國產DCS在海南煉化PX裝置的應用

楊少鵬，周金倫

（杭州和利時自動化有限公司，杭州 310016）

基于一期PX項目中和利時控制系統(tǒng)的良好性能表現(xiàn)和穩(wěn)定長效的運行結果，以及和利時提供的令用戶滿意的優(yōu)良售后服務，海南煉化再次選擇與和利時進行深入合作,二期100萬噸年PX裝置DCS系統(tǒng)繼續(xù)采用和利時MACSV6系統(tǒng)，從而實現(xiàn)監(jiān)視、控制、工廠操作管理和維護管理的協(xié)調統(tǒng)一，為建立全廠信息管理系統(tǒng)及現(xiàn)代化精益管理模式奠定良好的基礎。本文結合二期PX裝置的調試情況，介紹和利時DCS系統(tǒng)在海南煉化PX裝置的應用。

1 二期PX裝置介紹

二期PX裝置采用中國石化自行開發(fā)的第二代芳烴成套工藝技術和自動控制技術，力求達到國際先進水平。在裝置工藝設計中考慮了優(yōu)化換熱、合理使用高溫位熱、充分利用低溫位熱，以提高熱能利用率，降低裝置單位能耗，并為減少環(huán)境污染采取了有效的措施。

中國石化海南煉油化工有限公司新建的第二套PX裝置，包括新建的對二甲苯裝置和40000Nm3/h制氫裝置和配套系統(tǒng)包括含油污水、雨水提升泵站、泡沫泵站、循環(huán)水場、給水消防加壓泵站、雨水監(jiān)控池、2#芳烴罐區(qū)、水處理站和凝結水站等。

2 海南煉化PX項目DCS系統(tǒng)的網絡結構

圖1 DCS系統(tǒng)總體網絡結構原理圖Fig.1 Schematic diagram of the overall network structure of DCS system

根據(jù)滿足各單元間相互獨立，開停工的要求和同時數(shù)據(jù)及設備共享，節(jié)約投資的設計原則，海南煉化二期PX裝置網絡結構設計，是在一期各生產單元劃分5個域（1#域調度系統(tǒng)，2#域抽提單元，3#域吸附分離單元，4#域公用工程，5#域余熱回收）的基礎上，新增2個域，6#域制氫單元，7#域吸附分離單元，同時水處理，罐區(qū)裝置擴容到一期4#域公用工程中。這樣海煉一、二期PX裝置整個網絡采用橫向分層，控制網、系統(tǒng)網、管理網、縱向分域，共劃分為7個域，每個域有獨立的現(xiàn)場控制站、交換機，完成相對獨立的數(shù)據(jù)采集和控制功能，每個域均配置了兩臺工程師站，其中一臺聯(lián)合控制室，另一臺放置于現(xiàn)場機柜間，利用主從工程師站技術，為日常維護提供了便利。

和利時MACS系統(tǒng)的多域結構[1]，使二期PX裝置能夠利用一期3層交換機，與GPS時鐘同步系統(tǒng)、AMS系統(tǒng)、TAS系統(tǒng)無縫連接，幫助用戶節(jié)約投資成本，實現(xiàn)監(jiān)視、控制、工廠操作管理和維護管理的協(xié)調統(tǒng)一，DCS系統(tǒng)總體網絡結構原理圖如圖1所示。

3 和利時在海南煉化PX裝置采用的硬件

海南煉化一期PX裝置采用SM系列硬件，海南煉化二期PX裝置采用和利時目前主流的第5代高可靠性K系列硬件產品系列硬件。

下面介紹MACS-K系列控制器、電源、I/O模塊特點。

◇ MACS-K控制器特點：

1）K主控制設置了大量診斷功能。具備硬件板級、操作系統(tǒng)級、應用系統(tǒng)級，工程級、運行監(jiān)控級等豐富的診斷功能。

2）監(jiān)控數(shù)據(jù)被送至OPS進行管理，在OPS上報警的同時開啟控制器上的LED燈。

3）控制器和I/O 單元之間的冗余連接。

4）采用單一電路板設計，無插接件，故障率低。

5）每一運算周期均做數(shù)據(jù)冗余同步防切換擾動。

6）內置網絡風暴防火墻組件防黑客攻擊。

7）后備電池支持在線替換。

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

◇ MACS-K電源特點：

1）4個電源冗余供電，現(xiàn)場供電（模擬部分）和系統(tǒng)供電（數(shù)字部分）分開供電。

2）現(xiàn)場設備引入干擾，只會影響現(xiàn)場電源，不會引入到關鍵的系統(tǒng)側（數(shù)字部分），保證系統(tǒng)安全。

◇ MACS-K I/O模塊特點：

1）支持1+1冗余配置。

2）雙DP通訊接口。

3）強大的自診斷功能。

4）豐富的LED指示燈。

5）支持帶電熱插拔。

6）采用隔離電源系統(tǒng)。

7）通道間隔離。

8）信號質量判斷功能。

9）強電防護能力（增強型底座）。

4 控制方案

第二套對二甲苯裝置的工藝流程用到控制方式[2]很多，主要有：單回路控制、手操閥控制、串級控制、選擇控制、分程控制、三沖量控制、泵的自啟動、停止控制、求和、取大或取小等。

