1 引言

利用计算机信息技术,实现炼油、化工装置生产过程的自动控制是石化企业提高经济效益，少投入多产出，挖潜增效，提高市场竞争力的重要途径和措施。茂名石化炼化股份公司为提高市场竞争力，及航空煤油上升等级，在其炼油厂新建了一套1.2mt/a的航煤加氢装置。该装置占地面积80.6×46m2，总投资7253.70万元，是全国最大航空煤油生产装置，是"九五"期间实施的炼油改扩建工程的配套项目之一，在茂石化公司有着较重要的地位。该套装置中含有加热、汽提、加氢反应等多种工艺过程，牵涉的设备较多，各工艺变量间又有一定的相互关联。工艺设备规模较大，且作为被控对象，控制的难度较大。因此，对该套装置采用传统的单元仪表进行控制，已较难达到预期的控制品质和节能目标，也不能适应新时期对控制系统有较好控制质量、高安全可靠性和采用先进控制策略等要求。

centum cs3000是日本横河电子公司开发的一种较新型的集散控制系统，它将dcs的性能与pc完美结合，并采用windows nt操作系统，使其具有开放的操作环境，在pc机上实现全部集散控制系统的功能，属于新一代开放型网络控制系统，在石化行业的应用也较为广泛[1]。就其具有的功能及特点而言，适合前述的控制要求。

2 cs3000系统简介

2.1 系统功能

cs3000的系统功能包括his功能、fcs功能和组成这些功能的工程师功能。

（1）his功能。centum系统操作站（his）由eops型操作站、eopc型控制台、eprt2型串行打印机、echu型彩色硬拷贝机等设备构成。eops型操作站与eopc型控制台外观基本相同，都有crt显示器和操作键盘，但eopc型控制台没有微处理器及软硬盘驱动器等，是epos的终端设备。

操作站功能主要由窗口监视功能、操作支持功能、数据收集和处理功能、开放数据接口功能和维护功能等五大部分组成。

（2）fcs功能。fcs功能由标准控制功能和通讯i/o模块构成。在标准控制功能中，提供各种各样的功能块，如反馈控制功能块、顺序控制功能块、计算功能块、仪表面板功能块、单元监视管理模块等等。通过对功能块的组合可以实现各种简单和复杂的控制功能。而通讯i/o功能则是利用通讯模件与plc或其他子系统的数据通讯。通讯模件安装在现场控制站的通讯i/o箱内，由通讯数据提供该标准控制功能。

（3）工程师功能。工程师功能分成系统生成功能和系统维护功能两大部分。

系统生成功能就是对项目功能、fcs功能以及his功能的建立，通过系统生成功能，可以实现整个生产过程的工程师组态，即用户可通过系统生成功能建立起系统运行、操作监视功能、控制功能等一系列应用数据库。

系统维护功能包含系统监视功能和定期检查维护的功能，通过his系统维护窗口实现，并在窗口中显示在线的系统状态和系统报警状态等，提供了一个系统维护的良好的操作界面。

2.2 系统测试功能

系统测试功能是新型集散控制系统cs1000/cs3000以及cs3000 r3的独特功能之一。利用系统测试功能，在集散控制系统投入实际操作运行之前，对各组态器产生的操作、监视和控制功能进行检查、调试等操作；也可以将系统测试功能与工程师功能并行使用，扩大了系统测试功能的应用范围。

2.3 系统通信

cs3000中使用的通信系统有e网、v网、以太网和远程输入输出总线。

e网是cs的内部局域网，是信息指令站和工程师站间的连接通路，通信频率是10mp/s，采用总线型拓扑结构，通信媒体是同轴电缆，最大传输距离是185m，最多的连接站数16点。

v网是现场控制站和操作管理用的信息指令站、其他上位站或总线转换器等设备间的通信网络。通常，它采用双重化的通信方式，是系统内部实时控制用的通信网，传输速率10mp/s，采用总线拓扑结构，最多可连接64个站。

以太网用于实现本系统与上位系统的通信。利用以太网，本系统和位于上位的具有大容量的数据管理系统可进行数据的通信并提供系统的数据。第三方的计算机也能通过以太网与本系统连接，存取cs的数据，从而使系统达到真正的开放。

远程输入输出总线（rio：remote input/output）是一条该公司的内部现场通信总线，是连接现场控制站与现场控制单元输入输出信号的桥梁。

2.4 系统特点

（1）综合性：centum-cs3000是一个功能齐全的系统。它综合了多种控制、管理、自动化和信息技术于一身。

（2）开放性：cs3000系统是紧跟it技术发展的开放性局域网结构。操作站的硬件可采用最新型的pc机；系统软件可采用最新的windows xp或2000（中文版）作为操作系统；通讯接口提供dde和opc两种接口，可直接与用户的上位工厂信息管理系统（pims）、internet网、intranet网连接和通信；也可通过标准协议与多个厂家的plc系统、以及符合ff、hart、profibus-dp等现场网络标准的厂家的设备进行通信；另外，还可直接将各种通用应用软件如ms-excel、vb等应用于工程中。

（3）高可靠性：控制站采用4个cpu成对冗余热备技术，可实现在任何故障及随机错误产生的情况下连续不间断地运行；供电系统、通讯网络和总线、i/o模块均可实现双重化；vnet总线采用交替工作模式的双重化结构。

（4）高性能：控制站采用高速risc处理器，可进行64位浮点运算和可进行最高50ms控制周期的模拟与逻辑控制。

（5）高效简捷的工程：系统提供cae（计算机辅助工程），直接用control drawing图或填表格的方式进行软件组态，软件组态十分简洁直观。并可提供虚拟测试和仿真软件，从而缩短软件的调试周期。

