煉油廠DCS系統(tǒng)再改造后可靠性的分析

齊文軍，顏景義，于振榮，張 麗

（中國石油烏魯木齊石化公司 煉油廠，烏魯木齊 830019）

0 引言

DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫（Distributed Control System），即為集散控制系統(tǒng)，它運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和通訊技術(shù)、圖形顯示技術(shù)來實(shí)現(xiàn)過程控制和過程管理的控制系統(tǒng)[1]。DCS通常采用若干個(gè)控制器（過程站）對(duì)一個(gè)生產(chǎn)過程中的眾多控制點(diǎn)進(jìn)行控制和檢測(cè)，各控制器間通過網(wǎng)絡(luò)連接并可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。操作采用計(jì)算機(jī)操作站，通過網(wǎng)絡(luò)與控制器連接，收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，傳達(dá)操作指令。DCS體現(xiàn)了分散控制集中管理。

烏魯木齊石化公司煉油廠的重油催化裝置、重催精制從1995年起使用的DCS系統(tǒng)是Fisher公司的PROVOX系統(tǒng)，常減壓裝置使用的DCS系統(tǒng)為1996年的Honeywell公司的TDC3000系統(tǒng)，由于裝置的擴(kuò)容改造同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間太長、元器件的老化和備件采購困難等問題，使得這些設(shè)備已不能滿足正常生產(chǎn)的需求。烴重組裝置的DCS系統(tǒng)為2005年和利時(shí)公司的MACS系統(tǒng)，由于煉油廠建廠較早，控制系統(tǒng)各異，各裝置建設(shè)時(shí)均采用獨(dú)立控制系統(tǒng)，裝置現(xiàn)有控制室相對(duì)分散。為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域集中控制室將區(qū)內(nèi)各裝置的監(jiān)視、控制、操作和管理融為一體，將區(qū)域之間的生產(chǎn)、管理信息流集中共享，變崗位或裝置操作為系統(tǒng)操作，從 2009年起，本廠對(duì)這4套裝置中使用的DCS系統(tǒng)進(jìn)行了改造，并將4套裝置的操作站放置在同一個(gè)主控室，改造后統(tǒng)一采用Honeywell的PKS系統(tǒng)。DCS的統(tǒng)一化通過一個(gè)OPC接口連接到上層網(wǎng)絡(luò)，也有利于數(shù)據(jù)采集上傳到公司總調(diào)。

就整個(gè)裝置運(yùn)行的可靠性而言，DCS系統(tǒng)的安全可靠性是至關(guān)重要的，為了提高DCS的可靠性，改造方案的正確性、合理性就顯得尤為重要。以下就通過基礎(chǔ)資料、系統(tǒng)選型、施工質(zhì)量、組態(tài)調(diào)試、人員培訓(xùn)等方面來闡述系統(tǒng)改造后整個(gè)系統(tǒng)的合理性和可靠性。

1 基礎(chǔ)資料

由于是改造系統(tǒng)，沒有成套的設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)資料進(jìn)行組態(tài)和施工，需要收集所有的基礎(chǔ)資料。這項(xiàng)工作費(fèi)力而費(fèi)時(shí)，但基礎(chǔ)資料的準(zhǔn)確性及全面性，決定了組態(tài)的可靠性，也決定了新系統(tǒng)投用系統(tǒng)操作的安全可靠性。

1）組態(tài)資料應(yīng)保持原有的控制方案。如果是同一廠家的系統(tǒng)更換或升級(jí)，則可以做系統(tǒng)的整體備份，一般同一系統(tǒng)都有兼容性。如果不同廠家的系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)格式不同，無法打開原有的數(shù)據(jù)庫。因此，可以將所有的組態(tài)按照顯示點(diǎn)、單回路、串級(jí)回路、分程回路及其他復(fù)雜控制、程序、邏輯圖等分類打印出來，流程圖存入BMP格式，作為新系統(tǒng)的組態(tài)資料?；A(chǔ)資料除了數(shù)據(jù)庫資料還包括工藝的各類報(bào)表及工藝算法，對(duì)于改造項(xiàng)目，組態(tài)人員除了具有較強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)還需要充分掌握原有的控制方案及工藝流程，這樣組態(tài)的控制方案才更合理更可靠。

