国产DCS在海南炼化PX装置的应用

杨少鹏，周金伦

（杭州和利时自动化有限公司，杭州 310016）

基于一期PX项目中和利时控制系统的良好性能表现和稳定长效的运行结果，以及和利时提供的令用户满意的优良售后服务，海南炼化再次选择与和利时进行深入合作,二期100万吨年PX装置DCS系统继续采用和利时MACSV6系统，从而实现监视、控制、工厂操作管理和维护管理的协调统一，为建立全厂信息管理系统及现代化精益管理模式奠定良好的基础。本文结合二期PX装置的调试情况，介绍和利时DCS系统在海南炼化PX装置的应用。

1 二期PX装置介绍

二期PX装置采用中国石化自行开发的第二代芳烃成套工艺技术和自动控制技术，力求达到国际先进水平。在装置工艺设计中考虑了优化换热、合理使用高温位热、充分利用低温位热，以提高热能利用率，降低装置单位能耗，并为减少环境污染采取了有效的措施。

中国石化海南炼油化工有限公司新建的第二套PX装置，包括新建的对二甲苯装置和40000Nm3/h制氢装置和配套系统包括含油污水、雨水提升泵站、泡沫泵站、循环水场、给水消防加压泵站、雨水监控池、2#芳烃罐区、水处理站和凝结水站等。

2 海南炼化PX项目DCS系统的网络结构

图1 DCS系统总体网络结构原理图Fig.1 Schematic diagram of the overall network structure of DCS system

根据满足各单元间相互独立，开停工的要求和同时数据及设备共享，节约投资的设计原则，海南炼化二期PX装置网络结构设计，是在一期各生产单元划分5个域（1#域调度系统，2#域抽提单元，3#域吸附分离单元，4#域公用工程，5#域余热回收）的基础上，新增2个域，6#域制氢单元，7#域吸附分离单元，同时水处理，罐区装置扩容到一期4#域公用工程中。这样海炼一、二期PX装置整个网络采用横向分层，控制网、系统网、管理网、纵向分域，共划分为7个域，每个域有独立的现场控制站、交换机，完成相对独立的数据采集和控制功能，每个域均配置了两台工程师站，其中一台联合控制室，另一台放置于现场机柜间，利用主从工程师站技术，为日常维护提供了便利。

和利时MACS系统的多域结构[1]，使二期PX装置能够利用一期3层交换机，与GPS时钟同步系统、AMS系统、TAS系统无缝连接，帮助用户节约投资成本，实现监视、控制、工厂操作管理和维护管理的协调统一，DCS系统总体网络结构原理图如图1所示。

3 和利时在海南炼化PX装置采用的硬件

海南炼化一期PX装置采用SM系列硬件，海南炼化二期PX装置采用和利时目前主流的第5代高可靠性K系列硬件产品系列硬件。

下面介绍MACS-K系列控制器、电源、I/O模块特点。

◇ MACS-K控制器特点：

1）K主控制设置了大量诊断功能。具备硬件板级、操作系统级、应用系统级，工程级、运行监控级等丰富的诊断功能。

2）监控数据被送至OPS进行管理，在OPS上报警的同时开启控制器上的LED灯。

3）控制器和I/O 单元之间的冗余连接。

4）采用单一电路板设计，无插接件，故障率低。

5）每一运算周期均做数据冗余同步防切换扰动。

6）内置网络风暴防火墙组件防黑客攻击。

7）后备电池支持在线替换。

图2 D2607水包液位控制操作面板及PID调整Fig.2 D2607 Water pack level control operator panel and PID adjustment

◇ MACS-K电源特点：

1）4个电源冗余供电，现场供电（模拟部分）和系统供电（数字部分）分开供电。

2）现场设备引入干扰，只会影响现场电源，不会引入到关键的系统侧（数字部分），保证系统安全。

◇ MACS-K I/O模块特点：

1）支持1+1冗余配置。

2）双DP通讯接口。

3）强大的自诊断功能。

4）丰富的LED指示灯。

5）支持带电热插拔。

6）采用隔离电源系统。

7）通道间隔离。

8）信号质量判断功能。

9）强电防护能力（增强型底座）。

4 控制方案

第二套对二甲苯装置的工艺流程用到控制方式[2]很多，主要有：单回路控制、手操阀控制、串级控制、选择控制、分程控制、三冲量控制、泵的自启动、停止控制、求和、取大或取小等。

