簡析化工控制系統優化及管理

摘 要：文章通過對多倫煤化工控制系統供電、CPU負荷、通訊、控制方案等方面存在問題的分析，結合行業設計、維護規范導則、各控制系統使用維護及功能模塊使用說明最終優化了化工系統，并通過測試及切換試驗制定相應的合理維護制度來保證系統健康優良運用。

關鍵詞：控制系統；優化；性能試驗；系統管理

中圖分類號：TE966 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）20-0173-03

1 大唐多倫煤化工化工區控制系統的組成

化工控制系統是化工生產的指令部件，它對化工生產的安全、經濟運行起著不可估量的作用，優化、管理控制系統勢在必行。大唐多倫煤化工化工區控制系統主要包括以下幾個組成部分：

①大唐多倫煤化工工藝流程長，包括6個主工藝裝置：空分裝置、煤氣化裝置、酸脫裝置、甲醇裝置、MTP裝置及PP裝置。

②整個煤基烯烴裝置由聯合控制系統來進行監視和控制，包括：DCS、ESD/ITCC、PLC、輔控網、SIS等系統組成。

③全廠裝置控制系統結構分為三層，包括工廠信息管理網（MES）、本地控制網（通訊網）、萬能控制網（UCN）等，具體見圖1全廠裝置系統拓撲圖。

2 化工區控制系統優化

設計初期控制系統處于雜、亂、散、功能發揮不全等問題，依據控制系統設計原則和控制導則對控制系統進行分析診斷、理念優化18個方面的問題，解決問題的同時根據石油化工生產工藝SIL3級的要求，ESD系統所有軟硬件最終通過了TüV的AK6級認證。

2.1 控制系統系統CPU負荷率優化

①凈化和MTP裝置主系統DCS的CPU負荷率超過70%，增加控制器，平衡各控制器的負荷率，經優化后，各控制器的負荷率不超過45%。

②空分界區ITCC控制系統負荷率優化。增加PLC系統，實現了空冷系統風機變頻控制功能同時降低ITCC系統的負荷，使空分三套ITCC控制系統得到優化，提高了ITCC控制系統的穩定性，安全性。

③預干燥界區MODICON PLC系統CPU負荷率優化。預干燥界區三套工藝裝置共用一套MODICON PLC系統，配置為一對冗余的CPU，負荷率過高同時PLC系統出現故障三套工藝裝置全部無法控制和監視，將中斷給下游煤氣化裝置的供煤，新增2套CPU及其附屬設備，將三套工藝裝置的控制與監視分控制器控制，實現分散控制，既降低了單個PLC系統CPU的負荷率，也實現了危險分散。

2.2 使用合理可靠的通訊方式，提高控制系統之間通訊

可靠性

①對于控制系統之間的通訊點采取聯鎖保護優化為硬接線、DCS只允許從ESD系統中讀取數據禁止向ESD系統寫數據，即通訊不能用于聯鎖跳車的原則。

②控制系統內部控制器之間的通訊點采取聯鎖保護優化為硬接線。

③取消小型（I/O點數僅有幾點或幾十點）PLC，直接進入DCS控制，免除了與DCS之間的通訊，降低通訊負荷同時解決了MODBUS通訊的非冗余性，提高了控制的可靠性，也克服了MODBUS通訊的距離限制。

④參與ESD緊急停車同時又在DCS參與控制的信號，均采用一拖二安全柵實現信號安全傳輸。否則采用通訊或按ESD優先的原則從ESD輸出后送入DCS顯示。

2.3 重要壓縮機增加操作站，提供全面監視和控制

重要壓縮機分別在現場控制室和中央控制室增加操作站，給工藝操作人員提供具有全面的監視和控制功能，并實現中央控制控制室的遠程控制功能。

2.4 統一各控制系統時鐘源，與GPS時鐘實現同步

①統一化工區DCS系統時鐘同步功能。全廠所有DCS系統使用一個時鐘源，即在中央控制室配置GPS時鐘，利用Honeywell LCN網絡載入時鐘信號，同步了中控室所有操作站，通過光纖將時鐘信號廣播至現場各界區DCS系統，完成現場DCS各設備的同步。

②實現和統一化工區各ITCC系統、ESD系統時鐘同步功能。ITCC和ESD系統在各界區獨立配置GPS時鐘源，即在現場控制室配置GPS時鐘系統，通過以太網分別接入ITCC、ESD系統完成時鐘同步。

③PLC則采用通訊的方式實現了同步。

2.5 提升中央控制室控制和監視功能，各裝置實現一體

化控制

①優化中央控制室輔助操作臺的功能設計，在各裝置原有輔助操作臺新增加部分重要設備的緊急停車按鈕，提升輔助操作臺的安全性、可靠性，滿足工藝操作人員遠程實現緊急停車的目的。

②利用系統擴展功能，建立系統權限令牌，規定中央控制室高于現場控制室的操作權限。

③為適應中央控制室與現場控制室遠程信號傳輸的要求，特別配置了Tricon TMR遠程控制系統，使中央控制室與現場控制室之間的信號以三重化I/O BUS的形式傳輸，極大地提高了系統的可靠性和可用性。在遠程機架的配置方案中，遵循生產實際要求，采用一對一的配置方式，即中央控制室中的一套主系統將在現場控制室中配置一套獨立的遠程機架。最終通過了TüV的AK6級認證。

