國產分散控制系統在裂解裝置技術改造中的探索

王子洋

(中國石油化工股份有限公司 茂名分公司，廣東 茂名 525000)

分散控制系統(DCS)作為石油化工裝置的核心控制單元，對裝置安全穩定生產和提高效益發揮至關重要的作用。近年來，隨著中國石化行業高質量發展，一些老舊裝置的DCS逐漸難以適應當前安全生產和未來的發展需要，同時，國內控制系統制造企業工藝技術的不斷進步，使得對DCS實施國產化替代成為可能。本文介紹了利用檢修契機對裂解裝置的DCS實行國產化替代取得的良好效果，并提供了可借鑒的實踐經驗。

1 國產化技術改造的背景和目標

1.1 DCS國產化改造的意義

當前，國際上各大國之間貿易戰不斷加劇，國內石化行業急需打破國外DCS的壟斷局面，有效解決國外DCS的技術封鎖、價格昂貴、安全漏洞、服務不及時等核心問題。近年來，隨著“中國智造”的不斷崛起，在國家層面不斷鼓勵和推進控制系統的國產化改造，國產DCS已具備了一定的技術水平和競爭力，需在大型煉化企業的重點裝置中進一步運用實踐。對此中國石化一直在推進DCS國產化項目的實施，針對集團內某大型煉化一體化企業裂解裝置控制系統改造項目，經多番論證后，利用檢修契機采用某國產品牌DCS整體替換該裝置原進口DCS。

1.2 裂解裝置DCS概況

某裂解裝置于2006年投產，共有7臺裂解爐，包括1臺循環乙烷氣體原料裂解爐和6臺液體原料裂解爐，主要采用ABB Lummus和SEI開發的“北方爐”工藝技術，分離工藝采用前脫丙烷前加氫及三元制冷技術。該裝置原DCS為進口品牌，總儀表檢測點數為5×103余點，經過多年使用和不斷的改造，已經明顯出現元器件老化導致的故障率升高、可靠性降低、維護難度大等問題，以及暴露出以往控制系統的建設水平存在操作顯示不直觀、事件報警記錄不齊全、備用點數不足等無法滿足當前管理要求的問題。

1.3 改造目標和內容

針對上述問題，為了滿足安全生產和提質增效的要求，需利用檢修契機對該裝置DCS整體更換。經調研分析，認為當前主流國產DCS的性能已經與進口系統相差無幾，符合裝置對于安全生產的要求。并利用本次改造對組態程序進一步優化，完善操作畫面流程圖、各類事件和報警記錄、重新鑒定PID參數等，提升裝置控制系統的可靠性和控制平穩性。

2 改造實施的難點與對策

2.1 改造實施的難點

改造實施中主要有以下難點：

1)實施難度大。該項目是對裝置原DCS進行整體更換，相較于新建項目，具有圖紙資料不齊全、施工及調試時間緊迫、原線路清理復雜等難點；相較于通常的升級改造項目，具有組態程序轉換復雜、所有硬件設備需全部更換、所有回路和邏輯需全部重新調試等難點。

2)新舊系統整體結構不同。原進口DCS的網絡為鏈式結構，組態模式以其特有的CL語言為主。新國產DCSD的網絡為星型結構，具備更強的容錯性和可靠性，組態方式以當前通用的功能塊模式為主，具備更強的易維護性。新舊系統各類模塊的參數配置和控制算法均不同，在該項目中需整體重構DCS。

3)組態程序轉換難度極大。由于原進口DCS采用非通用的CL語言組態，并且歷經多年改造，已有的設計資料無法準確描述其真實的控制意圖，需要潛心研讀原系統程序，再與僅有的設計資料和工藝專業人員反復比對和溝通理解，重新明確描述當前系統真正的控制模式才可使項目繼續實施。

4)控制邏輯未經實際校驗。該項目需將所有程序從舊系統翻譯至新系統，所有順控、聯鎖邏輯及復雜控制回路均無法在系統上線前進行實際測試，并且該裝置DCS須在18 d內調試完5×103余個儀表點，工期非常緊迫，存在程序調試設計驗證不充分的風險。

5)新舊系統PID參數意義不同。因新舊系統的PID控制模塊算法不同，導致原系統PID參數無法在新系統中直接使用，需全部重新整定，存在對工藝過程控制效果不佳的風險。

6)組態參數數量龐大。需對所有點位和控制邏輯的參數全部重新設置，組態中的流程圖畫面、量程、報警值、故障值、正反作用、聯鎖值、延時值等參數以及改造項目新增組態數量龐大，存在設置錯誤或漏項的風險。

