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    1.概述

    新加坡金鷹集團旗下的山東亞太森博漿紙有限公司新建項目是目前世界上最大的單線制漿和堿回收工廠，全廠過程控制使用了霍尼韋爾公司的最新一代DCS系統(tǒng)Experion®過程知識系統(tǒng)PKS310，該系統(tǒng)以Experion為平臺，把過程控制及安全系統(tǒng)集成為一個單一且統(tǒng)一的整體。整套系統(tǒng)大量應(yīng)用了冗余C300 控制器、Profibus、Hart總線及霍尼韋爾公司專利的容錯以太網(wǎng)技術(shù)，總的IO數(shù)量雖然眾多，但系統(tǒng)仍然保留了足夠的擴展空間，更為獨特的是根據(jù)不同的控制需求，該系統(tǒng)也集成了霍尼韋爾HC900混合控制器的應(yīng)用，是目前霍尼韋爾過程控制系統(tǒng)在國內(nèi)漿紙行業(yè)最大的項目。

    2．HC900混合控制器簡介

    霍尼韋爾HC900 混合控制器是一種先進的回路及邏輯混合型控制單元，采用模塊化設(shè)計，滿足各種過程處理設(shè)備對于控制和數(shù)據(jù)管理的需要。這種混合設(shè)計，為用戶提供了過程控制非常理想的解決方案。同時，由于采用開放的以太網(wǎng)連接及Modbus TCP 協(xié)議，可采用各種第三方HMI/SCADA 軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入。

    本文主要介紹項目中使用的C70R冗余控制器結(jié)構(gòu)。

    2.1 HC900硬件結(jié)構(gòu)介紹

    2.1.1 C70R 冗余控制器

    HC900控制器的CPU包括用于非冗的C30 、C50、C70及用于冗余的C70R。

    完全冗余HC900 控制器由兩個互為主從的C70R 控制器模塊、可由兩路獨立供電的雙電源模塊、冗余控制器切換模塊、不帶本地I/O的單獨機架組成，通過冗余控制器切換模塊（RSM）上的一個鑰匙開關(guān)也可以手動改變主從C70R 控制器的運行模式實現(xiàn)工作狀態(tài)和工作模式的切換。

    HC900混合控制器提供開放的以太網(wǎng)通訊，可以通過PKS的SCADA與實時數(shù)據(jù)庫連接到一起。C70R提供冗余以太網(wǎng)端口，與C300控制器點對點實時通訊及遠程IO實時通訊。C70R模塊使用雙重掃描模式，用于處理快速數(shù)字掃描和常規(guī)模擬輸入掃描，在常規(guī)掃描期間執(zhí)行的功能模塊與模擬輸入測量同步，最高刷新速率為500ms。非冗余控制器，快速掃描功能模塊的最高更新速率為27ms。對冗余于控制器，最高更新速率為53ms。

    HC900 C70R 控制器模塊使用閃存卡保存組態(tài)程序，用電池后備RAM存儲器來存儲動態(tài)數(shù)據(jù)，以便在電源中斷的情況下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完全恢復(fù)。

    在HC900 控制器上電以后，第一個可用的C70R 控制器模塊便為主控制器，主控制器實時地刷新后備控制器，一旦出現(xiàn)故障事件，能確保控制同步所需信息一致。

    主控制器在過以下情況下轉(zhuǎn)變?yōu)楹髠鋸目刂破鳎?

    主控制器發(fā)生故障
    手動切換位于RSM冗余切換模塊上的鑰匙開關(guān)
    主機通訊發(fā)來的指令

    C70R CPU 主機通訊采用冗余網(wǎng)絡(luò)。主控制器上的所有網(wǎng)絡(luò)端口都保持激活。從控制器 上的網(wǎng)絡(luò)端口不可用于外部通訊，Honeywell 的OPC 服務(wù)器軟件可用于支持冗余以太網(wǎng)通訊和自動傳輸通訊。

               

    RS232通訊口，完成組態(tài)軟件上傳或下傳，Modbus/RTU 協(xié)議
    RS422通訊口，可用于與就地操作面板連接，Modbus/RTU 協(xié)議
    RS485通訊口，可實現(xiàn)遠距離通訊，Modbus/RTU 協(xié)議
    以太網(wǎng)通訊口，可同時支持10臺上位機遠程通訊，Modbus/TCP協(xié)議

    C70R控制器通過100Base-T通訊網(wǎng)絡(luò)與其PC機接口進行通訊、使用的是Modbus/TCP 協(xié)議（一種開放的接口協(xié)議，可用于多數(shù)流行的HMI 軟件包）。C70R 最多可以同時支持10個主連接，主機可以通過以太網(wǎng)進行控制監(jiān)視和數(shù)據(jù)采集。

    2.1.2 I/O 模塊

    HC900 控制器支持將I/O 模塊從卡槽上直接插拔，而無需掉電。卡件插入后，控制器會自動識別是否有效并進行自動組態(tài)。
控制器通過100 Base-T 以太網(wǎng)物理通訊鏈路可與5 個I/O 機架進行通訊。當系統(tǒng)使用一個以上的I/O 機架時，則需要集線器，擴展模塊的兩個擴展通訊口分別連接一個集線器，通過使用兩個以太網(wǎng)集線器，連接距離最長可達300米。

