液化天然氣項(xiàng)目中控制系統(tǒng)的設(shè)計

汪浩川

（中國寰球工程公司，北京 100012）

液化天然氣項(xiàng)目中控制系統(tǒng)的設(shè)計

汪浩川

（中國寰球工程公司，北京 100012）

本文介紹了自主設(shè)計并總承包建設(shè)的液化天然氣接收站項(xiàng)目的控制系統(tǒng)的設(shè)計。說明了DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

液化天然氣；控制系統(tǒng)；DCS

1.工藝流程

液化天然氣接收站的主要功能為液化天然氣接卸、液化天然氣儲存、蒸發(fā)氣回收處理、液化天然氣低壓輸送、液化天然氣加壓氣化及NG管道外輸。

液化天然氣項(xiàng)目主要有3種運(yùn)行工況：（1）卸船，正常輸出；（2）無卸船，正常輸出；（3）無卸船，零輸出。

2.系統(tǒng)設(shè)計

鑒于全場控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，本項(xiàng)目采用DCS系統(tǒng)的方式來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)《石油化工分散控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》，標(biāo)準(zhǔn)號SH/T3092-1999。

2.1系統(tǒng)布置

（1）接收站部分，該部分DCS安裝在中心控制室，DCS的操作員界面將對接收站、碼頭、海水泵房、裝車的連續(xù)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視或控制。（2）碼頭部分，該部分DCS的操作員界面將對碼頭裝車的連續(xù)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視和控制。相關(guān)信息將送至接收站DCS，使在中心控制室的操作人員能夠?qū)崟r監(jiān)視碼頭操作情況。（3）海水泵房部分，該部分在現(xiàn)場機(jī)柜間設(shè)置控制柜，操作站設(shè)置在接收站中心控制室，由接收站對海水泵房進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視和控制。（4）裝車部分，該部分將在項(xiàng)目二期實(shí)施。該部分DCS的操作員界面將對裝車的連續(xù)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視和控制。相關(guān)信息將送至接收站DCS，使在中心控制室的操作人員能夠?qū)崟r監(jiān)視裝車操作情況。

2.2主要功能及組成

DCS作為生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，同時做為成套供貨設(shè)備的監(jiān)視系統(tǒng)。成套供貨設(shè)備所配的PLC和/或就地控制盤與DCS之間進(jìn)行通信。

DCS可以采集工藝過程變量和工藝/公用工程設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，完成計算、連續(xù)的過程控制、自動順序功能、邏輯控制、工藝過程停車（非ESD）、跳閘以及連鎖功能。同時對各子控制系統(tǒng)的重要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行集中監(jiān)視并發(fā)布控制命令。

DCS的操作員界面將對接收站和碼頭的連續(xù)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視和控制，在專用顯示器上顯示動態(tài)工藝流程、各種運(yùn)行參數(shù)、報警值和事件，并生成報告、報警記錄和趨勢記錄。

DCS可以與其它系統(tǒng)通信，如SIS，F(xiàn)GS系統(tǒng)和其它成套供貨設(shè)備的系統(tǒng)，操作員可以通過DCS來監(jiān)視這些系統(tǒng)。DCS同時為管道SCADA系統(tǒng)以及生產(chǎn)管理系統(tǒng)預(yù)留通信接口，需要時完成系統(tǒng)間的通信連接。

DCS包括主時鐘，并與所有的系統(tǒng)進(jìn)行時鐘同步。

2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有以下：

數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、管理系統(tǒng)。

2.3.1數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用基于微處理器模塊的設(shè)備，用以完成工藝變量的采集和控制。系統(tǒng)配有固定的軟件，完成常規(guī)的控制運(yùn)算法則、連鎖和順序控制功能。

第一層的設(shè)備適用于下列功能：（1）與現(xiàn)場儀表的信號接口，如：變送器、開關(guān)和最終執(zhí)行元件等。（2）從傳感器采集工藝過程數(shù)據(jù)，以便可以監(jiān)視過程變量。（3）實(shí)現(xiàn)調(diào)整控制運(yùn)算法則、聯(lián)鎖和順序控制功能以及基本的工藝過程控制功能。（4）按照時間記錄順序處理事件，為在第二層實(shí)施報警監(jiān)視和數(shù)據(jù)記錄做準(zhǔn)備。（5）將第一層計算出或自身產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)、測量結(jié)果以及獲得的事件傳送至第二層。（6）接收來自第二層的命令和設(shè)定點(diǎn)信號。

2.3.2監(jiān)視系統(tǒng)

監(jiān)視系統(tǒng)為操作人員提供對整個接收站的可視接口。操作員界面采用計算機(jī)工作站，該工作站配有數(shù)據(jù)顯示控制臺、鍵盤，并具有管理監(jiān)控、圖形描述、報警、通信和診斷等功能。

