液化天然气项目中控制系统的设计

汪浩川

（中国寰球工程公司，北京 100012）

液化天然气项目中控制系统的设计

汪浩川

（中国寰球工程公司，北京 100012）

本文介绍了自主设计并总承包建设的液化天然气接收站项目的控制系统的设计。说明了DCS系统结构。

液化天然气；控制系统；DCS

1.工艺流程

液化天然气接收站的主要功能为液化天然气接卸、液化天然气储存、蒸发气回收处理、液化天然气低压输送、液化天然气加压气化及NG管道外输。

液化天然气项目主要有3种运行工况：（1）卸船，正常输出；（2）无卸船，正常输出；（3）无卸船，零输出。

2.系统设计

鉴于全场控制系统的复杂性，本项目采用DCS系统的方式来进行实现。

本系统设计依据《石油化工分散控制系统设计规范》，标准号SH/T3092-1999。

2.1系统布置

（1）接收站部分，该部分DCS安装在中心控制室，DCS的操作员界面将对接收站、码头、海水泵房、装车的连续生产过程进行实时监视或控制。（2）码头部分，该部分DCS的操作员界面将对码头装车的连续生产过程进行实时监视和控制。相关信息将送至接收站DCS，使在中心控制室的操作人员能够实时监视码头操作情况。（3）海水泵房部分，该部分在现场机柜间设置控制柜，操作站设置在接收站中心控制室，由接收站对海水泵房进行实时监视和控制。（4）装车部分，该部分将在项目二期实施。该部分DCS的操作员界面将对装车的连续生产过程进行实时监视和控制。相关信息将送至接收站DCS，使在中心控制室的操作人员能够实时监视装车操作情况。

2.2主要功能及组成

DCS作为生产过程控制系统，同时做为成套供货设备的监视系统。成套供货设备所配的PLC和/或就地控制盘与DCS之间进行通信。

DCS可以采集工艺过程变量和工艺/公用工程设备运行状态信息，完成计算、连续的过程控制、自动顺序功能、逻辑控制、工艺过程停车（非ESD）、跳闸以及连锁功能。同时对各子控制系统的重要运行参数进行集中监视并发布控制命令。

DCS的操作员界面将对接收站和码头的连续生产过程进行实时监视和控制，在专用显示器上显示动态工艺流程、各种运行参数、报警值和事件，并生成报告、报警记录和趋势记录。

DCS可以与其它系统通信，如SIS，FGS系统和其它成套供货设备的系统，操作员可以通过DCS来监视这些系统。DCS同时为管道SCADA系统以及生产管理系统预留通信接口，需要时完成系统间的通信连接。

DCS包括主时钟，并与所有的系统进行时钟同步。

2.3系统结构

DCS系统结构有以下：

数据采集和控制系统、监视系统、管理系统。

2.3.1数据采集和控制系统

该系统采用基于微处理器模块的设备，用以完成工艺变量的采集和控制。系统配有固定的软件，完成常规的控制运算法则、连锁和顺序控制功能。

第一层的设备适用于下列功能：（1）与现场仪表的信号接口，如：变送器、开关和最终执行元件等。（2）从传感器采集工艺过程数据，以便可以监视过程变量。（3）实现调整控制运算法则、联锁和顺序控制功能以及基本的工艺过程控制功能。（4）按照时间记录顺序处理事件，为在第二层实施报警监视和数据记录做准备。（5）将第一层计算出或自身产生的所有数据、测量结果以及获得的事件传送至第二层。（6）接收来自第二层的命令和设定点信号。

2.3.2监视系统

监视系统为操作人员提供对整个接收站的可视接口。操作员界面采用计算机工作站，该工作站配有数据显示控制台、键盘，并具有管理监控、图形描述、报警、通信和诊断等功能。

监视系统处理并完成以下功能：（1）显示所有工艺过程的模拟量和数字量，开、关回路以及所有相关参数。控制回路操作，包括：设定点的改变、运行模式、输出量、调整和计算常数；（2）报警通告；（3）在工艺流程图上显示动态数据；（4）记录并显示历史数据和趋势数据；（5）顺序事件显示；（6）显示自诊断信息；（7）以自由格式和规定格式两种方式显示并打印生产报告。

2.3.3管理系统

生产信息管理系统应可以用来获取、收集和储存来自第二层所需要的实时数据和信息。这些数据和信息用来管理和优化生产。

2.4可靠性和可用性

在接收站控制系统中，DCS为核心控制系统。实现系统最重要的是考虑到其可靠性，特别是在选择电子元件时。系统具有高可靠性和可用性，对所有功能而言，在平均修复时间（MTTR）为4小时的情况下，其可靠性应大于99.9%；故障可能性应严格控制在10-2以内。并且任何层的系统某单元出现故障，不能影响其它层的其它设备。

2.5冗余

由于重要工艺设施的失效会给接收站带来主要的工艺失效和严重的经济损失，因此DCS在性能上应始终保持高可靠性。DCS在任何重要设备故障时都可以进行没有扰动的连续运转即要采用冗余系统。

