大型煉化企業(yè)儀表控制系統(tǒng)預(yù)防性維護策略的探索與實踐

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)

隨著石油化工生產(chǎn)工藝的不斷進步，各主要生產(chǎn)裝置運行周期屢屢刷新記錄，對儀表控制系統(tǒng)在運期間的可靠性提出了更高要求，特別是如何有效提升重要控制及聯(lián)鎖回路可靠性的問題越發(fā)凸顯，所以做好控制系統(tǒng)預(yù)防性維護工作至關(guān)重要。同時，對于最新的控制系統(tǒng)預(yù)防性維護方面相關(guān)標準規(guī)范的要求如何在老舊煉化裝置中落實到位，以及行業(yè)標椎規(guī)范中未具體明確的內(nèi)容如何在實踐中應(yīng)用等問題，各企業(yè)均在不斷摸索中前進。本文就上述問題，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求及裝置實際情況，介紹了幾種已經(jīng)取得良好效果的實踐經(jīng)驗，為煉化企業(yè)制訂控制系統(tǒng)預(yù)防性維護策略提供參考。

1 以控制系統(tǒng)在線監(jiān)測為主的預(yù)知性維護策略

以往對控制系統(tǒng)每天進行巡檢，需要查看系統(tǒng)報警，并打開每面機柜檢查卡件、電源模塊、交換機等設(shè)備運行狀態(tài)，同時每月還需檢查控制系統(tǒng)負荷、通信負荷、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等。隨著老舊大型煉化企業(yè)人員老齡化加劇和自然減員，僅通過人力巡檢無法滿足此類工作要求，急需探索推進控制系統(tǒng)在線監(jiān)測功能的開發(fā)應(yīng)用。上述要求在《中國石化煉化企業(yè)儀控預(yù)防性工作策略》(2021年版)中已有明確，但是未指出具體的實施途徑和目標，且各企業(yè)系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況不同，對系統(tǒng)狀態(tài)關(guān)注的內(nèi)容也不盡相同，所以需要根據(jù)自身實際情況定制化開發(fā)所需的功能，下面將以某大型煉化企業(yè)為例進行介紹。

1)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。老舊大型煉化企業(yè)面臨著控制系統(tǒng)點多面廣，并有不同品牌不同時期的各類控制系統(tǒng)，無法采用某一控制系統(tǒng)原廠配備的狀態(tài)檢測模塊來采集全廠所有系統(tǒng)狀態(tài)，需各企業(yè)外委第三方結(jié)合企業(yè)自身情況進行定制化開發(fā)。在該案例中，實現(xiàn)通過企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)即可查看所有控制系統(tǒng)狀態(tài)和報警的功能，數(shù)據(jù)流主要分為兩條通路：

a)DCS OPC站及網(wǎng)關(guān)具備報警與事件(AE)接口。近年來新建裝置均具備該軟硬件條件，監(jiān)控平臺通過OPC AE接口直接采集DCS的報警和事件。該種方式的優(yōu)點是簡單高效并且報警信息詳實，同時不占用企業(yè)實時數(shù)據(jù)庫點位授權(quán)，缺點是無法實時監(jiān)控機柜間溫度和濕度等過程變量。

b)DCS OPC站及網(wǎng)關(guān)僅具備數(shù)據(jù)訪問(DA)接口。以往老舊裝置DCS不具備OPC AE接口的情況下，則需要將系統(tǒng)狀態(tài)的內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)通過OPC DA接口讀取。該種方式的優(yōu)點是可以監(jiān)控過程變量實時值，缺點是對于開關(guān)量報警采集工作量較大，占用企業(yè)實時數(shù)據(jù)庫點位授權(quán)較多，且部分老舊裝置自身狀態(tài)變量無法采集，則此類系統(tǒng)無法在線監(jiān)控。

在該案例中，通過上述兩種通路相結(jié)合的方式，實現(xiàn)既能采集到系統(tǒng)狀態(tài)報警，又能夠?qū)τ谛枰倪^程變量實時監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)狀態(tài)檢測平臺網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)狀態(tài)檢測平臺網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

