煉油廠DCS系統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是分布式控制系統的英文縮寫（Distributed Control System），即為集散控制系統，它運用計算機技術、控制技術和通訊技術、圖形顯示技術來實現過程控制和過程管理的控制系統[1]。DCS通常采用若干個控制器（過程站）對一個生產過程中的眾多控制點進行控制和檢測，各控制器間通過網絡連接并可進行數據交換。操作采用計算機操作站，通過網絡與控制器連接，收集生產數據，傳達操作指令。DCS體現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系統是Fisher公司的PROVOX系統，常減壓裝置使用的DCS系統為1996年的Honeywell公司的TDC3000系統，由于裝置的擴容改造同時系統運行時間太長、元器件的老化和備件采購困難等問題，使得這些設備已不能滿足正常生產的需求。烴重組裝置的DCS系統為2005年和利時公司的MACS系統，由于煉油廠建廠較早，控制系統各異，各裝置建設時均采用獨立控制系統，裝置現有控制室相對分散。為了實現區域集中控制室將區內各裝置的監視、控制、操作和管理融為一體，將區域之間的生產、管理信息流集中共享，變崗位或裝置操作為系統操作，從 2009年起，本廠對這4套裝置中使用的DCS系統進行了改造，并將4套裝置的操作站放置在同一個主控室，改造后統一采用Honeywell的PKS系統。DCS的統一化通過一個OPC接口連接到上層網絡，也有利于數據采集上傳到公司總調。

就整個裝置運行的可靠性而言，DCS系統的安全可靠性是至關重要的，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。以下就通過基礎資料、系統選型、施工質量、組態調試、人員培訓等方面來闡述系統改造后整個系統的合理性和可靠性。

1 基礎資料

由于是改造系統，沒有成套的設計院的設計資料進行組態和施工，需要收集所有的基礎資料。這項工作費力而費時，但基礎資料的準確性及全面性，決定了組態的可靠性，也決定了新系統投用系統操作的安全可靠性。

1）組態資料應保持原有的控制方案。如果是同一廠家的系統更換或升級，則可以做系統的整體備份，一般同一系統都有兼容性。如果不同廠家的系統，由于數據格式不同，無法打開原有的數據庫。因此，可以將所有的組態按照顯示點、單回路、串級回路、分程回路及其他復雜控制、程序、邏輯圖等分類打印出來，流程圖存入BMP格式，作為新系統的組態資料。基礎資料除了數據庫資料還包括工藝的各類報表及工藝算法，對于改造項目，組態人員除了具有較強的專業知識還需要充分掌握原有的控制方案及工藝流程，這樣組態的控制方案才更合理更可靠。

2）輔助臺作為基礎資料的一部分，輔助操作臺也需要核對每一個信號，從何處來到何處去，都應有詳細的說明，這樣改造時不會出現遺漏信號。輔助臺一般由廠家集成，本廠需要提供詳細的信號類型如有源節點還是干節點、對聲光及供電的要求，按鈕、開關、輔臺的尺寸及排布要求。

3）改造系統最大的工程在于接線柜的重新接線安裝，應該提前完成這部分的資料。首先是信號來源，從現場來的、從其他系統如ESD來的等，包括到報警臺的信號，最好與施工單位的負責人一起對接，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及信號的準確性。

2 系統選型及網絡結構

根據裝置特點要求選擇合理的系統及網絡結構是非常必要的，在DCS選型過程中需要充分了解裝置的特點。目前各家系統在技術上都能滿足一般要求，但都有各自的特點。因此，要針對裝置特點如對歷史數據的采樣時間的要求，對控制器點數的要求，在今后擴容改造的版本兼容性等問題來考慮系統。本次改造，根據工藝對各類平均值的趨勢，及保持原有操作習慣的操作面板的開發需求，選擇使用Honeywell的PKS系統。同時還應注意一下幾點：

1）首先要注意考慮在此行業如石化煉油廠運行良好的業績控制系統，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運行的情況，同時系統通過實際應用得到可靠性的驗證。

2）控制系統的硬件要采用成熟技術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卡具有很強的抗干擾能力。控制器的運算和存儲能力要滿足裝置需求，同時要存有一定的余量以便滿足日后擴容及實現軟件開發的需求。為了滿足今后的儀表設備管理及維護，I/O卡使用HART協議的智能卡，以便將現場智能儀表的信號取進DCS中，通過設備管理系統進行后期的管理和維護。

