大型化工裝置控制系統設計

黃靜雯

(上海寰球石油化學工程有限公司，上海 200032)

大型化工裝置控制系統設計

黃靜雯

(上海寰球石油化學工程有限公司，上海 200032)

在已建成和正在建設的大型或超大型化工聯合裝置中，生產過程自動化占有重要的位置。隨著計算機網絡的應用，工廠的信息安全問題變得日益重要。計算機技術是日新月異的行業，而項目設計與建成使用之間有相當長的時間差，要求控制系統設計過程中，除對生產裝置的生產過程進行高水平的自動控制外，還需建設全廠的信息管理系統以及企業資源計劃系統，以提高企業的管理水平，增強市場的競爭能力，更重要的是既要考慮業主的經濟承受能力又要考慮行業的發展，使設計建成的產品具有最先進、最合理、性價比最高的特點。

控制系統 機柜室 中心控制室 化工聯合裝置

在大型煤化聯合企業中，生產過程自動化占有重要的位置。面對競爭激烈的市場環境，企業為了提高自身的競爭能力，除對生產裝置的生產過程進行高水平的自動控制外，還應建設全廠信息管理系統以及企業資源計劃系統，提高企業的管理水平，增強市場的競爭能力。

近年來，各工業控制系統逐漸從封閉、孤立的系統走向互聯(包括與IT辦公系統互聯)，廣泛采用包括TCP/IP技術在內的各種IT技術。現代工業控制網絡的發展呈現出一系列值得關注的趨勢：

1) 工業控制網絡及其他業務生產系統(制造執行系統(MES),企業資源計劃系統(ERP)等)在所有網絡層次上的橫向與垂直集成。

2) 將自動化網絡與IT網絡相連，在某些情況下為實現遠程維護與Internet連接。

3) 越來越多地采用開放標準以及基于PC的系統等。

這些趨勢為工業自動化生產帶來技術進步、生產力提高、成本降低與競爭實力增強的同時，導致各種潛在的安全威脅存在，要求在工廠設計時考慮到工廠信息安全措施的需要。

1 全廠管控一體化架構

大型或超大型裝置的全廠管控一體化架構設計為以下三層：

1) 過程控制系統網絡層PCN (Process Control System Network)。PCN是工廠終端或者人機接口網絡，它應該是一個獨立的特殊網絡，服務人員在某些情況下可以使用該網絡。該網絡為包含過程控制系統(PCS)、集散控制系統(DCS)或者監測控制和數據采集系統(SCADA)的工廠安全單元的一部分。

2) 生產制造網絡層MON(Manufacturing Operations Network)。MON可能與辦公網絡處于同一區域，也可能是PCN的一部分。服務人員在某些情況下可以使用該網絡。該網絡為包含MES、先進控制和優化生產控制層(APC & OPC layer)的安全單元的一部分。

3) 企業管理網絡層ECN(Enterprise Control Networks)。ECN網絡通常與辦公網絡位于同一區域，用以完成市場信息、全廠庫存信息、生產調度、經營、采購、財務、人力資源管理和辦公自動化的一體化。該網絡是一個包含企業的信息管理層(Enterprise information management layer)和企業資源計劃管理層(Enterprise resource planning management layer)的安全單元的一部分。

2 控制系統

2.1生產裝置過程控制系統

DCS/PLC與安全儀表系統(SIS)是生產裝置過程控制系統的核心。DCS對生產過程進行基本的控制，在中心控制室對整套裝置的主要過程變量進行檢測和控制，實現參數的監測、報警、PID控制、比值控制、順序控制和各種計算等，并打印報警信息、事件信息，具有屏幕拷貝功能。

DCS應具有開放型的體系結構，須配備與工廠信息管理中心系統連接的接口(OPC)，不僅可以方便地與本裝置生產管理上位計算機系統交換信息，實現現代化的生產和管理，而且還可以與企業總部進行通信。主要特點體現在以下幾個方面：

