环己醇生产装置中DCS控制系统的升级改造

宁红军 ， 杜红涛 ， 赵刚海*

(1.平顶山市神马万里化工股份有限公司 ， 河南 平顶山　467013 ； 2.河南神马尼龙化工有限责任公司 ， 河南 平顶山　467000)



环己醇生产装置中DCS控制系统的升级改造

宁红军1， 杜红涛2， 赵刚海2*

(1.平顶山市神马万里化工股份有限公司 ， 河南 平顶山467013 ； 2.河南神马尼龙化工有限责任公司 ， 河南 平顶山467000)

摘要：针对原环己醇生产装置中TDC-3000控制系统存在的问题，在对多种主流DCS系统进行匹配筛选的基础上，优化了升级改造方案，采用国产MACS-K系统和多项功能配置，完善了控制系统。经实际应用表明，该系统可有效提升整套环己醇生产装置的控制精度和运行稳定性，取得较好的技改效果。

关键词：DCS ； 控制系统 ； TDC-3000 ； MACS-K

0前言

平顶山市神马万里化工股份有限公司的环己醇生产装置是国外引进的苯部分加氢生产环己烯，再水合生产环己醇工艺，涉及高温高压，且工艺过程复杂，对控制系统有很高的要求。因此，采用了当时具有世界先进水平的TDC-3000控制系统，随着时间的推移，经过近20年的使用，该系统所暴露出的硬件老化、功能配置不完善、开放性差等问题越来越突出，成为制约环己醇装置安全、稳定运行的主要因素，如何对该控制系统进行有效地升级改造、消除安全隐患是企业迫切需要解决的问题。

原控制系统采用山武霍尼韦尔的TDC-3000系统，包括三对冗余APM控制器，一对冗余LM逻辑控制器、一对冗余HPM 控制器、一对冗余AM应用模件和一个HM历史模件。APM和HPM控制器进行常规调节和控制，LM逻辑管理器实现整个装置的安全联锁，AM应用模件完成高级算法控制。人机界面配备了四台带触屏和操作员键盘功能的US操作站，操作站上面放置报警灯屏。

1存在的问题

该系统自投入使用至今已近20年时间，目前在使用过程暴露出的许多问题中，有些已严重影响到系统的稳定运行，给整套装置的运行造成了很大的安全隐患。

①控制系统硬件老化。因控制器、I/O卡件及控制器电源等故障，经常造成的意外停车，严重影响生产的稳定运行。②人机界面为US操作站。操作员键盘、触屏、专用CRT故障及操作站频繁死机，给工艺人员的操作和监控带来很大的影响。③系统结构复杂。现场数据经UCN网、NIM节点、LCN网传至US操作站，LCN网的挂起及UCN网的噪音给系统网络的通讯造成很大的影响。④系统各备件费用昂贵，且多种卡件厂家已停止生产。⑤系统开放性差，工艺生产数据不能上传至管理网。

2方案优化及系统筛选

针对存在的问题，在对多种主流DCS系统进行匹配筛选的基础上，优化了升级改造方案，制定了如下几种解决方案：①下层控制部分不动，针对目前严重影响工艺人员操作的专用CRT、触屏、操作员键盘等故障，虽然这些卡件厂家已不再生产，可通过专业维修或选配的方式继续使用。②下层控制部分不动，将US操作站全部更新为GUS操作站，配置专用操作员键盘及鼠标操作。③对整个控制系统进行全新的升级改造，选用当前主流的DCS控制系统。

对于方案①，通过专业维修和选配的方式只能暂时维持运行，不能解决长期稳定运行的问题；方案②更新为GUS操作站的费用比较昂贵，仅更新一台的预算已近20万元。因此，要从根本上解决问题只有对整个控制系统进行全新的升级改造。

目前DCS系统生产厂家众多，既有霍尼韦尔的PKS、横河的CS3000、福克斯波罗的I/A等国外品牌，也有和利时的MACS、中控的ECS-700、新华的XDC800等这些国产商家。国外品牌的控制系统功能强大，运行稳定，但价格昂贵，对于已完成国产化改造的环己醇生产装置，无需过大的投资；国内商家生产的控制系统功能完善、运行稳定、性价比高，更接近国内工业化生产的实际应用，且售后服务质量较好。目前在我公司其它装置运行的多套国产DCS系统都很稳定，综合考虑，选择国产和利时公司的MACS-K系统为此次环己醇生产装置控制系统全新升级改造的商家。

3升级后的系统配置及特点

环己醇装置此次控制系统升级改造采用和利时公司的MACS-K系统，配置了3对K-CU01控制器，6台双屏操作站，1对历史服务器、1台工程师站和1台OPC服务器。同时配置1套和利时的HiaGuard安全仪表系统(SIS)作为装置的紧急停车系统。升级改造后的系统结构如图1所示。

图1　升级后环己醇装置MACS-K系统结构图

3.1MACS-K系统配置

该系统由工程师站、操作员站、历史站、现场控制站、工业控制网络等构成。具体为：①工程师站。完成逻辑组态、在线下装、调试运行、仿真运行模式。②操作员站。完成生产现场的监视及控制管理。③控制站。完成现场信号采集、工程单位变换、控制及联锁算法、控制输出、通过系统网络将数据和诊断结果传送到操作员站等功能。④历史服务站。完成系统历史数据服务和企业管理网络交换信息等。⑤系统网络架构。从上至下由管理网(MNET)、系统网(SNET)、控制网(CNET)三层构成。⑥管理网用于和企业生产管理系统，如MES、第三方管理软件等进行通讯，并可通过INTERNET实现安全的信息发布，实现数据的高级管理和共享。

