炼油厂DCS系统再改造后可靠性的分析

齐文军，颜景义，于振荣，张 丽

（中国石油乌鲁木齐石化公司 炼油厂，乌鲁木齐 830019）

0 引言

DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），即为集散控制系统，它运用计算机技术、控制技术和通讯技术、图形显示技术来实现过程控制和过程管理的控制系统[1]。DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制和检测，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。DCS体现了分散控制集中管理。

乌鲁木齐石化公司炼油厂的重油催化装置、重催精制从1995年起使用的DCS系统是Fisher公司的PROVOX系统，常减压装置使用的DCS系统为1996年的Honeywell公司的TDC3000系统，由于装置的扩容改造同时系统运行时间太长、元器件的老化和备件采购困难等问题，使得这些设备已不能满足正常生产的需求。烃重组装置的DCS系统为2005年和利时公司的MACS系统，由于炼油厂建厂较早，控制系统各异，各装置建设时均采用独立控制系统，装置现有控制室相对分散。为了实现区域集中控制室将区内各装置的监视、控制、操作和管理融为一体，将区域之间的生产、管理信息流集中共享，变岗位或装置操作为系统操作，从 2009年起，本厂对这4套装置中使用的DCS系统进行了改造，并将4套装置的操作站放置在同一个主控室，改造后统一采用Honeywell的PKS系统。DCS的统一化通过一个OPC接口连接到上层网络，也有利于数据采集上传到公司总调。

就整个装置运行的可靠性而言，DCS系统的安全可靠性是至关重要的，为了提高DCS的可靠性，改造方案的正确性、合理性就显得尤为重要。以下就通过基础资料、系统选型、施工质量、组态调试、人员培训等方面来阐述系统改造后整个系统的合理性和可靠性。

1 基础资料

由于是改造系统，没有成套的设计院的设计资料进行组态和施工，需要收集所有的基础资料。这项工作费力而费时，但基础资料的准确性及全面性，决定了组态的可靠性，也决定了新系统投用系统操作的安全可靠性。

1）组态资料应保持原有的控制方案。如果是同一厂家的系统更换或升级，则可以做系统的整体备份，一般同一系统都有兼容性。如果不同厂家的系统，由于数据格式不同，无法打开原有的数据库。因此，可以将所有的组态按照显示点、单回路、串级回路、分程回路及其他复杂控制、程序、逻辑图等分类打印出来，流程图存入BMP格式，作为新系统的组态资料。基础资料除了数据库资料还包括工艺的各类报表及工艺算法，对于改造项目，组态人员除了具有较强的专业知识还需要充分掌握原有的控制方案及工艺流程，这样组态的控制方案才更合理更可靠。

2）辅助台作为基础资料的一部分，辅助操作台也需要核对每一个信号，从何处来到何处去，都应有详细的说明，这样改造时不会出现遗漏信号。辅助台一般由厂家集成，本厂需要提供详细的信号类型如有源节点还是干节点、对声光及供电的要求，按钮、开关、辅台的尺寸及排布要求。

3）改造系统最大的工程在于接线柜的重新接线安装，应该提前完成这部分的资料。首先是信号来源，从现场来的、从其他系统如ESD来的等，包括到报警台的信号，最好与施工单位的负责人一起对接，提前绘制出施工接线图，各留一份资料，保证没有遗漏的信号及信号的准确性。

2 系统选型及网络结构

根据装置特点要求选择合理的系统及网络结构是非常必要的，在DCS选型过程中需要充分了解装置的特点。目前各家系统在技术上都能满足一般要求，但都有各自的特点。因此，要针对装置特点如对历史数据的采样时间的要求，对控制器点数的要求，在今后扩容改造的版本兼容性等问题来考虑系统。本次改造，根据工艺对各类平均值的趋势，及保持原有操作习惯的操作面板的开发需求，选择使用Honeywell的PKS系统。同时还应注意一下几点：

1）首先要注意考虑在此行业如石化炼油厂运行良好的业绩控制系统，而且没有不良行为记录的厂家，这样可以借鉴同行在使用过程中系统运行的情况，同时系统通过实际应用得到可靠性的验证。

2）控制系统的硬件要采用成熟技术具有一定的可靠性和防腐性，控制器、I/O卡及通讯卡能够在线热拔插，I/O卡具有很强的抗干扰能力。控制器的运算和存储能力要满足装置需求，同时要存有一定的余量以便满足日后扩容及实现软件开发的需求。为了满足今后的仪表设备管理及维护，I/O卡使用HART协议的智能卡，以便将现场智能仪表的信号取进DCS中，通过设备管理系统进行后期的管理和维护。