1) 可通過集成方式降低總運行成本。

2) 具有極高的可靠性和可用性。

3) 具有靈活性和可升級性。從小型實驗室系統直至大型工廠網絡均可使用，可以隨時根據要求通過無縫集成附加功能的方式擴展控制技術功能，例如可用于批次過程自動化、物料傳送控制、資產管理、安全應用、過程數據分析/管理或MES任務。

4) 可以對自有系統和第三方系統逐步進行改造，可保護投資安全。

6) 持續不斷的技術創新， 源自全球居于領先地位的自動化技術供應商。

7) 可通過遍布全球的專家與授權合作伙伴網絡，提供本地化服務和技術支持。

大型或超大型工藝裝置的緊急停車及安全聯鎖采用SIS，為確保安全，擬采用雙重冗余或三重冗余的系統。通常，所有端子柜、接線柜和網絡部件位于機柜室；數字量輸出信號用于停車，所有用于停車的信號必須冗余。SIS能通過1個冗余的Modbus RTU與DCS通信或者直接連接到DCS冗余系統總線上，SIS具有的事件順序記錄(SOE)功能可用于分類事件報警和存儲數據，以便以后分析。SIS產生時間標記，工程師可過濾篩選需要打印的事件記錄。SOE站放在工程師室內，SIS需要跟外部的主時鐘(DCS產生)保持時鐘同步或跟自身的GPS時鐘同步。

2.2操作員培訓系統

操作員培訓系統OTS(Operator Training System)，采用仿真設備和軟件模擬主體裝置所有的控制和保護系統，對操作人員進行系統動態模擬培訓。仿真設備應能顯示真實設備的圖像，可以模擬裝置所有的控制和保護系統。操作員能夠模擬動態操作以及模擬啟動設備。采用與實際DCS完全相同的組態和操作員畫面,從而使得操作員能夠全面的熟悉鍵盤、屏幕、工藝操作畫面、位號、報警、事件和控制方案，表示工藝過程的實際性能。

利用OTS可以為客戶定制生產工藝、控制和邏輯系統的模型，此模型可包含特定的設備故障、過程擾動、用戶功能及培訓作業。OTS應包括下列內容：

1) 與DCS 相同的操作站。

2) 用于計算和處理上述仿真功能的計算機系統。

推動環境損害修復機制建設。強化檢察機關與法院、生態環境職能部門的協作，進一步明確各自職責，推動受損環境得到有效修復。針對環境損害賠償金的管理問題，探索推動建立由政府牽頭、相關行政部門與司法機關共同參與的生態環境公益損害賠償基金管理制度。□

3) 供講師使用的設備，包括用于建立培訓條件的控制器。

2.3其他控制系統

1) 火氣系統(FGDS)。生產裝置內可能泄漏或聚集可燃、有毒氣體的地方，應分別設有可燃、有毒氣體傳感變送器，并將信號接至FGDS。FGDS將報警信號送至DCS，在中心控制室的DCS操作員站上報警。FGDS必須采用經過公安消防部門認證的產品。

2) 機組監視和控制系統(CCS)。通過Modbus RTU協議和RS-485數據連接(非冗余)送至DCS。每一個節點的一個冗余模擬連續接口信號，作為最小化的Modbus RTU485，應該首選冗余TCP/IP。另外，它還能夠將緊急停車信號通過硬接線送至SIS或者通過硬接點信號停止相關機械動作。

3) 透平綜合壓縮機控制系統(ITCC)。通過一個冗余的Modbus RTU與DCS通信或者直接連接到DCS冗余系統總線上(取決于選擇的供應商)。如果通過Modbus RTU通信，所有用于連續控制的信號應該通過硬接線從ITCC送至DCS，通信故障不能影響正常的工廠運行。