2)硬件狀態(tài)監(jiān)控功能。將所有電源模塊、交換機、風(fēng)扇報警、溫濕度報警分別接入其相應(yīng)的DCS，安全儀表系統(tǒng)(SIS)或機組停車系統(tǒng)(CCS)，再將除DCS以外SIS等系統(tǒng)的硬件狀態(tài)通過Modbus通信至DCS，實現(xiàn)能夠在DCS中監(jiān)控本裝置所有控制系統(tǒng)及其配套硬件的狀態(tài)。之后，具備OPC AE接口的，則通過該接口將所有系統(tǒng)和硬件報警信號采集至監(jiān)控平臺，并在平臺內(nèi)設(shè)置文本提取功能，將報警和事件信息與平臺上的監(jiān)控畫面相對應(yīng)，實現(xiàn)可視化與文本化相結(jié)合的報警查看方式；僅具備OPC DA接口的，則將所有系統(tǒng)和硬件報警的開關(guān)量打包為32位無符號整型量上傳至平臺，再在平臺中解析并關(guān)聯(lián)至監(jiān)控畫面，實現(xiàn)在線監(jiān)控功能。

3)故障趨勢判斷功能。將各控制系統(tǒng)的控制器負荷、通信負荷、通信丟包率、控制器溫度等參數(shù)采集至監(jiān)控平臺，并在其中設(shè)置歷史記錄功能和趨勢自主判斷功能，實現(xiàn)平臺能夠自主分析上述參數(shù)的變化，在達到報警值之前就提出預(yù)警。例如： 在正常生產(chǎn)期間每周自主分析控制器負荷，若在沒有組態(tài)修改的情況下某短時間突然負荷增加達到一定程度，但又沒有達到報警值，則提前提醒維護人員主動查看分析，提前處理系統(tǒng)問題。

4)機柜間管理功能。將機柜間溫濕度、進線口浸水檢測開關(guān)狀態(tài)上傳至監(jiān)控平臺顯示和報警，并且與企業(yè)視頻監(jiān)控平臺相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)既能監(jiān)控系統(tǒng)運行環(huán)境，又能查看機柜間視頻監(jiān)控。

5)過程信息采集功能。將SIS和CCS的聯(lián)鎖旁路狀態(tài)通信至DCS，再上傳至監(jiān)控平臺，實現(xiàn)實時監(jiān)控聯(lián)鎖投、摘情況，進而自動統(tǒng)計聯(lián)鎖投用率；將冗余聯(lián)鎖或重要控制儀表實時數(shù)據(jù)上傳至平臺，在平臺中設(shè)置偏差報警，實現(xiàn)提前預(yù)判重要儀表故障的功能，并節(jié)省了SIS或DCS本身負荷；對裝置重要閥門及進出料流量進行監(jiān)控和報警，實現(xiàn)實時監(jiān)控裝置開停工狀態(tài)。

6)移動端報警推送功能。按照企業(yè)管理模式將各類報警通過短信、釘釘?shù)确绞降谝粫r間推送至對應(yīng)負責(zé)的片區(qū)工程師，并在移動端可以實時查看平臺所有數(shù)據(jù)。

2 裝置檢修期間的控制系統(tǒng)專項預(yù)防性維護策略

以往對于控制系統(tǒng)檢修項目內(nèi)容在《石油化工設(shè)備維護檢修規(guī)程》第七冊中雖然已有要求，但隨著近年來儀表控制系統(tǒng)的不斷迭代升級，對系統(tǒng)檢修內(nèi)容提出了新的要求。近年來在《中國石化煉化企業(yè)儀控預(yù)防性工作策略》(2021年版)對控制系統(tǒng)的預(yù)防性維護工作已有要求，但各企業(yè)仍需結(jié)合實際情況細化如何利用裝置停工檢修的契機對控制系統(tǒng)進行全面的檢查和隱患整改，確保檢修后的系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。下面將以某大型煉化企業(yè)為例，介紹除上述已有明確要求的系統(tǒng)清掃、冗余測試、接地檢查等常規(guī)工作之外，以檢修后的控制系統(tǒng)達到“系統(tǒng)零報警、工控零漏洞、聯(lián)鎖零摘除(特指因儀表原因需摘除的聯(lián)鎖)、控制零手動(因儀表原因無法投用自動的回路)”為目標，在檢修中還需進一步實施的預(yù)防性維護工作。

