和利時(shí)MACS 6系列集散控制系統(tǒng)在首套國產(chǎn)化大化肥裝置中的應(yīng)用

周 辛，王永生，鄧雄杰

（中國石油寧夏石化公司，銀川 750021）

合成氨工業(yè)是基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)的重要組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)中占有相當(dāng)重要的位置。氨是化學(xué)工業(yè)的重要原料之一，具有十分廣泛的用途[1]。中國石油寧夏石化公司年產(chǎn)45 萬噸合成氨80 萬噸尿素項(xiàng)目，于2018 年完成試生產(chǎn)，2019 年投入生產(chǎn)使用，2020 年完成竣工驗(yàn)收。該項(xiàng)目是中國石油首套利用自主開發(fā)的大氮肥成套工藝技術(shù)建設(shè)的具有國際先進(jìn)水平的大型氮肥裝置，也是國產(chǎn)化的DCS 先進(jìn)控制系統(tǒng)首次在大氮肥裝置中得到應(yīng)用[2]。設(shè)計(jì)時(shí)分為合成、尿素、公用工程3 個(gè)域，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三層，共計(jì)3406 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，AI、AO、DI、DO 4 個(gè)類型數(shù)據(jù)點(diǎn)平均設(shè)計(jì)余量20%。

1 設(shè)備開工及運(yùn)行時(shí)DCS存在的主要問題及處理措施

1.1 系統(tǒng)容量問題

首套國產(chǎn)化大化肥裝置共設(shè)計(jì)3 套DCS，用于公用工程裝置0 號域，內(nèi)含2 個(gè)控制站2 個(gè)擴(kuò)展站；用于合成裝置1 號域，內(nèi)含4 個(gè)控制站4 個(gè)擴(kuò)展站；用于尿素裝置2 號域，內(nèi)含2 個(gè)控制站2 個(gè)擴(kuò)展站。設(shè)計(jì)DCS 備用量20%，約680 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。在2018 年試生產(chǎn)后的5 年中，因工藝增加換熱器、低壓泵、變頻器等設(shè)備，以及機(jī)泵遠(yuǎn)程控制、部分成套設(shè)備移入DCS 控制等，1 號域DCS 增加1個(gè)控制站，2 號域DCS 增加1 個(gè)控制站。目前DCS 已擴(kuò)容至5300 點(diǎn)，其中0 號域AI 點(diǎn)274 個(gè)、AO 點(diǎn)36 個(gè)，DI 點(diǎn)616 個(gè)、DO 點(diǎn)448 個(gè)；1 號域AI 點(diǎn)1308 個(gè)、AO 點(diǎn)280個(gè)，DI 點(diǎn)719 個(gè)、DO 點(diǎn)512 個(gè)；2 號域AI 點(diǎn)471 個(gè)、AO點(diǎn)118 個(gè)，DI 點(diǎn)159 個(gè)、DO 點(diǎn)176 個(gè)[2]。計(jì)劃在2023 年3 月再在1 號域內(nèi)增加1 個(gè)控制站。從試車至開車運(yùn)行的5年時(shí)間內(nèi)，和利時(shí)K 系列硬件容錯(cuò)能力強(qiáng)，運(yùn)行過程中未出現(xiàn)因DCS 卡件故障造成的裝置非計(jì)劃停工。但因工藝的各項(xiàng)改造項(xiàng)目，備用量嚴(yán)重不足，建議其他煉化裝置在設(shè)計(jì)時(shí)提升DCS 的容量，防止此類問題的發(fā)生。

1.2 GDS與DCS共用

2019 年GB/T 50493-2019《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報(bào)警設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]對有毒可燃?xì)庀到y(tǒng)有了新的要求。第3 章3.0.8 中指出，可燃?xì)怏w和有毒氣體報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于其他系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置。但此套裝置在設(shè)計(jì)時(shí)GDS 與其他設(shè)備共用CPU，不滿足規(guī)范要求，在2020 年將GDS 相關(guān)卡件及端子移出DCS，并利用舊卡件設(shè)備構(gòu)建新的GDS系統(tǒng)。

