MACS-K系统在化工区污水处理装置的应用

杨新宇

(中国石油化工股份有限公司广州分公司，广东 广州 510700)

某石化公司化工区污水处理装置是一套综合性污水处理装置，主要处理化工各装置的生产污水、生活污水和循环水装置的排污水。由于使用年久失修的缘故，原仪表控制盘所带的设备已经严重老化，对应备品备件也已经不生产。同时，仪表控制盘的局限性也对装置未来生产流程的升级优化、扩建改造存在极大的约束。为此该公司决定对污水处理装置进行DCS系统改造，并在满足安全性和可靠性的原则基础上控制资金投入及相关成本[1]。经统一招标，污水处理装置DCS采用MACS-K系统，历时3个月完成了改造项目施工并投入使用。

1 装置工艺简介

污水处理装置采用活性污泥生物处理方法的三级处理工艺：一级物化处理，二级生化处理，三级深度处理。设计处理能力为160 m3/h，处理后的污水达标外排。

图1 污水处理装置工艺流程简图Fig.1 Schematic diagram of sewage plant

2 污水处理装置的硬件与软件配置

MACS-K系统由K系列硬件和MACS V6软件组成，其网络架构从上至下由MNET(管理网)、SNET(系统网)、CNET(控制网)三层构成。管理网为可选网络层，用于和厂级MES(生产过程管理系统)、第三方管理软件等进行通讯。系统网将控制站与工程师站、操作员站等各节点连接，控制网则用于主控制器与各I/O模块(信号输入和输出模块)及智能设备的连接。该系统选用冗余、多重隔离等科技前沿性技术，并引入安全系统的概念，以提升系统稳定性[3]。

2.1 系统的硬件配置

根据化工区污水处理装置现场相关控制点与检测点的统计数量(见表1)，配置1对K系列硬件控制器及5个机柜，分别为电源柜、#10主控柜、#10扩展柜、安全栅柜和继电器柜。

表1 装置控制回路和检测点统计Table 1 Control loop and detection point statistics of the plant

电源柜内分三路电源进线，一路UPS(不间断供电)电源；一路GPS(稳压供电)电源；一路为市电电源。电源柜220V AC(交流电)分配为其余4个机柜、控制室内的工程师站、操作员站以及现场仪表设备提供双路冗余供电，机柜间空调及机柜内的风扇照明则是由市电电源提供。

在#10主控柜中，配置了主控制单元(其结构示意图如图2所示)位于正面机柜上方，其中2块K-CU01控制器互为冗余。下方则是分布两列的I/O模块，包括冗余AI(模拟量信号输入)模块和AO(模拟量信号输出)模块。主控制器模块可满足双通道冗余多功能总线和从站I/O模块实施信息传输和通讯，采用冗余的100Mbps工业互联网络和上位监控单元实现，并且实时上传过程和诊断数据信息，在线情况下完成下装更新任务，同时不会影响到设备正常工作[4]。

图2 主控单元结构图Fig.2 Structure diagram of main control unit

由于开关量点数的需求较大，51个I/O模块大部分为DI(开关量信号输入)模块和DO(开关量信号输出)模块。开关量模块配置于#10扩展柜正反面，并通过IO-BUS(多功能总线)模块扩展口与#10扩展柜相连接，以便数据通讯。

安全栅柜的配置起到现场与机柜间隔离保护的作用。柜中放置了模拟量输入信号和模拟量输出信号回路所使用的安全栅和防雷栅，用于信号保护和干扰屏蔽。安全栅使用的冗余电源，由电源柜配出。

继电器柜中主要放置了继电器组、继电器端子板以及DI转接模块。继电器组每组带有16个继电器。

根据测控系统的网络架构及特点，结合装置施工现场操作管理的实际需要，在装置控制室配装1台工程师站的终端OP80和2台操作员站的终端OP82、OP83以及1台OPC站。其中OP80、OP82还兼作互为冗余的历史站A和B。OPC站用于上传DCS相关信息给上层的实时数据库。系统网络设备及结构图如图3所示。

图3 系统的网络结构及设备示意图Fig.3 Network structure and equipment schematic diagram of the system

2.2 系统的软件配置

系统所使用的MACS V6软件是与K系列硬件共同组成MACS-K系统的重要部分，具有多样不同功能的组件，从而对工程系统进行完善的管理和操作。监控软件是人机交互数据信息的主要连接纽带，是保证自动化控制操作和维护的最重要部分[5]。MACS V6软件含多个控件，其核心为工程总控，集成了工程管理、数据库编辑、用户组态、节点组态、报表组态、编译、下装等功能。AutoThink、图形编辑为其子控件，前者是控制器算法组态软件，它集成了控制器算法的编辑、管理、仿真在线调试以及硬件配置功能；后者则用于制作在线操作的流程图和相关操作模板。操作员在线程序则用以实现对程序和画面进行监控及查询历史数据。MACS V6软件还具有完善的在线组态功能，可在线组态修改并做无扰动增量下装，有效体现了系统的可用性和可维护性。