1)控制系統(tǒng)點檢。系統(tǒng)點檢雖然在SHS 07001—2004中已有要求，但沒有明確是否需要檢查所有通道以及檢查的技術(shù)要求。該企業(yè)自2020年推進設(shè)備完整性管理體系以來，在檢修期間對控制系統(tǒng)委托原廠家使用專用設(shè)備檢查每個通道，通過兩年來近二十余套裝置六萬余個通道檢查均未發(fā)現(xiàn)過通道故障。隨著近年來新增控制系統(tǒng)質(zhì)量不斷提升，將檢修期間控制系統(tǒng)點檢策略定為每塊卡件選取1～2點通道進行抽檢測試，之后出具檢查報告，同時點檢工作盡量委托原系統(tǒng)廠家使用專業(yè)設(shè)備實施。因此在確保合規(guī)檢修的前提下，更加經(jīng)濟和有針對性地做好系統(tǒng)點檢工作。

2)光通量測試。由于老舊裝置控制系統(tǒng)已投用較長時間，其中光電轉(zhuǎn)換器、光纖跳線、光纖熔接部位等光信號通路容易產(chǎn)生老化，特別是對于帶有遠程I/O并配備輔操臺的系統(tǒng)，一旦光信號設(shè)備出現(xiàn)故障極易引起生產(chǎn)裝置波動或非計劃停車，并且目前的各類規(guī)范導(dǎo)則中未明確對于控制系統(tǒng)的光路設(shè)備如何檢測維護。因此，利用檢修契機使用光時域檢測儀檢測整個光路信號的光衰程度，參考國際綜合布線標準，通常光纜衰減不超過0.5 dB/km，每個連接部件衰減不超過0.75 dB，每個熔接點衰減不超過0.3 dB。若整條通路檢查發(fā)現(xiàn)異常，則通過分段測量的方法找到光衰較大的部件進行預(yù)防性更換。

3)端子復(fù)緊固。由于目前裝置大修周期不斷延長，特別是對于運行周期在5 a以上的各類控制系統(tǒng)，接線端子容易出現(xiàn)塑料支架老化、緊固部位金屬疲勞等問題，造成端子松動，存在安全運行的風(fēng)險，并且在各類檢修規(guī)范標準中對此無明確要求。因此，利用檢修契機對所有接線端子進行進一步緊固，并安排專人抽檢和做好記錄，確保檢修后端子連接良好。

4)預(yù)防性更換易損件。對控制系統(tǒng)易損件在檢修期進行預(yù)防性更換，以降低在運行期間施工作業(yè)的風(fēng)險，除各類導(dǎo)則規(guī)程要求的以外，還需注意以下幾個方面：

a)綜合各類控制系統(tǒng)說明書中明確的系統(tǒng)內(nèi)部電池通常使用壽命為3～5 a，制訂了對超過3 a的控制系統(tǒng)電池隨檢修進行更換的策略，降低在裝置運行期間進行系統(tǒng)內(nèi)部電池更換作業(yè)的頻次和風(fēng)險。

b)由于外部供電模塊或者系統(tǒng)機架風(fēng)扇一旦故障，在運行期間更換作業(yè)的風(fēng)險較大，所以對于SIS，CCS和重要裝置的DCS控制系統(tǒng)，在檢修期間預(yù)防性更換使用超過8 a的外供電電源模塊和機架風(fēng)扇，并將換下的設(shè)備清理保存好，作為非重要裝置的控制系統(tǒng)備件。

c)根據(jù)以往維護經(jīng)驗，對于帶有風(fēng)扇的電源模塊故障率較高，則對于使用5 a以上帶有風(fēng)扇的電源模塊，需在檢修時更換為無風(fēng)扇電源模塊，無法更換的則需定期更換電源模塊風(fēng)扇。

d)對于使用8 a以上的專用控制器需在檢修期間進行全面評估測試，尤其是對于在現(xiàn)場安裝的控制單元需詳細檢查運行環(huán)境，一旦發(fā)現(xiàn)性能下降、故障損壞的趨勢等問題則需及時預(yù)防性更換，并改善運行環(huán)境。