該系統(tǒng)共設(shè)計(jì)有毒可燃?xì)怏w測量點(diǎn)共計(jì)69 個(gè)，聯(lián)動設(shè)備3 個(gè)。舊控制系統(tǒng)配置冗余AI 量為72 個(gè)，冗余DO 量為3 個(gè)。按照20%以上的余量配置，新GDS 系統(tǒng)共需要配置AI 點(diǎn)80 個(gè)，DO 點(diǎn)16 個(gè)。

1.3 報(bào)警管理無法分區(qū)分級問題

裝置初期使用和利時(shí)MACS 6.5.2 版本的DCS 軟件，因沒有操作區(qū)域劃分的功能，導(dǎo)致相同控制域內(nèi)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，所有的操作站都報(bào)警，造成裝置報(bào)警泛濫。由于報(bào)警太多干擾正常操作，只好將報(bào)警屏蔽，導(dǎo)致DCS 的報(bào)警功能失效，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，無法滿足中石油對報(bào)警分級分區(qū)域管理的要求。為解決此問題，在2020 年將在用的和利時(shí)MACS 6.5.2 系統(tǒng)升級為MACS 6.5.3 版本。升級后報(bào)警區(qū)域?yàn)閳?bào)警聲音可根據(jù)自定義的方式劃分5 個(gè)級別。但在使用的過程中仍存在問題，如數(shù)據(jù)點(diǎn)在兩個(gè)區(qū)域均需顯示時(shí)，則無法對該數(shù)據(jù)點(diǎn)劃分區(qū)域，在操作站重啟后報(bào)警聲音恢復(fù)為默認(rèn)的鍵盤聲音，而不是自定義的報(bào)警聲音，此類問題還需要和利時(shí)廠家進(jìn)一步開發(fā)完善。

1.4 工程師站、歷史服務(wù)器散熱問題

工程師站及歷史服務(wù)器因設(shè)計(jì)時(shí)主機(jī)的擺放位置不夠，幾臺主機(jī)放在一個(gè)操作臺內(nèi)，造成主機(jī)散熱不良，導(dǎo)致工程師站、歷史服務(wù)器頻繁故障。歷史站故障后，部分DCS的操作站出現(xiàn)數(shù)據(jù)無法顯示的問題，險(xiǎn)些造成全裝置非計(jì)劃停工。為此在2020 年，將工程師站和歷史服務(wù)器從操作臺后移出，統(tǒng)一安放在機(jī)柜間的歷史站、工程師站機(jī)柜內(nèi)，利用KVM 延長器和切換器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方操作。此方案實(shí)施的3 年內(nèi)，未出現(xiàn)歷史服務(wù)器、工程師站因散熱原因?qū)е碌挠布收?，同時(shí)集中在柜內(nèi)擺放，方便儀表維修工的日常巡檢維護(hù)工作，建議有條件的企業(yè)在設(shè)計(jì)時(shí)將工程師站、歷史服務(wù)器、操作站的主機(jī)全部移入機(jī)柜間進(jìn)行統(tǒng)一管理。

2 生產(chǎn)過程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

2.1 機(jī)柜間和工程師站的溫濕度控制

設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)柜間、工程師站的中央空調(diào)與中央控制室和值班室共用，導(dǎo)致空調(diào)溫度很難達(dá)到公司對于機(jī)房內(nèi)相關(guān)使用條件，溫度：18℃～28℃、變化率＜5℃/hr；濕度40%～60%、變化率＜6%/hr。2022 年在機(jī)柜間又安裝兩臺立式空調(diào)，才能滿足基本要求。建議其他企業(yè)有類似項(xiàng)目可選用獨(dú)立溫濕度可調(diào)節(jié)的精密空調(diào)用于機(jī)柜間，能夠更好地延長各系統(tǒng)硬件的使用壽命。

