液化天然氣項目中控制系統的設計

汪浩川

（中國寰球工程公司，北京 100012）

液化天然氣項目中控制系統的設計

汪浩川

（中國寰球工程公司，北京 100012）

本文介紹了自主設計并總承包建設的液化天然氣接收站項目的控制系統的設計。說明了DCS系統結構。

液化天然氣；控制系統；DCS

1.工藝流程

液化天然氣接收站的主要功能為液化天然氣接卸、液化天然氣儲存、蒸發氣回收處理、液化天然氣低壓輸送、液化天然氣加壓氣化及NG管道外輸。

液化天然氣項目主要有3種運行工況：（1）卸船，正常輸出；（2）無卸船，正常輸出；（3）無卸船，零輸出。

2.系統設計

鑒于全場控制系統的復雜性，本項目采用DCS系統的方式來進行實現。

本系統設計依據《石油化工分散控制系統設計規范》，標準號SH/T3092-1999。

2.1系統布置

（1）接收站部分，該部分DCS安裝在中心控制室，DCS的操作員界面將對接收站、碼頭、海水泵房、裝車的連續生產過程進行實時監視或控制。（2）碼頭部分，該部分DCS的操作員界面將對碼頭裝車的連續生產過程進行實時監視和控制。相關信息將送至接收站DCS，使在中心控制室的操作人員能夠實時監視碼頭操作情況。（3）海水泵房部分，該部分在現場機柜間設置控制柜，操作站設置在接收站中心控制室，由接收站對海水泵房進行實時監視和控制。（4）裝車部分，該部分將在項目二期實施。該部分DCS的操作員界面將對裝車的連續生產過程進行實時監視和控制。相關信息將送至接收站DCS，使在中心控制室的操作人員能夠實時監視裝車操作情況。

2.2主要功能及組成

DCS作為生產過程控制系統，同時做為成套供貨設備的監視系統。成套供貨設備所配的PLC和/或就地控制盤與DCS之間進行通信。

DCS可以采集工藝過程變量和工藝/公用工程設備運行狀態信息，完成計算、連續的過程控制、自動順序功能、邏輯控制、工藝過程停車（非ESD）、跳閘以及連鎖功能。同時對各子控制系統的重要運行參數進行集中監視并發布控制命令。

DCS的操作員界面將對接收站和碼頭的連續生產過程進行實時監視和控制，在專用顯示器上顯示動態工藝流程、各種運行參數、報警值和事件，并生成報告、報警記錄和趨勢記錄。

DCS可以與其它系統通信，如SIS，FGS系統和其它成套供貨設備的系統，操作員可以通過DCS來監視這些系統。DCS同時為管道SCADA系統以及生產管理系統預留通信接口，需要時完成系統間的通信連接。

DCS包括主時鐘，并與所有的系統進行時鐘同步。

2.3系統結構

DCS系統結構有以下：

數據采集和控制系統、監視系統、管理系統。

2.3.1數據采集和控制系統

該系統采用基于微處理器模塊的設備，用以完成工藝變量的采集和控制。系統配有固定的軟件，完成常規的控制運算法則、連鎖和順序控制功能。

第一層的設備適用于下列功能：（1）與現場儀表的信號接口，如：變送器、開關和最終執行元件等。（2）從傳感器采集工藝過程數據，以便可以監視過程變量。（3）實現調整控制運算法則、聯鎖和順序控制功能以及基本的工藝過程控制功能。（4）按照時間記錄順序處理事件，為在第二層實施報警監視和數據記錄做準備。（5）將第一層計算出或自身產生的所有數據、測量結果以及獲得的事件傳送至第二層。（6）接收來自第二層的命令和設定點信號。

2.3.2監視系統

監視系統為操作人員提供對整個接收站的可視接口。操作員界面采用計算機工作站，該工作站配有數據顯示控制臺、鍵盤，并具有管理監控、圖形描述、報警、通信和診斷等功能。

監視系統處理并完成以下功能：（1）顯示所有工藝過程的模擬量和數字量，開、關回路以及所有相關參數。控制回路操作，包括：設定點的改變、運行模式、輸出量、調整和計算常數；（2）報警通告；（3）在工藝流程圖上顯示動態數據；（4）記錄并顯示歷史數據和趨勢數據；（5）順序事件顯示；（6）顯示自診斷信息；（7）以自由格式和規定格式兩種方式顯示并打印生產報告。

2.3.3管理系統

生產信息管理系統應可以用來獲取、收集和儲存來自第二層所需要的實時數據和信息。這些數據和信息用來管理和優化生產。

2.4可靠性和可用性

在接收站控制系統中，DCS為核心控制系統。實現系統最重要的是考慮到其可靠性，特別是在選擇電子元件時。系統具有高可靠性和可用性，對所有功能而言，在平均修復時間（MTTR）為4小時的情況下，其可靠性應大于99.9%；故障可能性應嚴格控制在10-2以內。并且任何層的系統某單元出現故障，不能影響其它層的其它設備。

2.5冗余

由于重要工藝設施的失效會給接收站帶來主要的工藝失效和嚴重的經濟損失，因此DCS在性能上應始終保持高可靠性。DCS在任何重要設備故障時都可以進行沒有擾動的連續運轉即要采用冗余系統。