5)改善系統(tǒng)運行環(huán)境。在做好各類標準規(guī)范中對于機柜間已有的相關(guān)要求基礎(chǔ)上，在機柜間對角和中心位置安裝溫濕度變送器，在進線口安裝浸水檢測開關(guān)，并將信號引入DCS顯示和報警；在機柜間進線口等部位設(shè)置透明防靜電地板，以便于觀察滲水情況及防小動物措施是否完好；對于老舊機柜間與其他操作間、餐廳在防靜電地板下方連通的，利用檢修契機砌墻隔斷。

3 新建及改造項目中需特別關(guān)注的事項

3.1 冗余表決回路的結(jié)構(gòu)

由于近年來相繼出現(xiàn)過某1塊AI，DI或DO卡損壞造成“2oo3”“2oo2”聯(lián)鎖或控制回路動作，導(dǎo)致裝置非計劃停車或波動的案例，所以將“2oo3”“2oo2”結(jié)構(gòu)的輸入、輸出信號均設(shè)置在不同的控制系統(tǒng)卡件上，即可避免該問題。除此之外，對于相關(guān)標準規(guī)范中未十分明確的，建議采取以下策略：

1)對于機組軸系監(jiān)測系統(tǒng)，以往大部分項目是在該系統(tǒng)中表決運算后輸出單組觸點至機組緊急停機系統(tǒng)中聯(lián)鎖，但近年來出現(xiàn)過軸系檢測系統(tǒng)繼電器卡頓故障造成聯(lián)鎖誤動作的案例。所以，對于機組軸系檢測系統(tǒng)至機組緊急停機系統(tǒng)的聯(lián)鎖，需通過不同繼電器卡件直接輸出振動或位移單點超聯(lián)鎖值的DO信號至機組緊急停機系統(tǒng)的不同DI卡件，再在緊急停機系統(tǒng)上進行表決運算后輸出聯(lián)鎖，以確保從現(xiàn)場至控制器全回路的冗余表決結(jié)構(gòu)。以軸位移“2oo3”聯(lián)鎖回路為例，回路接法如圖2所示。

圖2 機組軸系檢測系統(tǒng)聯(lián)鎖回路示意

2)對于冗余表決結(jié)構(gòu)的測量回路需設(shè)置偏差報警。根據(jù)以往實際維護經(jīng)驗，通常設(shè)置流量差值不超過聯(lián)鎖值的10%或量程值的5%(取兩者間的大值)、溫度差值不超過聯(lián)鎖值的6%或量程值的3%(取兩者間的大值)、液位差值不超過聯(lián)鎖值的10%或量程值的5%(取兩者間的大值)、壓力差值不宜超過聯(lián)鎖值的4%或量程值的2%(取兩者間的大值)。特別是對于“2oo2”回路還需設(shè)置防拒動的措施，可在單個儀表故障時將原聯(lián)鎖回路自動或強制改為“1oo1”結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)提升整個回路的可靠性和安全性。

3)對于機組防喘振系統(tǒng)中的入口差壓測量，若設(shè)置3臺獨立的變送器時，防喘振系統(tǒng)需配有故障診斷和自動切換控制策略的功能。當(dāng)3臺儀表均正常時采用“三取中”控制，當(dāng)其中1臺儀表故障時自動變?yōu)榱硗?臺正常儀表測量值“二取低”，當(dāng)2臺儀表故障時則取剩余1臺正常儀表的測量值，3臺儀表都故障時則保持最后1個正常值。