7)作業過程管控風險巨大。該裂解裝置共約4×104個接線端子，并存在大量無設計圖紙的接線，十分繁瑣復雜。該項目需在12 d內完成硬件改造，23 d內完成所有點位的邏輯調試，工期非常緊迫，存在接線錯誤等風險，影響該裝置開車，進而影響整個化工系列裝置開車。

2.2 改造對策及技術要求

針對以上技術難點，主要的對策如下：

1)全面理清原系統的軟硬件配置。需將該裝置最初設計資料、歷年改造資料全部收集齊備，再與現場實際情況進行核對確認，并做好記錄形成目前運行系統的真實、齊備的圖紙。在硬件方面需要理清原系統的供電結構、網絡結構、卡件布置和回路接線，必須保證每條回路的線路走向、有源或無源接法、常開常閉接法等信息清晰明確，并詳細補充到原設計圖紙中；在軟件方面需將原系統的控制組態、功能塊參數、流程圖畫面等內容全部梳理并理解到位，再與工藝專業人員共同核對，形成能夠準確反應當前系統實際控制意圖的完整資料。

2)新舊系統的一致性問題。在該項目的設計中不僅要考慮系統的可靠性和合規性，更要考慮項目實施過程中的便利性。在硬件方面，為保證施工準確高效，新系統的機柜布置盡量與原系統一致，并且由于裂解裝置是先停爐區再停分離單元，則在設計之初就將爐區和分離單元的機柜分別布置，以便于根據裝置各單元停工的順序盡早開展施工。在軟件組態方面需保證控制功能與原系統、原設計完全一致，不可擅自更改。

3)消除舊系統隱患。需對照最新設計規范和管理要求，將當前控制系統的隱患在設計階段就徹底消除。

a)接地系統不規范。該裝置機柜間原接地系統是將保護接地和儀表接地分別引入變電所與電氣設備接地相連，不符合SH/T 3081—2019《石油化工儀表接地設計規范》的要求，以往雷電天氣時容易出現系統異常，在該次改造時按照新規范要求將儀表接地和保護接地在機柜間內最終匯總，再通過接地電纜與裝置框架的總接地網相連接，同時在電氣側將UPS零線接地。

b)關鍵控制回路可靠性不高。由于裂解裝置生產運行周期長，以往儀表測量信號“一取一”的控制模式存在可靠性不高的風險，所以在該項目中對重要控制回路增設現場測量儀表，并將3臺儀表測量信號分別接入DCS的3塊輸入卡件，在系統內部進行“三取中”運算后再進行控制，確保整個回路高可靠性。

c)接線端子隱患問題。原系統端子柜全部采用刀片壓接方式，存在側向力容易使其松動或脫落的風險，該項目全部更換為通用的螺絲緊固端子。

4)對控制系統進行優化改進。在設計階段，需考慮進一步提升系統可靠性并優化操作畫面、控制組態和事件記錄等內容。

a)完善系統狀態監測。將所有電源模塊、交換機的報警信息全部引入對應的控制系統中，再通過Modbus將除DCS以外各控制系統的硬件狀態、聯鎖旁路狀態、電源及交換機狀態、機柜間溫濕度、UPS狀態全部通信至DCS，并在DCS中繪制整個機柜間系統狀態監測圖，實現通過一張圖即可顯示該裝置所有控制系統的硬件狀態和報警的功能。

b)取消PLC。干燥器控制邏輯原是由現場PLC完成，具有運行環境較差、故障率較高、操作復雜、監控不直觀、事件記錄不全等問題。在該次改造中，組織原成套設備廠家和DCS工程師充分解讀PLC控制程序，將所有控制邏輯全部改在DCS中實現，取消現場PLC控制。

c)完善工控網絡安全配置。對照《中國石化工業儀表控制系統安全防護實施規定》(中國石化生[2019]318號)的要求，利用該項目增設DCS隔離網關，并具備OPC AE功能，確保既能滿足新規定的要求，又為下一步將控制系統狀態上傳信息網做準備。

d)增設現場設備管理功能。新增設該國產DCS配置的現場設備管理模塊，通過帶HART通信功能的AI及AO卡件，可以實現在設備管理服務器中與現場儀表直接通信并修改組態。在該項目中針對未配備現場模擬量回訊器的重要閥門，利用現場設備管理服務器讀取閥門定位器中的實時閥位值，再傳輸至系統域服務器和操作站，實現在監控畫面調用顯示和設置偏差報警的功能。同時，通過OPC服務器上傳至工廠信息網，接入儀表健康平臺監控。設備管理功能網絡如圖1所示。

