大型炼化企业仪表控制系统预防性维护策略的探索与实践

王子洋

(中国石油化工股份有限公司 茂名分公司，广东 茂名 525000)

随着石油化工生产工艺的不断进步，各主要生产装置运行周期屡屡刷新记录，对仪表控制系统在运期间的可靠性提出了更高要求，特别是如何有效提升重要控制及联锁回路可靠性的问题越发凸显，所以做好控制系统预防性维护工作至关重要。同时，对于最新的控制系统预防性维护方面相关标准规范的要求如何在老旧炼化装置中落实到位，以及行业标椎规范中未具体明确的内容如何在实践中应用等问题，各企业均在不断摸索中前进。本文就上述问题，结合相关规范要求及装置实际情况，介绍了几种已经取得良好效果的实践经验，为炼化企业制订控制系统预防性维护策略提供参考。

1 以控制系统在线监测为主的预知性维护策略

以往对控制系统每天进行巡检，需要查看系统报警，并打开每面机柜检查卡件、电源模块、交换机等设备运行状态，同时每月还需检查控制系统负荷、通信负荷、网络状态等。随着老旧大型炼化企业人员老龄化加剧和自然减员，仅通过人力巡检无法满足此类工作要求，急需探索推进控制系统在线监测功能的开发应用。上述要求在《中国石化炼化企业仪控预防性工作策略》(2021年版)中已有明确，但是未指出具体的实施途径和目标，且各企业系统硬件及网络结构的情况不同，对系统状态关注的内容也不尽相同，所以需要根据自身实际情况定制化开发所需的功能，下面将以某大型炼化企业为例进行介绍。

1)网络架构。老旧大型炼化企业面临着控制系统点多面广，并有不同品牌不同时期的各类控制系统，无法采用某一控制系统原厂配备的状态检测模块来采集全厂所有系统状态，需各企业外委第三方结合企业自身情况进行定制化开发。在该案例中，实现通过企业办公网络即可查看所有控制系统状态和报警的功能，数据流主要分为两条通路：

a)DCS OPC站及网关具备报警与事件(AE)接口。近年来新建装置均具备该软硬件条件，监控平台通过OPC AE接口直接采集DCS的报警和事件。该种方式的优点是简单高效并且报警信息详实，同时不占用企业实时数据库点位授权，缺点是无法实时监控机柜间温度和湿度等过程变量。

b)DCS OPC站及网关仅具备数据访问(DA)接口。以往老旧装置DCS不具备OPC AE接口的情况下，则需要将系统状态的内部状态参数通过OPC DA接口读取。该种方式的优点是可以监控过程变量实时值，缺点是对于开关量报警采集工作量较大，占用企业实时数据库点位授权较多，且部分老旧装置自身状态变量无法采集，则此类系统无法在线监控。

在该案例中，通过上述两种通路相结合的方式，实现既能采集到系统状态报警，又能够对于需要的过程变量实时监控。控制系统状态检测平台网络结构如图1所示。

图1 控制系统状态检测平台网络结构示意

2)硬件状态监控功能。将所有电源模块、交换机、风扇报警、温湿度报警分别接入其相应的DCS，安全仪表系统(SIS)或机组停车系统(CCS)，再将除DCS以外SIS等系统的硬件状态通过Modbus通信至DCS，实现能够在DCS中监控本装置所有控制系统及其配套硬件的状态。之后，具备OPC AE接口的，则通过该接口将所有系统和硬件报警信号采集至监控平台，并在平台内设置文本提取功能，将报警和事件信息与平台上的监控画面相对应，实现可视化与文本化相结合的报警查看方式；仅具备OPC DA接口的，则将所有系统和硬件报警的开关量打包为32位无符号整型量上传至平台，再在平台中解析并关联至监控画面，实现在线监控功能。

3)故障趋势判断功能。将各控制系统的控制器负荷、通信负荷、通信丢包率、控制器温度等参数采集至监控平台，并在其中设置历史记录功能和趋势自主判断功能，实现平台能够自主分析上述参数的变化，在达到报警值之前就提出预警。例如： 在正常生产期间每周自主分析控制器负荷，若在没有组态修改的情况下某短时间突然负荷增加达到一定程度，但又没有达到报警值，则提前提醒维护人员主动查看分析，提前处理系统问题。

4)机柜间管理功能。将机柜间温湿度、进线口浸水检测开关状态上传至监控平台显示和报警，并且与企业视频监控平台相关联，实现既能监控系统运行环境，又能查看机柜间视频监控。

