TSxPlus系統在催化油漿加氫裝置的應用

唐少文

南京金陵石化建筑安裝工程有限公司，中國·江蘇 南京 210033

1 引言

燃料油主要以原油加工過程中的渣油、催化裂化油漿、催化重柴油及其他重質餾分等為原料調合而成。燃料油還可以在多種設備上使用，分為船用燃料油、爐用燃料油及其他燃料油。工業和電力行業燃料油消費量可能繼續萎縮，石油加工行業對燃料油的需求已降至極低水平但仍存在少量剛需，而船用燃料油持續增長。根據國際海事組織（IMO）的規定，自2020年1月1日起，全球所有海域航行的船舶尾氣必須達標排放，船舶或使用硫含量小于0.5%的低硫燃料油，或采用尾氣脫硫措施。按照新規，高、低硫船舶燃料油將在市場共存。船舶燃料油質量標準升級后，低硫燃料油供應將趨緊，高低硫船舶燃料油價差拉大，船舶燃料油生產、供應格局將發生改變。船舶燃料油質量標準升級，對產能過剩的中國煉油業來說是難得的發展機遇[1]。隨著環保政策加深，船舶燃料油的使用也成為交通運輸部重點關注對象，因此燃料油生產裝置的安全生產也就尤為重要。

2 催化油漿加氫

2.1 裝置簡介

90 萬噸/年催化油漿加氫裝置是金陵石化公司在現有Ⅲ汽油加氫裝置基礎上改建的一套催化油漿“減壓蒸餾—加氫脫硫”裝置。于2020年12月投入生產使用。該裝置以金陵石化公司Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ套催化裝置的催化油漿及罐區油漿為原料，主要生產低硫船用燃料油調和組分，送至油品罐區調和生產RMG380 船用殘渣燃料油。后期兼顧生產滿足下游焦化裝置生產高端石墨材料所需的原料。

2.2 工藝技術簡介

90 萬噸/年催化油漿加氫裝置采用中國石油化工股份有限公司大連(撫順)石油化工研究院（后文簡稱FRIPP）研發的催化油漿加氫技術方案，生產低硫船用殘渣燃料油。

由于金陵催化油漿含有催化劑粉末、且硫含量較高，需要進行原料預處理。催化油漿中的催化劑粉末可以采用切尾方法除去，先將催化油漿減壓深拔，取得合適的催化油漿原料，再將該油漿進一步加氫處理降低硫含量，滿足低硫的要求。催化油漿經減壓蒸餾、加氫脫硫后，至罐區調和。其生產技術路線見圖1。

圖1 催化油漿加氫裝置生產技術路線

3 TSxPlus 系統

3.1 系統介紹

“TSxPlus 安全保護和關鍵控制系統”是康吉森面向工業自動化流程行業應用開發的具有完全自主知識產權的安全儀表系統（SIS）和機組控制系統（ITCC）產品[2]。康吉森TSxPlus 安全儀表系統（SIS）完全適用于化工、石化企業的安全保護及關鍵控制。TSxPlus 系統包括硬件平臺和軟件平臺兩部分，其中硬件平臺通過專用FTA 端子板連接現場儀表和執行器；軟件平臺包括組態編程、診斷、OPC、SOE、AMS和HMI 等軟件。同時，TSxPlus 具有與第三方系統的通訊接口，支持Modbus TCP 、Modbus RTU 和Modbus ASCII 通訊。

容錯是系統的重要特性，它是系統能診斷到故障并采取必要措施的能力。TSxPlus 系統采用TMR 安全架構，采用了完全的三重化設計（2oo3D）。除電源模塊為雙重冗余架構外，PM、BI 及I/O 均包含獨立三系，三系并行，每系可獨立執行控制程序，有效提升系統及被控過程的安全性和可用性。TSxPlus 系統具有多種故障診斷及報警功能。該系統降級模式為3-2-1-0。這種架構和降級模式可以保證系統應用過程在確保安全性的同時維持最大的可用性。TSxPlus 系統在取得功能安全SIL3 認證的同時還取得了歐洲信息安全SL1 認證和美國信息安全標準定義的Level 1 等級認證，可以同時滿足用戶對功能安全和信息安全的要求。TSxPlus 系統是中國同類產品首套取得國際信息安全標準認證的安全保護系統，也是中國首套取得美國信息安全標準認證的安全保護系統。

3.2 TSxPlus 硬件架構

TSxPlus 系統是基于先進的功能安全和信息安全技術的可編程序電子控制系統，專門用于過程控制、緊急停車系統、燃燒爐管理系統和火氣系統等SIS 應用[3]。TSxPlus 系統中的模塊可根據特定的安全或控制應用所需的功能進行配置。