2.2 設(shè)計(jì)時(shí)提升系統(tǒng)余量

通過5 年時(shí)間的改造，轉(zhuǎn)化、鍋爐、合成單元使用備用點(diǎn)數(shù)量最多。在設(shè)計(jì)初，建議將這3 個(gè)單元對應(yīng)的數(shù)據(jù)余量提升至30%并且平均分布在每一塊卡上，安全柵、端子排、繼電器的容量也應(yīng)同樣配置，方便改造使用。DCS組態(tài)時(shí)，盡量減少系統(tǒng)內(nèi)未使用點(diǎn)，各系統(tǒng)向DCS 通訊的數(shù)據(jù)要全，數(shù)據(jù)盡量減少系統(tǒng)內(nèi)部二次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，應(yīng)避免出現(xiàn)DCS 通訊寫入安全儀表系統(tǒng)的問題。機(jī)柜間空余機(jī)柜支架備用量也應(yīng)大于30%，方便后續(xù)成套設(shè)備改造或增加工藝單元設(shè)備時(shí)能夠繼續(xù)擺放系統(tǒng)控制柜。

2.3 機(jī)柜間硬件布置

DCS 設(shè)置有配套的端子柜、安全柵柜。系統(tǒng)的安全柵、卡件、繼電器、端子排等，為避免過于緊湊配置，模擬量安全柵應(yīng)8 個(gè)一組進(jìn)行隔斷，其他設(shè)備均按卡件數(shù)量進(jìn)行隔斷。應(yīng)用效果上比其他系統(tǒng)未分段布置要好，可有效降低安全柵密集排布造成安全柵散熱不好導(dǎo)致設(shè)備故障率高的問題，同時(shí)也能夠避免端子拆裝時(shí)易出錯(cuò)的問題。

機(jī)柜中的標(biāo)示牌是容易被忽略的部分，卻常年使用。為避免標(biāo)識脫落或老化掉色，建議使用光刻牌（見圖1），原則上避免使用標(biāo)簽貼紙。光刻牌不易破損掉落，標(biāo)識清晰，方便儀表維護(hù)人員檢查處理故障問題。儀表穿線用線標(biāo)識，除有線號外，還可在對應(yīng)有控制回路的線號上加黃色、聯(lián)鎖回路的線號上加紅色的標(biāo)識（見圖2）。防止儀表操作工在操作時(shí)，因未解除控制或聯(lián)鎖造成的工藝工況波動。

圖1 光刻牌和便簽貼紙比對Fig.1 Comparison of photoetching plate and note sticker

圖2 帶有控制或聯(lián)鎖的回路信號線標(biāo)識Fig.2 Identification of circuit signal lines with control or interlocking

機(jī)柜內(nèi)的照明、風(fēng)扇和插座，在技術(shù)協(xié)議中因要求產(chǎn)品質(zhì)量，機(jī)柜內(nèi)燈具建議使用一體化的LED，開關(guān)應(yīng)方便更換。風(fēng)扇建議使用雙滾珠軸承，免維護(hù)且容易更換。風(fēng)扇、照明電源建議使用市電，且與UPS 電源分離，避免風(fēng)扇照明短路導(dǎo)致機(jī)柜斷電的問題。機(jī)柜濾網(wǎng)應(yīng)選用材料結(jié)實(shí)耐用且容易更換濾網(wǎng)的設(shè)備。

2.4 MODBUS通訊故障

和利時(shí)MACS 6 系列主要使用K 系列通訊卡K-MOD01，該設(shè)備最多處理數(shù)據(jù)244 個(gè)字節(jié)[4]。在實(shí)際使用過程中，部分從站無法滿足通訊數(shù)量要求。因設(shè)計(jì)時(shí)未考慮此問題，后續(xù)增加設(shè)備難度較大，從站需要重新劃分通訊區(qū)域，改造所需的人工成本較高。建議在儀表詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)考慮通訊問題，盡量避免此類問題。

K-MOD01 通訊卡可以接入多個(gè)從站，但要求從站的波特率、奇偶校驗(yàn)、通訊類型等參數(shù)必須一致。在設(shè)置兩個(gè)從站后，明顯可以觀察出通訊速度緩慢、數(shù)據(jù)刷新慢等問題。建議設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免同一塊通訊卡接多個(gè)從站。

