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项目六JX

项目六JX-300XP在化工加热炉温度、流量、压力控制中的应用

一、项目概况

1．工艺描述

加热炉是化工生产工艺中常用的设备之一，用来将物料或工件加热。

工艺介质受热升温或同时进行汽化，其温度的高低会直接影响后一工序的操作工况和产品质量。

当加热炉温度过高时，会使物料在加热炉内分解，甚至造成结焦而发生事故，因此，一般加热炉的出口温度都需严加控制。

以下是某化工厂加热炉工艺，工艺流程图如图6-1所示。

图6-1加热炉流程图

2.项目任务

根据工艺要求，需要对加热炉出口温度，烟气压力，燃料流量等参数加以控制，需要使用JX-300XP集散控制系统中进行自动控制。

二、项目任务分析

工程项目是一个企业用户提出设计要求，工程人员进行设计实施，用户进行设计验证，通过投运验收，最终得到设计确认的系统开发过程。

从项目实施角度可分为前期准备、工程设计、现场实施和项目收尾四个阶段，工程设计包括硬件选型、软件组态，现场实施包括设备安装、下载调试、系统投运，项目收尾主要是项目交工、资料的交接。

工程项目的作业流程图如图6-2所示

图6-2作业流程图

1.前期设计

对于任何的工程项目，都会有一些特定的项目要求，这一系列的要求将在项目的前期设计过程中根据工艺的需要一一明确。

不同的项目，提出的要求也有较大的差别，一般需要考虑以下的几个方面。

●测点情况：

包括测点的具体数量和参数要求，一般以《测点清单》的形式反映出来。

●控制要求：

主要包括联锁、累积和其他的控制要求，一般以《控制方案图》、《联锁原理图》等形式反映。

●画面要求：

主要包括操作流程画面的样式，监控画面的形式等。

●报表样式：

主要是报表的格式。

本项目中需要考虑的几个方面如下：

表6-1I/O测点清单

序号

位号

描述

量程

备注

TI-101

原料油加热炉出口温度

0-600℃

K热电偶

TI-102

原料油加热炉炉膛温度

0-600℃

K热电偶

TI-103

原料油加热炉辐射段温度

0-1000℃

K热电偶

TI-104

原料油加热炉烟囱温度

0-300℃

E热电偶

TI-105

加热炉热风道温度

0-200℃

Pt100热电阻

PI-101

原料油加热炉烟气压力

-100-0Pa

4-20mA，配电

LI-101

原料油储罐液位

0-100%

4-20mA，配电

FI-101

加热炉原料油流量

0-500M3/h

4-20mA，不配电

FI-102

加热炉燃料气流量

0-500M3/h

4-20mA，不配电

PV-101

加热炉烟气压力调节

输出4-20mA

FV-101

加热炉燃料气流量调节

输出4-20mA

LV-1011

液位调节1

输出4-20mA

LV-1012

液位调节2

输出4-20mA

KI-301

泵开关指示

KI-302

泵开关指示

KI-303

泵开关指示

KO-301

泵开关操作

KO-302

泵开关操作

KO-303

泵开关操作

控制方案

1.加热炉烟气压力控制单回路控制

2.原料油加热炉出口温度控制串级控制

由于加热炉具有较大的时间常数和滞后性，简单的单回路控制效果不理想，在操作过程中，燃料气流量的波动是主要的干扰因素，因此采用加热炉出口温度对燃料气流量的串级控制。

3.原料油流量累积

监控画面

根据工艺要求，绘制流程图，并合理设计操作画面，方便操作使用。

报表要求

制作班报表，每10分钟记录一次数据，记录PI-101、TI-101、LI-101、FI-101四组数据，每天8：

00、16：

00、0：

00输出报表。

2.项目设计

项目设计过程实际上就是落实方案的过程，使DCS与被控过程融为一体的过程。

大体包括硬件选型和软件组态。

硬件选型包括操作站、现场控制站的数量、I/O卡件的型号、数量等；软件组态包括控制站组态、操作站组态等。

整个项目设计完成的同时，相关的文档也需要编制完成，主要包括：

工程设计说明书、I/O表、设备清单、控制室布置图、系统安装尺寸图、系统配置表、供电系统图、卡件布置图、端子接线图、操作说明、维护指导等。

3.现场实施

现场实施主要包括设备安装、调试及运行等。

具体的工作流程如图6-3所示。

图6-3现场实施工作流程

三、项目任务实施

子任务一、DCS硬件配置

1.任务单

根据系统实际测点和控制情况，选择系统需要的硬件设备，包括操作站，控制站（机柜、机笼、卡件等），使硬件配置可以满足设计的数据监控、画面浏览等要求，并为将来的系统扩展升级留有一定的余量。