5)过程信息采集功能。将SIS和CCS的联锁旁路状态通信至DCS，再上传至监控平台，实现实时监控联锁投、摘情况，进而自动统计联锁投用率；将冗余联锁或重要控制仪表实时数据上传至平台，在平台中设置偏差报警，实现提前预判重要仪表故障的功能，并节省了SIS或DCS本身负荷；对装置重要阀门及进出料流量进行监控和报警，实现实时监控装置开停工状态。

6)移动端报警推送功能。按照企业管理模式将各类报警通过短信、钉钉等方式第一时间推送至对应负责的片区工程师，并在移动端可以实时查看平台所有数据。

2 装置检修期间的控制系统专项预防性维护策略

以往对于控制系统检修项目内容在《石油化工设备维护检修规程》第七册中虽然已有要求，但随着近年来仪表控制系统的不断迭代升级，对系统检修内容提出了新的要求。近年来在《中国石化炼化企业仪控预防性工作策略》(2021年版)对控制系统的预防性维护工作已有要求，但各企业仍需结合实际情况细化如何利用装置停工检修的契机对控制系统进行全面的检查和隐患整改，确保检修后的系统可靠稳定。下面将以某大型炼化企业为例，介绍除上述已有明确要求的系统清扫、冗余测试、接地检查等常规工作之外，以检修后的控制系统达到“系统零报警、工控零漏洞、联锁零摘除(特指因仪表原因需摘除的联锁)、控制零手动(因仪表原因无法投用自动的回路)”为目标，在检修中还需进一步实施的预防性维护工作。

1)控制系统点检。系统点检虽然在SHS 07001—2004中已有要求，但没有明确是否需要检查所有通道以及检查的技术要求。该企业自2020年推进设备完整性管理体系以来，在检修期间对控制系统委托原厂家使用专用设备检查每个通道，通过两年来近二十余套装置六万余个通道检查均未发现过通道故障。随着近年来新增控制系统质量不断提升，将检修期间控制系统点检策略定为每块卡件选取1～2点通道进行抽检测试，之后出具检查报告，同时点检工作尽量委托原系统厂家使用专业设备实施。因此在确保合规检修的前提下，更加经济和有针对性地做好系统点检工作。

2)光通量测试。由于老旧装置控制系统已投用较长时间，其中光电转换器、光纤跳线、光纤熔接部位等光信号通路容易产生老化，特别是对于带有远程I/O并配备辅操台的系统，一旦光信号设备出现故障极易引起生产装置波动或非计划停车，并且目前的各类规范导则中未明确对于控制系统的光路设备如何检测维护。因此，利用检修契机使用光时域检测仪检测整个光路信号的光衰程度，参考国际综合布线标准，通常光缆衰减不超过0.5 dB/km，每个连接部件衰减不超过0.75 dB，每个熔接点衰减不超过0.3 dB。若整条通路检查发现异常，则通过分段测量的方法找到光衰较大的部件进行预防性更换。

3)端子复紧固。由于目前装置大修周期不断延长，特别是对于运行周期在5 a以上的各类控制系统，接线端子容易出现塑料支架老化、紧固部位金属疲劳等问题，造成端子松动，存在安全运行的风险，并且在各类检修规范标准中对此无明确要求。因此，利用检修契机对所有接线端子进行进一步紧固，并安排专人抽检和做好记录，确保检修后端子连接良好。

4)预防性更换易损件。对控制系统易损件在检修期进行预防性更换，以降低在运行期间施工作业的风险，除各类导则规程要求的以外，还需注意以下几个方面：

a)综合各类控制系统说明书中明确的系统内部电池通常使用寿命为3～5 a，制订了对超过3 a的控制系统电池随检修进行更换的策略，降低在装置运行期间进行系统内部电池更换作业的频次和风险。

b)由于外部供电模块或者系统机架风扇一旦故障，在运行期间更换作业的风险较大，所以对于SIS，CCS和重要装置的DCS控制系统，在检修期间预防性更换使用超过8 a的外供电电源模块和机架风扇，并将换下的设备清理保存好，作为非重要装置的控制系统备件。

c)根据以往维护经验，对于带有风扇的电源模块故障率较高，则对于使用5 a以上带有风扇的电源模块，需在检修时更换为无风扇电源模块，无法更换的则需定期更换电源模块风扇。

d)对于使用8 a以上的专用控制器需在检修期间进行全面评估测试，尤其是对于在现场安装的控制单元需详细检查运行环境，一旦发现性能下降、故障损坏的趋势等问题则需及时预防性更换，并改善运行环境。