3 軟件功能使用及開發(fā)建議

3.1 偏差報(bào)警和變化速率報(bào)警的使用

和利時(shí)MACS 6 系列的偏差報(bào)警有特定的功能塊DVALM，除此外帶過程值報(bào)警的PID 控制功能塊（簡稱PIDA）也帶有設(shè)定值和測量值的偏差報(bào)警功能。在實(shí)際使用的過程中，PIDA 功能塊中的偏差報(bào)警限在偏差報(bào)警時(shí)可選擇PID 控制，由自動切換至手動模式，有效預(yù)防了儀表設(shè)備故障造成的PID 控制大幅波動的問題，同時(shí)也可防止工藝操作人員對設(shè)定值的誤輸入造成PID 控制輸出大幅變化的問題。另外，團(tuán)隊(duì)在組態(tài)時(shí)利用DVALM 功能塊實(shí)現(xiàn)了閥位輸出和反饋的偏差報(bào)警功能，此模塊的優(yōu)勢在于可在線設(shè)置兩個(gè)輸入值的正、負(fù)偏差。

和利時(shí)MACS 6 系列的AI 模擬量輸入模塊提供變化速率報(bào)警功能，此功能是指輸出值每秒變化超過此限制值乘以量程范圍的百分比，則觸發(fā)超速報(bào)警[5]。應(yīng)用此功能在參與聯(lián)鎖和控制的分析儀表、差壓流量儀表及溫度儀表的重要回路中，工藝操作人員可快速發(fā)現(xiàn)儀表設(shè)備的故障問題，并及時(shí)通知儀表維護(hù)人員進(jìn)行處理，能夠防止工藝裝置不因儀表設(shè)備故障造成大面積非計(jì)劃停工。

3.2 一維插值功能塊在汽包液位補(bǔ)償中的應(yīng)用

一維插值功能塊將輸入值IN 置于X 軸的某一段中，然后根據(jù)與該段相關(guān)的XARR、YARR 值算出對應(yīng)IN 的OUT值。落在給定XARR 的最大值和最小值之間的IN，用與其相鄰的兩組XARR、YARR 值進(jìn)行運(yùn)算。落在XARR 最小值和最大值外的IN，算法不進(jìn)行處理，保持上一次的輸出值[5]。

鍋爐汽包壓力與飽和水密度、汽包壓力與飽和蒸汽密度存在特殊的線性關(guān)系，用ONEFOLD（一維插值）功能塊進(jìn)行飽和蒸汽密度飽和水的密度計(jì)算得到了很好的補(bǔ)償效果，并在其他系統(tǒng)中開發(fā)出類似功能，解決了聯(lián)鎖計(jì)算和控制計(jì)算的汽包水位因補(bǔ)償方式不一致造成補(bǔ)償后液位差距較大的問題。

3.3 軟限位功能的開發(fā)和應(yīng)用

和利時(shí)MACS 6 系列集散控制系統(tǒng)組態(tài)軟件中，常用到兩種閥門控制功能塊，MAN 功能塊和PID 功能塊。這兩種功能塊在實(shí)際應(yīng)用中，都需要使用到輸出限制功能。此功能主要是避免輸出到閥門的數(shù)值因操作人員操作失誤、比例積分?jǐn)?shù)值改變等，造成功能塊輸出數(shù)值大幅度變化從而導(dǎo)致的現(xiàn)場閥門大幅波動。當(dāng)閥位產(chǎn)生大幅度波動后，將會影響生產(chǎn)工況的平穩(wěn)運(yùn)行，最終可導(dǎo)致全裝置停工。

和利時(shí)MACS 6.5.4 以下版本的功能塊的輸出限制功能雖已實(shí)現(xiàn)，但在應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)手動模式和自動模式狀態(tài)下，輸出限制均一致的問題。當(dāng)生產(chǎn)工況需要大幅度調(diào)整時(shí)，手動狀態(tài)被輸出限制，還需先解除輸出限制，才能完成閥門大幅調(diào)整需要。故而MAN 功能塊和PID 功能塊的輸出限制功能使用率非常低。

