在役裝置GDS改造方案及生命周期成本分析

陳志飛

(中國石化長城能源化工(寧夏)有限公司，寧夏 銀川750041)

鑒于GB 50493—2009《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》并未強(qiáng)制要求可燃?xì)怏w、有毒氣體報(bào)警系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，由于當(dāng)時(shí)分散控制系統(tǒng)(DCS)主要以進(jìn)口品牌為主導(dǎo)，價(jià)格較高，項(xiàng)目執(zhí)行階段為節(jié)省投資費(fèi)用普遍采用與生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)合并的設(shè)計(jì)，只是做了卡件的獨(dú)立設(shè)置[1]。

目前新建、擴(kuò)建裝置對(duì)可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)(GDS)的設(shè)計(jì)主要遵循的是原國家安監(jiān)總局發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見》(安監(jiān)總管三[2014]116號(hào))的規(guī)定[2]和GB/T 50493—2019《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]，都明確了GDS必須獨(dú)立設(shè)置的要求。出于本質(zhì)安全和各類安全檢查的考慮，在役裝置或多或少都在探索GDS的改造，但如何改造既能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求又能節(jié)約費(fèi)用、節(jié)省工期是目前儀表控制專業(yè)需要研究的課題。

1 GDS的選型

根據(jù)文獻(xiàn)[3]的要求，GDS的可選擇性較多，可以選擇DCS，可編程控制器(PLC)，安全儀表系統(tǒng)(SIS)和專用報(bào)警控制器等。早期進(jìn)口的DCS，SIS價(jià)格普遍很高，隨著國產(chǎn)控制系統(tǒng)品質(zhì)的提高，此類產(chǎn)品的價(jià)格較之前有大幅下降[4]。

GDS的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況具體分析，一般對(duì)于氣體檢測(cè)器數(shù)量較多或者是全廠性的集中監(jiān)測(cè)，建議采用DCS，不推薦PLC，因?yàn)镻LC的數(shù)據(jù)庫、趨勢(shì)查詢、報(bào)警管理等功能較弱。氣體檢測(cè)點(diǎn)數(shù)相對(duì)較少或零星分布的場(chǎng)所，可采用專用氣體報(bào)警控制器或者PLC等[5]。SIS在I/O規(guī)模較小時(shí)性價(jià)比不足，不是特殊情況一般不推薦選擇。主裝置如采用DCS，則GDS最好采用同品牌、型號(hào)的控制系統(tǒng)，不同品牌的控制系統(tǒng)間的通信相對(duì)比較繁瑣，不建議使用。

2 GDS改造方案

2.1 改造前GDS設(shè)置情況

某公司BDO裝置擴(kuò)建前DCS采用Foxboro IA系統(tǒng)，控制系統(tǒng)布置采用中心控制室(CCR)和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室(FAR)相結(jié)合方式[6]，即設(shè)置1個(gè)中心控制室和5個(gè)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室。GDS與全廠DCS合并設(shè)計(jì)，可燃?xì)怏w、有毒氣體報(bào)警檢測(cè)器信號(hào)分別接入5個(gè)FAR。根據(jù)文獻(xiàn)[3]擴(kuò)建項(xiàng)目應(yīng)設(shè)置獨(dú)立GDS的要求，從操作統(tǒng)一性考慮，本次擴(kuò)建項(xiàng)目中該裝置DCS還是采用Foxboro IA系統(tǒng)，為保持全廠控制系統(tǒng)統(tǒng)一性、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)讀取方便等因素，GDS也擬采用Foxboro IA系統(tǒng)。

2.2 GPS改造方案設(shè)計(jì)

可燃?xì)怏w和有毒氣體報(bào)警檢測(cè)器的主要特點(diǎn)是分散、不集中，GDS無論集中設(shè)置在某個(gè)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜都存在電纜敷設(shè)過長、投資高的情況，因此最合理的方式是采用主站加遠(yuǎn)程I/O模式。GDS改造后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在23FAR設(shè)置一套獨(dú)立的GDS主站系統(tǒng)，控制器、網(wǎng)絡(luò)、操作站等獨(dú)立，在21FAR，22FAR，31FAR和32FAR 4個(gè)機(jī)柜間設(shè)置遠(yuǎn)程I/O從站。

中心控制室GDS監(jiān)視站的通信光纖直接連至23FAR的GDS交換機(jī)上，保證了各個(gè)環(huán)節(jié)與主裝置DCS的物理隔離和獨(dú)立。GDS數(shù)據(jù)要通信至主裝置DCS的操作站以滿足工藝操作員的監(jiān)視要求，在23FAR里GDS交換機(jī)和裝置DCS交換機(jī)互聯(lián)，DCS交換機(jī)作為主交換機(jī)，GDS交換機(jī)作為邊緣交換機(jī)，如此DCS操作站可以通過交換機(jī)直接讀取GDS控制站數(shù)據(jù)，節(jié)省了與異構(gòu)系統(tǒng)間的通信工作量，實(shí)現(xiàn)了GDS與DCS一體化管理，也能滿足GDS獨(dú)立設(shè)置的要求。