2）輔助臺(tái)作為基礎(chǔ)資料的一部分，輔助操作臺(tái)也需要核對(duì)每一個(gè)信號(hào)，從何處來到何處去，都應(yīng)有詳細(xì)的說明，這樣改造時(shí)不會(huì)出現(xiàn)遺漏信號(hào)。輔助臺(tái)一般由廠家集成，本廠需要提供詳細(xì)的信號(hào)類型如有源節(jié)點(diǎn)還是干節(jié)點(diǎn)、對(duì)聲光及供電的要求，按鈕、開關(guān)、輔臺(tái)的尺寸及排布要求。

3）改造系統(tǒng)最大的工程在于接線柜的重新接線安裝，應(yīng)該提前完成這部分的資料。首先是信號(hào)來源，從現(xiàn)場(chǎng)來的、從其他系統(tǒng)如ESD來的等，包括到報(bào)警臺(tái)的信號(hào)，最好與施工單位的負(fù)責(zé)人一起對(duì)接，提前繪制出施工接線圖，各留一份資料，保證沒有遺漏的信號(hào)及信號(hào)的準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)選型及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)裝置特點(diǎn)要求選擇合理的系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是非常必要的，在DCS選型過程中需要充分了解裝置的特點(diǎn)。目前各家系統(tǒng)在技術(shù)上都能滿足一般要求，但都有各自的特點(diǎn)。因此，要針對(duì)裝置特點(diǎn)如對(duì)歷史數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間的要求，對(duì)控制器點(diǎn)數(shù)的要求，在今后擴(kuò)容改造的版本兼容性等問題來考慮系統(tǒng)。本次改造，根據(jù)工藝對(duì)各類平均值的趨勢(shì)，及保持原有操作習(xí)慣的操作面板的開發(fā)需求，選擇使用Honeywell的PKS系統(tǒng)。同時(shí)還應(yīng)注意一下幾點(diǎn)：

1）首先要注意考慮在此行業(yè)如石化煉油廠運(yùn)行良好的業(yè)績控制系統(tǒng)，而且沒有不良行為記錄的廠家，這樣可以借鑒同行在使用過程中系統(tǒng)運(yùn)行的情況，同時(shí)系統(tǒng)通過實(shí)際應(yīng)用得到可靠性的驗(yàn)證。

2）控制系統(tǒng)的硬件要采用成熟技術(shù)具有一定的可靠性和防腐性，控制器、I/O卡及通訊卡能夠在線熱拔插，I/O卡具有很強(qiáng)的抗干擾能力。控制器的運(yùn)算和存儲(chǔ)能力要滿足裝置需求，同時(shí)要存有一定的余量以便滿足日后擴(kuò)容及實(shí)現(xiàn)軟件開發(fā)的需求。為了滿足今后的儀表設(shè)備管理及維護(hù)，I/O卡使用HART協(xié)議的智能卡，以便將現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的信號(hào)取進(jìn)DCS中，通過設(shè)備管理系統(tǒng)進(jìn)行后期的管理和維護(hù)。

3）控制系統(tǒng)要充分地采用冗余技術(shù)。對(duì)于控制系統(tǒng)的控制器、網(wǎng)絡(luò)通訊、系統(tǒng)電源、用于控制的I/O卡等必須1:1冗余，且冗余設(shè)備之間必須能實(shí)現(xiàn)無擾切換。采用冗余結(jié)構(gòu)能夠保證一旦一個(gè)設(shè)備故障，另一個(gè)備用設(shè)備及時(shí)承擔(dān)工作，而不影響裝置的正常運(yùn)行，同時(shí)能夠有足夠的時(shí)間對(duì)故障進(jìn)行在線處理，消除故障。冗余技術(shù)實(shí)際上提高了系統(tǒng)的可靠性。

4）控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件的穩(wěn)定性開發(fā)性要好，人機(jī)交換友好，操作站的軟件安裝不受主機(jī)機(jī)型的限制，如操作站主機(jī)故障時(shí)，能夠用其他DELL主機(jī)安裝使用。組態(tài)軟件可以在線修改組態(tài)及下裝；系統(tǒng)自診斷性好，在操作員級(jí)別直接進(jìn)入診斷環(huán)境，從網(wǎng)絡(luò)、控制器診斷到I/O通道，并提供報(bào)警狀態(tài)，這樣可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)處理。