3）控制系统要充分地采用冗余技术。对于控制系统的控制器、网络通讯、系统电源、用于控制的I/O卡等必须1:1冗余，且冗余设备之间必须能实现无扰切换。采用冗余结构能够保证一旦一个设备故障，另一个备用设备及时承担工作，而不影响装置的正常运行，同时能够有足够的时间对故障进行在线处理，消除故障。冗余技术实际上提高了系统的可靠性。

4）控制系统的应用软件的稳定性开发性要好，人机交换友好，操作站的软件安装不受主机机型的限制，如操作站主机故障时，能够用其他DELL主机安装使用。组态软件可以在线修改组态及下装；系统自诊断性好，在操作员级别直接进入诊断环境，从网络、控制器诊断到I/O通道，并提供报警状态，这样可以及时发现故障及时处理。

5）网络结构不复杂，这样故障点少，易维护。接口设备通用性强，通讯故障已是DCS的常见故障，通用性强的设备可以缩短故障处理时间。

6）系统结构确定应从节点少，故障点少，系统稳定来考虑。本次改造使用重催、重催精制、二套常减压、烃重组4套装置在一条网络的总线型结构。采用的是一条FTE网，控制器分别在各装置的机柜间，分别用光缆连接到集中控制室，冗余服务器放置在集中控制室的工程师站，并在每个机柜间放置一台应急操作站C站，以便光电转换器、交换机、光缆任意故障，机柜间的操作站仍然可以使用，不至于造成装置停工。由于Honeywell公司的PKS系统的操作站，分为C站和F站，集中控制室的操作站既有C站也有F站，4套装置控制网是独立的，因此任意装置的光路出现故障不会影响其他装置，这样真正做到管理集中，故障点尽量分散，如图1所示。

图1 改造后PKS系统结构图Fig.1 After transforming PKS system structure

3 系统供电及接地

考虑到DCS控制系统是每天24小时的常年运行，一般控制系统的供电要求分两路供电，在条件允许的情况下，实行双UPS供电。这里采用一路UPS电源，一路市电。实行电源分配箱，分配箱内交直流转换电源要冗余，一般情况电源的配置由DCS系统供货商提供，但在分布时需要注意散热问题，并且同类备用电源应不少于实际配置的20%，另外，24VDC电源选择应考虑带故障报警输出功能。分配箱中应设置控制系统总断路器或若干分支断路器，断路器分配原则为：每个控制柜一个，操作站实行分组供电，每个装置的操作站分2组，从不同的断路器引入，外配柜内根据开关电源的数目各配一个，其他用电设备根据具体数目配置断路器。每个断路器及分支断路器都做好标记，注明供电的设备，配电线标注始端和终端，这样后期因维护需要断电不会断错电。

接地应根据系统要求配置，一般有两个接地的DCS系统，保护接地系统应该接到电气工程低压电器设备的保护接地网上，连接应牢固可靠，不应串联接地。各仪表回路指应由一个信号回路接地点，机柜的各类接地分别有各自的接地支线引至接地汇流排，由汇流排引出接地干线在于接地总干线相连，在非连接处彼此绝缘[2]。接地不良，会引入干扰信号，引起信号波动。接地混乱，会引起不同接地间电位分布不均，存在电位差，影响系统的可靠性。

4 施工质量

施工质量是控制系统的可靠性保证的基础。对于DCS控制系统的安装要选择有良好资质和施工经验的施工单位。施工前期施工单位的技术人员、厂家、用户进行施工会议，明确各单位职责，制定施工统筹，定期进行三查四定会议，系统柜的集成一般由厂家完成，但用户必须进行工厂测试和现场测试。施工单位安装必须具有施工方案，同时保持施工环境卫生。在DCS安装、调试中尤其注意以下问题：

1）施工中机柜的型钢底座应在地面施工完成前安装找正，型钢底座进行防腐处理，紧固件要用防锈材料，各设备构件之间的连接要牢固，安装固定不应采用焊接方式，接地严格按照系统对接地的要求，在振动场所盘柜等要有防振动措施[2]。机柜间的接线一定要规范，严格按照系统要求。

2）敷设电缆时要注意强电弱电分开，接线前应先校线，两端都做好标记，剥线时应注意不要损伤线芯，电缆与端子接线要牢固，导电要良好，柜内信号线呼对方的标记，现场信号线为现场仪表位号，这样才能有利于日后查找维护。

