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[摘 要]本文介绍了ABB的DCS系统在焦炉气制甲醇生产工艺过程中的应用。作者简介了甲醇生产的工艺流程、DCS的构成、特点及技术要求；重点描述了该甲醇生产过程控制系统调试，包括控制系统的结构、采用Controll Builder F 软件平台的系统组态、功能块的组态和程序加载调试过程。
[关键词]ABB DCS 过程控制 系统组态
中图分类号：T822H6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-029-02
一、焦炉气制甲醇的工艺流程简介
焦炉气制甲醇的工艺主要是指焦炉气转化为合成气和合成气脱硫的工艺流程。焦炉煤气制取甲醇的关键技术是将焦炉煤气中的甲烷及少量多碳烃转化为一氧化碳和氢。基本工艺是焦炉煤气首先经低压压缩，然后进行有机硫加氢转化成无机硫，精脱硫后加压催化部份氧化，使焦炉气中的烃类进行转化，使之成为CO+H2，加压合成粗甲醇，经过精馏产出精甲醇。
二、ABB DCS系统简介
ABB DCS Industrial IT是ABB公司推出的新一代開放式自动化系统解决方案，将ABB的产品和服务、第三方的产品以及相关标准，集成到一个统一的基于信息化的工业平台上。采用这种全新的技术，可以大大提高企业生产力，减少总体成本，减少风险，提高生产的安全性。
三、我厂甲醇过程控制系统的设计
（一）系统的构成
我厂DCS控制系统中测点较多，共897个测点，所以使用的ABB DCS系统根据需求，设立了两个控制器主单元互为热备，实现冗余，控制器主单元使用的是PM803F 16MB主控单元，且未来保证现场的一部分测点的可靠性，在过程站中使用了冗余过程站。
甲醇生产控制系统的DCS设计为：5台上位机，其中1台为工程师站，4台为操作员站，操作员站上的DigiVis画面可以在任意界面上切换，工艺上可以按其需要进行划分。
（二）过程控制系统组态
程序组态使用ABB Industrial IT系统的Control Builder F编程组态软件（CBF专业软件9.1，含DigiLock，UFB，FDT/DTM，中文版），组态步骤如下：
1）打开CBF程序，建立HBFMJH为程序名的程序；
2）组态硬件结构：先指定资源，再插入相关的卡件，包括电源模块 SA811F，以态网卡件E1803等。
3）HSE硬件组态
通过“库”导入相应的HSE性能文件后，在库里找到相关的设备性能文件，通过插入硬件即可，最后需要在协议对象里设置I/O信号。
定义信号源：信号源有H1和HSE两种，现场仪表采集数据输送到系统，则源于H1，反之源于HSE输送到现场仪表。
4）现场仪表的组态首先要往库里导入仪表硬件识别文件后才能找到相关的仪表设备，在H1链接下，插入仪表，仪表的IP地址会自动从20开始排列。总线地址可以更改，理论上一根总线上可以挂12块总线仪表。
（三）仪表功能块的组态
仪表功能块的设备要选择仪表，找到其功能块，对功能块进行参数设置，一般要设置量程，单位，功能块类型等，程序检查无误后，在联机调试状态下加载程序，先对HSE链接设备初始地址指定，再加载设备即可。如果对单块仪表进行参数更改后，可以只对单个仪表加载而不需要对整个HSE加载，这样可以支持在线无扰下装。
四、DCS控制系统的调试
（一）压力测点：在调试DCS过程中，压力测点一般没有问题，需要注意的是压力变送器的量程与DCS量程相符，且注意如果是差压式变送器，正负压室的安装方向一定要正确，否则中控室的DCS信号始终不显示或者是显示不正确。
（二）温度测点：温度测点需要注意的是，如果是热电偶，注意热电偶型号与补偿导线型号的匹配，热电偶型号与DCS热电偶设置的匹配，在CBF的硬件结构中设置热电偶的类型与量程。
