國(guó)產(chǎn)分散控制系統(tǒng)在裂解裝置技術(shù)改造中的探索

王子洋

(中國(guó)石油化工股份有限公司 茂名分公司，廣東 茂名 525000)

分散控制系統(tǒng)(DCS)作為石油化工裝置的核心控制單元，對(duì)裝置安全穩(wěn)定生產(chǎn)和提高效益發(fā)揮至關(guān)重要的作用。近年來(lái)，隨著中國(guó)石化行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，一些老舊裝置的DCS逐漸難以適應(yīng)當(dāng)前安全生產(chǎn)和未來(lái)的發(fā)展需要，同時(shí)，國(guó)內(nèi)控制系統(tǒng)制造企業(yè)工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得對(duì)DCS實(shí)施國(guó)產(chǎn)化替代成為可能。本文介紹了利用檢修契機(jī)對(duì)裂解裝置的DCS實(shí)行國(guó)產(chǎn)化替代取得的良好效果，并提供了可借鑒的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 國(guó)產(chǎn)化技術(shù)改造的背景和目標(biāo)

1.1 DCS國(guó)產(chǎn)化改造的意義

當(dāng)前，國(guó)際上各大國(guó)之間貿(mào)易戰(zhàn)不斷加劇，國(guó)內(nèi)石化行業(yè)急需打破國(guó)外DCS的壟斷局面，有效解決國(guó)外DCS的技術(shù)封鎖、價(jià)格昂貴、安全漏洞、服務(wù)不及時(shí)等核心問(wèn)題。近年來(lái)，隨著“中國(guó)智造”的不斷崛起，在國(guó)家層面不斷鼓勵(lì)和推進(jìn)控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化改造，國(guó)產(chǎn)DCS已具備了一定的技術(shù)水平和競(jìng)爭(zhēng)力，需在大型煉化企業(yè)的重點(diǎn)裝置中進(jìn)一步運(yùn)用實(shí)踐。對(duì)此中國(guó)石化一直在推進(jìn)DCS國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目的實(shí)施，針對(duì)集團(tuán)內(nèi)某大型煉化一體化企業(yè)裂解裝置控制系統(tǒng)改造項(xiàng)目，經(jīng)多番論證后，利用檢修契機(jī)采用某國(guó)產(chǎn)品牌DCS整體替換該裝置原進(jìn)口DCS。

1.2 裂解裝置DCS概況

某裂解裝置于2006年投產(chǎn)，共有7臺(tái)裂解爐，包括1臺(tái)循環(huán)乙烷氣體原料裂解爐和6臺(tái)液體原料裂解爐，主要采用ABB Lummus和SEI開(kāi)發(fā)的“北方爐”工藝技術(shù)，分離工藝采用前脫丙烷前加氫及三元制冷技術(shù)。該裝置原DCS為進(jìn)口品牌，總儀表檢測(cè)點(diǎn)數(shù)為5×103余點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多年使用和不斷的改造，已經(jīng)明顯出現(xiàn)元器件老化導(dǎo)致的故障率升高、可靠性降低、維護(hù)難度大等問(wèn)題，以及暴露出以往控制系統(tǒng)的建設(shè)水平存在操作顯示不直觀、事件報(bào)警記錄不齊全、備用點(diǎn)數(shù)不足等無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前管理要求的問(wèn)題。

1.3 改造目標(biāo)和內(nèi)容

針對(duì)上述問(wèn)題，為了滿(mǎn)足安全生產(chǎn)和提質(zhì)增效的要求，需利用檢修契機(jī)對(duì)該裝置DCS整體更換。經(jīng)調(diào)研分析，認(rèn)為當(dāng)前主流國(guó)產(chǎn)DCS的性能已經(jīng)與進(jìn)口系統(tǒng)相差無(wú)幾，符合裝置對(duì)于安全生產(chǎn)的要求。并利用本次改造對(duì)組態(tài)程序進(jìn)一步優(yōu)化，完善操作畫(huà)面流程圖、各類(lèi)事件和報(bào)警記錄、重新鑒定PID參數(shù)等，提升裝置控制系統(tǒng)的可靠性和控制平穩(wěn)性。

2 改造實(shí)施的難點(diǎn)與對(duì)策

2.1 改造實(shí)施的難點(diǎn)