    HC900 遠程I/O 通過遠程I/O 擴展模塊與主CPU 模塊通訊并進行數(shù)據(jù)處理。

    I/O模件為插卡式安裝，支持熱插拔
    HC900的IO模件種類齊全，可適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，本項目中使用了：
    AI模件（16個通道/卡）可以接收各種型號的模擬輸入，只需在組態(tài)時選擇輸入型號類型即可
    DI模件（16個通道/卡）可以接收無源接點輸入
    DO模件（16個通道/卡）可以輸出無源接點或24VDC／220VAC輸出

    2.2 HC900控制器組態(tài)軟件

    HC Designer混合控制設(shè)計軟件是基于Windows專用于HC900控制的控制策略組態(tài)工具，可以通過以太網(wǎng)、串行端口或調(diào)制解調(diào)器連接組態(tài)。與帶有雙以太網(wǎng)功能的C70R CPU一起使用，HC Designer混合控制設(shè)計軟件支持對兩個通訊端口的驗證，可以與任一端口連接使用。這種控制器提供了先進的監(jiān)控功能用與調(diào)試，允許通過軟件改變運行模式設(shè)置，上載完整的、帶注釋的、圖形化的控制器組態(tài)，以及提供一組增強型文件報表。

    2.2.1功能特點

    圖形化的拖拽和軟件接線組態(tài)方式
    支持運行模式下的在線編輯和下裝功能
    圖形化的拖曳和軟接線組態(tài)方式
    支持Run 運行模式下的在線編輯和下裝功能圖形化功能模塊組態(tài)
    允許使用“工作表”進行圖形化組態(tài)分區(qū)，可多達800多組態(tài)頁
    多種在線監(jiān)控功能: 用戶定義和預(yù)定義的監(jiān)視窗、功能模塊端腳值、同時打開多個功能模塊、對源信號的回溯
    5種縮放級別，用于細節(jié)查看
    用于分析控制器、I/O，網(wǎng)絡(luò)主機和控制器對等連接的在線診斷窗口
    支持以太網(wǎng)、RS485、RS-232直接和RS-232調(diào)制解調(diào)器的通訊方式來訪問HC900控制器

    2.2.2軟件組態(tài)界面如下：

               

    2.2.3數(shù)字量操作

    可以在線實時地監(jiān)視過程數(shù)據(jù)及邏輯運算狀態(tài)，方便地診斷現(xiàn)場故障。
 
    在單一顯示畫面上可以有多個工作表的多功能模塊監(jiān)視器訪問，大多數(shù)內(nèi)部參數(shù)可用于讀/寫，同時模塊輸出也可以被強制，包括 I/O 和邏輯模塊；邏輯狀態(tài)在線指示，綠色的實線表示“開（ON）”狀態(tài)，紅色的點劃線表示“關(guān)（OFF）”狀態(tài)。 

               

    HC900提供了多種邏輯運算模塊，通過模塊的組合，可以實現(xiàn)邏輯運算能，聯(lián)鎖保護功能，

                                          

    常用邏輯模塊如AND、OR、NOT、XOR、COMPR，此外，還可以通過一個模塊定制自己的運算公式，從而免去多重組合。通過不同的模塊組合，就可以實現(xiàn)聯(lián)鎖保護功能等。

    3．Experion C300控制器與HC900混合控制器在制漿生產(chǎn)線的集成應(yīng)用

    3.1 控制過程及需求

    本項目利用硫酸鹽連續(xù)蒸煮法進行木片蒸煮和漂白，生產(chǎn)漂白木漿。

    在保證纖維中高的半纖維素含量的同時降低木素含量，并保存纖維強度。在緊湊蒸煮方法中，浸漬在低溫下完成，大約100C。IMPBINTM，是一個單獨的常壓容器，兼具預(yù)汽蒸和預(yù)浸的作用。

    從蒸煮器過來的粗漿中往往含有少量對設(shè)備和造紙有害的雜質(zhì)，如未蒸解部分，纖維塊，樹皮以及外來的雜質(zhì)如砂石，金屬雜物，橡膠和塑料等。篩漿的目的就是將這些雜質(zhì)除去，以滿足產(chǎn)品質(zhì)量和正常生產(chǎn)的需要。

    漂白是將漿的白度通過化學(xué)品除去漿中的木素或者改變木素發(fā)色基團的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。

    生產(chǎn)漂白用化學(xué)藥品要通過電解槽產(chǎn)生氯氣和氫氧化鈉，測量槽電壓需要數(shù)量眾多的測量點，需要將其電壓信號轉(zhuǎn)為電流信號。