我厂的DCS系统在调试过程中出现，现场使用的是S分度号的热电偶，施工单位在放线过程中错放了K分度号的补偿导线，导致现场转化炉温度测点在烘炉时出现温度偏差过大的情况。当时反复检查，把可能出现问题的原因一一排查，系统组态、热电偶等反反复复的检查，最终发现补偿导线存在问题。更换补偿导线后解决了此问题。
对于热电偶，还需要注意的是，需要在CBF中的FBD下做温度补偿，以减少其温度误差。
（三）调节阀控制：对于调节阀的控制，需要注意到调节阀的正反作用和调节阀在自调时的PID参数设置及阀门自调过程中的开度。
调节阀的正反作用是根据工艺对阀门的选型而定，如果现场选型为正作用阀，那么在FBD中选择正作用即可，如果是反作用阀，只需将其用减数100.0减去被减数也就是调节量即可，但需要注意的是，减数100.0的数据类型必须是REAL型。
阀门自调时的PID参数设置及阀门自调过程中的开度是针对工艺上的要求而设定的，例如现场的合成汽包液位LICA40004，其由上水调节阀LV40004控制，随阀门的开度增大而液位上升，随阀门开度的减小而液位下降，也就是LV40004控制汽包液位的升降。为了保证合成反应热能够及时移出，汽包必须保证有一定的液位，同时为了确保汽包蒸汽的及时排放，防止蒸汽出口管中带水，汽包液位又不能够超过一定的高限，正常生产时的汽包液位一般控制在汽包容积的1/3至2/3之间，所以根据工艺上的要求，调节阀在切换到自调状态时，就需要做以下设置，首先将阀门的PID参数值包括设定时间调整好，其次是将汽包液位的上下限量程设置好，在此根据现场情况，将液位设置为0至1100mm，为了防止汽包干锅或者是汽包液位过高将阀门的开度设置为3%到40%，这样就达到了工艺的要求，并为系统的安全性能提供了保证。 笔者为所有的液位调节和温度调节进行了自调控制，由于许多调节回路的SP值（设定值）是一个不确定的数，需根据不同情况的要求不同；在PID调节与手动/自动切换的设计上，设计成手动时SP跟踪PV，自动时根据切换时的SP值调节工艺过程值，这样当操作人员手动将工艺过程值调节到适当的时候，切换到自动及可立即以这个工艺值进行调节。
（四）联锁设置：由于我厂使用了单独的紧急连锁停车系统ESD，所以很大一部分的联锁都做在了ESD系统上，但是为了系统开车的安全与方便，又在DCS系统上加上了部分ESD具有的联锁功能，且在画面中使用可投入与可切除式联锁控制，可由操作人员根据需要调整工艺联锁值，投入或者切除联锁控制，方便系统的在线维护与维修。
（五）流量计的温压补偿：通常使用的节流元件是在额定工况下进行设计的，但实际应用时的工况（如温度、压力等）可能会偏离设计工况。特别是当测量可压缩气体时产生的误差更大，实验证明：当压力、温度变化引起密度变化的3倍时，流量测量将产生约70%的误差，远远超出了工程要求的计量误差范围。为了保证流量测量的精度，实际应用中必须对这些随工况变化的参数进行补偿。由于我厂大部分流量计为孔板流量计，需使用厂家提供的专用公式进行温压补偿，在这里不再进行介紹。将厂家提供的温压补偿公式组态进DCS后，大大减少了流量计的误差，达到了不错的效果。
（六）趋势服务器：为了方便操作人员观察以往的历史趋势，对DCS系统进行了趋势服务器的组态，将有趋势链接的数据方框背景修改为淡柠檬色，字体为白色，其它数据方框背景为蓝色，字体为白色，这样方便了操作人员观察与操作。
（七）ABB DCS系统与其它电控系统的协调：由于我厂甲醇系统是投产开车，在开车初期需要对甲醇工艺系统中的ABB DCS系统、全场紧急停车系统 TRICON ESD、合成气压缩机的TRICON PLC系统进行协调，对四套系统中公用的测点进行系统优化，将ABB DCS中空分工段的16个测点移至空分的和利时Hollymacs DCS系统中，方便操作，合成气压缩机PLC系统中的新鲜气入口放空阀US63091与新鲜气进口阀US63092的控制从PLC系统中移至ABB DCS系统中，方便操作。由于这两只快切阀的逻辑关系相反，一只阀打开时，另外一只阀必须关闭，对于这种逻辑关系，笔者将电磁阀的逻辑关系由一个面板控制一只阀门，改为一个面板控制两个阀门，不但达到了要求，且方便了操作，减少了误操作的几率。