改造實(shí)施中主要有以下難點(diǎn)：

1)實(shí)施難度大。該項(xiàng)目是對(duì)裝置原DCS進(jìn)行整體更換，相較于新建項(xiàng)目，具有圖紙資料不齊全、施工及調(diào)試時(shí)間緊迫、原線(xiàn)路清理復(fù)雜等難點(diǎn)；相較于通常的升級(jí)改造項(xiàng)目，具有組態(tài)程序轉(zhuǎn)換復(fù)雜、所有硬件設(shè)備需全部更換、所有回路和邏輯需全部重新調(diào)試等難點(diǎn)。

2)新舊系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)不同。原進(jìn)口DCS的網(wǎng)絡(luò)為鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，組態(tài)模式以其特有的CL語(yǔ)言為主。新國(guó)產(chǎn)DCSD的網(wǎng)絡(luò)為星型結(jié)構(gòu)，具備更強(qiáng)的容錯(cuò)性和可靠性，組態(tài)方式以當(dāng)前通用的功能塊模式為主，具備更強(qiáng)的易維護(hù)性。新舊系統(tǒng)各類(lèi)模塊的參數(shù)配置和控制算法均不同，在該項(xiàng)目中需整體重構(gòu)DCS。

3)組態(tài)程序轉(zhuǎn)換難度極大。由于原進(jìn)口DCS采用非通用的CL語(yǔ)言組態(tài)，并且歷經(jīng)多年改造，已有的設(shè)計(jì)資料無(wú)法準(zhǔn)確描述其真實(shí)的控制意圖，需要潛心研讀原系統(tǒng)程序，再與僅有的設(shè)計(jì)資料和工藝專(zhuān)業(yè)人員反復(fù)比對(duì)和溝通理解，重新明確描述當(dāng)前系統(tǒng)真正的控制模式才可使項(xiàng)目繼續(xù)實(shí)施。

4)控制邏輯未經(jīng)實(shí)際校驗(yàn)。該項(xiàng)目需將所有程序從舊系統(tǒng)翻譯至新系統(tǒng)，所有順控、聯(lián)鎖邏輯及復(fù)雜控制回路均無(wú)法在系統(tǒng)上線(xiàn)前進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，并且該裝置DCS須在18 d內(nèi)調(diào)試完5×103余個(gè)儀表點(diǎn)，工期非常緊迫，存在程序調(diào)試設(shè)計(jì)驗(yàn)證不充分的風(fēng)險(xiǎn)。

5)新舊系統(tǒng)PID參數(shù)意義不同。因新舊系統(tǒng)的PID控制模塊算法不同，導(dǎo)致原系統(tǒng)PID參數(shù)無(wú)法在新系統(tǒng)中直接使用，需全部重新整定，存在對(duì)工藝過(guò)程控制效果不佳的風(fēng)險(xiǎn)。

6)組態(tài)參數(shù)數(shù)量龐大。需對(duì)所有點(diǎn)位和控制邏輯的參數(shù)全部重新設(shè)置，組態(tài)中的流程圖畫(huà)面、量程、報(bào)警值、故障值、正反作用、聯(lián)鎖值、延時(shí)值等參數(shù)以及改造項(xiàng)目新增組態(tài)數(shù)量龐大，存在設(shè)置錯(cuò)誤或漏項(xiàng)的風(fēng)險(xiǎn)。

7)作業(yè)過(guò)程管控風(fēng)險(xiǎn)巨大。該裂解裝置共約4×104個(gè)接線(xiàn)端子，并存在大量無(wú)設(shè)計(jì)圖紙的接線(xiàn)，十分繁瑣復(fù)雜。該項(xiàng)目需在12 d內(nèi)完成硬件改造，23 d內(nèi)完成所有點(diǎn)位的邏輯調(diào)試，工期非常緊迫，存在接線(xiàn)錯(cuò)誤等風(fēng)險(xiǎn)，影響該裝置開(kāi)車(chē)，進(jìn)而影響整個(gè)化工系列裝置開(kāi)車(chē)。