圖1 GDS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

3 生命周期成本分析

3.1 生命周期成本

根據(jù)文獻(xiàn)[3]要求，在役裝置GDS改造方案多種多樣，可采用DCS，PLC，專用報(bào)警儀控制器，甚至有的全部采用SIS。根據(jù)理論上述各類控制器或系統(tǒng)均能滿足改造的要求，但是從生命周期成本(LLC)角度出發(fā)，應(yīng)該選擇最合適的方案即性價(jià)比最優(yōu)。

LLC包括固定成本和運(yùn)行成本。固定成本包括：系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本、設(shè)備購置成本、安裝成本和啟動(dòng)成本；運(yùn)行成本包括：改型成本、消耗成本、固定維護(hù)成本和系統(tǒng)失效成本[6]。成本計(jì)算如式(1)所示：

LLC=C固定+C運(yùn)行

(1)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本主要指委托設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的費(fèi)用；設(shè)備購置成本主要指采購GDS的設(shè)備費(fèi)用(改造項(xiàng)目不包括可燃、有毒氣體報(bào)警檢測(cè)器部分)；安裝成本主要指機(jī)柜安裝、電纜敷設(shè)、接線等；啟動(dòng)成本主要指GDS組態(tài)、調(diào)試等成本。

改型成本是指系統(tǒng)設(shè)計(jì)出現(xiàn)錯(cuò)誤而必須更正的成本；消耗成本是指系統(tǒng)運(yùn)行中能源消耗和零部件消耗；固定維護(hù)成本是指工廠每年會(huì)發(fā)生一定的維護(hù)成本包括周期性測(cè)試、維修庫存成本、維護(hù)培訓(xùn)等開銷；系統(tǒng)失效成本是指系統(tǒng)失效對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生的影響如非計(jì)劃停車等。

該裝置考慮到系統(tǒng)配置的成熟性和邏輯關(guān)系簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，不需要設(shè)計(jì)，因此固定成本主要有設(shè)備購置成本、安裝成本和啟動(dòng)成本。同樣，運(yùn)行成本主要包括固定維護(hù)成本，因此費(fèi)用總成本如式(2)所示：

LLC=C購置+C安裝+C啟動(dòng)+C維護(hù)

(2)

3.2 成本計(jì)算及評(píng)價(jià)

該裝置GDS改造采用Foxboro IA DCS，改造成本各項(xiàng)購置見表1所列。參考以往采購價(jià)格和石油化工行業(yè)檢修工程預(yù)算定額初步測(cè)算：LLC=C購置+C安裝+C啟動(dòng)+C維護(hù)=44.8(萬元)。若采用其他品牌SIS時(shí)，據(jù)測(cè)算僅C購置≥90萬元，整個(gè)項(xiàng)目的LLC≥100萬元。

表1 DCS購置成本匯總

相比采用其他品牌DCS而言，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：

1)節(jié)約施工時(shí)間和工作量。采用Foxboro DCS時(shí)只要重新連接預(yù)制電纜：即I/O卡件與端子板連接電纜，機(jī)柜端子接線不用改動(dòng)。采用其他系統(tǒng)時(shí)需要改動(dòng)端子接線，重新敷設(shè)跨盤電纜及接線。

2)降低組態(tài)工作量。采用原DCS組態(tài)時(shí)只需要在原有組態(tài)基礎(chǔ)上修改塊地址即可。采用其他系統(tǒng)時(shí)不僅要更新系統(tǒng)組態(tài)，通信至主裝置DCS仍需再組態(tài)，工作量是之前的2倍。

3)節(jié)約項(xiàng)目費(fèi)用。各I/O卡件可以利舊，F(xiàn)oxboro DCS模擬量輸入為8點(diǎn)，在役裝置I/O點(diǎn)數(shù)為193點(diǎn)，可節(jié)約卡件25塊，節(jié)省費(fèi)用約37.62萬元人民幣。

4)降低備件儲(chǔ)備和維護(hù)要求。采用同類型DCS可以有效減少備件儲(chǔ)備，降低系統(tǒng)維護(hù)人員的工作強(qiáng)度和技能要求。

4 結(jié)束語

隨著安全事故監(jiān)督和監(jiān)管力度的加強(qiáng)，企業(yè)出于安全需要對(duì)安全設(shè)施管理愈加嚴(yán)格，今后越來越多的在役裝置會(huì)開始著手GDS的改造，以確保GDS的獨(dú)立。針對(duì)在役裝置GDS改造存在費(fèi)用高、周期長和施工難度大的特點(diǎn)，本文通過具體案列并闡述其合理性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)今后在役裝置GDS的改造提供一種思路及借鑒。