范，其数据传输速率为5Mbits/sec，可以
选择单或冗余的网络介质，并且提供实时确定性的数据传递。每个监控/对网络段支持10个控制器或10对冗余配置的控制器，每个C200控制器可以通过I/O子网连接最多8个I/O机架、64个I/O模件，一个I/O模件还可通过现场终端元件FTA连接8～32路不等的现场接线Field Wiring。显而易见，EPKS系统规模是相当庞大的。
    此外，I/O Network，I/O子网是Honeywell公司自身研发的用于系统内部的专用网络。
    (2)分布式服务器结构(Distributed System Architecture)
    分布式服务器结构(DSA)是集成多个过程控制过程，或多段控制单元的理想解决方案。为控制和操作多提供了极大的灵活性。分布式的服务器结构还为地理位置上分散的集散系统的互联应用提供了极大的灵活性。通过广域网很方便的实现中央控制室和多个远程控制室共同管理的控制模式。
图2为EPKS系统网络架构在我公司运用一例：


4  EPKS系统组态工具
    EPKS系统组态工具主要包括：控制器组态工具Control Builder、图形组态工具Display Builder和数据库管理工具Quick  Builder三种。
    (1)控制器组态工具Control Builder
    Control Builder是一个面向对象的开发软件包，支持C200控制器控制策略的组态，组态文本、监视等功能。在Control  Builder主界面中，其树形目录共包括三部分：用于控制组态界面的“Project”、用于在线监视硬件工作状态及验证组态等情况的“Monitoring”和用于控制组态所需的系统功能模块库“Library"。在“Project"界面下可方便地创建控制器块CPM，创建冗余模块、各型I/O模块及创建若干个控制模块CM或顺序控制模块SCM等，通过对模块参数的简单设置可快速地完成组态工作。Control Builder提供简单易解的工具，通过使用功能块库(FBs)组态I/O、回路控制、逻辑控制、设备控制、顺序控制、批处理等。每一个CM或SCM都是一个控制方案，实现某些功能的功能块就放在CM或SCM里，通过把包含在CM和SCM内的功能块利用“软接线”相互连接，很方便地实现控制策略或应用。CM和SCM作为“包容器”功能块，既有强大的工具来创建、组织和检测控制策略。组态工作完成后，要将组态的CPM、I/0、CM或SCM等分别进行下装(Load)、激活(Activate)，下装和激活的工作很灵活，可边组态边进行。
    (2)图形组态工具Display Builder
    Display Builder是用于绘制用户流程图、连接显示数据、组态数据及图形参数的工具，它的基本图素为图元，图元可以缩放、移动，可定位在画面的任意位置。多种图元可以组合成一个图元，多种图元可以组合成一个图元。通过Display Builder中提供了丰富的作图工具，以满足作图需要。同时，系统提供了设备图库，像：塔、釜、管道、泵、风机等，组态人员可方便地调用，模板显示可以减少相似画面组态的时间，还可以使用Visual Basic脚本和Active组件完成一些高速的动画效果及多媒体功能等等。总之，使用Display Builder软件，可快速地完成系统开发。
    (3)数据库管理工具Quick Builder
    Quick Builder提供窗口式的界面进行操作，允许用户定义点及组态，定义数据通道、控制器、操作站(Station)、服务器(Server)和打印机等。另外，通过Quick Builder可以在线对系统数据库进行修改。
    同时，一体化的在线文档系统Knowledge Builder(知识库软件)为用户提供在线帮助和在线技术支持，组态人员在编程
过程中可随时调阅，避免了用户查找资料的不便。
5  EPKS系统的具体运用
    我公司醋酸装置包括两个控制室：120控制室和310控制室，1个工程师站，系统规模近2000点(包括冗余点数)。系统共配置10台操作站(Stations)，其中120控制室3台，370控制室5台，工程师站2台服务器(Servers)兼操作站。120控制站配有1对冗余C200控制器，310控制站配置2对冗余C200控制器，根据点数的不同C200控制器分别下挂3～4个I/O机架。操作站Stations和2台Servers通过局域网进行通讯。3对C200控制器和两台服务器通过两根同轴电缆总线型连接，其终端安装有750Ω终端电阻。介于醋酸装置保密的原因，EPKS系统未连入公司管理网。为保证系统更稳定、可靠地运行，我们不仅对
Server、C200控制器、ControlNet网等进行冗余配置，而且对C200控制器供电系统、重要点FTA卡件和I/O卡件也进行了冗余配置，等等。
醋酸装置工艺流程相对复杂，对控制的要求较高，整个系统复杂控制回路就有20多套，像串级、比值、前馈、选择、均匀等复杂控制系统都运用到，联锁保护系统设计近50套。一套复杂控制系统或一套联锁保护系统就是一个CM或SCM。专业组态人员根据设计及工艺要求进行组态，并根据Control Builder中监控(Monitoring)功能进行检验，可较轻松实现各种复杂控制，保证各种工况下装置的安全性。特别指出的是，在Station人机界面中提供了各控制点的点细节画面可直观地对控制回路进行参数整定，使各回路能较快地投入运行；同时Station中可通过改变操作权限查看组态程序，这样给仪表维护人员处理问题带来了方便。
6   结束语
    EPKS系统自2005处3月份系统上电后，先后经历了系统断电、频繁开停车、信号线短路、接地不好、工作环境恶劣等因素的影响，系统在半年多的运行中工作一直稳定，经受住了考验，完全能够满足对醋酸装置生产监视和控制的需要。