该系统网连接工程师站、操作员站、历史站和控制站等系统节点，支持P-TO-P(对等网)、C/S(客户机/服务器)、P-TO-P和C/S(混合)三种网络结构，可快速构建星型、环型或总线型拓扑结构的高速冗余网络；控制网用于控制站的主控制器与各I/O模块及智能设备的连接，支持星型和总线型结构，确保现场级通讯的实时、稳定、快速。

3.2升级后系统特点

3.2.1安全可靠

全冗余：系统网络、控制网络、控制器、电源模块、I/O 模块均可冗余配置，无单点故障。多重隔离：系统总线和模块之间采用光电隔离，系统电源和现场电源隔离供电，模块通道之间电气隔离。可靠的设计：系统基于恶劣的工业环境设计，抗电磁干扰符合IEC61000，防腐蚀能力满足ISA S71.04 标准G3 等级要求。安全的网络：系统网络采用确定性实时以太网，配备带防火墙的交换机；控制器CPU 采用Power PC 构架的工业级芯片，内置防网络风暴组件。丰富的诊断：控制器和I/O 模块均带有智能诊断单元，每个模块均可进行通讯状态、信号断线、短路、超量程等完善的自诊断和故障上报。可靠的设计理念：采用了大量的安全系统设计理念，如信号质量位判断、故障导向安全，所有传输数据都有校验,提高系统可靠性。

3.2.2灵活开放

支持P-TO-P(对等网)、C/S(客户机/服务器)、P-TO-P 和C/S(混合)三种系统网络结构。支持星型、环型或总线型拓扑结构的工业以太网连接。兼容各种现场总线，支持HART、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、MODBUS等各类协议。支持用户自定义各类功能块和脚本语言。可以对控制算法和硬件配置灵活修改，修改后在现场不停车情况下无扰下装。系统设计考虑用户使用方便，易维护、易更换，提供了完善的系统状态和诊断信息。

3.3安全仪表系统(SIS)

根据环己醇装置的工艺特点和2014年“国家安全监管总局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见”，本次控制系统升级改造选用和利时公司的Hia Guard安全仪表系统，作为装置的紧急停车系统。它是和利时公司对工业自动化安全应用开发的一套系统，已通过TÜV的SIL3认证，其主要特点为：①三冗余带诊断的系统架构(2oo3D)，降级模式为3-2-0。②单IO模块可满足SIL3要求，IO模块可冗余配置以提高可用性。③单主机笼配置的系统响应时间小于30 ms。④PFDAV占整个安全回路的比例小于10%，方便用户传感器和执行器的选型。⑤检验间隔(Proof Test Interval)可达15年，降低用户的维护、管理成本。⑥SOE精度可达到1 ms。⑦可与和利时的MACS-K系统实现无缝集成。⑧安全回路的可用率达99.999%。⑨供电电源1+1冗余。

4结束语

通过对环己醇生产装置DCS控制系统的升级改造，优化和完善了该控制系统，克服了制约环己醇装置安全、稳定运行的弊端，经现场实际运行表明，该系统可有效提升整套环己醇生产装置的控制精度和运行稳定性，取得较好的技改效果。

科技部发布国家重点研发计划近日，科技部公布了国家重点研发计划的10个重点专项，加上此前公布的纳米科技等9大专项，今年已有19个专项入选。在这些重点专项中，以新材料开发为目标的基础材料技术提升与产业化、以解决煤化工瓶颈问题为目标的煤炭清洁高效利用技术、以粮食丰产增效为目标的水肥药技术这3个领域的专项，与“十三五”石化行业科技创新工作重点高度一致。

“十三五”石化行业要集中力量攻克一批关键共性技术，这其中就包括大力发展化工新材料、积极开发现代煤化工关键共性技术、创新肥药技术等方面。

在此次公布的重点专项中，基础材料技术提升与产业化、战略性先进电子材料、材料基因工程关键技术等多个专项均属于新材料领域，可见国家对于该领域的关注度。其中的基础材料技术提升与产业化专项围绕钢铁、有色金属、石化、轻工、纺织、建材等6个方面，重点部署31个重点研究任务。化纤柔性化高效制备技术、高性能工程纺织材料制备与应用、基础化学品及关键原料绿色制造、合成树脂高性能化及加工关键技术、塑料轻量化与短流程加工及功能化技术等这些化工新材料领域一直以来的热点领域也囊括其中。

煤化工是具有中国特色的技术领域，经过近几年的发展，我国的煤化工装备技术总体达到国际领先水平，但目前煤化工的发展遭遇到一系列难题。煤炭清洁高效利用重点专项的目标是解决和突破制约我国煤炭清洁高效利用的瓶颈问题，全面提升煤炭清洁高效利用和新型节能领域的工艺、系统、装备、材料、平台的自主研发能力。该专项围绕煤炭高效发电、煤炭清洁转化、燃煤污染控制、二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)等7个创新链部署了23个重点研究任务。

粮食丰产增效科技创新重点专项则与化肥和农药行业的产品、技术、服务的创新息息相关，专项目标要求，运用新的技术，使三大作物(水稻、小麦、玉米)平均单产新增5%，肥水效率提高10%以上，生产效率提高20%等。在共性关键技术研究方面，以突破生产共性关键问题为核心，从良种良法配套、信息化精准栽培、土壤培肥耕作、灾变控制、抗低温干旱、均衡增产和节本减排等7项技术为重点，创新可持续丰产增收和改善环境的关键技术，为技术集成提供核心技术。

中图分类号：TQ050.3

文献标识码：B

文章编号：1003-3467(2016)02-0042-03

作者简介：宁红军(1972-)，男， 工程师，从事化工生产一线管理和技改工作，电话：13849553661；联系人：赵刚海(1972-)，男，工程师，从事化工生产仪表及自动化应用工作，电话：13393777231。

收稿日期：2015-12-11