4) 計量系統(用電、蒸汽、水、壓縮空氣等)通過Modbus協議和RS-485數據連接(非冗余)送至DCS。

5) 火焰監測系統為具有就地啟動開關的獨立單元，火焰故障報警信號通過硬接線連接到DCS。

6) 與馬達控制中心(MCC)的接口(無論采用何種電壓等級的電機)采用5種標準的硬接線信號：“ON”，“OFF”，“運轉準備好”，“運轉”，“故障”。

7) 大型或超大型工藝裝置中包含若干單元(例如工藝單元和成套設備單元)，它們必須作為一個系統整體運行，可采用PLC控制系統。成套設備帶的PLC必須能夠和DCS通信并確保雙向通信成功。成套設備單元的控制系統設計和文檔應該和工廠其他單元相兼容。

8) 操作數據采集系統(ODS)。ODS具有采集DCS，SIS，FGDS，轉動設備數據采集系統，罐區數據采集及管理系統，操作數據管理系統，分析儀數據采集及管理系統，化驗室采集及信息管理系統，馬達操作控制系統，操作員培訓模擬仿真系統，光纜網絡及交換機系統，閉路工業電視系統，資財管理系統，物流自動化控制等系統數據的功能。

3 管理信息系統

1) 在促進企業信息化建設，減少信息采集和分析成本，降低工作強度，提高信息共享能力的同時，為上層管理系統和企業決策提供可靠數據依據。

2) 通過實時數據采集，建立底層數據基礎，提高生產過程透明度，及時發現生產中存在的問題。

3) 通過對關鍵績效指標(如能耗、成本數據等)的分析，使企業管理者能實時監測指標的變化情況，采取相應措施，從而降低企業管理和生產成本，達到節能降耗的目的。

4) 實現與現有管理層軟件(如ERP系統)的集成，為這些軟件提供可靠、實時的數據，發揮各系統間集成的優勢。

5) 通過設備維護和停機管理，提高設備利用率，減少設備非計劃停機時間和次數，從而提高生產率。

4 控制系統集成

在大型或超大型工藝裝置區、儲運、公用工程各自設置獨立的以太網—局域工廠管理網，其與全廠管理網連接。以太網是實現信息交換的主干網絡，網絡接口和通信要求必須保證速度快、負荷低，且安全性高。DCS，AMS，RDAS，ODS等具有各自特有的功能，在自成系統的同時，具備與局域工廠管理網/全廠管理網的通信接口。控制系統與工廠管理網之間的數據交換通信，優先選用OPC (Object Linking and Embedding for Control)技術。采用以太網OPC 的通信方式將過程控制層和管理層(包括生產運行管理和生產經營管理)集成為一個整體。在過程控制層設置共享的實時數據庫也為管理層的關系數據庫提供了生產數據平臺。

5 控制系統的分布

5.1現場機柜室

大型或超大型工藝裝置通常要求將現場機柜室(FRR)和MCC放在同一建筑物里(FRR無工程師站和操作人員)。在各個主要生產裝置中設置FRR，FRR應放在主要生產裝置的安全(非爆炸)區域內，FRR建筑物應背向工藝生產裝置，并應采取相應的抗爆結構設計，使其具有一定抵御外部爆炸的能力。FRR應遠離振動區和電磁干擾。

5.2中心控制室

中心控制室(CCR)是生產控制和生產操作的指揮中心，擔負著整個生產過程的控制、操作和監管等重要功能。隨著控制技術的發展和自動化水平的提高，根據各個生產裝置的位置、規模、功能等，傾向于在大型或超大型工藝裝置集中設置一個CCR來進行集中控制、操作和管理。

CCR應位于非爆炸、無火災危險的區域內，與工藝生產裝置間距離應不小于30m。CCR建筑物應背向工藝生產裝置，采用抗爆結構。CCR應遠離振動區和電磁干擾。

CCR建筑物耐火等級不應低于二級，其建筑物的基礎地面應高于室外地面600mm以上。

5.3調度室

調度室(CR)是企業的管理中心，對企業的生產運行和設備資產進行全過程管理。在大型或超大型企業中，考慮設置一個CR來進行集中管理，建立可靠的底層基礎數據信息，建立合理的信息/數據流向，形成信息共享，減少重復工作，降低工作強度，以提高企業的總體技術和管理水平。CR的建筑要求同CCR。