DCS系統構成遵循以下冗余化結構的要求：（1）系統內數據通訊完全冗余，包括通訊數據總線冗余和數據接口單元冗余。（2）控制器1∶1完全冗余；可在線更換任一控制器卡而不影響控制功能。（3）電源1∶1完全冗余；在正常工作狀態下，單個供電單元的工作負載不超過其額定能力的60%。保證任何一個供電單元故障不影響系統的正常工作。所有插線板及設備都采用冗余供電系統，并采用獨立的電路供電。（4）物理數據存儲器：采用制造廠自行標準的冗余化方式。當采用一個存儲器用于整個系統的數據存貯時，數據存儲器冗余。當每個控制站分別配置數據存儲器時，保證同樣的數據分別存儲在不同的設備中。（5）輸入/輸出卡：用于控制回路信號的輸入輸出卡必須冗余。用于顯示回路信號的輸入卡不需要冗余。（6）具有冗余結構的設備（包括串行通訊卡），當其中任意一個設備故障時，保證能自動無擾動的切換到備用設備且不影響系統的當前操作，同時產生報警信號通知操作人員。（7）任何卡件、部件的故障不影響系統的其他部分的正常工作。（8）系統診斷功能識別冗余狀態是否建立，熱備卡件是否工作或故障。（9）系統在不影響其自身運行的情況下可以替換故障的冗余部件。（10）DCS與SIS的通訊系統采用冗余配置。

2.6擴展性

系統具有100%的擴展余量，以便二期及后續擴建工程在現有系統上進行擴展。系統擴展能力包括：CPU容量、通信總線容量、軟件能力、I/O、DCS機柜和接線柜、電源分配柜等。至少提供20%的I/O備用余量（這里的備用余量是指已安裝的I/O模塊和已安裝的電纜余量）。每個CPU和I/O類型都應有備用余量。此外，I/O中應有多于20%的空余或卡槽（包括CPU容量、通信總線容量、軟件能力）以便將來擴展。多芯對絞電纜至少應有10%的對絞線芯未使用，這些未使用的線芯將按順序接入空余端子。隨已使用的電纜芯一起，還應提供至少10%的空余端子。

在所有的空余都被接滿的情況下，物理存儲器、通信系統、CPU、軟件能力和操作站、電源負荷都不能超過60%。

2.7物理數據存儲器

物理數據存儲器容量保證滿足存儲系統的功能要求和在系統工作負荷下所有變量歷史趨勢記錄的要求。歷史趨勢數據儲存容量的選擇的原則：滿足所有需要趨勢記錄的變量在1分鐘采樣周期時儲存1個月。需要趨勢記錄的變量中應考慮調節器的3個參數變量（PV值，設定值SP，輸出值MV）。存儲器具備轉存功能，數據可轉存到其他外配存儲介質，如活動硬盤，光盤等，用于存檔和查詢。

2.8可維護性

DCS有很高的可維護性。在不關閉系統的情況下可以進行維修、更換或改進DCS。在電源中斷的情況下，不需要從磁盤、磁帶或其它地方重新人工加載數據，該系統就應可以自動啟動。每個系統元件的啟動和復位都不需要執行復雜的程序。

2.9控制和計算功能

本DCS系統具有下列控制功能。這些控制功能的給定值和參數容易修改。

（1）反饋PID控制，串級控制，比值控制，均勻控制，分程控制，手動操作，自整定PID控制，選擇控制，PID帶偏差，帶死區，帶平方誤差控制等；（2）程序/邏輯控制：可用梯形圖/邏輯判斷/原理圖等編程；（3）超前/滯后/阻尼控制；（4）解耦控制；（5）前饋控制、滯后補償控制。

本DCS系統提供下列運算功能：方根運算、算術四則運算、信號選擇、信號轉換、死區、滯后、死區補償、函數發生、折線、平均、程序給定、最大/最小值選擇等，這些運算功能的選擇、配組以及常數、參數選擇都能方便地進行。

2.10操作和編程功能

DCS系統通過人機接口進行顯示和控制，操作員對工藝過程的操作十分方便和快捷，每臺操作站提供一個光電鼠標和一個具有防塵防水的專用操作鍵盤。操作站鍵盤為冗余備用。

DCS系統可以在線和離線編程，使用標準鍵盤在以下設備上編程：工程師站、PC機、操作站。編程功能有鎖定功能，只能由負責軟件的專門工程技術人員進行編程。

2.11顯示

（1）操作員顯示畫面

①菜單畫面；

②總貌畫面；

③分組畫面；

④調整畫面；

⑤報警顯示；

⑥歷史趨勢顯示；

⑦流程圖畫面；

⑧操作指導畫面；

⑨系統狀態畫面；

⑩其他畫面。

（2）工程技術人員畫面

系統提供功能塊填表方式組態，應用標準鍵盤和鼠標可方便地進行系統生成及各種畫面圖形的記錄、報表的生成。可用高級語言編程，進行優化控制及應用軟件的再次開發。工程技術人員畫面包括以下內容：①系統組態畫面；②用戶圖形生成畫面；③高級語言編程畫面；④系統硬件狀態指示畫面和通信畫面；⑤其他畫面。

結語

液化天然氣接收站工程項目在國內尚屬起步階段，液化天然氣項目又是第一個由國內公司自主設計施工的項目。在本項目上借鑒了不少國內外其他項目在設計和運行后的相關經驗，完成了一套具有較高控制精度，安全可靠，可提供自動故障檢測功能以及歷史數據記錄及操作人員培訓的整體控制系統。

［1］陽憲惠.現場總線技術及其應用［M］.北京：清華大學出版社，2005：41-43.

TQ053

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