4)對于DCS中的“三取中”回路往往是在項目實施中容易忽視的部位，對于現(xiàn)場3路儀表信號需分別接入3塊AI卡，以確保輸入信號的可靠性。

3.2 超速保護系統(tǒng)回路結(jié)構(gòu)

在API STANDARD 670： 2014中對于機組電子超速保護系統(tǒng)的要求：“除最終控制元件外，電子超速檢測應(yīng)與速度控制系統(tǒng)分開并有別于速度控制系統(tǒng)；如有規(guī)定，喘振檢測系統(tǒng)和/或緊急停機系統(tǒng)可與單個系統(tǒng)中的超速檢測功能結(jié)合，但這些功能的故障不得影響超速保護系統(tǒng)；不允許將超速系統(tǒng)與任何其他控制、保護或監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合。”因此，目前各機組控制系統(tǒng)大多配有第三方超速保護系統(tǒng)，自現(xiàn)場3路轉(zhuǎn)速信號分別進入其內(nèi)部的3塊速度檢測模塊，再輸出多個經(jīng)“2oo3”表決后的停車觸點。但超速保護系統(tǒng)和CCS如何共同作用于現(xiàn)場停機電磁閥的回路結(jié)構(gòu)在各規(guī)范中沒有十分明確，并且各家設(shè)計單位、煉化企業(yè)目前接法也不盡相同。通常，停車電磁閥及其配套的速關(guān)組件結(jié)構(gòu)主要有“1oo2”和“2oo3”兩種停機模式，針對不同模式分別研究制訂了相應(yīng)的控制回路結(jié)構(gòu)。總體原則是既能實現(xiàn)超速保護系統(tǒng)獨立停機，并且能夠?qū)崿F(xiàn)超速保護停機與CCS聯(lián)動，又能夠最大限度保留停機回路冗余結(jié)構(gòu)完整，同時對關(guān)鍵動作部件利用緊急停車系統(tǒng)采集其狀態(tài)進行報警和記錄。

1)針對“1oo2”停機電磁閥的回路結(jié)構(gòu)。該種模式常用于非特別重要的機組，缺點是只要1個電磁閥及其回路部件發(fā)生故障則會導(dǎo)致誤停機，為此在設(shè)計該回路時需重點考慮提升回路結(jié)構(gòu)的可靠性和對各動作部件的監(jiān)測，回路接法如圖3所示。對超速保護系統(tǒng)表決后的2組信號分別配置繼電器，分別將該繼電器的1組觸點與CCS停機繼電器的1組觸點串接后，共同控制現(xiàn)場2臺停機電磁閥；將超速保護系統(tǒng)2個停機繼電器的輔助觸點和超速保護系統(tǒng)的1組表決后的觸點共同接入CCS，構(gòu)成“2oo3”停機聯(lián)鎖；將CCS 2個停機繼電器的另一組觸點分別接入其自身用于報警和記錄；將超速保護系統(tǒng)3個模塊的綜合報警觸點分別接入CCS用于報警和記錄。此處需注意： 接入CCS用于聯(lián)鎖的3組超速停機信號需分別進入3塊DI卡，CCS停機信號需分別從2塊DO卡件輸出。

圖3 “1oo2”停車電磁閥的超速保護系統(tǒng)接法示意

該接法的優(yōu)勢在于超速保護系統(tǒng)和CCS可分別獨立控制現(xiàn)場2臺停車電磁閥。為提升回路的可靠性，超速保護系統(tǒng)的停機信號以“2oo3”方式聯(lián)動觸發(fā)CCS聯(lián)鎖。同時利用CCS分別監(jiān)控超速保護系統(tǒng)每個模塊以及停車繼電器的故障狀態(tài)。

