大型乙烯裝置控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

劉傳龍

(中韓石油化工責(zé)任有限公司，武漢 430082)

中國石化股份有限公司武漢分公司800kt/a乙烯及其配套工程為大型石油化工項(xiàng)目，包括56個(gè)工程主項(xiàng)。采用中心控制室和現(xiàn)場機(jī)柜室分離設(shè)置的方式， 生產(chǎn)裝置、公用工程及輔助設(shè)施的操作站和服務(wù)器設(shè)置在2個(gè)中心控制室，操作和管理人員在中心控制室完成生產(chǎn)裝置的控制、監(jiān)測、報(bào)警及報(bào)表等工作?，F(xiàn)場儀表信號(hào)通過電纜連接到現(xiàn)場機(jī)柜室，從現(xiàn)場機(jī)柜室到中心控制室的信號(hào)采用冗余光纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，系統(tǒng)服務(wù)器位于中心控制室，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程組態(tài)、控制、操作以及儀表維護(hù)功能。因?yàn)榉稚⒖刂葡到y(tǒng)(DCS)容量較大，在控制網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)全廠互聯(lián)，集成化程度高，網(wǎng)絡(luò)通信量大，對通信準(zhǔn)確性要求高，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制風(fēng)險(xiǎn)增加，網(wǎng)絡(luò)以及控制的安全可靠性是一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 主要風(fēng)險(xiǎn)分析

1) 控制系統(tǒng)以DCS為主，多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通信量大，遠(yuǎn)程通信對通信功能的依賴性增加，包括外圍實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(ODS)，工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)等，其他儀表設(shè)備管理系統(tǒng)(AMS)以及生產(chǎn)指揮等系統(tǒng)、計(jì)量管理系統(tǒng)等都和DCS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)，通信故障影響范圍大。

2) 按照GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》對典型風(fēng)險(xiǎn)降低保護(hù)層的定義，DCS在石油化工典型風(fēng)險(xiǎn)降低保護(hù)層中位于基本控制層(BPCS)，直接面向工藝過程，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場儀表的控制、監(jiān)控以及對現(xiàn)場工藝過程的人為介入功能。石油化工典型風(fēng)險(xiǎn)降低保護(hù)層結(jié)構(gòu)如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)故障會(huì)直接導(dǎo)致生產(chǎn)無法正常操作，造成經(jīng)濟(jì)損失。該公司項(xiàng)目整體控制點(diǎn)有8×104多點(diǎn)，其中DCS近5.8×104點(diǎn)，其他各控制系統(tǒng)有安全儀表系統(tǒng)(SIS)、可編程控制器(PLC)、機(jī)組控制系統(tǒng)(CCS)、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(MMS)以及小型控制系統(tǒng)?；贒CS操作界面友好，強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫功能，成熟穩(wěn)定的常規(guī)控制回路等特點(diǎn)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，其他現(xiàn)場控制系統(tǒng)都通過DCS實(shí)現(xiàn)與管理網(wǎng)絡(luò)的通信。

圖1 石油化工典型風(fēng)險(xiǎn)降低保護(hù)層結(jié)構(gòu)示意

3) 增加KVM模塊用于分離操作員站和主機(jī)，根據(jù)系統(tǒng)失效率公式可知，當(dāng)中間環(huán)節(jié)增加，總失效率增加，必須增加相應(yīng)的措施確保整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。串聯(lián)系統(tǒng)總失效率：

∑λ=λA+λB+λC+λD+λE

(1)

式中：λ——單位時(shí)間內(nèi)的失效次數(shù)/元件總數(shù)。

4) 無線儀表的首次大規(guī)模應(yīng)用，為系統(tǒng)的通信功能增加了新的安全風(fēng)險(xiǎn)。該公司在原料罐區(qū)、中間罐區(qū)、液體產(chǎn)品罐區(qū)首次大規(guī)模應(yīng)用無線儀表系統(tǒng)，項(xiàng)目對配套選用的無線儀表進(jìn)行過程監(jiān)控，共276個(gè)無線檢測點(diǎn)，22 臺(tái)多功能節(jié)點(diǎn)(包括5 臺(tái)主網(wǎng)關(guān)和5 臺(tái)冗余網(wǎng)關(guān))。分別在三個(gè)區(qū)域構(gòu)建了快速通信、自組織、自愈合的無線Mesh 主干網(wǎng)絡(luò)，它具有冗余多路徑、DSSS 跳頻、自組織、自愈合的特點(diǎn)。該無線架構(gòu)按照支持無線變送器1s的刷新速度、冗余的網(wǎng)關(guān)配置，對服務(wù)器容量、系統(tǒng)通信安全都是一個(gè)考驗(yàn)。

5) 系統(tǒng)信息化需求面向整個(gè)公司，終端設(shè)備接入多，分布面廣，管理難度大。病毒侵入控制網(wǎng)絡(luò)將會(huì)引起災(zāi)難性事故。

