ABB DCS系统及Rosemount FF仪表在甲醇生产过程中的应用
1甲醇生产的工艺流程
以天然气为主要原料，辅助二氧化碳加压催化氢化制甲醇是目前工业上普遍采用的方法，以天然气加二氧化碳为原料反应原理：3CH4+2H20+C02→4CH3OH。
典型的流程包括：原料气制造，原料气净化，甲醇合成，初甲醇精馏等工序。整个工艺可以分为若干个工段：大气压缩，原料气精脱硫，原料气转换工段，转化气压缩，蒸汽制造，蒸汽冷凝，甲醇合成，初甲醇精馏，火炬，CO2制气，引风机透平一润滑油站，锅炉给水一润滑油站等工段。
2 ABB DCS系统和Rosemount FF仪表
2．1 ABB的DCS系统简述
自上个世界80年代DCS问世以来，集散控制系统在近30年的发展过程中逐步完善、成熟，并在工业控制领域中占主导地位。其基本思想是分散控制集中管理。ABB DCS系统的典型结构是上、下位机系统及其通信网络，上位机称为操作站、工程师站或操作站与工程师站共用，操作站实现控制系统的控制操作、过程状态显示、报警状态显示、历史数据的收集和各种趋势显示及报表生成与打印等；工程师站用来对软件组态、系统生成与下装程序等。下位机称为现场控制站，它也是一个小型的PC系统，除了CPU，存储器，通讯卡等设备以外，还附带有各种扩展卡件。现场控制站是对现场物理信号（包括开关信号，模拟量信号）进行实时采集并进行数据处理、控制运算，并将结果传送到上位机；系统的网络负责各种功能站之间的数据通信和联系。
2．2 FF总线及其仪表简述
现场总线技术是上个世纪8O年代诞生的网络通信技术，它不仅包含有过程控制信息交换，而且还包含设备管理信息的交流。通过现场总线，各种智能设备（智能变送器、调节法、分析仪和分布式I／0单元）可以方便地进行数据交换，过程控制策略可以完全在现场设备层次上实现，经历十多年的发展，国际上成立了现场总线基金会（FieldbusFoundation，FF），致力于开发国际上统一的现场总线协议。目前，使用较多的现场总线主要是基金会现场总线（FF总线）和PROFIBUS现场总线。应用现场总线技术可以将各种分布在控制现场的相关智能设备和I／0单元方便地连接在一起，构成控制系统，这种结构已经成为DCS发展的趋势。
FF的体系结构参照ISO／OSI模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链路层和应用层，另外增加了用户层。FF提供两种物理标准：Hl和H2。本文介绍的Rosemount3051s现场总线仪表是基于Hl过程控制的低速总线，速率为31．25kbps，传输距离分为200m、400m、1200m和1900m。H2的传输速率可为1Mbps和2．5Mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、同轴电缆和光纤，协议符合IEC1158—2标准。
2．3对DCS系统及FF仪表的技术要求
甲醇的制造危险系数是极高的，从工艺气进入到管道开始，一直到精甲醇产品的生成，整个工艺所产生的物质都具有可燃性，生产过程复杂多变，并且生产环境带有潜在爆炸危险，在这一领域中对基于现场总线的新型控制系统提出了更高的要求。
1）要有完备的防爆保护措施，以保证在爆炸危险环境中生产过程的绝对安全。
2）系统本身要有很高的可靠性，以保证数据的可靠传输。
3）对应“连续过程”这一特点，控制系统要有处理模拟数据的能力。
4）所有现场设备可以在线插拔，而不影响系统的正常工作。
5）系统实时加载稳定，通讯正常。
这就要求控制系统要智能化、灵敏化，以避免危险发生，一旦出现事故，也要把事故危险系数降到最低。ABB DCS系统设计具有极高的优越性，操作员站出现故障可以利用工程师站操作；工程师站和操作员站可以相互更换，保证上位机的可操作性；下位机做冗余设计，卡件可以即插即用，保证系统的稳定性；下设安全保护系统，增加了系统的灵敏度等等诸多优点，加上FF总线仪表的使用使DCS变成新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场设备，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能，即使上位机和下位机出现故障，只要通讯正常，就能维持现场仪表（FF仪表）的正常工作，摆脱了仪表本身对于系统的依赖，而且组态参数更改后加载不会引起资源中断（除非更改变量名，也就是更改了数据库），保证了系统的稳定性。