2)針對“2oo3”停機電磁閥的回路結(jié)構(gòu)。該種模式常用于近年來新裝置的重要機組，在設(shè)計回路時尤其需注意最大限度保留各環(huán)節(jié)冗余結(jié)構(gòu)，并可監(jiān)控動作部件狀態(tài)，回路接法如圖4所示。對超速保護系統(tǒng)表決后的3組觸點分別配置繼電器，分別將該繼電器的其中1組觸點與CCS停機繼電器的1組觸點串接后，共同控制現(xiàn)場3臺停機電磁閥；將超速保護系統(tǒng)配備的3個繼電器的另一組觸點分別接入CCS用于“2oo3”停機聯(lián)鎖；將CCS 3個停機繼電器的另一組觸點分別接入其自身用于報警和記錄；將超速保護系統(tǒng)3個模塊的綜合報警觸點分別接入CCS用于報警和記錄。此處需注意： 接入CCS用于聯(lián)鎖的3組超速停機信號需分別進入3塊DI卡，CCS的停機信號需分別從3塊DO卡件輸出。

圖4 “2oo3”停車電磁閥的超速保護系統(tǒng)接法示意

該種模式真正做到了從輸入到輸出的全回路“2oo3”冗余結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)超速保護系統(tǒng)和CCS均通過表決后的信號分別獨立控制現(xiàn)場3臺停機電磁閥，并且超速保護系統(tǒng)聯(lián)鎖后可以聯(lián)動觸發(fā)CCS聯(lián)鎖，同時利用CCS可以分別監(jiān)控超速保護系統(tǒng)每個模塊以及停車繼電器的故障狀態(tài)，大幅提升了回路整體可靠性。

3.3 控制系統(tǒng)預(yù)防性維護需要關(guān)注的事項

1)提升控制系統(tǒng)運行環(huán)境。對于老裝置凸顯出的防靜電地板使用若干年后存在支架斷裂、地板邊框脫落的問題，在新建項目中使用實心無邊框型地板，并且地板支撐全部采用槽鋼網(wǎng)格狀焊接固定，確保長期穩(wěn)固耐用。由于該企業(yè)地處南方，夏季濕度較大，以往在機柜間配置多臺空調(diào)和抽濕機，增加維護難度，為此在新項目中對機柜室配置恒溫恒濕集中空調(diào)，并且將空調(diào)報警信號接入DCS，同時空調(diào)出風(fēng)口位置不能設(shè)置在機柜正上方或正對機柜處。

2)對于差壓式流量檢測儀表，為避免生產(chǎn)運行階段更換故障儀表或修改組態(tài)時忽略核對開方運算方式，在新建項目中對于差壓式流量一律在現(xiàn)場變送器中進行開方運算，除特殊要求外，控制系統(tǒng)內(nèi)不進行開方運算。

3)對于獨立的大機組軸系監(jiān)測系統(tǒng)，選用帶有以太網(wǎng)功能的控制器，并將其接入已有的CCS網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)通過CCS工程師站即可對其進行組態(tài)和狀態(tài)監(jiān)測。

4)對于設(shè)備隨附的現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)，在新建或改造項目時要求廠家提供控制邏輯，將其引入DCS控制，可以對該程序段加密并簽署保密協(xié)議。

4 結(jié)束語

上述為提升控制系統(tǒng)整體可靠性而制訂的各類預(yù)防性維護策略，是在各項標準規(guī)范要求的框架下結(jié)合企業(yè)自身情況進一步的細化和完善，已經(jīng)在實際應(yīng)用中充分實踐。其中，控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測平臺已經(jīng)及時發(fā)現(xiàn)并提醒處置了多起重要設(shè)備故障，并降低了人工巡檢工作量；系統(tǒng)檢維修方面的措施使得在運行期間的系統(tǒng)維護工作量和作業(yè)風(fēng)險大幅降低，并有效遏制了老舊控制系統(tǒng)故障率頻發(fā)的趨勢；新建及改造項目對于控制系統(tǒng)需要關(guān)注的內(nèi)容，在近年來新上的各類工藝新、聯(lián)鎖多、控制復(fù)雜的裝置中成功避免了多起波動或非計劃停車。上述策略整體上取得了良好效果，提供了可借鑒的經(jīng)驗。同時，隨著煉化工藝的不斷進步，對于如何精準制訂控制系統(tǒng)預(yù)防性維護策略的課題仍然需不斷探索和實踐。