（八）DigiVis的设置：笔者根据甲醇生产工艺过程将流程图画面分为：精脱硫、转化一、转化二、转化三、合成一、合成二、等27副工艺流程图画面；在画面中根据操作人员的需要，制作了各画面的自由切换，各测点的趋势图的动态链接，且根据现场实际情况调整了画面的背景颜色，变量框的显示颜色和变量的显示颜色。为避免操作工的视觉疲劳，还在画面里制作了动态开关，各调节阀与快切阀的到位信号与故障信号等。
（九）系统优化：由于该系统的测点数量较大，共897个测点，占用了系统测点的82%，负荷也占到了系统负荷的25%，为了再不增加硬件，实现最优化设计，笔者对系统进行了大量的优化设置，减少了系统资源占用率，且将系统的趋势服务器分别做在了两个OPS站中，减少了对同一趋势服务器的访问次数，不但优化了工程师站，且增强了趋势服务器的可靠性。当操作员站、工程师站关闭一台或全部关闭，只要过程站不停，系统就不会停车；而过程站采用热备的冗余方式，系统接线端子均采用进口端子，降低故障率，所以使整个系统安全性更高。
以上就是我厂在调试DCS系统过程中遇到的主要问题和解决办法，在开车过程中达到了很好效果，为工艺系统的开车提供了方便的操作平台和操作环境，为系统的顺利开车打下了坚实的基础。
五、结束语
笔者安装并调试了冀中能源峰峰集团河北峰煤焦化有限公司20万吨甲醇生产项目的ABB DCS系统，并担负了ABB DCS系统安装与调试三分之一以上的工作量，目前该系统已经投入生产，运行稳定。
参考文献：
[1] 库沃（Kuo，B.C.）高娜菲（Golnaraghi，F.），自动控制系统（第八版）汪小帆，李翔译，高等教育出版社，2004
[2]（美）约翰逊（Johnson，C.D.），过程控制仪表技术（第八版），清华大学出版社，2009
[3] 张建国，安全仪表系统在过程工业中的应用，中国电力出版社，2010
[4] 张贤达，矩阵分析与应用，清华大学出版社，2004
[关键词]ABB DCS 过程控制 系统组态
中图分类号：T822H6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-029-02
一、焦炉气制甲醇的工艺流程简介
焦炉气制甲醇的工艺主要是指焦炉气转化为合成气和合成气脱硫的工艺流程。焦炉煤气制取甲醇的关键技术是将焦炉煤气中的甲烷及少量多碳烃转化为一氧化碳和氢。基本工艺是焦炉煤气首先经低压压缩，然后进行有机硫加氢转化成无机硫，精脱硫后加压催化部份氧化，使焦炉气中的烃类进行转化，使之成为CO+H2，加压合成粗甲醇，经过精馏产出精甲醇。
二、ABB DCS系统简介
ABB DCS Industrial IT是ABB公司推出的新一代開放式自动化系统解决方案，将ABB的产品和服务、第三方的产品以及相关标准，集成到一个统一的基于信息化的工业平台上。采用这种全新的技术，可以大大提高企业生产力，减少总体成本，减少风险，提高生产的安全性。
三、我厂甲醇过程控制系统的设计
（一）系统的构成
我厂DCS控制系统中测点较多，共897个测点，所以使用的ABB DCS系统根据需求，设立了两个控制器主单元互为热备，实现冗余，控制器主单元使用的是PM803F 16MB主控单元，且未来保证现场的一部分测点的可靠性，在过程站中使用了冗余过程站。
甲醇生产控制系统的DCS设计为：5台上位机，其中1台为工程师站，4台为操作员站，操作员站上的DigiVis画面可以在任意界面上切换，工艺上可以按其需要进行划分。
（二）过程控制系统组态
程序组态使用ABB Industrial IT系统的Control Builder F编程组态软件（CBF专业软件9.1，含DigiLock，UFB，FDT/DTM，中文版），组态步骤如下：