監(jiān)視系統(tǒng)處理并完成以下功能：（1）顯示所有工藝過程的模擬量和數(shù)字量，開、關(guān)回路以及所有相關(guān)參數(shù)。控制回路操作，包括：設(shè)定點(diǎn)的改變、運(yùn)行模式、輸出量、調(diào)整和計算常數(shù)；（2）報警通告；（3）在工藝流程圖上顯示動態(tài)數(shù)據(jù)；（4）記錄并顯示歷史數(shù)據(jù)和趨勢數(shù)據(jù)；（5）順序事件顯示；（6）顯示自診斷信息；（7）以自由格式和規(guī)定格式兩種方式顯示并打印生產(chǎn)報告。

2.3.3管理系統(tǒng)

生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)應(yīng)可以用來獲取、收集和儲存來自第二層所需要的實(shí)時數(shù)據(jù)和信息。這些數(shù)據(jù)和信息用來管理和優(yōu)化生產(chǎn)。

2.4可靠性和可用性

在接收站控制系統(tǒng)中，DCS為核心控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最重要的是考慮到其可靠性，特別是在選擇電子元件時。系統(tǒng)具有高可靠性和可用性，對所有功能而言，在平均修復(fù)時間（MTTR）為4小時的情況下，其可靠性應(yīng)大于99.9%；故障可能性應(yīng)嚴(yán)格控制在10-2以內(nèi)。并且任何層的系統(tǒng)某單元出現(xiàn)故障，不能影響其它層的其它設(shè)備。

2.5冗余

由于重要工藝設(shè)施的失效會給接收站帶來主要的工藝失效和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，因此DCS在性能上應(yīng)始終保持高可靠性。DCS在任何重要設(shè)備故障時都可以進(jìn)行沒有擾動的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)即要采用冗余系統(tǒng)。

DCS系統(tǒng)構(gòu)成遵循以下冗余化結(jié)構(gòu)的要求：（1）系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)通訊完全冗余，包括通訊數(shù)據(jù)總線冗余和數(shù)據(jù)接口單元冗余。（2）控制器1∶1完全冗余；可在線更換任一控制器卡而不影響控制功能。（3）電源1∶1完全冗余；在正常工作狀態(tài)下，單個供電單元的工作負(fù)載不超過其額定能力的60%。保證任何一個供電單元故障不影響系統(tǒng)的正常工作。所有插線板及設(shè)備都采用冗余供電系統(tǒng)，并采用獨(dú)立的電路供電。（4）物理數(shù)據(jù)存儲器：采用制造廠自行標(biāo)準(zhǔn)的冗余化方式。當(dāng)采用一個存儲器用于整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存貯時，數(shù)據(jù)存儲器冗余。當(dāng)每個控制站分別配置數(shù)據(jù)存儲器時，保證同樣的數(shù)據(jù)分別存儲在不同的設(shè)備中。（5）輸入/輸出卡：用于控制回路信號的輸入輸出卡必須冗余。用于顯示回路信號的輸入卡不需要冗余。（6）具有冗余結(jié)構(gòu)的設(shè)備（包括串行通訊卡），當(dāng)其中任意一個設(shè)備故障時，保證能自動無擾動的切換到備用設(shè)備且不影響系統(tǒng)的當(dāng)前操作，同時產(chǎn)生報警信號通知操作人員。（7）任何卡件、部件的故障不影響系統(tǒng)的其他部分的正常工作。（8）系統(tǒng)診斷功能識別冗余狀態(tài)是否建立，熱備卡件是否工作或故障。（9）系統(tǒng)在不影響其自身運(yùn)行的情況下可以替換故障的冗余部件。（10）DCS與SIS的通訊系統(tǒng)采用冗余配置。

2.6擴(kuò)展性

系統(tǒng)具有100%的擴(kuò)展余量，以便二期及后續(xù)擴(kuò)建工程在現(xiàn)有系統(tǒng)上進(jìn)行擴(kuò)展。系統(tǒng)擴(kuò)展能力包括：CPU容量、通信總線容量、軟件能力、I/O、DCS機(jī)柜和接線柜、電源分配柜等。至少提供20%的I/O備用余量（這里的備用余量是指已安裝的I/O模塊和已安裝的電纜余量）。每個CPU和I/O類型都應(yīng)有備用余量。此外，I/O中應(yīng)有多于20%的空余或卡槽（包括CPU容量、通信總線容量、軟件能力）以便將來擴(kuò)展。多芯對絞電纜至少應(yīng)有10%的對絞線芯未使用，這些未使用的線芯將按順序接入空余端子。隨已使用的電纜芯一起，還應(yīng)提供至少10%的空余端子。

