和利時MACS 6系列集散控制系統在首套國產化大化肥裝置中的應用

周 辛，王永生，鄧雄杰

（中國石油寧夏石化公司，銀川 750021）

合成氨工業是基礎化學工業的重要組成部分，在國民經濟中占有相當重要的位置。氨是化學工業的重要原料之一，具有十分廣泛的用途[1]。中國石油寧夏石化公司年產45 萬噸合成氨80 萬噸尿素項目，于2018 年完成試生產，2019 年投入生產使用，2020 年完成竣工驗收。該項目是中國石油首套利用自主開發的大氮肥成套工藝技術建設的具有國際先進水平的大型氮肥裝置，也是國產化的DCS 先進控制系統首次在大氮肥裝置中得到應用[2]。設計時分為合成、尿素、公用工程3 個域，網絡拓撲結構三層，共計3406 個數據點，AI、AO、DI、DO 4 個類型數據點平均設計余量20%。

1 設備開工及運行時DCS存在的主要問題及處理措施

1.1 系統容量問題

首套國產化大化肥裝置共設計3 套DCS，用于公用工程裝置0 號域，內含2 個控制站2 個擴展站；用于合成裝置1 號域，內含4 個控制站4 個擴展站；用于尿素裝置2 號域，內含2 個控制站2 個擴展站。設計DCS 備用量20%，約680 個數據點。在2018 年試生產后的5 年中，因工藝增加換熱器、低壓泵、變頻器等設備，以及機泵遠程控制、部分成套設備移入DCS 控制等，1 號域DCS 增加1個控制站，2 號域DCS 增加1 個控制站。目前DCS 已擴容至5300 點，其中0 號域AI 點274 個、AO 點36 個，DI 點616 個、DO 點448 個；1 號域AI 點1308 個、AO 點280個，DI 點719 個、DO 點512 個；2 號域AI 點471 個、AO點118 個，DI 點159 個、DO 點176 個[2]。計劃在2023 年3 月再在1 號域內增加1 個控制站。從試車至開車運行的5年時間內，和利時K 系列硬件容錯能力強，運行過程中未出現因DCS 卡件故障造成的裝置非計劃停工。但因工藝的各項改造項目，備用量嚴重不足，建議其他煉化裝置在設計時提升DCS 的容量，防止此類問題的發生。

1.2 GDS與DCS共用

2019 年GB/T 50493-2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》[3]對有毒可燃氣系統有了新的要求。第3 章3.0.8 中指出，可燃氣體和有毒氣體報警系統應獨立于其他系統單獨設置。但此套裝置在設計時GDS 與其他設備共用CPU，不滿足規范要求，在2020 年將GDS 相關卡件及端子移出DCS，并利用舊卡件設備構建新的GDS系統。

該系統共設計有毒可燃氣體測量點共計69 個，聯動設備3 個。舊控制系統配置冗余AI 量為72 個，冗余DO 量為3 個。按照20%以上的余量配置，新GDS 系統共需要配置AI 點80 個，DO 點16 個。

1.3 報警管理無法分區分級問題

裝置初期使用和利時MACS 6.5.2 版本的DCS 軟件，因沒有操作區域劃分的功能，導致相同控制域內出現報警時，所有的操作站都報警，造成裝置報警泛濫。由于報警太多干擾正常操作，只好將報警屏蔽，導致DCS 的報警功能失效，存在較大的安全風險。同時，無法滿足中石油對報警分級分區域管理的要求。為解決此問題，在2020 年將在用的和利時MACS 6.5.2 系統升級為MACS 6.5.3 版本。升級后報警區域為報警聲音可根據自定義的方式劃分5 個級別。但在使用的過程中仍存在問題，如數據點在兩個區域均需顯示時，則無法對該數據點劃分區域，在操作站重啟后報警聲音恢復為默認的鍵盤聲音，而不是自定義的報警聲音，此類問題還需要和利時廠家進一步開發完善。

1.4 工程師站、歷史服務器散熱問題

工程師站及歷史服務器因設計時主機的擺放位置不夠，幾臺主機放在一個操作臺內，造成主機散熱不良，導致工程師站、歷史服務器頻繁故障。歷史站故障后，部分DCS的操作站出現數據無法顯示的問題，險些造成全裝置非計劃停工。為此在2020 年，將工程師站和歷史服務器從操作臺后移出，統一安放在機柜間的歷史站、工程師站機柜內，利用KVM 延長器和切換器，實現遠方操作。此方案實施的3 年內，未出現歷史服務器、工程師站因散熱原因導致的硬件故障，同時集中在柜內擺放，方便儀表維修工的日常巡檢維護工作，建議有條件的企業在設計時將工程師站、歷史服務器、操作站的主機全部移入機柜間進行統一管理。