1）打开CBF程序，建立HBFMJH为程序名的程序；
2）组态硬件结构：先指定资源，再插入相关的卡件，包括电源模块 SA811F，以态网卡件E1803等。
3）HSE硬件组态
通过“库”导入相应的HSE性能文件后，在库里找到相关的设备性能文件，通过插入硬件即可，最后需要在协议对象里设置I/O信号。
定义信号源：信号源有H1和HSE两种，现场仪表采集数据输送到系统，则源于H1，反之源于HSE输送到现场仪表。
4）现场仪表的组态首先要往库里导入仪表硬件识别文件后才能找到相关的仪表设备，在H1链接下，插入仪表，仪表的IP地址会自动从20开始排列。总线地址可以更改，理论上一根总线上可以挂12块总线仪表。
（三）仪表功能块的组态
仪表功能块的设备要选择仪表，找到其功能块，对功能块进行参数设置，一般要设置量程，单位，功能块类型等，程序检查无误后，在联机调试状态下加载程序，先对HSE链接设备初始地址指定，再加载设备即可。如果对单块仪表进行参数更改后，可以只对单个仪表加载而不需要对整个HSE加载，这样可以支持在线无扰下装。
四、DCS控制系统的调试
（一）压力测点：在调试DCS过程中，压力测点一般没有问题，需要注意的是压力变送器的量程与DCS量程相符，且注意如果是差压式变送器，正负压室的安装方向一定要正确，否则中控室的DCS信号始终不显示或者是显示不正确。
（二）温度测点：温度测点需要注意的是，如果是热电偶，注意热电偶型号与补偿导线型号的匹配，热电偶型号与DCS热电偶设置的匹配，在CBF的硬件结构中设置热电偶的类型与量程。
我厂的DCS系统在调试过程中出现，现场使用的是S分度号的热电偶，施工单位在放线过程中错放了K分度号的补偿导线，导致现场转化炉温度测点在烘炉时出现温度偏差过大的情况。当时反复检查，把可能出现问题的原因一一排查，系统组态、热电偶等反反复复的检查，最终发现补偿导线存在问题。更换补偿导线后解决了此问题。
对于热电偶，还需要注意的是，需要在CBF中的FBD下做温度补偿，以减少其温度误差。
（三）调节阀控制：对于调节阀的控制，需要注意到调节阀的正反作用和调节阀在自调时的PID参数设置及阀门自调过程中的开度。
调节阀的正反作用是根据工艺对阀门的选型而定，如果现场选型为正作用阀，那么在FBD中选择正作用即可，如果是反作用阀，只需将其用减数100.0减去被减数也就是调节量即可，但需要注意的是，减数100.0的数据类型必须是REAL型。
阀门自调时的PID参数设置及阀门自调过程中的开度是针对工艺上的要求而设定的，例如现场的合成汽包液位LICA40004，其由上水调节阀LV40004控制，随阀门的开度增大而液位上升，随阀门开度的减小而液位下降，也就是LV40004控制汽包液位的升降。为了保证合成反应热能够及时移出，汽包必须保证有一定的液位，同时为了确保汽包蒸汽的及时排放，防止蒸汽出口管中带水，汽包液位又不能够超过一定的高限，正常生产时的汽包液位一般控制在汽包容积的1/3至2/3之间，所以根据工艺上的要求，调节阀在切换到自调状态时，就需要做以下设置，首先将阀门的PID参数值包括设定时间调整好，其次是将汽包液位的上下限量程设置好，在此根据现场情况，将液位设置为0至1100mm，为了防止汽包干锅或者是汽包液位过高将阀门的开度设置为3%到40%，这样就达到了工艺的要求，并为系统的安全性能提供了保证。 笔者为所有的液位调节和温度调节进行了自调控制，由于许多调节回路的SP值（设定值）是一个不确定的数，需根据不同情况的要求不同；在PID调节与手动/自动切换的设计上，设计成手动时SP跟踪PV，自动时根据切换时的SP值调节工艺过程值，这样当操作人员手动将工艺过程值调节到适当的时候，切换到自动及可立即以这个工艺值进行调节。