DCS系统构成遵循以下冗余化结构的要求：（1）系统内数据通讯完全冗余，包括通讯数据总线冗余和数据接口单元冗余。（2）控制器1∶1完全冗余；可在线更换任一控制器卡而不影响控制功能。（3）电源1∶1完全冗余；在正常工作状态下，单个供电单元的工作负载不超过其额定能力的60%。保证任何一个供电单元故障不影响系统的正常工作。所有插线板及设备都采用冗余供电系统，并采用独立的电路供电。（4）物理数据存储器：采用制造厂自行标准的冗余化方式。当采用一个存储器用于整个系统的数据存贮时，数据存储器冗余。当每个控制站分别配置数据存储器时，保证同样的数据分别存储在不同的设备中。（5）输入/输出卡：用于控制回路信号的输入输出卡必须冗余。用于显示回路信号的输入卡不需要冗余。（6）具有冗余结构的设备（包括串行通讯卡），当其中任意一个设备故障时，保证能自动无扰动的切换到备用设备且不影响系统的当前操作，同时产生报警信号通知操作人员。（7）任何卡件、部件的故障不影响系统的其他部分的正常工作。（8）系统诊断功能识别冗余状态是否建立，热备卡件是否工作或故障。（9）系统在不影响其自身运行的情况下可以替换故障的冗余部件。（10）DCS与SIS的通讯系统采用冗余配置。

2.6扩展性

系统具有100%的扩展余量，以便二期及后续扩建工程在现有系统上进行扩展。系统扩展能力包括：CPU容量、通信总线容量、软件能力、I/O、DCS机柜和接线柜、电源分配柜等。至少提供20%的I/O备用余量（这里的备用余量是指已安装的I/O模块和已安装的电缆余量）。每个CPU和I/O类型都应有备用余量。此外，I/O中应有多于20%的空余或卡槽（包括CPU容量、通信总线容量、软件能力）以便将来扩展。多芯对绞电缆至少应有10%的对绞线芯未使用，这些未使用的线芯将按顺序接入空余端子。随已使用的电缆芯一起，还应提供至少10%的空余端子。

在所有的空余都被接满的情况下，物理存储器、通信系统、CPU、软件能力和操作站、电源负荷都不能超过60%。

2.7物理数据存储器

物理数据存储器容量保证满足存储系统的功能要求和在系统工作负荷下所有变量历史趋势记录的要求。历史趋势数据储存容量的选择的原则：满足所有需要趋势记录的变量在1分钟采样周期时储存1个月。需要趋势记录的变量中应考虑调节器的3个参数变量（PV值，设定值SP，输出值MV）。存储器具备转存功能，数据可转存到其他外配存储介质，如活动硬盘，光盘等，用于存档和查询。

2.8可维护性

DCS有很高的可维护性。在不关闭系统的情况下可以进行维修、更换或改进DCS。在电源中断的情况下，不需要从磁盘、磁带或其它地方重新人工加载数据，该系统就应可以自动启动。每个系统元件的启动和复位都不需要执行复杂的程序。

2.9控制和计算功能

本DCS系统具有下列控制功能。这些控制功能的给定值和参数容易修改。

（1）反馈PID控制，串级控制，比值控制，均匀控制，分程控制，手动操作，自整定PID控制，选择控制，PID带偏差，带死区，带平方误差控制等；（2）程序/逻辑控制：可用梯形图/逻辑判断/原理图等编程；（3）超前/滞后/阻尼控制；（4）解耦控制；（5）前馈控制、滞后补偿控制。

本DCS系统提供下列运算功能：方根运算、算术四则运算、信号选择、信号转换、死区、滞后、死区补偿、函数发生、折线、平均、程序给定、最大/最小值选择等，这些运算功能的选择、配组以及常数、参数选择都能方便地进行。

2.10操作和编程功能

DCS系统通过人机接口进行显示和控制，操作员对工艺过程的操作十分方便和快捷，每台操作站提供一个光电鼠标和一个具有防尘防水的专用操作键盘。操作站键盘为冗余备用。

DCS系统可以在线和离线编程，使用标准键盘在以下设备上编程：工程师站、PC机、操作站。编程功能有锁定功能，只能由负责软件的专门工程技术人员进行编程。

2.11显示

（1）操作员显示画面

①菜单画面；

②总貌画面；

③分组画面；

④调整画面；

⑤报警显示；

⑥历史趋势显示；

⑦流程图画面；

⑧操作指导画面；

⑨系统状态画面；

⑩其他画面。

（2）工程技术人员画面

系统提供功能块填表方式组态，应用标准键盘和鼠标可方便地进行系统生成及各种画面图形的记录、报表的生成。可用高级语言编程，进行优化控制及应用软件的再次开发。工程技术人员画面包括以下内容：①系统组态画面；②用户图形生成画面；③高级语言编程画面；④系统硬件状态指示画面和通信画面；⑤其他画面。

结语

液化天然气接收站工程项目在国内尚属起步阶段，液化天然气项目又是第一个由国内公司自主设计施工的项目。在本项目上借鉴了不少国内外其他项目在设计和运行后的相关经验，完成了一套具有较高控制精度，安全可靠，可提供自动故障检测功能以及历史数据记录及操作人员培训的整体控制系统。

［1］阳宪惠.现场总线技术及其应用［M］.北京：清华大学出版社，2005：41-43.

TQ053

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