一套典型的TSxPlus 系統包括主處理器模塊（PM）、通訊模塊（CM）、電源模塊（PW））、I/O 模塊和端子板（FTA）、容納這些模塊的機架、現場連接線以及PC（見圖2）。TSxPlus 系統中每個模塊作為現場可更換單元，安裝在機架內，且均具備防混淆設計。

圖2 TSxPlus 系統配置

3.2.1 機架（MC）

TSxPlus 系統的機架采用標準的19 英寸機架，最多支持15 個機架。該系統支持主機架和擴展機架物理結構模式。主機架提供2 個系統電源模塊槽位、3 個主處理器模塊槽位、1個通訊模塊專用槽位和6 對冗余I/O 槽位；擴展機架提供2個系統電源模塊槽位和8 對冗余I/O 槽位。

3.2.2 電源模塊（PW）

TSxPlus系統每個機架內配備兩個冗余的電源模塊（PW）,分別經過機架底板獨立的輸入端子，每個電源均可滿足機架內系統側電源要求。電源模塊（PW）具備輸出過壓和過流保護。

電源模塊（PW）雙冗余配置提高了系統可用性的同時，并不影響系統的SIL 等級。在PC 軟件中，電源模塊（PW）冗余使用不需要用戶配置。

3.2.3 主處理器模塊（PM01）

TSxPlus 系統主處理器模塊（PM01）采用三冗余配置，三個獨立控制器模塊同步運行，降級模式支持3-2-1-0；每系主控制器負責通過I/O 總線獲取輸入模塊采集信號，與另外兩系主處理器模塊交換數據，經過運算和三取二表決后，通過I/O 總線輸出最終命令。

主處理器模塊具有豐富的診斷功能，可及時診斷出電源、時鐘、存儲器、CPU、外圍接口等故障，自動做相應處理并及時報警。

3.2.4 通訊模塊（CM01）

TSxPlus 系統通訊模塊（CM01）用于完成控制站與上位機軟件之間的通訊，控制站之間的安全通訊，控制站與第三方控制系統之間的通訊。

每個CM 支持2 個Ethernet 接口和4 個串口。Ethernet接口可被配置為System Net 與上位機軟件進行通訊，或者可配置為Safety Net 與其他控制站通訊，或者配置成Modbus TCP 與第三方控制系統進行通訊。串口可配置為Modbus RTU/ASCII 與第三方控制系統通訊。

3.2.5 I/O 模塊及FTA 板

TSxPlus 系統常用的I/O 模塊有AI 模塊（AI3281）、AO 模塊（AO1681）、DI 模塊（DI3201）、DO 模塊（DO3201）、PI 模塊（OSP01）。I/O 模塊采用單模塊TMR 架構，冗余的三系放置在同一模塊上。I/O 模塊通過固定在機架背板上的連接器與主處理器模塊（PM）和FTA 連接。每個I/O 模塊對應一個FTA，I/O 模塊冗余配置時，冗余模塊共用FTA。I/O 模塊的工作溫度是-10～60℃。I/O 模塊均支持在線更換。

3.3 TSxPlus 組態軟件

3.3.1 ARCHITECT EVENT 軟件簡介

ARCHITECT EVENT 軟件是一款運行于Windows 操作系統下的事件收集軟件，與控制站按照私有通訊協議進行連接并實時交換數據，可以對獲取的事件進行查找、排序、篩選等離線操作，并具有操作日志記錄、操作權限配置和用戶權限管理等功能。

3.3.2 ARCHITECT MONITOR 軟件簡介

ARCHITECT MONITOR 軟件是一款運行于Windows 操作系統下的通訊軟件，與控制站按照私有通訊協議進行連接，提供讀取診斷信息、版本、日志的服務，支持記錄操作日志和通訊日志，并且具有操作權限配置和用戶權限管理等功能。

3.3.3 ARCHITECT SERVER 軟件簡介

ARCHITECT SERVER 軟件是一款運行于Windows 操作系統下的OPC Server 通訊軟件，與控制站按照私有通訊協議進行直連，可以與支持OPC Client 的第三方應用系統進行交換數據，提供讀寫變量的服務，并具有操作日志記錄、操作權限配置和用戶權限管理等功能。

3.3.4 ARCHITECT 軟件簡介

ARCHITECT 作為可編程控制系統組態編程工具，運行于windows7/10 及以上windows 操作系統。支持用戶使用IEC61131-3 標準的ST、FBD、LD 等語言進行控制邏輯編程，支持用戶定義簡單和復雜的各種類型變量，同時也支持對可編程控制系統進行硬件模塊配置。組態軟件提供離線編輯和編譯功能，提供下裝在線下裝、監視變量等基本在線功能，同時還提供了停止/啟動/單周期/暫停、寫變量、強制變量等高級功能。