3 甲醇过程控制系统设计
3．1系统的构成
根据控制点可以设立两个冗余现场控制站，甲醇生产DCS系统的拓扑结构如图1、图2所示。
甲醇生产控制系统设计为：上位机7台，分别为工程师站，厂长室，调度室和4台操作员站，其中4台操作员站可以按工段来分配，比如说1#操作员站只能操作原料气制造及相关辅助设备部分，2#操作员站只能操作原料气净化及相关辅助设备部分，如此类推，每台计算机都可以显示各个工段流程画面，但只能操作各自工段的设备；下位机可设计为冗余的两对现场控制站，以及安全保护系统站等。
3．2 过程控制系统组态
程序组态使用ABB Industrial IT系统下的Control Builder F编程组态软件（V7．1或以上版本），否则将会不支持FF协议而无法组态。组态步骤：
1）打开CBF程序，建立以Yanshi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SA801，以态网卡件E1803，FF／HSE模块F1840，见图3。
3）HSE硬件组态
通过“库”导入相应的HSE性能文件后，可以在库里找到相关的设备性能文件，然后通过插入硬件即可，最后需要在协议对象里设置I／O信号，但要注意的是I／O编辑菜单里有使用（英文Usage）选择方法是：显示仪表要求选择“FF—EIC61131”，可以理解为FF现场总线符合国际电工委员会61131协议；控制仪表要求选择“EIC61131一FF"，可以理解为现场的仪表要接受H1送来的信号，定义标签，设置数据类型，信号起止，要注意的是FF信号只能唯一。
定义信号源：信号源有H1和HSE两种，现场仪表是采集数据输送到系统，则源于H1，反之是源于HSE输送到现场仪表，对应于FF与EIC61131，见图4。
4）现场仪表的组态首先要往库里面导入仪表的硬件识别文件后才能找到相关的仪表设备，再在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15块总线仪表，但出于电源负荷及通讯考虑，最好不要超过12块。仪表设置优化，H1设定“建议”优化，以上数据除灰色背景数据不能修改外，其他数据都可以修改，但采用建议数据最优，这一步很重要，涉及到仪表内部的参数设置。
然后在H1链接里插入功能块应用图，通过连接的设备找到相关的仪表，每块仪表在下拉菜单里找到用户要使用的功能块，对应的仪表连接到对应的FF信号，要注意：1、FB库里的功能块非仪表内部功能块，所以不能使用；2、仪表功能块只能使用一次，也只能在本仪表里选择导人，每个功能块导人以后自身会变成灰白色，见图5。
3．3 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，Rosemoun3051s现场总线仪表的功能块的类型很多，如有源功能块（Re—soureceBlock），传感器功能块（TancducerBlock），功能功能块（FunctionBlocko源功能块只有一块，设置设备类型：3051Pres—sure或3051Tempreture等，对应选择“关联”参数11。
传感器功能块有3块，主要作用是设置传感器功能类型，主要参数有：传感器量程范围设置、单位设置、表头显示参数的设置、报警点的设置等。功能功能块设置通道功能、测量压力、温度等。
4程序加载及调试
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，这样可以减少对系统的影响。加载后，在功能块里可以直接通过鼠标连接，看见实时采集到的数据，但要注意的是每次修改传感器功能块参数时，先要把功能块选择“服务无效”（Out Of Service，OOS），此项选择“√”，再更改参数，加载后，在线取消“√”即可。这样更改的原因是仪表本身功能块有记忆功能，只有在服务无效的情况下才能对数据进行更改，正常仪表的显示如图6。
5 结束语
笔者亲自设计、安装并调试了河南蓝天集团中原甲醇厂新上的甲醇生产项目，并第一次组态好了ABBDCS系统下的Rosemount305ls现场总线仪表。据了解，此系统也是第一次在化工行业下使用，而今后DCS系统有可能向FCS系统（现场总线控制系统）的方向发展，因为FCS顺应了自动化系统的发展潮流，能更加满足不断发展的新技术和新工艺的需求。