5)改善系统运行环境。在做好各类标准规范中对于机柜间已有的相关要求基础上，在机柜间对角和中心位置安装温湿度变送器，在进线口安装浸水检测开关，并将信号引入DCS显示和报警；在机柜间进线口等部位设置透明防静电地板，以便于观察渗水情况及防小动物措施是否完好；对于老旧机柜间与其他操作间、餐厅在防静电地板下方连通的，利用检修契机砌墙隔断。

3 新建及改造项目中需特别关注的事项

3.1 冗余表决回路的结构

由于近年来相继出现过某1块AI，DI或DO卡损坏造成“2oo3”“2oo2”联锁或控制回路动作，导致装置非计划停车或波动的案例，所以将“2oo3”“2oo2”结构的输入、输出信号均设置在不同的控制系统卡件上，即可避免该问题。除此之外，对于相关标准规范中未十分明确的，建议采取以下策略：

1)对于机组轴系监测系统，以往大部分项目是在该系统中表决运算后输出单组触点至机组紧急停机系统中联锁，但近年来出现过轴系检测系统继电器卡顿故障造成联锁误动作的案例。所以，对于机组轴系检测系统至机组紧急停机系统的联锁，需通过不同继电器卡件直接输出振动或位移单点超联锁值的DO信号至机组紧急停机系统的不同DI卡件，再在紧急停机系统上进行表决运算后输出联锁，以确保从现场至控制器全回路的冗余表决结构。以轴位移“2oo3”联锁回路为例，回路接法如图2所示。

图2 机组轴系检测系统联锁回路示意

2)对于冗余表决结构的测量回路需设置偏差报警。根据以往实际维护经验，通常设置流量差值不超过联锁值的10%或量程值的5%(取两者间的大值)、温度差值不超过联锁值的6%或量程值的3%(取两者间的大值)、液位差值不超过联锁值的10%或量程值的5%(取两者间的大值)、压力差值不宜超过联锁值的4%或量程值的2%(取两者间的大值)。特别是对于“2oo2”回路还需设置防拒动的措施，可在单个仪表故障时将原联锁回路自动或强制改为“1oo1”结构，实现提升整个回路的可靠性和安全性。

3)对于机组防喘振系统中的入口差压测量，若设置3台独立的变送器时，防喘振系统需配有故障诊断和自动切换控制策略的功能。当3台仪表均正常时采用“三取中”控制，当其中1台仪表故障时自动变为另外2台正常仪表测量值“二取低”，当2台仪表故障时则取剩余1台正常仪表的测量值，3台仪表都故障时则保持最后1个正常值。

4)对于DCS中的“三取中”回路往往是在项目实施中容易忽视的部位，对于现场3路仪表信号需分别接入3块AI卡，以确保输入信号的可靠性。

3.2 超速保护系统回路结构

在API STANDARD 670： 2014中对于机组电子超速保护系统的要求：“除最终控制元件外，电子超速检测应与速度控制系统分开并有别于速度控制系统；如有规定，喘振检测系统和/或紧急停机系统可与单个系统中的超速检测功能结合，但这些功能的故障不得影响超速保护系统；不允许将超速系统与任何其他控制、保护或监控系统结合。”因此，目前各机组控制系统大多配有第三方超速保护系统，自现场3路转速信号分别进入其内部的3块速度检测模块，再输出多个经“2oo3”表决后的停车触点。但超速保护系统和CCS如何共同作用于现场停机电磁阀的回路结构在各规范中没有十分明确，并且各家设计单位、炼化企业目前接法也不尽相同。通常，停车电磁阀及其配套的速关组件结构主要有“1oo2”和“2oo3”两种停机模式，针对不同模式分别研究制订了相应的控制回路结构。总体原则是既能实现超速保护系统独立停机，并且能够实现超速保护停机与CCS联动，又能够最大限度保留停机回路冗余结构完整，同时对关键动作部件利用紧急停车系统采集其状态进行报警和记录。

