化工装置DCS控制系统原理及异常失灵的应急处理

石丹丹 朱富军 郑亚州

（江苏斯尔邦石化有限公司 江苏连云港 222000）

1 DCS控制系统简述

化工装置连续化生产过程中，DCS控制系统起着至关重要的作用，通过DCS控制系统主要控制化工装置的四大参数：温度、压力、流量、液位，从而实现装置自动化连续生产。

DCS控制系统相当于大脑，对眼睛看到的情况（即现场检测仪表传输过来的信号，如温度升高）做出反应（即发出指令，如降低加热蒸汽流量），现场执行设备接受到指令做出相应的动作（如降低加热蒸汽流量，保证温度在一定范围内）。

2 DCS控制回路分类

2.1 单回路控制

目标：控制塔釜温度稳定。

方案1：

优点：将所有对温度的干扰都概括在控制回路内。

缺点：蒸汽压力波动较大时，由于温度对象滞后较大，控制质量不理想。

图1 方案1：控制塔釜温度恒定

方案2：

优点：能及时克服蒸汽压力的干扰对温度的影响。

缺点：不能克服进料流量、物料温度等其他因素对温度的影响。

图2 方案2：控制蒸汽流量恒定

2.2 串级调节控制回路

为了克服干扰，使操作参数稳定，生产过程中使用了大量的串级回路进行调节控制，串级调节回路（例如：急冷吸收塔底部液位控制回路）示意图如图3。

图4

2.3 切换控制回路（选择控制）

根据装置处于不同的状况例如开车、正常生产等，有一些参数要求有不同的控制方案，这些控制方案由不同的控制回路组成，例如急冷吸收塔可以由塔底冷却器循环水的流量来控制返塔温度或塔顶温度，DCS操作人员可以根据生产工况的不同进行切换控制回路。

2.4 分程控制

就是由一只调节器的输出信号控制两只或更多的调节阀，每只调节阀在调节器的输出信号的某段范围中工作。例如蒸汽系统的进汽和放空就是采用分程控制：蒸汽压力低时，进汽调节阀打开向系统内进蒸汽，随着压力逐渐升高，进汽调节阀逐渐关闭，完全关闭后，压力仍然较高，此时放空阀打开对蒸汽进行放空来降低系统管网压力。

图3 串级调节回路示意图

2.5 顺序控制

顺序控制就是针对顺序控制系统，按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作。如果一个控制系统可以分解成几个独立的控制动作，且这些动作必须严格按照一定的先后次序执行才能保证生产过程的正常运行。冰晶级丙烯酸生产中采用为顺序控制系统，按照工艺预先规定顺序进行自动生产：丙烯酸进料→降低温度，丙烯酸结晶→发汗→自动启动输送泵，移除未结晶及发汗液→升高温度，丙烯酸全部融化→打开阀门，将提纯后的冰晶级丙烯酸放入储罐。一批次顺序控制完成后自动转入下一批次顺序控制。

2.6 DCS操作控制技巧

（1）多关注流量，在几种参数中一般流量波动影响较及时；注意总量，多条管线进料或外送时计算总量保证物料平衡；观察流量波动，小幅波动属于正常，如数值长时间不波动则可能是仪表故障。

（2）流量大幅波动，自动串级可能调节不及时，此时需手动调节。

（3）调节流量时注意阀门开度，不应使阀门开幅过大，尽量以流量的1～3%缓慢多次调节。

（4）温度调节器滞后性较大，一般为20min左右，根据滞后性及时调整。

（5）PID控制参数根据控制不同参数以及不同工况进行相对应调整。

（6）调节复杂控制时要参考主回路趋势，调整一次后要有足够时间等待反馈再进行下一次调节。

3 DCS控制系统异常失灵及处置措施

3.1 原则、目的及要求

（1）制定DCS控制系统异常失灵应急处理措施的目的：为及时、有效、迅速地处理DCS控制系统异常、失灵事件，避免因DCS控制系统异常失灵，导致化工生产装置机泵跳闸或可能造成重大的事故，必须制定DCS控制系统异常失灵应急处理措施。

（2）制定DCS控制系统异常失灵应急处理措施的原则：按照“安全第一、预防为主、综合治理”的方针，坚持预防与治理相结合的原则，以危急事件的预测、预防为基础，以对危急事件过程处理的快捷、准确为核心，以全力保证人身、设备安全为目标，以建立危急事件的长效管理的应急处理机制为根本，提高快速反应和应急处理能力，将危急事件造成的损失和影响降低到最低程度。

