国产分散控制系统在裂解装置技术改造中的探索

2022-10-17王子洋

石油化工自动化 2022年5期

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)

分散控制系统(DCS)作为石油化工装置的核心控制单元，对装置安全稳定生产和提高效益发挥至关重要的作用。近年来，随着中国石化行业高质量发展，一些老旧装置的DCS逐渐难以适应当前安全生产和未来的发展需要，同时，国内控制系统制造企业工艺技术的不断进步，使得对DCS实施国产化替代成为可能。本文介绍了利用检修契机对裂解装置的DCS实行国产化替代取得的良好效果，并提供了可借鉴的实践经验。

1 国产化技术改造的背景和目标

1.1 DCS国产化改造的意义

当前，国际上各大国之间贸易战不断加剧，国内石化行业急需打破国外DCS的垄断局面，有效解决国外DCS的技术封锁、价格昂贵、安全漏洞、服务不及时等核心问题。近年来，随着“中国智造”的不断崛起，在国家层面不断鼓励和推进控制系统的国产化改造，国产DCS已具备了一定的技术水平和竞争力，需在大型炼化企业的重点装置中进一步运用实践。对此中国石化一直在推进DCS国产化项目的实施，针对集团内某大型炼化一体化企业裂解装置控制系统改造项目，经多番论证后，利用检修契机采用某国产品牌DCS整体替换该装置原进口DCS。

1.2 裂解装置DCS概况

某裂解装置于2006年投产，共有7台裂解炉，包括1台循环乙烷气体原料裂解炉和6台液体原料裂解炉，主要采用ABB Lummus和SEI开发的“北方炉”工艺技术，分离工艺采用前脱丙烷前加氢及三元制冷技术。该装置原DCS为进口品牌，总仪表检测点数为5×103余点，经过多年使用和不断的改造，已经明显出现元器件老化导致的故障率升高、可靠性降低、维护难度大等问题，以及暴露出以往控制系统的建设水平存在操作显示不直观、事件报警记录不齐全、备用点数不足等无法满足当前管理要求的问题。

1.3 改造目标和内容

针对上述问题，为了满足安全生产和提质增效的要求，需利用检修契机对该装置DCS整体更换。经调研分析，认为当前主流国产DCS的性能已经与进口系统相差无几，符合装置对于安全生产的要求。并利用本次改造对组态程序进一步优化，完善操作画面流程图、各类事件和报警记录、重新鉴定PID参数等，提升装置控制系统的可靠性和控制平稳性。

2 改造实施的难点与对策

2.1 改造实施的难点

改造实施中主要有以下难点：

1)实施难度大。该项目是对装置原DCS进行整体更换，相较于新建项目，具有图纸资料不齐全、施工及调试时间紧迫、原线路清理复杂等难点；相较于通常的升级改造项目，具有组态程序转换复杂、所有硬件设备需全部更换、所有回路和逻辑需全部重新调试等难点。

2)新旧系统整体结构不同。原进口DCS的网络为链式结构，组态模式以其特有的CL语言为主。新国产DCSD的网络为星型结构，具备更强的容错性和可靠性，组态方式以当前通用的功能块模式为主，具备更强的易维护性。新旧系统各类模块的参数配置和控制算法均不同，在该项目中需整体重构DCS。

3)组态程序转换难度极大。由于原进口DCS采用非通用的CL语言组态，并且历经多年改造，已有的设计资料无法准确描述其真实的控制意图，需要潜心研读原系统程序，再与仅有的设计资料和工艺专业人员反复比对和沟通理解，重新明确描述当前系统真正的控制模式才可使项目继续实施。

4)控制逻辑未经实际校验。该项目需将所有程序从旧系统翻译至新系统，所有顺控、联锁逻辑及复杂控制回路均无法在系统上线前进行实际测试，并且该装置DCS须在18 d内调试完5×103余个仪表点，工期非常紧迫，存在程序调试设计验证不充分的风险。

5)新旧系统PID参数意义不同。因新旧系统的PID控制模块算法不同，导致原系统PID参数无法在新系统中直接使用，需全部重新整定，存在对工艺过程控制效果不佳的风险。

6)组态参数数量庞大。需对所有点位和控制逻辑的参数全部重新设置，组态中的流程图画面、量程、报警值、故障值、正反作用、联锁值、延时值等参数以及改造项目新增组态数量庞大，存在设置错误或漏项的风险。