1)针对“1oo2”停机电磁阀的回路结构。该种模式常用于非特别重要的机组，缺点是只要1个电磁阀及其回路部件发生故障则会导致误停机，为此在设计该回路时需重点考虑提升回路结构的可靠性和对各动作部件的监测，回路接法如图3所示。对超速保护系统表决后的2组信号分别配置继电器，分别将该继电器的1组触点与CCS停机继电器的1组触点串接后，共同控制现场2台停机电磁阀；将超速保护系统2个停机继电器的辅助触点和超速保护系统的1组表决后的触点共同接入CCS，构成“2oo3”停机联锁；将CCS 2个停机继电器的另一组触点分别接入其自身用于报警和记录；将超速保护系统3个模块的综合报警触点分别接入CCS用于报警和记录。此处需注意： 接入CCS用于联锁的3组超速停机信号需分别进入3块DI卡，CCS停机信号需分别从2块DO卡件输出。

图3 “1oo2”停车电磁阀的超速保护系统接法示意

该接法的优势在于超速保护系统和CCS可分别独立控制现场2台停车电磁阀。为提升回路的可靠性，超速保护系统的停机信号以“2oo3”方式联动触发CCS联锁。同时利用CCS分别监控超速保护系统每个模块以及停车继电器的故障状态。

2)针对“2oo3”停机电磁阀的回路结构。该种模式常用于近年来新装置的重要机组，在设计回路时尤其需注意最大限度保留各环节冗余结构，并可监控动作部件状态，回路接法如图4所示。对超速保护系统表决后的3组触点分别配置继电器，分别将该继电器的其中1组触点与CCS停机继电器的1组触点串接后，共同控制现场3台停机电磁阀；将超速保护系统配备的3个继电器的另一组触点分别接入CCS用于“2oo3”停机联锁；将CCS 3个停机继电器的另一组触点分别接入其自身用于报警和记录；将超速保护系统3个模块的综合报警触点分别接入CCS用于报警和记录。此处需注意： 接入CCS用于联锁的3组超速停机信号需分别进入3块DI卡，CCS的停机信号需分别从3块DO卡件输出。

图4 “2oo3”停车电磁阀的超速保护系统接法示意

该种模式真正做到了从输入到输出的全回路“2oo3”冗余结构，实现超速保护系统和CCS均通过表决后的信号分别独立控制现场3台停机电磁阀，并且超速保护系统联锁后可以联动触发CCS联锁，同时利用CCS可以分别监控超速保护系统每个模块以及停车继电器的故障状态，大幅提升了回路整体可靠性。

3.3 控制系统预防性维护需要关注的事项

1)提升控制系统运行环境。对于老装置凸显出的防静电地板使用若干年后存在支架断裂、地板边框脱落的问题，在新建项目中使用实心无边框型地板，并且地板支撑全部采用槽钢网格状焊接固定，确保长期稳固耐用。由于该企业地处南方，夏季湿度较大，以往在机柜间配置多台空调和抽湿机，增加维护难度，为此在新项目中对机柜室配置恒温恒湿集中空调，并且将空调报警信号接入DCS，同时空调出风口位置不能设置在机柜正上方或正对机柜处。

2)对于差压式流量检测仪表，为避免生产运行阶段更换故障仪表或修改组态时忽略核对开方运算方式，在新建项目中对于差压式流量一律在现场变送器中进行开方运算，除特殊要求外，控制系统内不进行开方运算。

3)对于独立的大机组轴系监测系统，选用带有以太网功能的控制器，并将其接入已有的CCS网络中，实现通过CCS工程师站即可对其进行组态和状态监测。

4)对于设备随附的现场PLC控制系统，在新建或改造项目时要求厂家提供控制逻辑，将其引入DCS控制，可以对该程序段加密并签署保密协议。

4 结束语

上述为提升控制系统整体可靠性而制订的各类预防性维护策略，是在各项标准规范要求的框架下结合企业自身情况进一步的细化和完善，已经在实际应用中充分实践。其中，控制系统状态监测平台已经及时发现并提醒处置了多起重要设备故障，并降低了人工巡检工作量；系统检维修方面的措施使得在运行期间的系统维护工作量和作业风险大幅降低，并有效遏制了老旧控制系统故障率频发的趋势；新建及改造项目对于控制系统需要关注的内容，在近年来新上的各类工艺新、联锁多、控制复杂的装置中成功避免了多起波动或非计划停车。上述策略整体上取得了良好效果，提供了可借鉴的经验。同时，随着炼化工艺的不断进步，对于如何精准制订控制系统预防性维护策略的课题仍然需不断探索和实践。