1. 南通醋纤公司的工艺状况及自控系统背景
南通醋酸纤维有限公司（以下简称NCFC）是主要生产醋酸纤维用作香烟过滤嘴用丝束的中美合资大型工业企业，集热电、化工、轻纺为一体，生产区域按其功能分为3块，即：纺丝、醋片和公用工程区域，主要产品为二醋酸纤维丝束及其原料二醋酸纤维素片。其中醋酸裂解和醋酸精馏同在一套控制装置中完成。整个生产过程自动化程度及水平很高。
由于市场需求不断增加，2004年，NCFC开始四期扩建工程，扩建后的规模和生产能力将大幅度的提高。其中醋酸精馏生产装置的扩建是四期工程的重要部分，主要包括7个生产装置的扩建。
NCFC的工艺装置在1993年二期采用了RS3（4～20mA输出信号）控制系统，1998年三期升级为RS3（4～20mA+HART输出信号）控制系统。RS3控制系统是非常经典的DCS系统，几年来的运行情况也得到了充分的肯定。但是从发展的角度来看，四期扩建工程的自控系统方案是否延续使用RS3系统有待全面论证。
2. 四期自控系统的选择
2.1 控制系统性能评估
在对系统进行改造时我们需要考虑直接及间接经济效益。具Emerson公司提供的参考数据，通常来说DCS操作站的寿命一般是5年；控制器的寿命大于15年；I/O板卡的寿命是大于20年；现场接线（电缆）的寿命是大于40年。DCS的板卡的维护成本是随着年代的推移而增加，而板卡的技术水平是随着年代的推移而降低。为了使得原有的DCS投资不浪费，通常先考虑做操作站改造，其次是考虑控制器的改造及最终I/O级的改造。如果简单的将系统推倒重建，那么就会造成原有的、仍然具有使用价值的DCS系统的硬件及软件资源浪费。系统推倒重建所要投入的费用不仅仅要考虑购买新系统的投资，还应该考虑到重建新系统所引起的相关工程投资（比如人力，物力及财力）及长时间停车所造成的直接工厂盈利损失。
醋酸裂解和精馏装置二、三期系统均采用了Emerson的RS3 DCS系统，从RS3系统的结构和特性考虑，如果在系统扩展中继续使用RS3系统，虽然大部分控制策略和操作界面可以共享，但是从综合性能比较，系统要进行全面的评估。随着计算机和自动化技术的发展，作为老一代DCS代表的RS3系统已经不能满足日益升级的控制和管理要求，存在一些不可避免的问题：
操作环境、数据总线和网络通讯为封闭的系统，在平台开放性方面功能较弱；
RS3系统逐步被主导产品所取代，备件供应困难、价格昂贵、维护成本高；
RS3系统受到内部功能和结构的限制，扩展性能差等等。
目前，Emerson公司的主推DCS产品DeltaV系统在继承RS3系统优势的同时，还融入了最新的自动化科技，如：支持各种现场总线，基于工业以太网，易于扩展，可在线升级，同时内嵌各种复杂控制算法和先进控制系统。因此DeltaV（4～20mA+HART输出信号）系统成为四期系统扩展的主要选择，但也带来几个难点：在线升级、新老系统的无缝集成、控制策略和人际界面的重新开发等。经过认真的技术交流和综合分析评估，从工厂的长远发展利益、保持系统的先进性、可扩展性及整体性考虑，我们最终选择了原RS3系统改造升级、新DELTAV系统扩展、两个操作界面统一的全集成方案。
2.2 四期控制系统架构
原二、三期系统包括RS3系统（7对冗余的控制器）和两套Tricon ESD紧急停车系统，四期系统将在此基础上增加一套DeltaV系统和两套Tricon ESD紧急停车系统。同时，将原有的RS3操作站全部替换为基于Windows平台的DOR和DeltaV操作站。DeltaV控制系统包含8对冗余的控制器，分别控制相对独立的8个子区域，以尽量减少控制器间的通讯。新增的两套Tricon ESD紧急停车系统分别控制两套裂解炉装置的安全停车
图一：四期控制系统架构
2.3 新老系统的接口设计
四期系统改造完成后，要求原RS3具有系统开放性、通用性。将PEERWAY 通讯协议通过专用网络接口（包括硬件与驱动软件）转换成标准的以太网通讯协议，与四期新扩展的DCS系统在控制层、操作层、通信等方面完全100%兼容。在确保这些数据的完整性及高度可靠性的前提下，实现I/O数据、控制器数据、中间计算数据、操作数据的完全共享，无限量的快速实时数据交换，而中间不需要任何转换接口服务。最后，使得两个不同的控制系统在同一个操作系统下来完成所有的生产过程控制，从而得到完美的结合。
由于四期系统是一个新老系统、异种系统的集合，不同系统之间的互连成为了项目实施的重点，并在一定程度上影响到系统的正常运行。因此系统间的接口设计中必须解决以下几点问题：
HMI与RS3、DeltaV之间的通讯
四期HMI（人机界面）系统需要将RS3原有的操作站全部替换为Windows平台上的DeltaV操作站，而标准的DeltaV Operator软件是不能连接RS3的，必须使用DeltaV Operator for RS3（DOR）软件结合RNI设备才可以与RS3通讯。且每个RNI建议连接不超过3个DOR。为此我们将10个操作站分为两组：6台安装DOR，既可以访问DeltaV又可以通过RNI访问RS3；其余4台安装DeltaV，只能访问DeltaV系统。