2 生產過程中的經驗總結

2.1 機柜間和工程師站的溫濕度控制

設計時機柜間、工程師站的中央空調與中央控制室和值班室共用，導致空調溫度很難達到公司對于機房內相關使用條件，溫度：18℃～28℃、變化率＜5℃/hr；濕度40%～60%、變化率＜6%/hr。2022 年在機柜間又安裝兩臺立式空調，才能滿足基本要求。建議其他企業有類似項目可選用獨立溫濕度可調節的精密空調用于機柜間，能夠更好地延長各系統硬件的使用壽命。

2.2 設計時提升系統余量

通過5 年時間的改造，轉化、鍋爐、合成單元使用備用點數量最多。在設計初，建議將這3 個單元對應的數據余量提升至30%并且平均分布在每一塊卡上，安全柵、端子排、繼電器的容量也應同樣配置，方便改造使用。DCS組態時，盡量減少系統內未使用點，各系統向DCS 通訊的數據要全，數據盡量減少系統內部二次數據轉換，應避免出現DCS 通訊寫入安全儀表系統的問題。機柜間空余機柜支架備用量也應大于30%，方便后續成套設備改造或增加工藝單元設備時能夠繼續擺放系統控制柜。

2.3 機柜間硬件布置

DCS 設置有配套的端子柜、安全柵柜。系統的安全柵、卡件、繼電器、端子排等，為避免過于緊湊配置，模擬量安全柵應8 個一組進行隔斷，其他設備均按卡件數量進行隔斷。應用效果上比其他系統未分段布置要好，可有效降低安全柵密集排布造成安全柵散熱不好導致設備故障率高的問題，同時也能夠避免端子拆裝時易出錯的問題。

機柜中的標示牌是容易被忽略的部分，卻常年使用。為避免標識脫落或老化掉色，建議使用光刻牌（見圖1），原則上避免使用標簽貼紙。光刻牌不易破損掉落，標識清晰，方便儀表維護人員檢查處理故障問題。儀表穿線用線標識，除有線號外，還可在對應有控制回路的線號上加黃色、聯鎖回路的線號上加紅色的標識（見圖2）。防止儀表操作工在操作時，因未解除控制或聯鎖造成的工藝工況波動。

圖1 光刻牌和便簽貼紙比對Fig.1 Comparison of photoetching plate and note sticker

圖2 帶有控制或聯鎖的回路信號線標識Fig.2 Identification of circuit signal lines with control or interlocking

機柜內的照明、風扇和插座，在技術協議中因要求產品質量，機柜內燈具建議使用一體化的LED，開關應方便更換。風扇建議使用雙滾珠軸承，免維護且容易更換。風扇、照明電源建議使用市電，且與UPS 電源分離，避免風扇照明短路導致機柜斷電的問題。機柜濾網應選用材料結實耐用且容易更換濾網的設備。

2.4 MODBUS通訊故障

和利時MACS 6 系列主要使用K 系列通訊卡K-MOD01，該設備最多處理數據244 個字節[4]。在實際使用過程中，部分從站無法滿足通訊數量要求。因設計時未考慮此問題，后續增加設備難度較大，從站需要重新劃分通訊區域，改造所需的人工成本較高。建議在儀表詳細設計時考慮通訊問題，盡量避免此類問題。

K-MOD01 通訊卡可以接入多個從站，但要求從站的波特率、奇偶校驗、通訊類型等參數必須一致。在設置兩個從站后，明顯可以觀察出通訊速度緩慢、數據刷新慢等問題。建議設計時，盡量避免同一塊通訊卡接多個從站。

3 軟件功能使用及開發建議

3.1 偏差報警和變化速率報警的使用

和利時MACS 6 系列的偏差報警有特定的功能塊DVALM，除此外帶過程值報警的PID 控制功能塊（簡稱PIDA）也帶有設定值和測量值的偏差報警功能。在實際使用的過程中，PIDA 功能塊中的偏差報警限在偏差報警時可選擇PID 控制，由自動切換至手動模式，有效預防了儀表設備故障造成的PID 控制大幅波動的問題，同時也可防止工藝操作人員對設定值的誤輸入造成PID 控制輸出大幅變化的問題。另外，團隊在組態時利用DVALM 功能塊實現了閥位輸出和反饋的偏差報警功能，此模塊的優勢在于可在線設置兩個輸入值的正、負偏差。

和利時MACS 6 系列的AI 模擬量輸入模塊提供變化速率報警功能，此功能是指輸出值每秒變化超過此限制值乘以量程范圍的百分比，則觸發超速報警[5]。應用此功能在參與聯鎖和控制的分析儀表、差壓流量儀表及溫度儀表的重要回路中，工藝操作人員可快速發現儀表設備的故障問題，并及時通知儀表維護人員進行處理，能夠防止工藝裝置不因儀表設備故障造成大面積非計劃停工。