填写硬件配置清单（表6-2）、I/O卡件布置图（图6-4）。

表6-2DCS系统硬件配置清单

名称

型号

单位

数量

备注

操作站硬件

DELL服务器

操作台

操作员键盘

打印机台

SCnetII网卡（双绞线）

控制站硬件

机柜

机笼（含母板端子）

电源箱

电源机笼

主控制卡

电流信号输入卡

电压型号输入卡

热电阻信号输入卡

电流信号输出卡

触点型开关量输入卡

继电器开关量输出卡

数据转发卡

空卡

图6-4I/O卡件布置图

2.任务分析与实施

首先对表6-1中的测点进行统计、归类，并结合表6-3常用卡件一览表中卡件的信息，得到表6-4中的结果：

表6-3常用卡件一览表

型号

名称

参数

XP313

电流信号输入卡

6路输入，可配电，分组隔离，可冗余

XP314

电压信号输入卡

6路输入，分组隔离，可冗余

XP316

热电阻信号输入卡

4路输入，分组隔离，可冗余

XP322

电流信号输出卡

4路输出，点点隔离，可冗余

XP361

电平信号输入卡

8路输入，统一隔离

XP362

晶体管触点开关量输出卡

8路输出，统一隔离

XP363

触点型开关量输入卡

8路输入，统一隔离

XP335

脉冲量信号输入卡

4路输入

XP341

位置调整卡

二通道

XP369

SOE信号输入卡

分辨率可达到1ms

XP000

空卡

表6-4测点分类统计表

信号类型

点数

使用的卡件

电流信号（4-20mA，配电）

XP313

电流信号（4-20mA，不配电）

XP313

热电阻

XP316

热电偶

XP314

4-20mA

XP322

开关量输入

XP363

开关量输出

XP362

对表6-4信息进行分析，可得到卡件的配置情况：

（1）测点中电流信号（4-20mA）共4点，其中2点需要配电，2点不需要配电。

电流信号可以由电流信号输入卡XP313来采集，考虑到信号的质量，建议配电和不配电的信号分别采用不同的卡件来采集，尽量不要集中在一块卡件上。

XP313卡件为6路电流信号输入卡，即每块卡件可以采集6路信号，所以至少需要两块XP313卡件，每块卡件各富余4个通道。

考虑到这4个信号都是参与到控制中的，为了控制的安全性，建议采用冗余配置，所以需要4块XP313卡件。

（2）测点中热电阻信号共1点，热电阻信号由XP316卡件来采集，XP316卡件是4点卡，即每块卡件可以采集4路信号，所以至少需要1块XP316卡件，富余3个通道。

由于不用参与控制，故不需要冗余配置，所以选择1块XP316卡件。

（3）测点中热电偶信号共4点，其中K型热电偶3点，E型热电偶1点，其中测点TI-101参与控制。

热电偶信号由XP314卡件来采集，XP314卡件是6点卡，即每块卡件可以采集6路信号。

对于不同类型的热电偶信号，一般建议在有条件的情况下采用不同的卡件进行采集。

由于测点TI-101参与控制，考虑到控制的安全性，建议采用冗余配置，所以需要2块XP314卡件；对于其他K型热电偶信号至少需要1块XP314卡件，富余4个通道，对于E型热电偶信号至少需要1块XP314卡件，富余5个通道。

所以共需要配置4块XP314卡件。

（4）测点中输出电流信号（4-20mA）AO点共4点，AO信号由电流信号输出卡XP322来处理，XP322卡件为4点卡，即每块卡件可以处理4路信号，所以至少需要1块XP322卡件。

考虑到这4个信号都是参与到控制中的，为了控制的安全性，建议采用冗余配置，所以需要2块XP322卡件。

（5）测点中开关量输入点共3点，为干触点。

开关量输入点可由XP363卡件来处理，XP363卡件为8点卡，一块卡件可以处理8路信号，所以至少需要1块XP363卡件。

（6）测点中开关量输出点共3点，为干触点。

开关量输出点可由XP362卡件来处理，XP362卡件为8点卡，一块卡件可以处理8路信号，所以至少需要1块XP362卡件。

通过上面的分析，实现测点清单上的所有信号的采集和控制需要的I/O卡件为：

电流信号输入卡XP313卡件4块、热电阻信号输入卡XP316卡件1块、电压信号输入卡XP314卡件3块、电流信号输出卡XP322卡件2块、开关量输入卡XP363卡件1块、开关量输出卡XP362卡件1块，共计12块卡件。