7)作业过程管控风险巨大。该裂解装置共约4×104个接线端子，并存在大量无设计图纸的接线，十分繁琐复杂。该项目需在12 d内完成硬件改造，23 d内完成所有点位的逻辑调试，工期非常紧迫，存在接线错误等风险，影响该装置开车，进而影响整个化工系列装置开车。

2.2 改造对策及技术要求

针对以上技术难点，主要的对策如下：

1)全面理清原系统的软硬件配置。需将该装置最初设计资料、历年改造资料全部收集齐备，再与现场实际情况进行核对确认，并做好记录形成目前运行系统的真实、齐备的图纸。在硬件方面需要理清原系统的供电结构、网络结构、卡件布置和回路接线，必须保证每条回路的线路走向、有源或无源接法、常开常闭接法等信息清晰明确，并详细补充到原设计图纸中；在软件方面需将原系统的控制组态、功能块参数、流程图画面等内容全部梳理并理解到位，再与工艺专业人员共同核对，形成能够准确反应当前系统实际控制意图的完整资料。

2)新旧系统的一致性问题。在该项目的设计中不仅要考虑系统的可靠性和合规性，更要考虑项目实施过程中的便利性。在硬件方面，为保证施工准确高效，新系统的机柜布置尽量与原系统一致，并且由于裂解装置是先停炉区再停分离单元，则在设计之初就将炉区和分离单元的机柜分别布置，以便于根据装置各单元停工的顺序尽早开展施工。在软件组态方面需保证控制功能与原系统、原设计完全一致，不可擅自更改。

3)消除旧系统隐患。需对照最新设计规范和管理要求，将当前控制系统的隐患在设计阶段就彻底消除。

a)接地系统不规范。该装置机柜间原接地系统是将保护接地和仪表接地分别引入变电所与电气设备接地相连，不符合SH/T 3081—2019《石油化工仪表接地设计规范》的要求，以往雷电天气时容易出现系统异常，在该次改造时按照新规范要求将仪表接地和保护接地在机柜间内最终汇总，再通过接地电缆与装置框架的总接地网相连接，同时在电气侧将UPS零线接地。

b)关键控制回路可靠性不高。由于裂解装置生产运行周期长，以往仪表测量信号“一取一”的控制模式存在可靠性不高的风险，所以在该项目中对重要控制回路增设现场测量仪表，并将3台仪表测量信号分别接入DCS的3块输入卡件，在系统内部进行“三取中”运算后再进行控制，确保整个回路高可靠性。

c)接线端子隐患问题。原系统端子柜全部采用刀片压接方式，存在侧向力容易使其松动或脱落的风险，该项目全部更换为通用的螺丝紧固端子。

4)对控制系统进行优化改进。在设计阶段，需考虑进一步提升系统可靠性并优化操作画面、控制组态和事件记录等内容。

a)完善系统状态监测。将所有电源模块、交换机的报警信息全部引入对应的控制系统中，再通过Modbus将除DCS以外各控制系统的硬件状态、联锁旁路状态、电源及交换机状态、机柜间温湿度、UPS状态全部通信至DCS，并在DCS中绘制整个机柜间系统状态监测图，实现通过一张图即可显示该装置所有控制系统的硬件状态和报警的功能。

b)取消PLC。干燥器控制逻辑原是由现场PLC完成，具有运行环境较差、故障率较高、操作复杂、监控不直观、事件记录不全等问题。在该次改造中，组织原成套设备厂家和DCS工程师充分解读PLC控制程序，将所有控制逻辑全部改在DCS中实现，取消现场PLC控制。

c)完善工控网络安全配置。对照《中国石化工业仪表控制系统安全防护实施规定》(中国石化生[2019]318号)的要求，利用该项目增设DCS隔离网关，并具备OPC AE功能，确保既能满足新规定的要求，又为下一步将控制系统状态上传信息网做准备。

d)增设现场设备管理功能。新增设该国产DCS配置的现场设备管理模块，通过带HART通信功能的AI及AO卡件，可以实现在设备管理服务器中与现场仪表直接通信并修改组态。在该项目中针对未配备现场模拟量回讯器的重要阀门，利用现场设备管理服务器读取阀门定位器中的实时阀位值，再传输至系统域服务器和操作站，实现在监控画面调用显示和设置偏差报警的功能。同时，通过OPC服务器上传至工厂信息网，接入仪表健康平台监控。设备管理功能网络如图1所示。