2.2 改造對(duì)策及技術(shù)要求

針對(duì)以上技術(shù)難點(diǎn)，主要的對(duì)策如下：

1)全面理清原系統(tǒng)的軟硬件配置。需將該裝置最初設(shè)計(jì)資料、歷年改造資料全部收集齊備，再與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行核對(duì)確認(rèn)，并做好記錄形成目前運(yùn)行系統(tǒng)的真實(shí)、齊備的圖紙。在硬件方面需要理清原系統(tǒng)的供電結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、卡件布置和回路接線(xiàn)，必須保證每條回路的線(xiàn)路走向、有源或無(wú)源接法、常開(kāi)常閉接法等信息清晰明確，并詳細(xì)補(bǔ)充到原設(shè)計(jì)圖紙中；在軟件方面需將原系統(tǒng)的控制組態(tài)、功能塊參數(shù)、流程圖畫(huà)面等內(nèi)容全部梳理并理解到位，再與工藝專(zhuān)業(yè)人員共同核對(duì)，形成能夠準(zhǔn)確反應(yīng)當(dāng)前系統(tǒng)實(shí)際控制意圖的完整資料。

2)新舊系統(tǒng)的一致性問(wèn)題。在該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中不僅要考慮系統(tǒng)的可靠性和合規(guī)性，更要考慮項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的便利性。在硬件方面，為保證施工準(zhǔn)確高效，新系統(tǒng)的機(jī)柜布置盡量與原系統(tǒng)一致，并且由于裂解裝置是先停爐區(qū)再停分離單元，則在設(shè)計(jì)之初就將爐區(qū)和分離單元的機(jī)柜分別布置，以便于根據(jù)裝置各單元停工的順序盡早開(kāi)展施工。在軟件組態(tài)方面需保證控制功能與原系統(tǒng)、原設(shè)計(jì)完全一致，不可擅自更改。

3)消除舊系統(tǒng)隱患。需對(duì)照最新設(shè)計(jì)規(guī)范和管理要求，將當(dāng)前控制系統(tǒng)的隱患在設(shè)計(jì)階段就徹底消除。

a)接地系統(tǒng)不規(guī)范。該裝置機(jī)柜間原接地系統(tǒng)是將保護(hù)接地和儀表接地分別引入變電所與電氣設(shè)備接地相連，不符合SH/T 3081—2019《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，以往雷電天氣時(shí)容易出現(xiàn)系統(tǒng)異常，在該次改造時(shí)按照新規(guī)范要求將儀表接地和保護(hù)接地在機(jī)柜間內(nèi)最終匯總，再通過(guò)接地電纜與裝置框架的總接地網(wǎng)相連接，同時(shí)在電氣側(cè)將UPS零線(xiàn)接地。

b)關(guān)鍵控制回路可靠性不高。由于裂解裝置生產(chǎn)運(yùn)行周期長(zhǎng)，以往儀表測(cè)量信號(hào)“一取一”的控制模式存在可靠性不高的風(fēng)險(xiǎn)，所以在該項(xiàng)目中對(duì)重要控制回路增設(shè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表，并將3臺(tái)儀表測(cè)量信號(hào)分別接入DCS的3塊輸入卡件，在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行“三取中”運(yùn)算后再進(jìn)行控制，確保整個(gè)回路高可靠性。

c)接線(xiàn)端子隱患問(wèn)題。原系統(tǒng)端子柜全部采用刀片壓接方式，存在側(cè)向力容易使其松動(dòng)或脫落的風(fēng)險(xiǎn)，該項(xiàng)目全部更換為通用的螺絲緊固端子。

4)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。在設(shè)計(jì)階段，需考慮進(jìn)一步提升系統(tǒng)可靠性并優(yōu)化操作畫(huà)面、控制組態(tài)和事件記錄等內(nèi)容。

a)完善系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。將所有電源模塊、交換機(jī)的報(bào)警信息全部引入對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)中，再通過(guò)Modbus將除DCS以外各控制系統(tǒng)的硬件狀態(tài)、聯(lián)鎖旁路狀態(tài)、電源及交換機(jī)狀態(tài)、機(jī)柜間溫濕度、UPS狀態(tài)全部通信至DCS，并在DCS中繪制整個(gè)機(jī)柜間系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)圖，實(shí)現(xiàn)通過(guò)一張圖即可顯示該裝置所有控制系統(tǒng)的硬件狀態(tài)和報(bào)警的功能。

b)取消PLC。干燥器控制邏輯原是由現(xiàn)場(chǎng)PLC完成，具有運(yùn)行環(huán)境較差、故障率較高、操作復(fù)雜、監(jiān)控不直觀、事件記錄不全等問(wèn)題。在該次改造中，組織原成套設(shè)備廠家和DCS工程師充分解讀PLC控制程序，將所有控制邏輯全部改在DCS中實(shí)現(xiàn)，取消現(xiàn)場(chǎng)PLC控制。