天与地，在中华民族传统文化中处于至高无上的地位。中国最古老的经典《易经》第一卦为乾，歌颂的是天；第二卦为坤，歌颂的是地。有天地，就有了宇宙，就有了人类。所以，最高的神为天神和地神，最高之道，为天地之道。自古至今，祭天礼地是中华民族最为重要的礼仪活动。从良渚出土的玉璧和玉琮来看，祭天礼地的礼仪制度在那个时候就已经奠定了。

3 系统改造施工过程中的重点工作

污水处理装置在DCS改造施工过程中，主要有三项重点工作需要在仪表技术人员、施工单位、系统厂商以及工艺、电气技术人员的相互协助和配合下，方能顺利完成。

3.1 装置连续生产下完成新系统就位与信号迁移

本次DCS改造项目施工与新建项目施工的区别主要有两点：一是用新系统机柜顶替原有的仪表控制盘，但现场仪表供电及信号电缆利旧；二是信号迁移工作要在装置连续生产条件下实施。

在前期施工准备过程中对原仪表盘中的电缆及其分支电缆做好必要的标记工作，核实确认仪表信号的位号。由于装置的运行设备主要为各池搅拌机或机泵，且大多为主备配置，可自主进行切换。工艺人员可通过短停设备、切换机泵等操作，为项目施工争取到了必要的时间。此外，原仪表盘在过去二十多年的使用过程中已经历过不少改造项目或技措项目实施，且盘内有元器件设备故障更换使用了备用通道，造成部分仪表信号未体现在新系统点表中，则需根据情况补充至新系统卡件的备用通道中。通过仪表技术人员的逐一确认，相当于在新系统投用前对仪表设备管理进行了有效的缺陷消除和完善提高。

3.2 复杂机泵控制程序的实现

原控制盘配置的是无纸记录仪、旋钮及按钮，用以实现控制信号的接收与发送。本次DCS系统改造的目的，就是在新系统里转译原控制逻辑功能的基础上，为操作人员提供更为高级、现代化的操作方式。

在装置中最常见的是A泵与B泵可互相切换的主备操作模式。但总提升池AY-4939提升泵GY-4940A/B/S的操作模式则牵涉到3台机泵，最为复杂，如图4所示即为GY-4940A/B/S所在工艺流程图画面(虚线框内部分)。

图4 GY-4940A/B/S所在工艺流程图画面Fig.4 The process flow diagram of GY-4940A/B/S

根据原始资料，提升泵GY-4940A/B/S设有手动-自动模式切换开关及3个档位选择器，档位选择器用于改变更换3台泵在自动模式下的启动顺序。提升池的液位是由池顶算起，液位从低到高依次设置了5个开关，位号分别是：LSLL4938(距离池顶4150 mm)、LSL4942(距离池顶3950 mm)、LSH4941(距离池顶3150 mm)、LSHH4940(距离池顶2750 mm)、LSHHH4939(距离池顶1350 mm)。

当提升池液位高于LSLL4938联锁值时，3台泵可在手动模式下做正常启停操作。当液位低于LSLL4938联锁值时，泵将触发联锁停机状态，使用现场操作柱也无法启动各泵，这是防止泵抽空而设置的联锁安全保护措施。若液位高于LSHHH4939报警值时，DCS画面将会提示高高高报警，操作人员可选择在双泵运行的状况下将最后1台泵现场手动开启，3泵同时运行确保液位迅速下降。

在自动模式下，以选择器为1档做详细说明，当液位高于LSH4941报警值时，A泵作为主泵优先自启；当液位高于LSHH4940报警值时，自动启动B泵；若液位继续增涨超过LSHHH4939报警值将自动启动S泵。当液位低于LSL4942报警值时，自动停止所有在运行的机泵。当A泵出现故障无法正常运行时，系统将自动将B泵由备泵切换为主泵，并将S泵作为B泵的备泵。选择2档时B泵作为主泵，3档时主泵为S泵，依此类推。

运行过程中当系统接收到主泵运行故障信号将自动停机，同时启动备用泵，第三台泵切换为备用泵。这在很大的程度上避免了提升泵故障影响到装置安全生产，并提供充足的时间以便工艺与设备人员处理机泵故障。