    由于制漿過程是一個連續(xù)、生產(chǎn)線長、介質(zhì)多樣的生產(chǎn)過程，設(shè)備造價高昂，前后工序聯(lián)系緊密，需要嚴密的開停機順序及多重聯(lián)鎖保護，才能保證設(shè)備在異常情況下緊急、順序停車，避免安全事故及設(shè)備損壞。在老項目中利用了繼電保護系統(tǒng)及獨立電壓電流轉(zhuǎn)換器，查找故障點及修改聯(lián)鎖值比較麻煩，由于某些邏輯輸出來自DCS，當DCS故障時則系統(tǒng)將失去保護作用，且非冗余系統(tǒng)，可靠性不高。獨立電壓電流轉(zhuǎn)換器使檢修工作量較大，轉(zhuǎn)換器易出現(xiàn)漂移、信號不準等問題。如新項目如原來設(shè)計幾百個轉(zhuǎn)換器將占用非常大的空間。

    借助PKS系統(tǒng)的開放性，充分利用HC900的特點，本項目選擇了兩套HC900系統(tǒng)應(yīng)用于制漿工段及化學(xué)品工段。

    3.2 制漿化學(xué)品HC900及PKS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    3.2.1 Experion C300控制器與HC900混合控制器點對點通訊

    在PKS系統(tǒng)中，與HC900混合控制器通訊是通過其PCDI(Peer Control Data Interface)對等控制數(shù)據(jù)接口程序完成的，在此過程中需要配置主數(shù)據(jù),

    3.2.2對等控制數(shù)據(jù)集成接口

    從Experion R310開始,C300控制器支持對等數(shù)據(jù)控制接口,用于過程控制點對點設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。在Experion R310 Control Builder中可以通過功能塊設(shè)置該接口。

    FTE容錯以太網(wǎng)是C300控制器與HC900第三方設(shè)備進行通訊的介質(zhì)，MODBUS遠程終端RTU對等設(shè)備連接到MODBUS TCP對等網(wǎng)橋, MODBUS TCP對等設(shè)備通過FTE連接到網(wǎng)橋。

               

    3.2.2.1 MODBUS TCP 組件及PCDI結(jié)構(gòu)

    PCDI_MATER 代表MODBUS TCP主設(shè)備或MODBUS TCP橋
    PCDIFLAGARRCH旗標量需求陣列模塊，允許訪問MODBUS TCP設(shè)備輸出/數(shù)字量輸入
    PCDINUMARRCH 數(shù)字量需求陣列通道模塊，允許訪問MODBUS TCP設(shè)備寄存器

               

    3.2.2.2 PCDI組態(tài)

    項目中添加PCDI_MATER塊。
    在MBTCP庫中將PCDI_MATER塊拖入C300的CEE控制執(zhí)行環(huán)境中，輸入主塊的名字

               

                             

    選擇設(shè)備類型為冗余MODBUS TCP設(shè)備類型。設(shè)置完成后下裝到C300執(zhí)行環(huán)境中。

                         

    添加PCDI陣列需求通道模塊到控制模塊CM中。

                

    3.2.4蒸煮、篩選、漂白系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    在蒸煮、篩選、和漂白工段PKS使用了2對C300控制器，HC900也作為節(jié)點通過交換機連到制漿區(qū)域的服務(wù)器，其中包括105個AI，24個DI，74個DO到閥門或電機控制器。

               

    3.2.5　化學(xué)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

               

    在化學(xué)品工段PKS使用了2對C300控制器，HC900包括348個AI，用于電壓/電流信號轉(zhuǎn)換，與一期相比，通過HC900大量節(jié)省了獨立轉(zhuǎn)換卡。

    3.3 氧脫木素工段安全保護

               
　　
    經(jīng)過篩選洗滌后的漿料進入一段氧脫反應(yīng)器，加入氧化白液，將氧氣和中壓蒸汽一起加入漿料中，經(jīng)過混合器攪拌混合均勻后進入一段氧脫反應(yīng)塔，控制一定的溫度、壓力和反應(yīng)時間，一段氧脫反應(yīng)器為升流式。漿料經(jīng)過一段氧脫反應(yīng)器后進入二段氧脫反應(yīng)器，在進入二段氧脫反應(yīng)器之前，根據(jù)工藝規(guī)定參數(shù)加入一定量的NaOH、氧氣和中壓蒸汽，經(jīng)過混合器攪拌混合均勻后進入二段氧脫反應(yīng)器，控制一定的溫度、壓力和反應(yīng)時間，二段反應(yīng)器為降流式。

    現(xiàn)場測量值送入HC900通過監(jiān)視氧反應(yīng)器內(nèi)壓力變化，當檢測到某個壓力超出聯(lián)鎖值時，邏輯運算結(jié)果同時作為C300的判斷條件，控制氧氣及蒸汽閥門和泵的開關(guān)啟停。

               

               

               

    4. 應(yīng)用總結(jié)

    HC900系統(tǒng)簡單、靈活的特點非常適合這種IO數(shù)量不多但又和過程系統(tǒng)有復(fù)雜關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)應(yīng)用，同時也非常適合某些需要幾百個V/I信號轉(zhuǎn)換的場合。本文僅總結(jié)了HC900　C70R冗余系統(tǒng)及Experion C300控制器在制漿行業(yè)的某一工段中的集成應(yīng)用，希望能給其它領(lǐng)域中的HC900用戶提供有益的借鑒。