图1 设备管理功能网络示意

5)做好项目实施准备。结合历年来典型控制系统故障，从10个方面编制了76项验收清单，集中列出需要关注的重点事项逐项确认验收。并针对机柜拆装、控制方案改造等重点且难度大的任务编制专项技术方案，为项目推演和过程管控提供依据。

3 改造过程中需特别关注的事项

3.1 技术方面需注意的事项

技术方面需注意的事项如下：

1)需深入理解原系统控制要求。原进口系统中的CL语言不是常用的组态方式，特别是裂解炉六路进料控制逻辑，其核心是单组进料流量PID回路的给定值始终等于总进料流量PID回路的输出值加上炉管温度TDC补偿值再加上模式切换偏差值之和，以及总进料量控制器的手自动状态需随着单组进料流量控制器的串级状态自动转变等关键功能必须彻底理解，确保在新系统原封不动实现。

2)需重点关注与外部系统的接口程序。原系统与RTO和APC系统的接口中加入了AM模件，通过AM模件建立APP应用可直接调用各控制器，再由CL程序完成与下层各控制器读写对接。但由于新系统没有AM模块，所以需要深入解读其接口逻辑，并分别在各控制器中重新组态中间变量及接口程序。

3)需提前预设控制参数。由于新旧系统PID算法不同，导致原PID参数不可在新系统直接使用。需分别理解新旧系统的算法，再设计转换公式，通过Excel把旧系统的参数批量转换至新系统中并预设进相应功能块中。

4)需注意系统机架供电电缆截面积。该装置仪表为隔爆型，各AI和AO信号仪表均由卡件直接供电。该国产DCS每个机架最多可安装16块AI或AO卡件，每块卡件为16通道，每个AI和AO通道均采用1.5 mm2电缆，而默认为整个机架。供电的电缆也为1.5 mm2，存在上下级电缆负荷不对应的问题。为此根据SH/T 3082—2019《石油化工仪表供电设计规范》将机架供电电缆改为2.5 mm2，以满足现场使用。

3.2 施工方面需注意的事项

1)务必理清所有系统接线。在该项目实施过程中，发现了由于历年改造项目不规范产生的无图纸资料、无接线号码管或标识错误，甚至经过多个过渡端子柜的回路，在该种情况下需通过从卡件硬件通道和现场仪表线路两端同时寻线，并使用寻线器、逐个断开端子检测等各种辅助手段，确保每条回路接线均清晰明确。

2)新系统机柜布置尽量与原系统一致。由于现场进入室内的电缆是不变的，为防止原电缆长度不足、增加跨柜电缆等问题，新系统端子柜的尺寸、朝向、端子排的分布位置，以及端子的标识、机柜基础的尺寸等布置需最大限度与原机柜一致，以确保接线换柜工作的质量和效率。

3)需合理安排施工工序。在该项目中更换机柜和拆接线工作连续4天3夜不间断施工，需注意单个接线工人必须接完或拆完个人负责的整面机柜后才可休息，并保证每面机柜的拆线和接线为同一人，以防止休息或换人后无法与先前工作相衔接，而增加梳理工作导致进度延后的问题。

4 实施效果

该项目实现了国内首套大型乙烯裂解装置采用国产DCS整体更换进口DCS的先例，项目的管理模式已经在同期实施的共14套化工装置的52套控制系统更换、改造和升级项目中成功应用，并经超过1年的使用验证，未发生因控制系统问题导致的波动或非正常停车。经过此次改造后，DCS的可靠性和易用性得到大幅提升，主要体现在：彻底消除了高故障率卡件和隐患设备带来的安全生产风险，彻底消除了老旧DCS设备停产带来的维护风险，提升了控制系统可靠性。通过对重要控制回路进行“三取中”改造，大幅提升了控制系统整体可靠性，在实际生产过程中成功避免了多次因现场仪表失灵导致的装置非正常停车及波动。增设了系统状态监测等功能，并重新优化了操作界面，提升了系统易用性，生产操作人员和仪表班组维护人员均反馈良好。重新整定了PID参数，使得装置整体自控率从96%提升至99%以上，全面提升了自控水平。