圖1 設備管理功能網絡示意

5)做好項目實施準備。結合歷年來典型控制系統故障，從10個方面編制了76項驗收清單，集中列出需要關注的重點事項逐項確認驗收。并針對機柜拆裝、控制方案改造等重點且難度大的任務編制專項技術方案，為項目推演和過程管控提供依據。

3 改造過程中需特別關注的事項

3.1 技術方面需注意的事項

技術方面需注意的事項如下：

1)需深入理解原系統控制要求。原進口系統中的CL語言不是常用的組態方式，特別是裂解爐六路進料控制邏輯，其核心是單組進料流量PID回路的給定值始終等于總進料流量PID回路的輸出值加上爐管溫度TDC補償值再加上模式切換偏差值之和，以及總進料量控制器的手自動狀態需隨著單組進料流量控制器的串級狀態自動轉變等關鍵功能必須徹底理解，確保在新系統原封不動實現。

2)需重點關注與外部系統的接口程序。原系統與RTO和APC系統的接口中加入了AM模件，通過AM模件建立APP應用可直接調用各控制器，再由CL程序完成與下層各控制器讀寫對接。但由于新系統沒有AM模塊，所以需要深入解讀其接口邏輯，并分別在各控制器中重新組態中間變量及接口程序。

3)需提前預設控制參數。由于新舊系統PID算法不同，導致原PID參數不可在新系統直接使用。需分別理解新舊系統的算法，再設計轉換公式，通過Excel把舊系統的參數批量轉換至新系統中并預設進相應功能塊中。

4)需注意系統機架供電電纜截面積。該裝置儀表為隔爆型，各AI和AO信號儀表均由卡件直接供電。該國產DCS每個機架最多可安裝16塊AI或AO卡件，每塊卡件為16通道，每個AI和AO通道均采用1.5 mm2電纜，而默認為整個機架。供電的電纜也為1.5 mm2，存在上下級電纜負荷不對應的問題。為此根據SH/T 3082—2019《石油化工儀表供電設計規范》將機架供電電纜改為2.5 mm2，以滿足現場使用。

3.2 施工方面需注意的事項

1)務必理清所有系統接線。在該項目實施過程中，發現了由于歷年改造項目不規范產生的無圖紙資料、無接線號碼管或標識錯誤，甚至經過多個過渡端子柜的回路，在該種情況下需通過從卡件硬件通道和現場儀表線路兩端同時尋線，并使用尋線器、逐個斷開端子檢測等各種輔助手段，確保每條回路接線均清晰明確。

2)新系統機柜布置盡量與原系統一致。由于現場進入室內的電纜是不變的，為防止原電纜長度不足、增加跨柜電纜等問題，新系統端子柜的尺寸、朝向、端子排的分布位置，以及端子的標識、機柜基礎的尺寸等布置需最大限度與原機柜一致，以確保接線換柜工作的質量和效率。

3)需合理安排施工工序。在該項目中更換機柜和拆接線工作連續4天3夜不間斷施工，需注意單個接線工人必須接完或拆完個人負責的整面機柜后才可休息，并保證每面機柜的拆線和接線為同一人，以防止休息或換人后無法與先前工作相銜接，而增加梳理工作導致進度延后的問題。

4 實施效果

該項目實現了國內首套大型乙烯裂解裝置采用國產DCS整體更換進口DCS的先例，項目的管理模式已經在同期實施的共14套化工裝置的52套控制系統更換、改造和升級項目中成功應用，并經超過1年的使用驗證，未發生因控制系統問題導致的波動或非正常停車。經過此次改造后，DCS的可靠性和易用性得到大幅提升，主要體現在： 徹底消除了高故障率卡件和隱患設備帶來的安全生產風險，徹底消除了老舊DCS設備停產帶來的維護風險，提升了控制系統可靠性。通過對重要控制回路進行“三取中”改造，大幅提升了控制系統整體可靠性，在實際生產過程中成功避免了多次因現場儀表失靈導致的裝置非正常停車及波動。增設了系統狀態監測等功能，并重新優化了操作界面，提升了系統易用性，生產操作人員和儀表班組維護人員均反饋良好。重新整定了PID參數，使得裝置整體自控率從96%提升至99%以上，全面提升了自控水平。

5 結束語

該次國產化改造項目成功實施后，多家企業參照該項目管理模式成功實施了多項同類改造項目，全面根除了老舊裝置控制系統帶來的安全生產風險，切實提升了裝置整體自控水平，并積極推進了國產DCS的廣泛應用。