5）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，這樣故障點(diǎn)少，易維護(hù)。接口設(shè)備通用性強(qiáng)，通訊故障已是DCS的常見故障，通用性強(qiáng)的設(shè)備可以縮短故障處理時(shí)間。

6）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定應(yīng)從節(jié)點(diǎn)少，故障點(diǎn)少，系統(tǒng)穩(wěn)定來考慮。本次改造使用重催、重催精制、二套常減壓、烴重組4套裝置在一條網(wǎng)絡(luò)的總線型結(jié)構(gòu)。采用的是一條FTE網(wǎng)，控制器分別在各裝置的機(jī)柜間，分別用光纜連接到集中控制室，冗余服務(wù)器放置在集中控制室的工程師站，并在每個(gè)機(jī)柜間放置一臺(tái)應(yīng)急操作站C站，以便光電轉(zhuǎn)換器、交換機(jī)、光纜任意故障，機(jī)柜間的操作站仍然可以使用，不至于造成裝置停工。由于Honeywell公司的PKS系統(tǒng)的操作站，分為C站和F站，集中控制室的操作站既有C站也有F站，4套裝置控制網(wǎng)是獨(dú)立的，因此任意裝置的光路出現(xiàn)故障不會(huì)影響其他裝置，這樣真正做到管理集中，故障點(diǎn)盡量分散，如圖1所示。

圖1 改造后PKS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 After transforming PKS system structure

3 系統(tǒng)供電及接地

考慮到DCS控制系統(tǒng)是每天24小時(shí)的常年運(yùn)行，一般控制系統(tǒng)的供電要求分兩路供電，在條件允許的情況下，實(shí)行雙UPS供電。這里采用一路UPS電源，一路市電。實(shí)行電源分配箱，分配箱內(nèi)交直流轉(zhuǎn)換電源要冗余，一般情況電源的配置由DCS系統(tǒng)供貨商提供，但在分布時(shí)需要注意散熱問題，并且同類備用電源應(yīng)不少于實(shí)際配置的20%，另外，24VDC電源選擇應(yīng)考慮帶故障報(bào)警輸出功能。分配箱中應(yīng)設(shè)置控制系統(tǒng)總斷路器或若干分支斷路器，斷路器分配原則為：每個(gè)控制柜一個(gè)，操作站實(shí)行分組供電，每個(gè)裝置的操作站分2組，從不同的斷路器引入，外配柜內(nèi)根據(jù)開關(guān)電源的數(shù)目各配一個(gè)，其他用電設(shè)備根據(jù)具體數(shù)目配置斷路器。每個(gè)斷路器及分支斷路器都做好標(biāo)記，注明供電的設(shè)備，配電線標(biāo)注始端和終端，這樣后期因維護(hù)需要斷電不會(huì)斷錯(cuò)電。

接地應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)要求配置，一般有兩個(gè)接地的DCS系統(tǒng)，保護(hù)接地系統(tǒng)應(yīng)該接到電氣工程低壓電器設(shè)備的保護(hù)接地網(wǎng)上，連接應(yīng)牢固可靠，不應(yīng)串聯(lián)接地。各儀表回路指應(yīng)由一個(gè)信號(hào)回路接地點(diǎn)，機(jī)柜的各類接地分別有各自的接地支線引至接地匯流排，由匯流排引出接地干線在于接地總干線相連，在非連接處彼此絕緣[2]。接地不良，會(huì)引入干擾信號(hào)，引起信號(hào)波動(dòng)。接地混亂，會(huì)引起不同接地間電位分布不均，存在電位差，影響系統(tǒng)的可靠性。