4 TSxPlus 系統在催化油漿加氫裝置的應用

90 萬噸/年催化油漿加氫裝置的安全儀表系統（SIS）控制方案主要分為加氫部分（原III 汽油加氫裝置改建）和減壓部分（新建）兩個部分。加氫部分（改建）控制方案分別是I1 ～I7 的緊急泄壓停車聯鎖、加氫進料泵停車聯鎖、加熱爐F101 停爐聯鎖、加熱爐F101 長明燈停車聯鎖、高分系統液位低低聯鎖、循環氫壓縮機聯鎖和新氫壓縮機聯鎖。減壓部分（新建）控制方案分別是I8 ～I17 的注水系統停泵聯鎖、減壓爐F401 停爐聯鎖、減壓爐F401 長明燈停車聯鎖、減壓塔側二線火災閥聯鎖、減壓塔底火災閥聯鎖、減壓爐F401 引風機聯鎖、減壓爐F401 鼓風機聯鎖、加熱爐F101 鼓風機聯鎖、減頂不凝氣排放聯鎖和壓縮機干氣密封聯鎖。

4.1 硬件配置及系統組態

根據項目需求，本項目共配置了2 個控制柜（包括1 個主機架、3 個擴展機架）、3 輔助柜、1 臺工程師站、1 臺操作站。系統內包括1 組主處理器模塊、1 對冗余通訊模塊、6 個AI模塊、1 個AO 模塊、6 個DI 模塊、5 個DO 模塊和1 個PI模塊。本項目首先在ARCHITECT 組態軟件中創建一個新項目。ARCHITECT 只有與控制站連接才具有實際使用意義，應在項目中添加一個控制站，雙擊站名，打開硬件配置窗口，進行硬件配置（見圖3）。

圖3 硬件配置窗口

硬件配置完成后，在項目樹上右擊程序列表新建一個程序。程序創建完成后，將程序添加到執行列表中。在程序執行的時候，控制站將按照執行列表中的順序周期性執行。

4.2 控制方案策略組態

本項目使用ARCHITECT 中的FBD 語言進行控制邏輯編程，實現各種控制方案。

4.2.1 AI 模擬量處理。

使用AIN_1 模塊對所有AI 點進行量程轉換和報警值、聯鎖值處理（見圖4）。

圖4 AI 模擬量處理模塊

4.2.2 聯鎖控制方案的實現。

使用或門（OR）、三取二模塊（V2oo3）、SR 觸發器（SR）等功能塊，搭建出符合控制策略的控制方案。

減壓爐F401 長明燈停車聯鎖（I10）控制方案（見圖5）的聯鎖條件：①減壓爐長明燈火嘴壓力低低三取二（PT3009ABC）；②爐膛輻射頂壓力持續過高（PT3083ABC高高三取二，持續＞5s）；③減壓爐手動停長明燈按鈕（輔操臺）；④減壓爐手動停長明燈按鈕（現場按鈕）。

圖5 減壓爐F401 長明燈停車聯鎖控制

聯鎖動作：①關減壓爐主火嘴切斷閥（XV3002）；②關減壓爐長明燈切斷閥（XV3001）。其他I1 ～I17 的控制方案也依次完成。

4.2.3 過程報警處理

使用ALM 模塊對報警信號、聯鎖信號等過程報警進行處理（見圖6），輸出至蜂鳴器及指示燈，產生及時的聲光報警。提醒操作人員及時處理。

圖6 報警信號、聯鎖信號處理

4.2.4 系統報警處理

使用硬件狀態采集模塊（TR_SLOT_STATUS）采集硬件信息，集中處理后輸出系統報警狀態（見圖7）。

圖7 硬件狀態采集模塊

4.3 Modbus 通訊組態

在硬件配置窗口中，選擇Modbus 從站配置。在配置中根據數據類型的不同，將需要通訊的變量分配在相應的通訊塊中。通訊塊共有線圈、離散量輸入、輸入寄存器和輸出寄存器4 類。再到相應通訊塊中分配通訊變量的通訊地址（見圖8、圖9）。

圖8 通訊變量配置1

圖9 通訊變量配置2

Modbus 從站配置完成后，可以與支持Modbus 協議的第三方應用系統進行交換數據。催化油漿加氫項目將TSxPlus系統中的數據通過Modbus 通訊傳送到DCS 系統（Honeywell PKS 系統）中顯示。

5 結語

90 萬噸/年催化油漿加氫裝置是金陵石化公司內首批使用TSxPlus 系統的裝置之一。在裝置開工過程中經過大量調試、完善，完全滿足裝置工藝操作要求。自2020年12月投入生產使用以來，系統平穩運行了半年。充分體現了TSxPlus系統工作穩定、安全可靠，足以保證裝置安全平穩運行。