4.1 簡單控制

4.1.1 單回路控制

定義：由一個測量儀表（測量元件、變送器）、一個控制器和一個執(zhí)行機構所組成的控制一個對象參數(shù)的（單閉環(huán)）控制系統(tǒng)。

設置好控制器正反作用和P、I、D參數(shù)，如圖2所示。

單回路控制效果展示，能達到偏差1%之內，如圖3所示。

4.1.2 手操閥控制

手操開關閥與單回路控制調節(jié)閥打手動操作一樣，只需要在操作面板點擊“開”和“關”，只有開或關兩種控制方式選擇，如圖4所示。

圖3 單回路液位調節(jié)控制Fig.3 Single-loop level adjustment control

圖4 手操開關閥面板Fig.4 Hand-operated switch valve panel

4.2 復雜控制

復雜控制系統(tǒng)是由兩個及兩個以上簡單控制系統(tǒng)組合起來的，控制一個或同時控制多個參數(shù)的控制系統(tǒng)。本項目復雜控制系統(tǒng)主要有以下幾種：串級控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、選擇性控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)、三沖量控制系統(tǒng)等。

4.2.1 串級控制

串級控制系統(tǒng)：在對象滯后較大、干擾作用強烈而且頻繁的主控制系統(tǒng)中，對局部參數(shù)（副參數(shù)）進行預先控制以提高系統(tǒng)總體控制水平的復合控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)通常包括：主控制系統(tǒng)和副控制系統(tǒng)。

主控制系統(tǒng)：系統(tǒng)目標參數(shù)控制系統(tǒng)。

副控制系統(tǒng)：為實現(xiàn)目標參數(shù)控制而設置的輔助參數(shù)控制系統(tǒng)。

圖5 串級回路調節(jié)控制Fig.5 Cascade loop adjustment control

圖6 D2804液位選擇控制Fig.6 D2804 Liquid level selection control

串級控制系統(tǒng)投用時應先穩(wěn)定好副回路，當主回路輸出值與副回路設定值接近時再投用主回路，單回路控制效果展示，能達到偏差1%之內，如圖5所示。

4.2.2 選擇、切換控制

選擇性控制系統(tǒng)：當生產操作趨向限制條件時，一個用于控制不安全工況的控制方案將取代正常情況下的控制方案，直到生產操作重新回到安全范圍以內恢復原控制方案為止，如圖6所示。

選擇性控制系統(tǒng)設有兩個控制器（或多個變送器）由選擇器選擇出能適應生產安全狀況的控制信號，實現(xiàn)對生產過程的自動控制，如圖7所示。

4.2.3 分程控制

分程控制系統(tǒng)：由一個控制器同時控制兩個執(zhí)行機構并使之次第執(zhí)行的控制系統(tǒng)。先開A閥，A閥全開后達不到控制要求繼續(xù)開B閥，如圖8、圖9所示。

圖7 FHS281702選擇器Fig.7 FHS281702 Selector

圖8 分程模式Fig.8 Split mode

圖9 異構化反應進料流量控制Fig.9 Flow control of isomerization reaction feed

4.2.4 三沖量控制

三沖量控制一般應用在汽包水位控制，所謂“沖量”是參數(shù)的意思，是鍋爐自動控制中的專用術語。所謂多沖量控制系統(tǒng)，是指在控制系統(tǒng)中，有多個變量信號，經過一定的運算后，共同控制一臺執(zhí)行器，以使某個被控的工藝變量有較高的控制質量,三沖量即有3個變量信號，蒸汽流量FI275031、汽包液位LI275031、給水流量FI275032，如圖10所示。

當蒸汽負荷的變化引起液位大幅度波動時，蒸汽流量信號的引入起著超前的作用，它可以在液位還未出現(xiàn)波動時提前使調節(jié)閥動作，從而減少因蒸汽負荷量的變化而引起的液位波動，改善控制品質。蒸汽流量前饋信號能克服因虛假水位引起的控制器誤動作，改善負荷擾動下的控制質量；給水流量反饋信號能迅速消除給水流量的擾動，穩(wěn)定給水量；水位主信號能消除各種內、外擾動對水位的影響，保證水位維持在允許的范圍內。

在汽包水位控制中，三沖量水位控制系統(tǒng)實質上是前饋--串級控制系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，汽包水位是被控變量，也是串級控制系統(tǒng)中的主變量，是工藝的主要控制指標；給水流量是串級控制系統(tǒng)中的副變量，引入這一變量的目的是為了利用副回路來快速克服給水壓力變化對汽包液位的影響；蒸汽流量是作為前饋信號引入的，其目的是為了及時克服蒸汽負荷變化對汽包液位的影響。

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

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

4.2.5 取大或取小控制

根據(jù)工藝要求，控制參數(shù)的選擇，經常需要在多個參數(shù)進行比較大小后選擇最大或最小參數(shù)作為主控參數(shù)，如圖11所示。

取大控制：程序根據(jù)參數(shù)A、參數(shù)B進行邏輯判斷其大小，取其大者賦予主控參數(shù)。

取小控制：程序根據(jù)參數(shù)A、參數(shù)B進行邏輯判斷其大小，取其小者賦予主控參數(shù)。

5 結束語

2013年，和利時擁有自主知識產權的HOLLiAS MACS產品首次在海南煉化60萬噸/年PX項目上獲得成功應用，該裝置一次投料試車成功，并在之后的5年中始終保持連續(xù)穩(wěn)定無故障運行，充分證明了和利時系統(tǒng)的可靠性、安全性。借由該項目，中國石化更成為全球第3個具有完全自主知識產權的大型化芳烴生產技術專利商。本項目曾榮獲2015年度國家科學技術進步特等獎，這是對業(yè)內專家技術能力的肯定，也是對和利時控制系統(tǒng)性能和質量的贊許。

和利時參建海南煉化二期PX項目，將繼續(xù)以海南煉化提出的“零污染、零泄漏、零排放、本質安全”建設目標為自己的工作目標，幫助海南煉化緊緊把住源頭，實現(xiàn)智能控制，綠色清潔生產，最終將海南煉化建成花園工廠。