3）要严格机柜间的环境条件，及时投用空调和加湿器，保证机柜间温湿度，并保持机柜卫生，施工人员进入机柜间应穿鞋套。

4）安装完成后，与施工负责人、DCS供应商一起进行系统第一次上电，并进行供电系统的冗余测试和接地测试。

5 组态和调试

组态就是利用DCS系统的应用软件中提供的功能实现工程任务的过程，也就是软硬件相结合。 每个系统都提供了强大的功能块，用户可以自由灵活运用各功能块完成各种复杂控制，逻辑控制，顺控和用户编程，实现对现场控制过程的监控和编制工艺报表。

1）在组态和调试过程中要有工艺人员参加，这样可根据工艺原有的操作习惯及要求完成组态，使操作安全简便。

组态时尽量做到故障点分散。首先控制器采用1:1冗余，所有的卡件都要备用1或2个空通道，以便今后出现通道故障时可以更换。控制回路的I/O设为冗余，一般通道分配按照装置的工艺工段来分配及编号，但对于重要的测量信号和带联锁信号不要分配在同一卡上，这样卡件故障，不会影响多个重要的回路。同时可以将卡留有备用点，备用的空点可以先组态下装，这样一旦开工期间发现通道故障可以使用，不用冒在线下装的风险。

组态方案也要做到无扰动切换。实现的控制方案可以多种，但要考虑安全可靠操作简便。充分利用DCS提供的流程图组态工具，使复杂的控制变得操作简单，因为在紧急情况下，人的判断和操作往往是滞后的、不可靠的，如果控制操作复杂容易出现错误。在本次改造中，有许多控制方案是选择控制，如图2的控制方案[3]，为此在组态时，使用PKS系统提供的操作面板及VB编程，使所有的操作在一个面板完成，操作人员只需在流程图画面点击位号就调出面板，进行选择，并且又手动打到自动或自动打到手动都是无扰动的，无需考虑很多，如图3所示[4]。

图2 控制方案Fig.2 Control scheme

图3 操作面板Fig.3 Operation panel

2）调试过程也是重要的环节，一般系统集成由厂家完成，组态完成后，一定要与厂家一起完成工厂测试，对每个I/O通道进行调试，并做好相应的记录，出现问题及时告知厂家进行确认。尤其对电源的测试，检查连接是否正确，是否做到冗余。对于回路测试，尤其复杂回路需要信号源模拟操作进行调试，这一过程不能马虎，通过测试可以发现联锁是否正确，顺控、编程是否可靠，控制方案是否合理，同时检查组态与现场仪表量程是否一致。系统现场安装后上电后，一定要与工艺一起做现场联校，这样从不同的方面发现问题，更有利于系统的可靠性。

6 人员培训

系统一旦组态完成，系统搭建后，对于人员的培训是很重要的。

1）对操作人员的培训

所有操作都在DCS的流程图完成，画面的正确可靠决定操作的安全可靠。因此，工艺人员参与到整个组态和调试过程中，装置的静态的流程图画面由工艺完成，通过调试，使操作人员熟悉操作监控界面和工艺流程，了解控制方案及联锁方案，知道如何操作复杂控制并编写操作规程。要充分利用DCS控制系统调试阶段对相关操作人员进行全面培训。

2）对仪表人员的培训

由于DCS控制系统涉及的知识面很广，要短时间进行全面掌握是不可能的。但通过培训，了解DCS控制系统的搭建，网络通讯的建立，硬件的构成，同时要充分利用设备调试出现的问题，进行分析、判断和解决问题，这样积累一定的经验，保证开工出现的一般问题得到及时解决。

7 结束语

通过对基础资料、系统选型、施工质量、组态调试、人员培训等方面的全面考虑，DCS系统改造就可以顺利圆满完成。通过运行，本次DCS改造后，由于考虑周全，一直没有出现由于DCS问题而导致工厂停工或拖延开工。实践经验表明，只要能从基础资料、系统选型、施工质量、组态调试、人员培训等方面全权考虑，就可以提高DCS系统改造的成功性和系统改造后的运行的可靠性，从而达到保障安全生产的目的。

[1]王森,朱炳兴.分散控制系统,仪表工试题集[M].北京:化学工业出版社,2002.

[2]自动化仪表工程施工及验收规范.GB50093-2002[S],北京:中国计划出版社.

[3]Honeywell公司PKS系统资料;自动控制基础理论[M].石油化工仪表自动化培训教材编写组.北京:中国石化出版社.

[4]杨忠宝,康顺哲.VB语言程序设计教程[M].北京:人民邮电出版社,2010.