3 航煤加氢装置工艺简介

加氢精制主要用于油品精制，其目的是除掉油品中的硫、氮、氧杂质及金属杂质，改善油品的使用性能。过程在氢气存在下使油品中的有机含硫、含氮化合物以及金属有机化合物发生氢解，从而达到精制的目的。

航煤加氢是在一定的温度、压力、氢油比和空速的条件下，借助催化剂的作用，把油品（直馏航煤）中的硫、氮、氧化合物转化成相应的烃类及易除去的硫化氢、氨或水从而脱除，并将油品中的杂质如重金属截留在催化剂中。同时烯烃、芳烃得到饱和，从而得到安定性、燃烧性都较好的产品。在本装置的操作条件下，一般只进行脱硫、脱氧及少量脱氮反应，以改善航煤的酸值、硫醇硫和总硫等指标[2]。

其中，加热炉、加氢反应器及汽提塔的控制均是影响产品质量的重要因素，且装置具有高温、高压、易燃易爆、工艺连续性强、复杂性高和安全要求高等特点。

4 基于cs3000实现的航煤加氢装置自动控制

航煤加氢对主要参数与变量的控制最终可以归结为安全性、稳定性和经济性三大控制要求，而操作的稳定性更是影响航煤馏出质量的重要因素。综观各dcs的功能与特点，日本横河的centum cs3000以其高可靠性脱颖而出，它可以实现在任何故障及随机错误产生的情况下连续不间断地运行，确保了装置的平稳运行，而且该系统组态和维护画面简洁友好，容易操作，适合新上的装置[3]。

4.1 系统配置

航煤加氢装置cs3000的系统配置简图如图1所示，主要由以下几个基本部分组成。

图1 dcs系统配置图

（2）fcs（现场控制站）。fcs为双冗余现场控制站，可通过通讯接口与可编程控制器或数据采集装置相连，也可利用现场总线通讯卡件挂现场总线仪表，实现过程数据的监视、控制和运算。主要用于完成控制功能，即采集现场的过程变量，通过vl net网把数据送到操作站，按照一定的控制规律产生输出信号并输出到控制现场的执行器，以维持过程的平稳。控制组态数据存于fcs的内存模块中，通过rio bus连接各种接口卡件，实现现场仪表和室内的数据传送。

fcs硬件主要由现场控制单元（fcu）、远程i/o总线（rio bus）以及节点（node）三部分组成。使用32位risc中央处理器，结构为容错型的双重化设置。在计算机用户功能的基础上提供了常规、顺序和逻辑等控制功能。控制组态数据存于fcs的内存模块中，fcs的工作原理：通过rio bus连接各种接口卡件，接收从输入安全栅过来的信号，经处理送到输出安全栅。

（3）eng（工程师站）。工程师站其实就是个人计算机，用于系统组态、用户组态等工程方面的工作。

（4）vnet网（实时控制网）。它将fcs与his相连，可以挂bcv和通讯门路单元。允许以10mbps传输速率进行双向数据通讯，并采用令牌总线传输协议满足快速响应和可靠性的要求。

（5）ethernet(以太网电缆)。航煤加氢的centum cs使用ethernet作为eng(工程师工作站)和ics(信息指令站)之间，以及ics与管理计算机之间的数据传输的局域信息网(lan)。

（6）bcv或abc（总线转换器）。总线转换器将cs3000与centun cs或?xl连接成一个总系统，允许进行集中操作和监视，在his上操作和监视现场控制单元和现场监视单元。

（7）cgw（通讯网关）。cgw用来从一台计算机或unix工作站获取或设置fcs数据。

4.2 控制图组态

控制图组态即是对装置内各自动控制系统的控制算法、pid控制功能块等加以定义[4]。

装置的常规控制组态主要在控制算法组态器中完成，控制算法组态器用于编辑控制算法，如添加或删除功能块、改变连线或控制命令。控制算法组态器由功能块列表和组态画板组成。在功能块列表中可以增加或改变控制命令，在组态画板里可以生成组态符号（功能块和连接块）和组态连接，被组态的功能块自动在功能块列表中注册。

以加热炉的联锁和切换控制为例，与常规加热炉控制的联锁相比，本装置的加热炉新增了三处设备联锁，一是引风机运行状态与烟道挡板开启、烟囱挡板关闭切换的联锁；二是鼓风机运行状态与关闭炉底快开风门之间的联锁；三是预热器出口温度与停鼓风机、引风机之间的联锁。这个回路组态时，有以下两个关键点：首先，输出切换过程应避免回路出现断路，否则控制器输出将强制输出0，从而引起切换干扰；其次，从一个挡板切换到另一个挡板时，因考虑到气流平衡等的影响，切换过程要适当增加一点延时，这样可以减少扰动的产生。切换关系的组态图如图2所示。

图2 切换控制关系组态图

c1、c2 calcu计算模块主要用来编程实现uv301b.mv=0和uv301a.mv=0的功能。

s1 st16顺控表组态内容如图3所示。

图3 s1 st16顺控表组态内容

5 结束语

centum cs3000在茂名石化公司航煤加氢装置应用以来，控制系统运行稳定，控制效果良好，装置各设备及整个生产过程情况正常，从未发生死机现象，产品质量符合国家标准，未出现过任何由于控制系统引起的生产事故，并在工艺过程的节能、降耗方面起着积极的作用。可见，该dcs系统在航煤加氢装置中的应用是成功的。