④整合公用工程控制系統和全廠電氣設備控制系統，實現中央控制室集中操作與監視。

2.6 優化控制系統電源系統，提升控制系統的安全性

檢查評估控制系統UPS電源可靠性，對存在隱患的UPS系統進行改造優化。存在問題的電源系統主要為以下五類。

①多套控制系統共用一套UPS系統。空分三套DCS系統及ITCC控制系統共用一套UPS電源系統。

②部分控制系統的UPS電源無冗余配置，為單路。

③部分控制系統的UPS電源雖然配置了兩套UPS電源，但配置結構并未實現冗余機構；

④部分控制系統自配的小型UPS雖然配置了冗余電源系統，但電源切換裝置的切換時間不能到達控制系統規定的時間。

⑤所有UPS電源的工作狀態及方式、報警等參數未進入相應控制系統中顯示其實時數據，不能實時監視UPS的工作狀態。

針對以上問題，提出了UPS個性改造方案，最終使控制系統電源實現雙路冗余配置，并且各套系統UPS電源相互獨立且主參數顯示記錄。

2.7 全廠大機組、重要裝置的聯鎖保護優化

化工各界區的單點保護項目和二取二保護項目或三取二三點共用一張板卡等不合理保護項目優化為三取二（分板卡使用）保護功能。

2.8 優化邏輯控制、報警功能，實現工藝過程的控制和

監視

①控制邏輯旨為實現工藝過程的控制和監視，其設計的依據是工藝控制要求。但如果能在工藝控制要求的基礎上盡可能實現自動化控制，是自動化設計追求的理念。這類優化在各裝置控制系統調試、投運前基本完成。

②重要裝置、重要機組增加跳閘首出邏輯。增設重要機組、重要裝置跳閘首出邏輯，目前所有重要機組、重要裝置在相應的控制系統均完成了跳閘首出功能。

③控制系統報警系統優化。設計之初，控制系統的報警類型、項目設計過多，報警信號頻發，卻不能及時引起重視或發現。根據工藝過程要求，優化了大量的報警系統，減少了數量，優化了質量，同時每臺操作站還增加了聲光功能，使報警系統能更好的為工藝人員起到提醒作用。

3 控制系統的管理與性能試驗

①控制系統定期維護及定期性能試驗，發現問題及早改造優化，防患于未然。首先，制定控制系統性能試驗方案。為了檢驗控制系統的性能，制定了控制系統的性能試驗方案。控制系統的性能試驗主要包括：冗余電源切換試驗、控制器冗余切換試驗、冗余I/O模件切換試驗、控制網冗余切換試驗、以太網冗余切換試驗、系統實時性響應試驗、控制器負荷率測試、通訊負荷率測試、畫面切換響應時間等。其次，定期做控制系統性能試驗。2010年儀控專業對化工界區的DCS、ESD、ITCC、PLC控制系統分別作了相應的性能試驗，通過試驗發現了5項問題，之后對5項問題進行了整改，驗收合格。通過性能試驗一則檢驗了控制系統的性能、二則發現了問題，消除了隱患，避免在控制系統運行過程中出現問題，危及到工藝裝置的穩定運行。為了定期檢驗控制系統的性能，儀控專業要求各界區每逢大小修期間，將控制系統的性能試驗做為常規檢修項目。再次，控制系統CPU后備電池定期更換。控制系統CPU后備電池的作用是保障在控制系統失電后，避免CPU中的程序在短期內不致丟失。控制系統的CPU后備電池在線時間超過2～3 a后須更換新電池。化工區大部分控制系統運行時間截止到2010年6月，已投運超過3 a，也即這些控制系統的CPU后備電池在線時間超過3 a，需更換。因此儀控專業將全廠的CPU后備電池在2010年9月進行了全部更換，消除后備電池能量不足可能給控制系統造成的隱患。并且在DCS系統維護管理制度中明確規定，所有控制系統的CPU后備電池每三年更換一次。

②使用制度管理進一步保證控制系統安全、穩定的運行。為了確保人為因素危及到控制系統的安全運行，以及巡檢記錄不到位不能及時消除控制系統的故障等問題，儀控專業制定了《電子間出入登記制度》、《工程師站出入登記制度》、《控制系統異常記錄制度》、《控制系統定期備份制度》、《控制系統密碼管理制度》、《控制系統日常巡檢制度》、《控制系統定期試驗及測試制度》、《控制系統CPU電池定期更換制度》、《控制系統失靈緊急預案》等。并且嚴格執行公司制定的《聯鎖保護投退制度、置數及其恢復制度》。這些制度執行使“人為因素”造成控制系統出現異常或事故的幾率基本達到可控在控。

4 結 語

化工區控制系統的優化通過了性能測試，達到了優化圖標，通過制度化管理約束人的行為，勢在必行。控制系統的優化包含系統性能優化和控制水平優化，控制水品優化提高集散控制水平及自動化水平，減少由于人工操作造成的失誤，減少由于控制能力造成的停工、停產及事故發生，提高自動化水平的同時實現了減人增效，從而實現企業效益最大化；控制系統性能優化提高了控制系統的健康水平，從性能試驗可以看到控制系統的自生是健康良好的。系統性能優化和控制水平優化保證了企業內部所有裝置的安全、經濟運行。應用與實踐也能帶動我國化工企業大型裝置自動化水平和化工企業控制系統管理水平的發展。

參考文獻：

[1] 解懷仁.石油化工儀表控制系統選用手冊[M].北京:化學工業出版社，2010.