（四）联锁设置：由于我厂使用了单独的紧急连锁停车系统ESD，所以很大一部分的联锁都做在了ESD系统上，但是为了系统开车的安全与方便，又在DCS系统上加上了部分ESD具有的联锁功能，且在画面中使用可投入与可切除式联锁控制，可由操作人员根据需要调整工艺联锁值，投入或者切除联锁控制，方便系统的在线维护与维修。
（五）流量计的温压补偿：通常使用的节流元件是在额定工况下进行设计的，但实际应用时的工况（如温度、压力等）可能会偏离设计工况。特别是当测量可压缩气体时产生的误差更大，实验证明：当压力、温度变化引起密度变化的3倍时，流量测量将产生约70%的误差，远远超出了工程要求的计量误差范围。为了保证流量测量的精度，实际应用中必须对这些随工况变化的参数进行补偿。由于我厂大部分流量计为孔板流量计，需使用厂家提供的专用公式进行温压补偿，在这里不再进行介紹。将厂家提供的温压补偿公式组态进DCS后，大大减少了流量计的误差，达到了不错的效果。
（六）趋势服务器：为了方便操作人员观察以往的历史趋势，对DCS系统进行了趋势服务器的组态，将有趋势链接的数据方框背景修改为淡柠檬色，字体为白色，其它数据方框背景为蓝色，字体为白色，这样方便了操作人员观察与操作。
（七）ABB DCS系统与其它电控系统的协调：由于我厂甲醇系统是投产开车，在开车初期需要对甲醇工艺系统中的ABB DCS系统、全场紧急停车系统 TRICON ESD、合成气压缩机的TRICON PLC系统进行协调，对四套系统中公用的测点进行系统优化，将ABB DCS中空分工段的16个测点移至空分的和利时Hollymacs DCS系统中，方便操作，合成气压缩机PLC系统中的新鲜气入口放空阀US63091与新鲜气进口阀US63092的控制从PLC系统中移至ABB DCS系统中，方便操作。由于这两只快切阀的逻辑关系相反，一只阀打开时，另外一只阀必须关闭，对于这种逻辑关系，笔者将电磁阀的逻辑关系由一个面板控制一只阀门，改为一个面板控制两个阀门，不但达到了要求，且方便了操作，减少了误操作的几率。
（八）DigiVis的设置：笔者根据甲醇生产工艺过程将流程图画面分为：精脱硫、转化一、转化二、转化三、合成一、合成二、等27副工艺流程图画面；在画面中根据操作人员的需要，制作了各画面的自由切换，各测点的趋势图的动态链接，且根据现场实际情况调整了画面的背景颜色，变量框的显示颜色和变量的显示颜色。为避免操作工的视觉疲劳，还在画面里制作了动态开关，各调节阀与快切阀的到位信号与故障信号等。
（九）系统优化：由于该系统的测点数量较大，共897个测点，占用了系统测点的82%，负荷也占到了系统负荷的25%，为了再不增加硬件，实现最优化设计，笔者对系统进行了大量的优化设置，减少了系统资源占用率，且将系统的趋势服务器分别做在了两个OPS站中，减少了对同一趋势服务器的访问次数，不但优化了工程师站，且增强了趋势服务器的可靠性。当操作员站、工程师站关闭一台或全部关闭，只要过程站不停，系统就不会停车；而过程站采用热备的冗余方式，系统接线端子均采用进口端子，降低故障率，所以使整个系统安全性更高。
以上就是我厂在调试DCS系统过程中遇到的主要问题和解决办法，在开车过程中达到了很好效果，为工艺系统的开车提供了方便的操作平台和操作环境，为系统的顺利开车打下了坚实的基础。
五、结束语
笔者安装并调试了冀中能源峰峰集团河北峰煤焦化有限公司20万吨甲醇生产项目的ABB DCS系统，并担负了ABB DCS系统安装与调试三分之一以上的工作量，目前该系统已经投入生产，运行稳定。
参考文献：
[1] 库沃（Kuo，B.C.）高娜菲（Golnaraghi，F.），自动控制系统（第八版）汪小帆，李翔译，高等教育出版社，2004
[2]（美）约翰逊（Johnson，C.D.），过程控制仪表技术（第八版），清华大学出版社，2009
[3] 张建国，安全仪表系统在过程工业中的应用，中国电力出版社，2010
[4] 张贤达，矩阵分析与应用，清华大学出版社，2004