2 可靠性設(shè)計(jì)特點(diǎn)

針對可能出現(xiàn)的影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的因素，該公司在設(shè)計(jì)初期就考慮了應(yīng)對措施，開工調(diào)試階段又作了進(jìn)一步完善和修改，通過多方面的措施提高了系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.1 控制網(wǎng)絡(luò)的冗余設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目根據(jù)裝置的布置特點(diǎn)，結(jié)合各裝置的工藝技術(shù)和儀表配置，整個(gè)DCS共劃分為13個(gè)局域網(wǎng)(LAN)。在保證上層通信暢通的基礎(chǔ)上，每個(gè)LAN自成系統(tǒng)，配置獨(dú)立的冗余控制服務(wù)器和容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)通信鏈路。各LAN的Server位于中心控制室中，靠近操作和上層數(shù)據(jù)中心，采用1∶1冗余配置。在控制器和服務(wù)器之間通過1對光纖完成。 每個(gè)LAN有2對交換機(jī)，位于現(xiàn)場機(jī)柜室和中心控制室中，級聯(lián)線設(shè)置在中心控制室中的1對交換機(jī)上，中心控制室中的交換機(jī)為主交換機(jī)。此設(shè)置使Sever在近距離實(shí)現(xiàn)冗余，避免大量Server之間的數(shù)據(jù)備份及交換在遠(yuǎn)程光纖上的傳輸。另外，整個(gè)控制系統(tǒng)的供電、控制器采用冗余的方式，對于參與控制和聯(lián)鎖的IO點(diǎn)則利用了卡件冗余的方案，保證單一設(shè)備故障時(shí)不會(huì)影響設(shè)備和裝置的運(yùn)行。

EPKS系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)為即容錯(cuò)以太網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不僅提供了容錯(cuò)技術(shù)，還滿足了工業(yè)控制應(yīng)用要求的快速響應(yīng)、傳輸?shù)拇_定性和安全性等。

根據(jù)式(2)所示的并聯(lián)系統(tǒng)總失效率計(jì)算公式，回路中冗余節(jié)點(diǎn)的失效率是單節(jié)點(diǎn)失效率的平方，從而降低系統(tǒng)的總失效率。

(2)

各控制站配置冗余的串行通信接口連接SIS，CCS，MMS，PAS，PLC等系統(tǒng)。

2.2 合理配置系統(tǒng)硬件和負(fù)荷裕量

1) 系統(tǒng)和控制器的配置重點(diǎn)考慮了可靠性和負(fù)荷率(包括冗余度)指標(biāo)，著力把通信總線負(fù)荷率設(shè)計(jì)控制在合理的范圍內(nèi)，盡可能使控制器的負(fù)荷率均衡，避免影響系統(tǒng)安全運(yùn)行的“高負(fù)荷”問題的發(fā)生。功能設(shè)計(jì)中，服務(wù)器CPU 的負(fù)載均具有約50%的擴(kuò)展能力，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載最高不超過40%，同時(shí)嚴(yán)格控制操作畫面的點(diǎn)數(shù)，為系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行提供了保障。

2) 服務(wù)器(Console站)和操作站(Flex站)位于中心控制室，在中心控制室和現(xiàn)場機(jī)柜室中均布置了一定數(shù)量的工程師站。因Console站在Sever通信中斷后仍能獨(dú)立和控制器建立通信，具有短時(shí)的操作功能，因而現(xiàn)場機(jī)柜室中工程師站主要以Console站為主，當(dāng)中心控制室與現(xiàn)場機(jī)柜室內(nèi)交換機(jī)的通信中斷時(shí)，操作工依舊可以在現(xiàn)場機(jī)柜室進(jìn)行操作，保證有足夠的時(shí)間進(jìn)行各種處理，使裝置平穩(wěn)或安全停車。

3) 特殊回路采用避險(xiǎn)設(shè)計(jì)，雖然增加了系統(tǒng)卡件、通道的冗余數(shù)量，但保證了控制回路的安全可靠性，更好地發(fā)揮了備用設(shè)備的作用，有效避免了儀表誤動(dòng)作對系統(tǒng)的影響。為了減少控制系統(tǒng)故障對設(shè)備控制的影響，當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備為互備時(shí)，在IO點(diǎn)分配時(shí)將主、備設(shè)備的控制通道分配在不同卡件，不會(huì)因系統(tǒng)的某個(gè)故障或局部故障而導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)集中，用于表決的幾個(gè)回路也盡量避免出現(xiàn)在同一塊卡件中。