以天然气为主要原料，辅助二氧化碳加压催化氢化制甲醇是目前工业上普遍采用的方法，以天然气加二氧化碳为原料反应原理：3CH4+2H20+C02→4CH3OH。
典型的流程包括：原料气制造，原料气净化，甲醇合成，初甲醇精馏等工序。整个工艺可以分为若干个工段：大气压缩，原料气精脱硫，原料气转换工段，转化气压缩，蒸汽制造，蒸汽冷凝，甲醇合成，初甲醇精馏，火炬，CO2制气，引风机透平一润滑油站，锅炉给水一润滑油站等工段。
2 ABB DCS系统和Rosemount FF仪表
2．1 ABB的DCS系统简述
自上个世界80年代DCS问世以来，集散控制系统在近30年的发展过程中逐步完善、成熟，并在工业控制领域中占主导地位。其基本思想是分散控制集中管理。ABB DCS系统的典型结构是上、下位机系统及其通信网络，上位机称为操作站、工程师站或操作站与工程师站共用，操作站实现控制系统的控制操作、过程状态显示、报警状态显示、历史数据的收集和各种趋势显示及报表生成与打印等；工程师站用来对软件组态、系统生成与下装程序等。下位机称为现场控制站，它也是一个小型的PC系统，除了CPU，存储器，通讯卡等设备以外，还附带有各种扩展卡件。现场控制站是对现场物理信号（包括开关信号，模拟量信号）进行实时采集并进行数据处理、控制运算，并将结果传送到上位机；系统的网络负责各种功能站之间的数据通信和联系。
2．2 FF总线及其仪表简述
现场总线技术是上个世纪8O年代诞生的网络通信技术，它不仅包含有过程控制信息交换，而且还包含设备管理信息的交流。通过现场总线，各种智能设备（智能变送器、调节法、分析仪和分布式I／0单元）可以方便地进行数据交换，过程控制策略可以完全在现场设备层次上实现，经历十多年的发展，国际上成立了现场总线基金会（FieldbusFoundation，FF），致力于开发国际上统一的现场总线协议。目前，使用较多的现场总线主要是基金会现场总线（FF总线）和PROFIBUS现场总线。应用现场总线技术可以将各种分布在控制现场的相关智能设备和I／0单元方便地连接在一起，构成控制系统，这种结构已经成为DCS发展的趋势。
FF的体系结构参照ISO／OSI模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链路层和应用层，另外增加了用户层。FF提供两种物理标准：Hl和H2。本文介绍的Rosemount3051s现场总线仪表是基于Hl过程控制的低速总线，速率为31．25kbps，传输距离分为200m、400m、1200m和1900m。H2的传输速率可为1Mbps和2．5Mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、同轴电缆和光纤，协议符合IEC1158—2标准。
2．3对DCS系统及FF仪表的技术要求
甲醇的制造危险系数是极高的，从工艺气进入到管道开始，一直到精甲醇产品的生成，整个工艺所产生的物质都具有可燃性，生产过程复杂多变，并且生产环境带有潜在爆炸危险，在这一领域中对基于现场总线的新型控制系统提出了更高的要求。
1）要有完备的防爆保护措施，以保证在爆炸危险环境中生产过程的绝对安全。
2）系统本身要有很高的可靠性，以保证数据的可靠传输。
3）对应“连续过程”这一特点，控制系统要有处理模拟数据的能力。
4）所有现场设备可以在线插拔，而不影响系统的正常工作。
5）系统实时加载稳定，通讯正常。
这就要求控制系统要智能化、灵敏化，以避免危险发生，一旦出现事故，也要把事故危险系数降到最低。ABB DCS系统设计具有极高的优越性，操作员站出现故障可以利用工程师站操作；工程师站和操作员站可以相互更换，保证上位机的可操作性；下位机做冗余设计，卡件可以即插即用，保证系统的稳定性；下设安全保护系统，增加了系统的灵敏度等等诸多优点，加上FF总线仪表的使用使DCS变成新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场设备，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能，即使上位机和下位机出现故障，只要通讯正常，就能维持现场仪表（FF仪表）的正常工作，摆脱了仪表本身对于系统的依赖，而且组态参数更改后加载不会引起资源中断（除非更改变量名，也就是更改了数据库），保证了系统的稳定性。
3 甲醇过程控制系统设计