DOR作为RS3系统的HMI软件，虽然可以浏览DeltaV的画面，但在功能上与DeltaV有着较大的差别。例如，由于工具栏和报警栏的不同，DOR无法打开DeltaV的报警列表和操作记录，也不能看到DeltaV的实时报警条，这样对于在DOR上想同时浏览DeltaV画面的用户来讲不太方便，为此，我们对DOR的系统画面做了一些修改，使用户可以在DOR和DeltaV两个系统间自由切换。
RS3与DeltaV之间的通讯
由于生产扩建中并不是新建所有的工艺装置，有些设备将成为三、四期系统的公用设备；有些原来由RS3系统控制的设备并不接入DeltaV系统，但控制策略需要在DeltaV中实现。这样一来，势必需要在RS3系统与DeltaV系统之间建立起控制器间的通讯。我们采用Modbus通讯和OPC Mirror数据镜像两种方式来实现：
Modbus通讯
在RS3和DeltaV的Modbus模块之间建立Modbus连接。
OPC Mirror数据镜像
在一台服务器上安装DeltaV OPC Server和Matrikon OPC Server for RS3 RNI，建立OPC Mirror中转实现RS3与DeltaV的数据交换。
Modbus通讯方式只跟硬件相关，较为可靠但数据传输量较少，适合用来交换较为重要的控制数据；OPC Mirror方式需要通过OPC软件中转数据，适合不太重要或数据量大的交换。
DeltaV与Tricon ESD之间的通讯
四期工程中采用了两套TRICONEX公司的Tricon三重冗余容错PLC控制系统，它需要包含对4台裂解炉的控制、安全保护、安全紧急停车和事故记忆等功能。Tricon系统的I/O卡件均采用冗余结构，每个输入/输出点的信号都采用三重选举电路处理，因而安全性和可靠性极高。Tricon ESD系统需要将各个测量点的报警信息和控制流程传送到DeltaV系统的操作界面上监视，这些信息都是停车或工艺诊断的重要依据。作为一种简单而又可靠的通讯方式，Modbus通讯成为了DeltaV与Tricon ESD系统之间通讯的首选：DeltaV系统作为Modbus主站，Tricon ESD作为从站，实现两者间通讯。
DeltaV、RS3与管控系统间的通讯
DeltaV、RS3与管控系统间的通讯主要是指将过程数据提供给管控系统用来归档或做进一步的统计分析用。系统利用DeltaV OPC Server 和Matrikon OPC Server for RS3 RNI可以提供大量实时的OPC数据服务，实现了过程数据的及时采集、优化控制及管控一体化。
2.4 AMS智能设备管理
在四期项目中选用的仪表几乎都是支持HART协议的，DeltaV中也选用了集成HART的I/O模块。这样，通过AMS智能设备管理系统与DeltaV系统的集成，工程师无需抵达现场，从PC上您就可以检查设备状态、组态、调整量程以及执行诊断。AMS的优势还在于：
可支持220 种以上的HART设备和80种现场总线设备。
支持在线访问设备诊断信息，对设备进行连续监测，立即发现存在的故障。在故障造成重大事故前，及时采取措施。
提供独特的在线性能诊断，实现最佳的阀门预测诊断。
能够方便地实现数据库与标定器之间的数据传送。可提供每个设备的标定结果和所有的维护信息，有助于遵循各类管理机构的规范。
2.5 实施计划
“良好的开始是成功的一半”，正确周密的实施计划是项目顺利进行的关键，对于多系统集成的项目尤为重要。我们坚持了从个体到集成的调试原则，从每个通道到每个模块再到每个子系统，最后确保整个集成系统的准确无误，实现了开车一次成功。
3. 控制室设计方案
在1993年的二期设计中，在控制室内设置了值班室、仪修室，为日后的扩建需求做出了预留。在1998年的三期设计中，将值班室改造为控制机柜室；在2004年的四期设计中，再次将仪修室改造为控制机柜室。所以，二、三、四期共同使用一个中央控制室，操作、检修都很方便，也从基础设施上为此次新老系统升级、合一在上提供了可能。四期成功开车后，操作工作的便利性，令厂方十分满意，这是自控设计中值得借鉴之举。
4. 开车效果
目前，四期工程中的2个裂解炉已经成功开车。单单从经济效果上来说，在如此短的工程建设周期中、在原有的控制系统基础上对系统升级改造，节省了大量的DCS投资及相关工程中的人力、物力、财力投资，也大大减少了长时间停车所造成的直接工厂盈利损失。
5. 总结
醋酸裂解和精馏生产装置DCS系统的扩展采用了RS3、DeltaV和Tricon系统，均是国际一流的控制系统，将三者全集成在一起，发挥各自的优势，节省了大量的工程投资，缩短了停车的时间。此次扩建，从设计到成功投运都是新老DCS控制系统无缝集成的一次创新尝试。项目成功的关键在于对各系统全面深入的研究和理解、对工艺的洞悉以及对关键节点的把握。周密可行的实施计划，科学严格的项目管理，保证了项目实施的各个环节始终处于控制之中，直至项目圆满成功。