4.1 简单控制

4.1.1 单回路控制

定义：由一个测量仪表（测量元件、变送器）、一个控制器和一个执行机构所组成的控制一个对象参数的（单闭环）控制系统。

设置好控制器正反作用和P、I、D参数，如图2所示。

单回路控制效果展示，能达到偏差1%之内，如图3所示。

4.1.2 手操阀控制

手操开关阀与单回路控制调节阀打手动操作一样，只需要在操作面板点击“开”和“关”，只有开或关两种控制方式选择，如图4所示。

图3 单回路液位调节控制Fig.3 Single-loop level adjustment control

图4 手操开关阀面板Fig.4 Hand-operated switch valve panel

4.2 复杂控制

复杂控制系统是由两个及两个以上简单控制系统组合起来的，控制一个或同时控制多个参数的控制系统。本项目复杂控制系统主要有以下几种：串级控制系统、比值控制系统、选择性控制系统、分程控制系统、三冲量控制系统等。

4.2.1 串级控制

串级控制系统：在对象滞后较大、干扰作用强烈而且频繁的主控制系统中，对局部参数（副参数）进行预先控制以提高系统总体控制水平的复合控制系统。串级控制系统通常包括：主控制系统和副控制系统。

主控制系统：系统目标参数控制系统。

副控制系统：为实现目标参数控制而设置的辅助参数控制系统。

图5 串级回路调节控制Fig.5 Cascade loop adjustment control

图6 D2804液位选择控制Fig.6 D2804 Liquid level selection control

串级控制系统投用时应先稳定好副回路，当主回路输出值与副回路设定值接近时再投用主回路，单回路控制效果展示，能达到偏差1%之内，如图5所示。

4.2.2 选择、切换控制

选择性控制系统：当生产操作趋向限制条件时，一个用于控制不安全工况的控制方案将取代正常情况下的控制方案，直到生产操作重新回到安全范围以内恢复原控制方案为止，如图6所示。

选择性控制系统设有两个控制器（或多个变送器）由选择器选择出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程的自动控制，如图7所示。

4.2.3 分程控制

分程控制系统：由一个控制器同时控制两个执行机构并使之次第执行的控制系统。先开A阀，A阀全开后达不到控制要求继续开B阀，如图8、图9所示。

图7 FHS281702选择器Fig.7 FHS281702 Selector

图8 分程模式Fig.8 Split mode

图9 异构化反应进料流量控制Fig.9 Flow control of isomerization reaction feed

4.2.4 三冲量控制

三冲量控制一般应用在汽包水位控制，所谓“冲量”是参数的意思，是锅炉自动控制中的专用术语。所谓多冲量控制系统，是指在控制系统中，有多个变量信号，经过一定的运算后，共同控制一台执行器，以使某个被控的工艺变量有较高的控制质量,三冲量即有3个变量信号，蒸汽流量FI275031、汽包液位LI275031、给水流量FI275032，如图10所示。

当蒸汽负荷的变化引起液位大幅度波动时，蒸汽流量信号的引入起着超前的作用，它可以在液位还未出现波动时提前使调节阀动作，从而减少因蒸汽负荷量的变化而引起的液位波动，改善控制品质。蒸汽流量前馈信号能克服因虚假水位引起的控制器误动作，改善负荷扰动下的控制质量；给水流量反馈信号能迅速消除给水流量的扰动，稳定给水量；水位主信号能消除各种内、外扰动对水位的影响，保证水位维持在允许的范围内。

在汽包水位控制中，三冲量水位控制系统实质上是前馈--串级控制系统。在这个系统中，汽包水位是被控变量，也是串级控制系统中的主变量，是工艺的主要控制指标；给水流量是串级控制系统中的副变量，引入这一变量的目的是为了利用副回路来快速克服给水压力变化对汽包液位的影响；蒸汽流量是作为前馈信号引入的，其目的是为了及时克服蒸汽负荷变化对汽包液位的影响。

图10 E605B液位控制Fig.10 E605B Liquid level control

图11 取大、取小控制Fig.11 Take large, take small control

4.2.5 取大或取小控制

根据工艺要求，控制参数的选择，经常需要在多个参数进行比较大小后选择最大或最小参数作为主控参数，如图11所示。

取大控制：程序根据参数A、参数B进行逻辑判断其大小，取其大者赋予主控参数。

取小控制：程序根据参数A、参数B进行逻辑判断其大小，取其小者赋予主控参数。

5 结束语

2013年，和利时拥有自主知识产权的HOLLiAS MACS产品首次在海南炼化60万吨/年PX项目上获得成功应用，该装置一次投料试车成功，并在之后的5年中始终保持连续稳定无故障运行，充分证明了和利时系统的可靠性、安全性。借由该项目，中国石化更成为全球第3个具有完全自主知识产权的大型化芳烃生产技术专利商。本项目曾荣获2015年度国家科学技术进步特等奖，这是对业内专家技术能力的肯定，也是对和利时控制系统性能和质量的赞许。

和利时参建海南炼化二期PX项目，将继续以海南炼化提出的“零污染、零泄漏、零排放、本质安全”建设目标为自己的工作目标，帮助海南炼化紧紧把住源头，实现智能控制，绿色清洁生产，最终将海南炼化建成花园工厂。