由此分析，系统控制站规模不大，用一个控制站就可以满足要求，需要一块主控制卡XP243，考虑到控制的安全性，建议采用冗余配置，所以需要2块XP243卡件。

一共有12块I/O卡件，一个I/O机笼可以容纳16块I/O卡件，故只需要1个I/O机笼。

一个I/O机笼需要安装数据转发卡XP233，建议采用冗余配置，所以需要2块XP233卡件。

相应的，硬件配置上需要配一个机柜、一个电源箱机笼，两个互为冗余的电源箱。

根据实际要求，系统需要配置一台工程师站（ES），为了操作方便，配置一台操作员站站（OS）。

这样，系统硬件的配置就完成了，汇总到配置表，如下表6-5所示。

同时完成了卡件的排布，如图6-5所示。

表6-5DCS系统硬件配置清单

名称

型号

单位

数量

备注

操作站硬件

DELL服务器

DELL

台

操作台

XP072

台

操作员键盘

XP032

块

打印机台

XP072D

台

SCnetII网卡（双绞线）

XP023

块

控制站硬件

机柜

XP202

个

机笼（含母板端子）

XP211

个

电源箱

XP251-1

个

电源机笼

XP251

个

主控制卡

XP243

块

冗余

电流信号输入卡

XP313

块

冗余

电压型号输入卡

XP314

块

热电阻信号输入卡

XP316

块

电流信号输出卡

XP322

块

冗余

触点型开关量输入卡

XP363

块

继电器开关量输出卡

XP362

块

数据转发卡

XP233

块

冗余

空卡

XP000

块

冗余

图6-5I/O卡件布置图

子任务二、DCS组态设计

1.任务单

根据上述硬件配置和工艺要求进行DCS系统组态，具体要求如下

（1）系统配置

类型

数量

IP地址

备注

控制站

主控卡注释：

1#控制站

数据站发卡注释：

1#数据转发卡

工程师站

130

注释：

ES130

操作站

131、132

注释：

OS131、OS132

（2）用户授权设置

权限

用户名

用户密码

相应权限

特权

系统维护

1111

PID参数设置、报表打印、报表在线修改、报警查询、报警声音修改、报警使能、查看操作记录、查看故障诊断信息、查找位号、调节器正反作用设置、屏幕拷贝打印、手工置值、退出系统、系统热键屏蔽设置、修改趋势画面、重载组态、主操作站设置

工程师

1111

操作员

操作员甲

1111

重载组态、报表打印、查看故障诊断信息、屏幕拷贝打印、查看操作记录、修改趋势画面、报警查询

操作员

操作员乙

1111

重载组态、报表打印、查看故障诊断信息、屏幕拷贝打印、查看操作记录、修改趋势画面、报警查询

（3）控制方案

序号

控制方案注释、回路注释

回路位号

控制方案

加热炉烟气压力控制

PIC-101

单回路

PI-101

PV-101

原料油加热炉出口温度控制

内环

FIC-101

串级内环

FI-101

FV-101

外环

TIC-101

串级外环

TI-101

（4）操作站设置：

操作小组3个，配置如下

操作小组名称

切换等级

操作员甲

操作员

操作员乙

操作员

工程师

操作画面设置：

1）当操作员甲进行监控时：

●总貌画面：

页码

页标题

内容

索引画面

索引：

操作员甲小组所有流程图、所有分组画面、所有趋势画面、所有一览画面

加热炉参数

所有加热炉相关I/O数据实时状态

●分组画面：

页码

页标题

内容

常规回路

PIC-101、FIC-101、TIC-101

开关量

KI-301、KI-302、KI-302、KO-301、KO-302、KO-303

●一览画面：

页码

页标题

内容

加热炉参数

所有加热炉相关I/O数据

●趋势画面：

页码

页标题

内容

温度

TI-101、TI-102、TI-103、TI-104、TI-105

压力、液位、流量

PI-101、LI-101、FI-101、FI-102

报表

要求：

每整点记录一次数据，记录数据为TI-101、PI-101、LI-101、FI-101，报表中的数据记录到其真实值后面两位小数，时间格式为××：

××：

××（时：

分：

秒），每天8点输出报表。

报表样板：

报表名称及页标题均为班报表。

班报表

_____班___组组长_________记录员_______________年____月____日

时间

内容

描述

数据

TI-101

####

PI-101

####

LI-101

####

FI-101

####

流程图制作

完成加热炉控制的流程图。

2.系统组态实施

（1）用户权限管理

用户权限管理操作主要由SCReg软件来完成，通过在软件中定义不同级别的用户来保证权限操作，即一定级别的用户对应一定的操作权限。

每次启动系统组态软件前都要用已经授权的用户名进行登录。

根据要求需要设置权限分别为特权、工程师和操作员的用户系统维护、工程师和操作员甲、操作员乙，具体操作如图6-6所示，使用系统默认的特权+用户SUPER-PRIVILEGE-001，密码：