3.2 一維插值功能塊在汽包液位補償中的應用

一維插值功能塊將輸入值IN 置于X 軸的某一段中，然后根據與該段相關的XARR、YARR 值算出對應IN 的OUT值。落在給定XARR 的最大值和最小值之間的IN，用與其相鄰的兩組XARR、YARR 值進行運算。落在XARR 最小值和最大值外的IN，算法不進行處理，保持上一次的輸出值[5]。

鍋爐汽包壓力與飽和水密度、汽包壓力與飽和蒸汽密度存在特殊的線性關系，用ONEFOLD（一維插值）功能塊進行飽和蒸汽密度飽和水的密度計算得到了很好的補償效果，并在其他系統中開發出類似功能，解決了聯鎖計算和控制計算的汽包水位因補償方式不一致造成補償后液位差距較大的問題。

3.3 軟限位功能的開發和應用

和利時MACS 6 系列集散控制系統組態軟件中，常用到兩種閥門控制功能塊，MAN 功能塊和PID 功能塊。這兩種功能塊在實際應用中，都需要使用到輸出限制功能。此功能主要是避免輸出到閥門的數值因操作人員操作失誤、比例積分數值改變等，造成功能塊輸出數值大幅度變化從而導致的現場閥門大幅波動。當閥位產生大幅度波動后，將會影響生產工況的平穩運行，最終可導致全裝置停工。

和利時MACS 6.5.4 以下版本的功能塊的輸出限制功能雖已實現，但在應用時出現手動模式和自動模式狀態下，輸出限制均一致的問題。當生產工況需要大幅度調整時，手動狀態被輸出限制，還需先解除輸出限制，才能完成閥門大幅調整需要。故而MAN 功能塊和PID 功能塊的輸出限制功能使用率非常低。

程序的主體思路分為兩個部分：一方面，原有幅值限制功能需要保留，即在手動狀態時，依然能夠更改幅值。這主要針對現場閥門有故障時，可以有效防止功能塊輸出數值到達閥門故障區域；另一方面，控制回路自動時幅值限制按照設定范圍執行，當由自動切換為手動時，能夠滿足手動控制幅值設定范圍（見圖3）。

圖3 PID功能塊軟限位程序組態程序Fig.3 PID Function block soft limit program configuration program

3.4 其他軟件功能的開發建議

在首套國產化大化肥裝置的DCS 中，針對和利時MACS 6.5.2 和MACS 6.5.3 系統開發的用戶自定義功能塊有防止除法計算分母為零、程序控制、理想氣體的溫度壓力補償功能塊、蒸汽的溫度壓力補償功能塊等，共計12 個。

防止計算中分母為零的功能塊，其算法簡單（見圖4），未出現在組態軟件的功能塊庫文件中。但在整個數據組態的過程中用量較大，建議廠家可以加入到庫管理文件中，方便工程師在組態中隨時調用。

圖4 防止分母為零的自定義功能塊程序Fig.4 Custom function block program to prevent denominators from zero

和利時MACS 6.5.2 版本和MACS 6.5.3 版本軟件均帶有理想氣體的體積流量補償功能塊，其計算公式如下[5]：

公式（1）中：標準大氣壓是固定值1.0332MPa，此大氣壓不適用于高海拔地區，如寧夏銀川的大氣壓為1.01325MPa，這樣計算出來的體積流量就存在偏差，特別是天然氣流量、空氣流量，它們在裝置中量程范圍大，還參與水碳比、空碳比的計算，數值的準確性尤為重要。建議廠家在未來更新系統時，可以開放標準大氣壓和溫度的填寫功能，方便各個地域的使用。

蒸汽的溫度壓力補償功能塊在和利時MACS 6.5.2 版本軟件中未涉及，MACS 6.5.3 版本軟件中的水蒸汽流量補償功能塊也較為簡單，無法滿足高壓蒸汽補償的使用。蒸汽管網中的蒸汽流量補償主要靠蒸汽密度的變化來構成比例關系，過熱蒸汽和飽和蒸汽的密度隨壓力的變化而變化。因和利時DCS 系統多用于熱工專業，其電廠組態庫文件的內容已有此功能塊，僅需要移入化工組態庫文件即可。

4 結語

隨著中國科學的不斷進步，將會有更多工藝裝置國產化。希望通過對國產DCS 系統在大型化工中應用的總結，可以有效提升國產集散控制系統的成熟發展，幫助更多的企業在選擇國產化集散控制系統的同時規避一些問題，并開發其更多的應用場景。希望國產化集散控制系統應用在更多流程化工、精細化工領域，實現更多大型國產化裝置安全平穩運行。