3）控制系統要充分地采用冗余技術。對于控制系統的控制器、網絡通訊、系統電源、用于控制的I/O卡等必須1:1冗余，且冗余設備之間必須能實現無擾切換。采用冗余結構能夠保證一旦一個設備故障，另一個備用設備及時承擔工作，而不影響裝置的正常運行，同時能夠有足夠的時間對故障進行在線處理，消除故障。冗余技術實際上提高了系統的可靠性。

4）控制系統的應用軟件的穩定性開發性要好，人機交換友好，操作站的軟件安裝不受主機機型的限制，如操作站主機故障時，能夠用其他DELL主機安裝使用。組態軟件可以在線修改組態及下裝；系統自診斷性好，在操作員級別直接進入診斷環境，從網絡、控制器診斷到I/O通道，并提供報警狀態，這樣可以及時發現故障及時處理。

5）網絡結構不復雜，這樣故障點少，易維護。接口設備通用性強，通訊故障已是DCS的常見故障，通用性強的設備可以縮短故障處理時間。

6）系統結構確定應從節點少，故障點少，系統穩定來考慮。本次改造使用重催、重催精制、二套常減壓、烴重組4套裝置在一條網絡的總線型結構。采用的是一條FTE網，控制器分別在各裝置的機柜間，分別用光纜連接到集中控制室，冗余服務器放置在集中控制室的工程師站，并在每個機柜間放置一臺應急操作站C站，以便光電轉換器、交換機、光纜任意故障，機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套裝置控制網是獨立的，因此任意裝置的光路出現故障不會影響其他裝置，這樣真正做到管理集中，故障點盡量分散，如圖1所示。

圖1 改造后PKS系統結構圖Fig.1 After transforming PKS system structure

3 系統供電及接地

考慮到DCS控制系統是每天24小時的常年運行，一般控制系統的供電要求分兩路供電，在條件允許的情況下，實行雙UPS供電。這里采用一路UPS電源，一路市電。實行電源分配箱，分配箱內交直流轉換電源要冗余，一般情況電源的配置由DCS系統供貨商提供，但在分布時需要注意散熱問題，并且同類備用電源應不少于實際配置的20%，另外，24VDC電源選擇應考慮帶故障報警輸出功能。分配箱中應設置控制系統總斷路器或若干分支斷路器，斷路器分配原則為：每個控制柜一個，操作站實行分組供電，每個裝置的操作站分2組，從不同的斷路器引入，外配柜內根據開關電源的數目各配一個，其他用電設備根據具體數目配置斷路器。每個斷路器及分支斷路器都做好標記，注明供電的設備，配電線標注始端和終端，這樣后期因維護需要斷電不會斷錯電。

接地應根據系統要求配置，一般有兩個接地的DCS系統，保護接地系統應該接到電氣工程低壓電器設備的保護接地網上，連接應牢固可靠，不應串聯接地。各儀表回路指應由一個信號回路接地點，機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，會引入干擾信號，引起信號波動。接地混亂，會引起不同接地間電位分布不均，存在電位差，影響系統的可靠性。

4 施工質量

施工質量是控制系統的可靠性保證的基礎。對于DCS控制系統的安裝要選擇有良好資質和施工經驗的施工單位。施工前期施工單位的技術人員、廠家、用戶進行施工會議，明確各單位職責，制定施工統籌，定期進行三查四定會議，系統柜的集成一般由廠家完成，但用戶必須進行工廠測試和現場測試。施工單位安裝必須具有施工方案，同時保持施工環境衛生。在DCS安裝、調試中尤其注意以下問題：

1）施工中機柜的型鋼底座應在地面施工完成前安裝找正，型鋼底座進行防腐處理，緊固件要用防銹材料，各設備構件之間的連接要牢固，安裝固定不應采用焊接方式，接地嚴格按照系統對接地的要求，在振動場所盤柜等要有防振動措施[2]。機柜間的接線一定要規范，嚴格按照系統要求。

2）敷設電纜時要注意強電弱電分開，接線前應先校線，兩端都做好標記，剝線時應注意不要損傷線芯，電纜與端子接線要牢固，導電要良好，柜內信號線呼對方的標記，現場信號線為現場儀表位號，這樣才能有利于日后查找維護。