c)完善工控網(wǎng)絡(luò)安全配置。對(duì)照《中國(guó)石化工業(yè)儀表控制系統(tǒng)安全防護(hù)實(shí)施規(guī)定》(中國(guó)石化生[2019]318號(hào))的要求，利用該項(xiàng)目增設(shè)DCS隔離網(wǎng)關(guān)，并具備OPC AE功能，確保既能滿(mǎn)足新規(guī)定的要求，又為下一步將控制系統(tǒng)狀態(tài)上傳信息網(wǎng)做準(zhǔn)備。

d)增設(shè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理功能。新增設(shè)該國(guó)產(chǎn)DCS配置的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理模塊，通過(guò)帶HART通信功能的AI及AO卡件，可以實(shí)現(xiàn)在設(shè)備管理服務(wù)器中與現(xiàn)場(chǎng)儀表直接通信并修改組態(tài)。在該項(xiàng)目中針對(duì)未配備現(xiàn)場(chǎng)模擬量回訊器的重要閥門(mén)，利用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理服務(wù)器讀取閥門(mén)定位器中的實(shí)時(shí)閥位值，再傳輸至系統(tǒng)域服務(wù)器和操作站，實(shí)現(xiàn)在監(jiān)控畫(huà)面調(diào)用顯示和設(shè)置偏差報(bào)警的功能。同時(shí)，通過(guò)OPC服務(wù)器上傳至工廠信息網(wǎng)，接入儀表健康平臺(tái)監(jiān)控。設(shè)備管理功能網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 設(shè)備管理功能網(wǎng)絡(luò)示意

5)做好項(xiàng)目實(shí)施準(zhǔn)備。結(jié)合歷年來(lái)典型控制系統(tǒng)故障，從10個(gè)方面編制了76項(xiàng)驗(yàn)收清單，集中列出需要關(guān)注的重點(diǎn)事項(xiàng)逐項(xiàng)確認(rèn)驗(yàn)收。并針對(duì)機(jī)柜拆裝、控制方案改造等重點(diǎn)且難度大的任務(wù)編制專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)方案，為項(xiàng)目推演和過(guò)程管控提供依據(jù)。

3 改造過(guò)程中需特別關(guān)注的事項(xiàng)

3.1 技術(shù)方面需注意的事項(xiàng)

技術(shù)方面需注意的事項(xiàng)如下：

1)需深入理解原系統(tǒng)控制要求。原進(jìn)口系統(tǒng)中的CL語(yǔ)言不是常用的組態(tài)方式，特別是裂解爐六路進(jìn)料控制邏輯，其核心是單組進(jìn)料流量PID回路的給定值始終等于總進(jìn)料流量PID回路的輸出值加上爐管溫度TDC補(bǔ)償值再加上模式切換偏差值之和，以及總進(jìn)料量控制器的手自動(dòng)狀態(tài)需隨著單組進(jìn)料流量控制器的串級(jí)狀態(tài)自動(dòng)轉(zhuǎn)變等關(guān)鍵功能必須徹底理解，確保在新系統(tǒng)原封不動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

2)需重點(diǎn)關(guān)注與外部系統(tǒng)的接口程序。原系統(tǒng)與RTO和APC系統(tǒng)的接口中加入了AM模件，通過(guò)AM模件建立APP應(yīng)用可直接調(diào)用各控制器，再由CL程序完成與下層各控制器讀寫(xiě)對(duì)接。但由于新系統(tǒng)沒(méi)有AM模塊，所以需要深入解讀其接口邏輯，并分別在各控制器中重新組態(tài)中間變量及接口程序。

3)需提前預(yù)設(shè)控制參數(shù)。由于新舊系統(tǒng)PID算法不同，導(dǎo)致原PID參數(shù)不可在新系統(tǒng)直接使用。需分別理解新舊系統(tǒng)的算法，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換公式，通過(guò)Excel把舊系統(tǒng)的參數(shù)批量轉(zhuǎn)換至新系統(tǒng)中并預(yù)設(shè)進(jìn)相應(yīng)功能塊中。