SUPER-PASSWORD-001进行登录，登陆后进行配置，配置过程如图6-7所示。

图6-6用户权限管理登录

图6-7用户管理

（2）建立组态文件

正式进行组态的时候，首先需要新建一个组态文件，将系统的配置信息集中、完整的体现在组态文件中。

新建组态文件要指定文件的存放路径和文件名。

如图6-8所示

图6-8新建组态

弹出的组态软件的界面如图6-9所示。

图6-9组态界面

（3）总体信息组态

建立了新的组态文件后，首先进行主机配置，主机设置用于设置操作站主机和控制站主机的信息，包括各个控制站的地址、控制周期、通讯、冗余情况、各个操作站或工程师站的地址等一系列的设置工作。

根据任务单的要求，进行具体配置。

点击组态软件界面上的“主机”按钮

，在弹出的对话框中设置主机，配置后的结果如图6-10和图6-11所示。

图6-10主控制卡配置图

图6-11操作站配置图

（4）控制站组态

主机配置完成后，可进行控制站组态，控制站组态流程如图6-12所示。

图6-12控制站组态流程

1）I/O组态

控制站I/O组态主要包括数据转发卡设置、I/O卡件设置和I/O信号点设置。

A．数据转发卡设置

数据转发卡设置是对某一控制站内部的数据转发卡的冗余情况、卡件在SBUS-S2网络上的地址进行组态。

点击菜单命令[控制站/IO组态]或是在工具栏中点击图标

将弹出I/O组态界面，选择数据转发卡标签页，如图6-13所示：

图6-13数据转发卡组态界面

在数据转发卡组态界面上点击“增加”按钮就增加了一个数据转发卡，接着进行相应参数的填写：

Ø注释：

可以写入数据转发卡的相关说明（可由任意字符组成）。

Ø地址：

定义相应数据转发卡在挂接的主控制卡上的地址，地址值应设置为0～15内的偶数（冗余设置时奇数地址设置自动完成）。

数据转发卡的组态地址应与数据转发卡硬件上的跳线地址匹配，并且地址值不可重复。

Ø型号：

目前只有XP233可供选择。

Ø冗余：

即将组态的数据转发卡设为冗余单元。

本项目中采用的数据转发卡为冗余配置，所以在相应的栏目上打上勾，这样与地址为“00”的数据转发卡冗余的那块卡就不必重新配置了，系统会根据冗余规则自动识别该机笼的另一块数据转发卡的地址为“01”。

填写完整上述参数，数据转发卡设置完毕，效果如图6-14所示。

图6-14数据转发卡配置图

B．I/O卡件设置

数据转发卡设置完毕后，可进行I/O卡件设置，I/O卡件设置是对I/O卡件的型号及地址进行组态。

在I/O卡件组态界面上点击“增加”按钮就增加了一个I/O卡件，接着进行相应参数的填写：

Ø注释：

可以写入I/O卡件的相关说明（可由任意字符组成）。

Ø地址：

定义当前I/O卡件在挂接的数据转发卡上的地址，为00～15。

I/O卡件的组态地址应与它在控制站机笼中的排列编号相匹配，并且地址编号不可重复。

Ø型号：

从下拉列表中选择需要的I/O卡件类型。

Ø冗余：

将当前选定的I/O卡件设为冗余单元。

欲将某可冗余卡件设置为冗余结构，则其地址（设为偶数）的相邻地址必须未被占用。

具体设置冗余单元的方法及注意事项可参见主控制卡说明

本项目中采用的I/O卡件及卡件排布已在前面进行了选择和排布，这里就可以按着I/O卡件排布图进行设置，设置完毕后的效果如图6-15所示。

图6-15I/O卡件组态

C．I/O信号点设置

I/O卡件设置完毕后，可进行I/O信号点设置，首先将测点分配到对应的I/O卡件上，形成测点分配表，本项目测点分配表如表6-6所示，根据测点分配表及I/O测点进行I/O信号点设置。

配置结果如图6-16至图6-25所示。

表6-6测点分配表

序号

卡件型号

卡件通道

XP313

PI-101

LI-101

备用

XP313

PI-101

LI-101

备用

XP313

FI-101

FI-102

备用

XP313

FI-101

FI-102

备用

XP314

TI-101

备用

XP314

TI-101

备用

XP314

TI-102

TI-103

备用

XP314

TI-104

备用

XP316

TI-105

备用

XP000

XP322

PV-101

FV-101

LV-1011

LV-1012

备用

XP322

PV-101

FV-101

LV-1011

LV-1012

备用

XP363

KI-301

KI-302

KI-303

备用

XP362

KO-301

KO-302

KO-303

备用

XP000

图6-16信号点组态画面

图6-174-20mA配电电流信号参数配置图

图6-18信号趋势配置图

图6-19信号报警配置图

图6-204-20mA不配电电流信号参

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