4 施工質(zhì)量

施工質(zhì)量是控制系統(tǒng)的可靠性保證的基礎(chǔ)。對(duì)于DCS控制系統(tǒng)的安裝要選擇有良好資質(zhì)和施工經(jīng)驗(yàn)的施工單位。施工前期施工單位的技術(shù)人員、廠家、用戶進(jìn)行施工會(huì)議，明確各單位職責(zé)，制定施工統(tǒng)籌，定期進(jìn)行三查四定會(huì)議，系統(tǒng)柜的集成一般由廠家完成，但用戶必須進(jìn)行工廠測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。施工單位安裝必須具有施工方案，同時(shí)保持施工環(huán)境衛(wèi)生。在DCS安裝、調(diào)試中尤其注意以下問題：

1）施工中機(jī)柜的型鋼底座應(yīng)在地面施工完成前安裝找正，型鋼底座進(jìn)行防腐處理，緊固件要用防銹材料，各設(shè)備構(gòu)件之間的連接要牢固，安裝固定不應(yīng)采用焊接方式，接地嚴(yán)格按照系統(tǒng)對(duì)接地的要求，在振動(dòng)場(chǎng)所盤柜等要有防振動(dòng)措施[2]。機(jī)柜間的接線一定要規(guī)范，嚴(yán)格按照系統(tǒng)要求。

2）敷設(shè)電纜時(shí)要注意強(qiáng)電弱電分開，接線前應(yīng)先校線，兩端都做好標(biāo)記，剝線時(shí)應(yīng)注意不要損傷線芯，電纜與端子接線要牢固，導(dǎo)電要良好，柜內(nèi)信號(hào)線呼對(duì)方的標(biāo)記，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)線為現(xiàn)場(chǎng)儀表位號(hào)，這樣才能有利于日后查找維護(hù)。

3）要嚴(yán)格機(jī)柜間的環(huán)境條件，及時(shí)投用空調(diào)和加濕器，保證機(jī)柜間溫濕度，并保持機(jī)柜衛(wèi)生，施工人員進(jìn)入機(jī)柜間應(yīng)穿鞋套。

4）安裝完成后，與施工負(fù)責(zé)人、DCS供應(yīng)商一起進(jìn)行系統(tǒng)第一次上電，并進(jìn)行供電系統(tǒng)的冗余測(cè)試和接地測(cè)試。

5 組態(tài)和調(diào)試

組態(tài)就是利用DCS系統(tǒng)的應(yīng)用軟件中提供的功能實(shí)現(xiàn)工程任務(wù)的過程，也就是軟硬件相結(jié)合。 每個(gè)系統(tǒng)都提供了強(qiáng)大的功能塊，用戶可以自由靈活運(yùn)用各功能塊完成各種復(fù)雜控制，邏輯控制，順控和用戶編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制過程的監(jiān)控和編制工藝報(bào)表。

1）在組態(tài)和調(diào)試過程中要有工藝人員參加，這樣可根據(jù)工藝原有的操作習(xí)慣及要求完成組態(tài)，使操作安全簡便。

組態(tài)時(shí)盡量做到故障點(diǎn)分散。首先控制器采用1:1冗余，所有的卡件都要備用1或2個(gè)空通道，以便今后出現(xiàn)通道故障時(shí)可以更換。控制回路的I/O設(shè)為冗余，一般通道分配按照裝置的工藝工段來分配及編號(hào)，但對(duì)于重要的測(cè)量信號(hào)和帶聯(lián)鎖信號(hào)不要分配在同一卡上，這樣卡件故障，不會(huì)影響多個(gè)重要的回路。同時(shí)可以將卡留有備用點(diǎn)，備用的空點(diǎn)可以先組態(tài)下裝，這樣一旦開工期間發(fā)現(xiàn)通道故障可以使用，不用冒在線下裝的風(fēng)險(xiǎn)。

組態(tài)方案也要做到無擾動(dòng)切換。實(shí)現(xiàn)的控制方案可以多種，但要考慮安全可靠操作簡便。充分利用DCS提供的流程圖組態(tài)工具，使復(fù)雜的控制變得操作簡單，因?yàn)樵诰o急情況下，人的判斷和操作往往是滯后的、不可靠的，如果控制操作復(fù)雜容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。在本次改造中，有許多控制方案是選擇控制，如圖2的控制方案[3]，為此在組態(tài)時(shí)，使用PKS系統(tǒng)提供的操作面板及VB編程，使所有的操作在一個(gè)面板完成，操作人員只需在流程圖畫面點(diǎn)擊位號(hào)就調(diào)出面板，進(jìn)行選擇，并且又手動(dòng)打到自動(dòng)或自動(dòng)打到手動(dòng)都是無擾動(dòng)的，無需考慮很多，如圖3所示[4]。