6 過程控制系統的信息安全

過程控制系統作為企業生產控制必不可少的組成部分，技術上基于計算機網絡技術。因此，過程控制系統同樣面臨著網絡安全問題。由于過程控制系統在工廠內的重要性和特殊性，確保過程控制系統的信息安全尤為重要。因此，2011年9月，工業與信息化部發布“關于加強工業控制系統信息安全管理的通知”(工信部協[2011]451號文件)，明確了重點領域工業控制系統信息安全管理要求。

DCS與辦公信息系統的信息安全要求有明顯的區別。這是因為DCS是控制工藝生產過程必不可少的系統，可用性是最重要的；而辦公信息系統對可用性的要求可以降低，但是對數據的安全性要求更高。

信息安全國際標準IEC 62443/ISA 99提出了對過程控制系統的縱深防御的概念和最佳實踐，由以下幾個部分構成：

1) 物理安全。

2) 安全策略與流程。工業信息安全不是一個單純的技術問題，而是一個從意識培養開始，涉及管理、流程、架構、技術、產品等各方面的系統工程。

3) 網絡分區與邊界防護。在不同安全域間的接口、邊界處，針對性地部署邊界訪問控制措施，如部署適應化工生產要求的工業防火墻，可為特定的工業控制應用(如OPC通信)提供周全防護的專用工業安全網關等。

4) 安全的單元間通信。在過程控制系統縱深防御安全解決方案中，網絡分區與邊界防護的目的并不是要重新造成信息“孤島”，而是在不同安全分區或單元之間實現有控制的互聯。

5) 系統加固與補丁管理。基于Windows的工業PC系統(IPC)集成了大量的IT組件、技術，如Windows操作系統、數據庫、中間件、應用系統等，由于其技術的開放性與復雜性，非常容易成為整個過程控制系統的弱點。

6) 惡意軟件的檢測與防護。工業控制面臨的最大、最普遍的威脅是病毒、木馬等惡意軟件對基于Windows的工控系統的感染、干擾與破壞。

7) 訪問控制與賬號管理。對石油石化過程控制系統中的關鍵性設備、應用，需要部署恰當的訪問控制機制。

8) 日志與審計。在現有的石化過程控制系統中，許多組件、工作站、系統都具有記錄安全事件的能力，如防火墻/安全網關在攔截攻擊、惡意行為的過程中，會記錄相應的安全事件，生成安全日志，IPC上的系統、應用也會產生相應的安全日志。

在選用過程控制系統時，應該對系統的信息安全性能提出較為具體的要求。過程控制系統不僅應滿足控制、操作、管理等要求，還需要具有完善的信息安全解決方案，確保系統的安全運行。

7 結束語

大型或超大型裝置設計，尤其是前期(可研、方案)與建成使用之間有相當長的時間差，對于一個新建企業的控制系統設計，既要考慮業主的經濟承受能力，又要考慮行業的發展，使設計的產品在建成時，仍具有最先進、最合理的高性價比，是設計人員應考慮的問題。

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ControlSystemDesigninLarge-scareChemicalIndustryPlant

Huang Jingwen

(Shanghai Huanqiu Contracting & Engineering Corp, Shanghai, 200032， China)

In the mega or super mega chemical combination plant built or under building, process automation always plays an important role. With the application of computer network, the information protection becomes more and more important for the plant. Computer technology has being updated with each passing day. But there is a huge time gap between the design and integration. During control system design process, it is required not only the production process needs to be controlled with high level automation for the production installation, but also the whole plant information management system and enterprise resource plan system need to be constructed to increase the enterprise management level and strength the competitive ability. Furthermore, both the economic capability of users and development of industry should be considered to make designed and constructed product with characteristics of most advanced, reasonable and highest performance cost ratio.

control system; cabinet room; control central; chemical combination unit

稿件收到日期： 2013-01-04。

黃靜雯(1963—)，女，上海人，畢業于華東化工學院化工自動化及儀表專業，現就職于上海寰球石油化學工程有限公司電控室，從事自控設計工作，任高級工程師。

TP273

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1007-7324(2013)03-0010-04