在所有的空余都被接滿的情況下，物理存儲器、通信系統(tǒng)、CPU、軟件能力和操作站、電源負(fù)荷都不能超過60%。

2.7物理數(shù)據(jù)存儲器

物理數(shù)據(jù)存儲器容量保證滿足存儲系統(tǒng)的功能要求和在系統(tǒng)工作負(fù)荷下所有變量歷史趨勢記錄的要求。歷史趨勢數(shù)據(jù)儲存容量的選擇的原則：滿足所有需要趨勢記錄的變量在1分鐘采樣周期時儲存1個月。需要趨勢記錄的變量中應(yīng)考慮調(diào)節(jié)器的3個參數(shù)變量（PV值，設(shè)定值SP，輸出值MV）。存儲器具備轉(zhuǎn)存功能，數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)存到其他外配存儲介質(zhì)，如活動硬盤，光盤等，用于存檔和查詢。

2.8可維護(hù)性

DCS有很高的可維護(hù)性。在不關(guān)閉系統(tǒng)的情況下可以進(jìn)行維修、更換或改進(jìn)DCS。在電源中斷的情況下，不需要從磁盤、磁帶或其它地方重新人工加載數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)就應(yīng)可以自動啟動。每個系統(tǒng)元件的啟動和復(fù)位都不需要執(zhí)行復(fù)雜的程序。

2.9控制和計算功能

本DCS系統(tǒng)具有下列控制功能。這些控制功能的給定值和參數(shù)容易修改。

（1）反饋PID控制，串級控制，比值控制，均勻控制，分程控制，手動操作，自整定PID控制，選擇控制，PID帶偏差，帶死區(qū)，帶平方誤差控制等；（2）程序/邏輯控制：可用梯形圖/邏輯判斷/原理圖等編程；（3）超前/滯后/阻尼控制；（4）解耦控制；（5）前饋控制、滯后補(bǔ)償控制。

本DCS系統(tǒng)提供下列運(yùn)算功能：方根運(yùn)算、算術(shù)四則運(yùn)算、信號選擇、信號轉(zhuǎn)換、死區(qū)、滯后、死區(qū)補(bǔ)償、函數(shù)發(fā)生、折線、平均、程序給定、最大/最小值選擇等，這些運(yùn)算功能的選擇、配組以及常數(shù)、參數(shù)選擇都能方便地進(jìn)行。

2.10操作和編程功能

DCS系統(tǒng)通過人機(jī)接口進(jìn)行顯示和控制，操作員對工藝過程的操作十分方便和快捷，每臺操作站提供一個光電鼠標(biāo)和一個具有防塵防水的專用操作鍵盤。操作站鍵盤為冗余備用。

DCS系統(tǒng)可以在線和離線編程，使用標(biāo)準(zhǔn)鍵盤在以下設(shè)備上編程：工程師站、PC機(jī)、操作站。編程功能有鎖定功能，只能由負(fù)責(zé)軟件的專門工程技術(shù)人員進(jìn)行編程。

2.11顯示

（1）操作員顯示畫面

①菜單畫面；

②總貌畫面；

③分組畫面；

④調(diào)整畫面；

⑤報警顯示；

⑥歷史趨勢顯示；

⑦流程圖畫面；

⑧操作指導(dǎo)畫面；

⑨系統(tǒng)狀態(tài)畫面；

⑩其他畫面。

（2）工程技術(shù)人員畫面

系統(tǒng)提供功能塊填表方式組態(tài)，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)鍵盤和鼠標(biāo)可方便地進(jìn)行系統(tǒng)生成及各種畫面圖形的記錄、報表的生成?？捎酶呒壵Z言編程，進(jìn)行優(yōu)化控制及應(yīng)用軟件的再次開發(fā)。工程技術(shù)人員畫面包括以下內(nèi)容：①系統(tǒng)組態(tài)畫面；②用戶圖形生成畫面；③高級語言編程畫面；④系統(tǒng)硬件狀態(tài)指示畫面和通信畫面；⑤其他畫面。

結(jié)語

液化天然氣接收站工程項(xiàng)目在國內(nèi)尚屬起步階段，液化天然氣項(xiàng)目又是第一個由國內(nèi)公司自主設(shè)計施工的項(xiàng)目。在本項(xiàng)目上借鑒了不少國內(nèi)外其他項(xiàng)目在設(shè)計和運(yùn)行后的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，完成了一套具有較高控制精度，安全可靠，可提供自動故障檢測功能以及歷史數(shù)據(jù)記錄及操作人員培訓(xùn)的整體控制系統(tǒng)。

［1］陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：41-43.

TQ053

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