圖2 控制方案Fig.2 Control scheme

圖3 操作面板Fig.3 Operation panel

2）調(diào)試過程也是重要的環(huán)節(jié)，一般系統(tǒng)集成由廠家完成，組態(tài)完成后，一定要與廠家一起完成工廠測(cè)試，對(duì)每個(gè)I/O通道進(jìn)行調(diào)試，并做好相應(yīng)的記錄，出現(xiàn)問題及時(shí)告知廠家進(jìn)行確認(rèn)。尤其對(duì)電源的測(cè)試，檢查連接是否正確，是否做到冗余。對(duì)于回路測(cè)試，尤其復(fù)雜回路需要信號(hào)源模擬操作進(jìn)行調(diào)試，這一過程不能馬虎，通過測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)聯(lián)鎖是否正確，順控、編程是否可靠，控制方案是否合理，同時(shí)檢查組態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)儀表量程是否一致。系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝后上電后，一定要與工藝一起做現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)校，這樣從不同的方面發(fā)現(xiàn)問題，更有利于系統(tǒng)的可靠性。

6 人員培訓(xùn)

系統(tǒng)一旦組態(tài)完成，系統(tǒng)搭建后，對(duì)于人員的培訓(xùn)是很重要的。

1）對(duì)操作人員的培訓(xùn)

所有操作都在DCS的流程圖完成，畫面的正確可靠決定操作的安全可靠。因此，工藝人員參與到整個(gè)組態(tài)和調(diào)試過程中，裝置的靜態(tài)的流程圖畫面由工藝完成，通過調(diào)試，使操作人員熟悉操作監(jiān)控界面和工藝流程，了解控制方案及聯(lián)鎖方案，知道如何操作復(fù)雜控制并編寫操作規(guī)程。要充分利用DCS控制系統(tǒng)調(diào)試階段對(duì)相關(guān)操作人員進(jìn)行全面培訓(xùn)。

2）對(duì)儀表人員的培訓(xùn)

由于DCS控制系統(tǒng)涉及的知識(shí)面很廣，要短時(shí)間進(jìn)行全面掌握是不可能的。但通過培訓(xùn)，了解DCS控制系統(tǒng)的搭建，網(wǎng)絡(luò)通訊的建立，硬件的構(gòu)成，同時(shí)要充分利用設(shè)備調(diào)試出現(xiàn)的問題，進(jìn)行分析、判斷和解決問題，這樣積累一定的經(jīng)驗(yàn)，保證開工出現(xiàn)的一般問題得到及時(shí)解決。

7 結(jié)束語

通過對(duì)基礎(chǔ)資料、系統(tǒng)選型、施工質(zhì)量、組態(tài)調(diào)試、人員培訓(xùn)等方面的全面考慮，DCS系統(tǒng)改造就可以順利圓滿完成。通過運(yùn)行，本次DCS改造后，由于考慮周全，一直沒有出現(xiàn)由于DCS問題而導(dǎo)致工廠停工或拖延開工。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，只要能從基礎(chǔ)資料、系統(tǒng)選型、施工質(zhì)量、組態(tài)調(diào)試、人員培訓(xùn)等方面全權(quán)考慮，就可以提高DCS系統(tǒng)改造的成功性和系統(tǒng)改造后的運(yùn)行的可靠性，從而達(dá)到保障安全生產(chǎn)的目的。

[1]王森,朱炳興.分散控制系統(tǒng),儀表工試題集[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[2]自動(dòng)化儀表工程施工及驗(yàn)收規(guī)范.GB50093-2002[S],北京:中國計(jì)劃出版社.

[3]Honeywell公司PKS系統(tǒng)資料;自動(dòng)控制基礎(chǔ)理論[M].石油化工儀表自動(dòng)化培訓(xùn)教材編寫組.北京:中國石化出版社.

[4]楊忠寶,康順哲.VB語言程序設(shè)計(jì)教程[M].北京:人民郵電出版社,2010.