3）要嚴格機柜間的環境條件，及時投用空調和加濕器，保證機柜間溫濕度，并保持機柜衛生，施工人員進入機柜間應穿鞋套。

4）安裝完成后，與施工負責人、DCS供應商一起進行系統第一次上電，并進行供電系統的冗余測試和接地測試。

5 組態和調試

組態就是利用DCS系統的應用軟件中提供的功能實現工程任務的過程，也就是軟硬件相結合。 每個系統都提供了強大的功能塊，用戶可以自由靈活運用各功能塊完成各種復雜控制，邏輯控制，順控和用戶編程，實現對現場控制過程的監控和編制工藝報表。

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

組態時盡量做到故障點分散。首先控制器采用1:1冗余，所有的卡件都要備用1或2個空通道，以便今后出現通道故障時可以更換。控制回路的I/O設為冗余，一般通道分配按照裝置的工藝工段來分配及編號，但對于重要的測量信號和帶聯鎖信號不要分配在同一卡上，這樣卡件故障，不會影響多個重要的回路。同時可以將卡留有備用點，備用的空點可以先組態下裝，這樣一旦開工期間發現通道故障可以使用，不用冒在線下裝的風險。

組態方案也要做到無擾動切換。實現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提供的流程圖組態工具，使復雜的控制變得操作簡單，因為在緊急情況下，人的判斷和操作往往是滯后的、不可靠的，如果控制操作復雜容易出現錯誤。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]，為此在組態時，使用PKS系統提供的操作面板及VB編程，使所有的操作在一個面板完成，操作人員只需在流程圖畫面點擊位號就調出面板，進行選擇，并且又手動打到自動或自動打到手動都是無擾動的，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）調試過程也是重要的環節，一般系統集成由廠家完成，組態完成后，一定要與廠家一起完成工廠測試，對每個I/O通道進行調試，并做好相應的記錄，出現問題及時告知廠家進行確認。尤其對電源的測試，檢查連接是否正確，是否做到冗余。對于回路測試，尤其復雜回路需要信號源模擬操作進行調試，這一過程不能馬虎，通過測試可以發現聯鎖是否正確，順控、編程是否可靠，控制方案是否合理，同時檢查組態與現場儀表量程是否一致。系統現場安裝后上電后，一定要與工藝一起做現場聯校，這樣從不同的方面發現問題，更有利于系統的可靠性。

6 人員培訓

系統一旦組態完成，系統搭建后，對于人員的培訓是很重要的。

1）對操作人員的培訓

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組態和調試過程中，裝置的靜態的流程圖畫面由工藝完成，通過調試，使操作人員熟悉操作監控界面和工藝流程，了解控制方案及聯鎖方案，知道如何操作復雜控制并編寫操作規程。要充分利用DCS控制系統調試階段對相關操作人員進行全面培訓。

2）對儀表人員的培訓

由于DCS控制系統涉及的知識面很廣，要短時間進行全面掌握是不可能的。但通過培訓，了解DCS控制系統的搭建，網絡通訊的建立，硬件的構成，同時要充分利用設備調試出現的問題，進行分析、判斷和解決問題，這樣積累一定的經驗，保證開工出現的一般問題得到及時解決。

7 結束語

通過對基礎資料、系統選型、施工質量、組態調試、人員培訓等方面的全面考慮，DCS系統改造就可以順利圓滿完成。通過運行，本次DCS改造后，由于考慮周全，一直沒有出現由于DCS問題而導致工廠停工或拖延開工。實踐經驗表明，只要能從基礎資料、系統選型、施工質量、組態調試、人員培訓等方面全權考慮，就可以提高DCS系統改造的成功性和系統改造后的運行的可靠性，從而達到保障安全生產的目的。

[1]王森,朱炳興.分散控制系統,儀表工試題集[M].北京:化學工業出版社,2002.

[2]自動化儀表工程施工及驗收規范.GB50093-2002[S],北京:中國計劃出版社.

[3]Honeywell公司PKS系統資料;自動控制基礎理論[M].石油化工儀表自動化培訓教材編寫組.北京:中國石化出版社.

[4]楊忠寶,康順哲.VB語言程序設計教程[M].北京:人民郵電出版社,2010.