3．1系统的构成
根据控制点可以设立两个冗余现场控制站，甲醇生产DCS系统的拓扑结构如图1、图2所示。
甲醇生产控制系统设计为：上位机7台，分别为工程师站，厂长室，调度室和4台操作员站，其中4台操作员站可以按工段来分配，比如说1#操作员站只能操作原料气制造及相关辅助设备部分，2#操作员站只能操作原料气净化及相关辅助设备部分，如此类推，每台计算机都可以显示各个工段流程画面，但只能操作各自工段的设备；下位机可设计为冗余的两对现场控制站，以及安全保护系统站等。
3．2 过程控制系统组态
程序组态使用ABB Industrial IT系统下的Control Builder F编程组态软件（V7．1或以上版本），否则将会不支持FF协议而无法组态。组态步骤：
1）打开CBF程序，建立以Yanshi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SA801，以态网卡件E1803，FF／HSE模块F1840，见图3。
3）HSE硬件组态
通过“库”导入相应的HSE性能文件后，可以在库里找到相关的设备性能文件，然后通过插入硬件即可，最后需要在协议对象里设置I／O信号，但要注意的是I／O编辑菜单里有使用（英文Usage）选择方法是：显示仪表要求选择“FF—EIC61131”，可以理解为FF现场总线符合国际电工委员会61131协议；控制仪表要求选择“EIC61131一FF"，可以理解为现场的仪表要接受H1送来的信号，定义标签，设置数据类型，信号起止，要注意的是FF信号只能唯一。
定义信号源：信号源有H1和HSE两种，现场仪表是采集数据输送到系统，则源于H1，反之是源于HSE输送到现场仪表，对应于FF与EIC61131，见图4。
4）现场仪表的组态首先要往库里面导入仪表的硬件识别文件后才能找到相关的仪表设备，再在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15块总线仪表，但出于电源负荷及通讯考虑，最好不要超过12块。仪表设置优化，H1设定“建议”优化，以上数据除灰色背景数据不能修改外，其他数据都可以修改，但采用建议数据最优，这一步很重要，涉及到仪表内部的参数设置。
然后在H1链接里插入功能块应用图，通过连接的设备找到相关的仪表，每块仪表在下拉菜单里找到用户要使用的功能块，对应的仪表连接到对应的FF信号，要注意：1、FB库里的功能块非仪表内部功能块，所以不能使用；2、仪表功能块只能使用一次，也只能在本仪表里选择导人，每个功能块导人以后自身会变成灰白色，见图5。
3．3 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，Rosemoun3051s现场总线仪表的功能块的类型很多，如有源功能块（Re—soureceBlock），传感器功能块（TancducerBlock），功能功能块（FunctionBlocko源功能块只有一块，设置设备类型：3051Pres—sure或3051Tempreture等，对应选择“关联”参数11。
传感器功能块有3块，主要作用是设置传感器功能类型，主要参数有：传感器量程范围设置、单位设置、表头显示参数的设置、报警点的设置等。功能功能块设置通道功能、测量压力、温度等。
4程序加载及调试
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，这样可以减少对系统的影响。加载后，在功能块里可以直接通过鼠标连接，看见实时采集到的数据，但要注意的是每次修改传感器功能块参数时，先要把功能块选择“服务无效”（Out Of Service，OOS），此项选择“√”，再更改参数，加载后，在线取消“√”即可。这样更改的原因是仪表本身功能块有记忆功能，只有在服务无效的情况下才能对数据进行更改，正常仪表的显示如图6。
5 结束语
笔者亲自设计、安装并调试了河南蓝天集团中原甲醇厂新上的甲醇生产项目，并第一次组态好了ABBDCS系统下的Rosemount305ls现场总线仪表。据了解，此系统也是第一次在化工行业下使用，而今后DCS系统有可能向FCS系统（现场总线控制系统）的方向发展，因为FCS顺应了自动化系统的发展潮流，能更加满足不断发展的新技术和新工艺的需求。
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