程序的主體思路分為兩個(gè)部分：一方面，原有幅值限制功能需要保留，即在手動狀態(tài)時(shí)，依然能夠更改幅值。這主要針對現(xiàn)場閥門有故障時(shí)，可以有效防止功能塊輸出數(shù)值到達(dá)閥門故障區(qū)域；另一方面，控制回路自動時(shí)幅值限制按照設(shè)定范圍執(zhí)行，當(dāng)由自動切換為手動時(shí)，能夠滿足手動控制幅值設(shè)定范圍（見圖3）。

圖3 PID功能塊軟限位程序組態(tài)程序Fig.3 PID Function block soft limit program configuration program

3.4 其他軟件功能的開發(fā)建議

在首套國產(chǎn)化大化肥裝置的DCS 中，針對和利時(shí)MACS 6.5.2 和MACS 6.5.3 系統(tǒng)開發(fā)的用戶自定義功能塊有防止除法計(jì)算分母為零、程序控制、理想氣體的溫度壓力補(bǔ)償功能塊、蒸汽的溫度壓力補(bǔ)償功能塊等，共計(jì)12 個(gè)。

防止計(jì)算中分母為零的功能塊，其算法簡單（見圖4），未出現(xiàn)在組態(tài)軟件的功能塊庫文件中。但在整個(gè)數(shù)據(jù)組態(tài)的過程中用量較大，建議廠家可以加入到庫管理文件中，方便工程師在組態(tài)中隨時(shí)調(diào)用。

圖4 防止分母為零的自定義功能塊程序Fig.4 Custom function block program to prevent denominators from zero

和利時(shí)MACS 6.5.2 版本和MACS 6.5.3 版本軟件均帶有理想氣體的體積流量補(bǔ)償功能塊，其計(jì)算公式如下[5]：

公式（1）中：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓是固定值1.0332MPa，此大氣壓不適用于高海拔地區(qū)，如寧夏銀川的大氣壓為1.01325MPa，這樣計(jì)算出來的體積流量就存在偏差，特別是天然氣流量、空氣流量，它們在裝置中量程范圍大，還參與水碳比、空碳比的計(jì)算，數(shù)值的準(zhǔn)確性尤為重要。建議廠家在未來更新系統(tǒng)時(shí)，可以開放標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和溫度的填寫功能，方便各個(gè)地域的使用。

蒸汽的溫度壓力補(bǔ)償功能塊在和利時(shí)MACS 6.5.2 版本軟件中未涉及，MACS 6.5.3 版本軟件中的水蒸汽流量補(bǔ)償功能塊也較為簡單，無法滿足高壓蒸汽補(bǔ)償?shù)氖褂?。蒸汽管網(wǎng)中的蒸汽流量補(bǔ)償主要靠蒸汽密度的變化來構(gòu)成比例關(guān)系，過熱蒸汽和飽和蒸汽的密度隨壓力的變化而變化。因和利時(shí)DCS 系統(tǒng)多用于熱工專業(yè)，其電廠組態(tài)庫文件的內(nèi)容已有此功能塊，僅需要移入化工組態(tài)庫文件即可。

4 結(jié)語

隨著中國科學(xué)的不斷進(jìn)步，將會有更多工藝裝置國產(chǎn)化。希望通過對國產(chǎn)DCS 系統(tǒng)在大型化工中應(yīng)用的總結(jié)，可以有效提升國產(chǎn)集散控制系統(tǒng)的成熟發(fā)展，幫助更多的企業(yè)在選擇國產(chǎn)化集散控制系統(tǒng)的同時(shí)規(guī)避一些問題，并開發(fā)其更多的應(yīng)用場景。希望國產(chǎn)化集散控制系統(tǒng)應(yīng)用在更多流程化工、精細(xì)化工領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)更多大型國產(chǎn)化裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行。