（3）应急处理措施重点在于：DCS控制系统蓝屏、死机、异常失灵后的处理措施。

（4）异常应急处理要求：

应急人员应服从统一指挥，在保证自身安全的前提下进行对应急处理。

对由于DCS故障造成事故和灾害要及时报警，减少事故造成的损失。

对由于DCS故障造成物料泄露，在处理化学物质泄漏事故时，尤其在进入有毒有害场所作业前，必须采取可行的防备措施、同时要根据现场的实际情况佩戴相应的防护用具。

3.2 应急处理措施

3.2.1 DCS服务器故障应急处理

当运行正常的系统主服务器发生故障时，备用服务器将切换为主服务器进行工作，操作站操作及显示不受影响。

当备用服务器发生故障时，主服务器正常工作。操作站操作及显示不受影响。

当主备服务器同时发生故障时，服务器不能继续进行数据存储，操作站无法从服务器读取历史数据。相应的操作站（C站）无法读取历史数据及不能调用系统历史数据。操作站实时数据由控制器直接读取，操作站实时操作不受影响。

外围成套设备数据通讯经TERMINAL SERVER传到DCS系统服务器数据库中，因此，服务器故障时相应成套设备通讯点将无法显示，如电气通讯机泵电流值、运行状态等均无法正常显示。出现这种故障时内外操作人员应沉着应对，这仅为上位层面故障，不会对下位操作造成影响，可通过工艺过程参数判断机泵状态，或现场外操进行实际确认。

重要的第三方设备均已经在设计阶段采用DIGI_ONE的方式与下位直接进行通讯，不受服务器的影响。特别重要的信号均通过硬线实现。

3.2.2 DCS系统操作站故障应急处理

当一台操作站C站故障时，不影响其他C站使用，其他操作站C站可以正常控制，读取历史数据历史趋势等。

C站的故障不会影响F站及服务器的正常运行。

各装置机柜间至控制室光纤网络采用一天一地两种路由敷设，当两路光纤全部中断时，中央控制室内C站无法操作；出现这种故障可通过现场机柜间内C站释放授权的方式进行生产过程监控及操作。

3.2.3 DCS系统控制器故障应急处理

当一对冗余配置的控制器其中一个出现故障时，另一个自动切换为主控制器运行，对工艺的操作不产生影响。

当一对冗余控制器同时出现故障时，这对控制器将不能正常工作，与其相连接的C系列I/O卡件上对应的现场数据将不会被采集及传送，即该控制器所控制的所有I/O号将不再受控制。DCS输出均保持安全阀位。

DCS系统设置控制器防火墙，采用区域于以太网络的软件及硬件方案避免以太网络对下位控制器的运行影响。

3.2.4 DCS系统FTE网络故障应急处理

每台操作站、服务器均通过一个A网、一个B网接入FTE网的交换机上，其中一条网线中断，另一个可正常工作。两条均中断，该操作站离线，不影响其他操作站使用。

当A/B网均处于中断状态（由于网络阻塞或物理损伤），内操将无法进行监控及操作，出现这样故障班长及外操及时去现场确认装置状况，手动将聚合系统、干燥系统停止运行。

3.2.5 总结

当DCS系统电气通讯机泵电流值、运行状态等无法正常显示。出现这种故障时内外操作人员应沉着应对，这仅为上位层面故障，不会对下位操作造成影响，外操及时现场确认机泵运行状态，及时通知DCS控制系统维护人员进行查找原因及维修。

DCS操作站无法调取历史趋势时，此时不会影响其他正常操作，严禁私自断电或者重启系统。

DCS系统出现故障，电脑不能进行操作，应立即联系DCS控制系统维护人员。严禁私自断电或者重启系统。

如出现DCS系统全部瘫痪、蓝屏或者死机现象，内操无法进行监控和操作，及时对装置进行停工处理，防止装置不能正常监控造成事故发生。并及时联系仪表系统班组进行维修处理。

DCS操作站电脑严禁私自插入U盘、移动硬盘等外置设备，严禁用DCS操作站电脑进行手机充电。

4 结束语

化工生产装置为易燃易爆场所，危险性大，就要求DCS控制系统有高可靠性，对化工生产操作、工艺进行有效管理。在DCS控制系统出现故障及异常失灵时，操作人员要冷静处理，积极应对，确保装置不发生安全事故。