图5为提升泵GY-4940A手动和自动控制程序，该程序在AutoThink中完成组态编写。其中HS_4940_1/2/3分别代表为1档、2档和3档，仅在自动模式下生效。将B泵与S泵故障报警信号与2档选择信号经与门后共同引入到MOT2模块的INON管脚处，并按照原始设计延时2s。从而实现2档B泵与S泵故障时A泵作能在液位高报警时自启的功能。LSL4942低报信号必须在手自动选择DM10_4940_SZD为自动模式时生效，并接入INOFF管脚，以触发自动停机命令。LSLL-4938作为联锁信号和远程手动停泵信号由管脚ILSW接入，当联锁信号报警时，将从OUTOFF管脚输出停机指令至MCC(电机控制中心)处对应的电机抽屉柜中。DM10_GY4940A_RST为画面软按钮用于报警复位。MOT2模块为MACS V6软件自带控制功能算法所提供，可有效集成手动、自动、联锁等功能命令并将信号输出，并确保了逻辑的准确性和可靠性。

图5 GY-4940A手动和自动控制程序Fig.5 Manual and automatic control program for GY-4940A

3.3 电气与仪表信号的对接

该项对接工作同样是本次改造项目的关键工作内容。需要对接的信号基本为搅拌器与机泵控制运行信号，如允许启动、启动、停止、故障、运行状态等。全装置共有60台动设备，均需按照每台设备每个信号通道进行对接，由仪表人员与电气人员共同参与并签字确认。当对接完成后将线缆接好，电气人员在MCC处将对应的电机抽屉柜上电并打到试验位，仪表人员利用MACS V6软件在下位程序中强制信号，观察和确认信号传递的效果。

此外为了避免出现机泵或搅拌器异常停运后，无法判断是否有仪表输出指令停机导致，本次改造特意将仪表侧输送至MCC处的DO指令信号(如自启动信号、停机信号等)在机柜内继电器处额外分出一路返回作为回讯信号输入进DCS系统作为记录，从而可以判断相关信号的输出在继电器前后的状态是否一致，更好地针对信号传递情况进行分析。

4 控制系统应用效果分析

从老式的仪表控制盘到全新DCS的升级换代，使得工艺人员的操作方式得以优化提升。由于MACS-K系统为国产化DCS，较为贴近国人的思维逻辑与操作习惯，友好人机界面提供的操作指令为中文，因此即便是刚接触也可迅速掌握，极大提高了人员的学习效率。

装置在应用新系统后，可靠性和可用性方面同样得到显著提高。不仅是电源模块和主控制器采用冗余配置并联运行，对于关键的控制回路同样采用了冗余I/O卡件配置。冗余结构的特点是一个部件所有单元都发生故障时，该部件才会发生故障从而影响系统运行。对于由2个一样结构体系并且有一定联系的部分，它们的使用周期符合指数分布，系统的可靠度R(t)和MTBF(平均故障时间)分别为：

R(t)=1-(1-e-λt)2

(1)

(2)

并联结构可以提高系统的可靠性，根据式1和式2可以得出，有两个单元并联(n=2)的部件对比单一单元的部件(n=1)，其可靠性大幅提高。并联结构是用于达到极高的系统可靠度的设计方法，这种系统可靠度高于各个单元的可靠度，尤其针对容易出故障的单元或比较重要的、需要高可靠性的单元[6-7]。

根据测控系统部分硬件的单模块的MTBF数据和配置类型由式2计算得出装置实际应用的各种模块型号对应的故障率情况，具体可见表2。

表2 控制系统部分硬件MTBF与故障率数据表Table 2 The data of control system hardware MTBF and failure rates

通过实际应用，装置实际运行所处理的污水达到了排放指标，效果令人满意。如表3所示，为装置于2020年10月31日当日的生产运行指标情况，实际数据满足《石油化学工业污染物排放标准》的有关指标要求[8]。

表3 污水处理装置主要运行指标Table 3 Main operating indexes of the sewage plant

根据仪表运行维护车间每月对维护管辖装置进行仪表技术状况表统计，化工区污水处理装置2020年10月的统计情况如图7所示。装置完好台件数、完好率以及投用回路数均符合运行生产要求。

图7 污水处理装置仪表技术状况统计Fig.7 statistics of the sewage plant instrument technique

5 结 语

MACS-K系统自动化程度较高，完全可以满足现场工艺装置控制要求，同时具有相当的扩展性和可靠性。投运3年以来，装置各操作站上位机软件显示运行及系统网络通讯状况均无异常，系统硬件正常工作无故障报警。该系统具备对联锁信号强制的功能，可根据需要对现场仪表设备进行在线维修或更换，有效加强仪表专业设备生命周期管理。此外，MACS-K系统的投用也让化工区污水处理装置的规模及工艺流程拥有了改进提升的空间，以适应今后环保排放标准不断提高及城市化大环境等因素影响。