4)需注意系統(tǒng)機(jī)架供電電纜截面積。該裝置儀表為隔爆型，各AI和AO信號(hào)儀表均由卡件直接供電。該國(guó)產(chǎn)DCS每個(gè)機(jī)架最多可安裝16塊AI或AO卡件，每塊卡件為16通道，每個(gè)AI和AO通道均采用1.5 mm2電纜，而默認(rèn)為整個(gè)機(jī)架。供電的電纜也為1.5 mm2，存在上下級(jí)電纜負(fù)荷不對(duì)應(yīng)的問(wèn)題。為此根據(jù)SH/T 3082—2019《石油化工儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范》將機(jī)架供電電纜改為2.5 mm2，以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用。

3.2 施工方面需注意的事項(xiàng)

1)務(wù)必理清所有系統(tǒng)接線(xiàn)。在該項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了由于歷年改造項(xiàng)目不規(guī)范產(chǎn)生的無(wú)圖紙資料、無(wú)接線(xiàn)號(hào)碼管或標(biāo)識(shí)錯(cuò)誤，甚至經(jīng)過(guò)多個(gè)過(guò)渡端子柜的回路，在該種情況下需通過(guò)從卡件硬件通道和現(xiàn)場(chǎng)儀表線(xiàn)路兩端同時(shí)尋線(xiàn)，并使用尋線(xiàn)器、逐個(gè)斷開(kāi)端子檢測(cè)等各種輔助手段，確保每條回路接線(xiàn)均清晰明確。

2)新系統(tǒng)機(jī)柜布置盡量與原系統(tǒng)一致。由于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)入室內(nèi)的電纜是不變的，為防止原電纜長(zhǎng)度不足、增加跨柜電纜等問(wèn)題，新系統(tǒng)端子柜的尺寸、朝向、端子排的分布位置，以及端子的標(biāo)識(shí)、機(jī)柜基礎(chǔ)的尺寸等布置需最大限度與原機(jī)柜一致，以確保接線(xiàn)換柜工作的質(zhì)量和效率。

3)需合理安排施工工序。在該項(xiàng)目中更換機(jī)柜和拆接線(xiàn)工作連續(xù)4天3夜不間斷施工，需注意單個(gè)接線(xiàn)工人必須接完或拆完個(gè)人負(fù)責(zé)的整面機(jī)柜后才可休息，并保證每面機(jī)柜的拆線(xiàn)和接線(xiàn)為同一人，以防止休息或換人后無(wú)法與先前工作相銜接，而增加梳理工作導(dǎo)致進(jìn)度延后的問(wèn)題。

4 實(shí)施效果

該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首套大型乙烯裂解裝置采用國(guó)產(chǎn)DCS整體更換進(jìn)口DCS的先例，項(xiàng)目的管理模式已經(jīng)在同期實(shí)施的共14套化工裝置的52套控制系統(tǒng)更換、改造和升級(jí)項(xiàng)目中成功應(yīng)用，并經(jīng)超過(guò)1年的使用驗(yàn)證，未發(fā)生因控制系統(tǒng)問(wèn)題導(dǎo)致的波動(dòng)或非正常停車(chē)。經(jīng)過(guò)此次改造后，DCS的可靠性和易用性得到大幅提升，主要體現(xiàn)在： 徹底消除了高故障率卡件和隱患設(shè)備帶來(lái)的安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，徹底消除了老舊DCS設(shè)備停產(chǎn)帶來(lái)的維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)，提升了控制系統(tǒng)可靠性。通過(guò)對(duì)重要控制回路進(jìn)行“三取中”改造，大幅提升了控制系統(tǒng)整體可靠性，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中成功避免了多次因現(xiàn)場(chǎng)儀表失靈導(dǎo)致的裝置非正常停車(chē)及波動(dòng)。增設(shè)了系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能，并重新優(yōu)化了操作界面，提升了系統(tǒng)易用性，生產(chǎn)操作人員和儀表班組維護(hù)人員均反饋良好。重新整定了PID參數(shù)，使得裝置整體自控率從96%提升至99%以上，全面提升了自控水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

該次國(guó)產(chǎn)化改造項(xiàng)目成功實(shí)施后，多家企業(yè)參照該項(xiàng)目管理模式成功實(shí)施了多項(xiàng)同類(lèi)改造項(xiàng)目，全面根除了老舊裝置控制系統(tǒng)帶來(lái)的安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，切實(shí)提升了裝置整體自控水平，并積極推進(jìn)了國(guó)產(chǎn)DCS的廣泛應(yīng)用。