4) 限制信號(hào)通信功能在控制或聯(lián)鎖回路中的應(yīng)用。為保證控制的安全可靠，系統(tǒng)之間的控制及聯(lián)鎖信號(hào)一律采用硬接線方式完成。通信數(shù)據(jù)禁止用于聯(lián)鎖及控制回路，即DCS與SIS及其他系統(tǒng)之間的控制尤其是聯(lián)鎖信號(hào)，包括模擬量及數(shù)字量信號(hào)，原則為由發(fā)送方的輸出卡通過控制電纜接入接收方的輸入卡。由此，避免數(shù)據(jù)在傳輸過程中單個(gè)字節(jié)丟失，或某個(gè)字段的變異導(dǎo)致控制的崩潰。

2.3 防火墻技術(shù)及防病毒設(shè)計(jì)

EPKS系統(tǒng)采用level 1～level 4四層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠做到數(shù)據(jù)流的劃分和各層次之間的深度防御保護(hù)。系統(tǒng)搭建中，在level 1層使用控制器防火墻對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離；level 2層與level 1層之間實(shí)行串行口過濾，level 2層壓制廣播，進(jìn)行單點(diǎn)和多點(diǎn)傳送；在level 3層內(nèi)置路由/過濾器，限制訪問level 2層，屏蔽level 1層。

Level 3層設(shè)置1臺(tái)防病毒服務(wù)器，負(fù)責(zé)整個(gè)中心控制室的所有PKS節(jié)點(diǎn)的防病毒管理，安裝殺毒軟件；同時(shí)在Level 3.5設(shè)置了硬件防火墻，進(jìn)行各種設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間的相互隔離，包括Level 4層和Level 3層的隔離，PKS網(wǎng)絡(luò)和非PKS網(wǎng)絡(luò)之間的隔離，所有的數(shù)據(jù)不允許從上層寫入，僅限數(shù)據(jù)的讀取，為整個(gè)網(wǎng)路的安全提供了保障。

2.4 無線儀表接入的可靠性設(shè)計(jì)

EPKS可通過Control Builder直接調(diào)用無線I/O數(shù)據(jù)，無線網(wǎng)關(guān)支持同Experion Server CDA 點(diǎn)對點(diǎn)通信；各個(gè)區(qū)域現(xiàn)場的無線變送器可以自動(dòng)選擇同任意一個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，只需要“1跳”即可把數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇焖偻ㄐ诺臒o線Mesh 主干網(wǎng)上。該工程由于3個(gè)罐區(qū)設(shè)置在同一個(gè)LAN中，共用1對Server，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)荷大，內(nèi)存占用量達(dá)到95%以上，CPU負(fù)荷超過70%，操作畫面數(shù)據(jù)更新慢，甚至短時(shí)丟失。原因是利用Control Builder直接調(diào)用無線I/O 數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)通信量增加，過程數(shù)據(jù)大量丟失，導(dǎo)致操作界面數(shù)據(jù)鏈接中斷。為減輕系統(tǒng)負(fù)荷，釋放服務(wù)器資源，對無線儀表初始設(shè)計(jì)方案作了變更，增加3臺(tái)無線儀表管理工作站，負(fù)責(zé)現(xiàn)場無線儀表數(shù)據(jù)通信，然后通過 RS-485 接口與EPKS系統(tǒng)Server通信，目前系統(tǒng)運(yùn)行正常。

2.5 合理規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

DCS在整個(gè)工廠網(wǎng)絡(luò)中處于關(guān)鍵位置，所有和生產(chǎn)有關(guān)的數(shù)據(jù)必須通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫來調(diào)用，針對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的管理措施和規(guī)劃必不可少。在中心控制室設(shè)公共的硬件平臺(tái)及以太網(wǎng)接口用于連接工廠信息管理系統(tǒng)，上層管理系統(tǒng)包括生產(chǎn)、調(diào)度、技術(shù)分析、高級應(yīng)用管理以及操作員仿真培訓(xùn)等主要通過DCS的歷史數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，通過防火墻隔離上游帶來的風(fēng)險(xiǎn)。而其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)由DCS通過 RS-485 接口從Lever 1層網(wǎng)絡(luò)讀入，隔離不同應(yīng)用系統(tǒng)間的風(fēng)險(xiǎn)。如在全廠蒸汽平衡中，各分廠需要同時(shí)對減溫減壓器進(jìn)行監(jiān)控，約定動(dòng)力廠為主責(zé)任方，負(fù)責(zé)設(shè)備的監(jiān)控，跨區(qū)域設(shè)備利用DCS的遠(yuǎn)程終端接入責(zé)任方系統(tǒng)，其他需求方通過遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用。

3 結(jié)束語

該公司DCS在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、方案規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等方面做了許多有益的嘗試，在系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)上采取了多種有效的措施，裝置自2013年8月投入生產(chǎn)運(yùn)行以來，運(yùn)行平穩(wěn)，未發(fā)生因控制系統(tǒng)問題而影響安全生產(chǎn)的事故，為將來新建裝置的系統(tǒng)建設(shè)提供了成熟的應(yīng)用范例。

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