Revamping Scheme for Upgrading TPS to PKS and the Effect Analysis

張衛(wèi)東　徐林慶　劉建宇　劉清源

(中石油大慶煉化公司機電儀廠,黑龍江 大慶　163411)

TPS升級到PKS系統(tǒng)改造方案及效果分析

Revamping Scheme for Upgrading TPS to PKS and the Effect Analysis

張衛(wèi)東徐林慶劉建宇劉清源

(中石油大慶煉化公司機電儀廠,黑龍江 大慶163411)

摘要：針對控制系統(tǒng)老化升級問題，在2013年大慶煉化公司三年隱患治理項目實施過程中，將潤滑油聯(lián)合裝置的TDC3000控制系統(tǒng)、煉油二廠聯(lián)合裝置的TPS系統(tǒng)，共計14套裝置7 394點的儀表、控制系統(tǒng)升級到PKS系統(tǒng)，并對原設(shè)計方案進行了優(yōu)化整合，從根本上解決了原系統(tǒng)的設(shè)計缺陷、技術(shù)缺陷和設(shè)備缺陷。開車成功驗證了改造方案的可行性，對國內(nèi)同行業(yè)DCS系統(tǒng)改造提供了借鑒意義。

關(guān)鍵詞：TPSPKS系統(tǒng)升級效果分析控制系統(tǒng)

Abstract：Aiming at the system upgrade issue of the aging control systems, in the implementation of 3-year potential hazard control project of Daqing Refining & Chemical Company in 2013, the TDC3000 control system in lubricants combination unit, and the TPS in oil refining 2#factory combination unit, totally 14 sets of devices, 7 394 points, the control systems were upgraded into PKS, in addition, the original design strategy was optimized and integrated, thus the original system’s of defects in aspects of design, technologies, and facilities have been solved. The successful operation of the revamped system verifies the feasibility of the strategy, and provides worth reference for domestic DCS retrofits in our country.

Keywords：TPSPKSSystem upgradeEffect analysisControl system

0引言

大慶煉化公司煉油二廠和潤滑油廠共有13套生產(chǎn)裝置，1997年開工投產(chǎn)。2012年，中石油推出隱患治理項目，大慶煉化公司對這兩套聯(lián)合DCS系統(tǒng)進行改造，將霍尼韋爾的TPS系統(tǒng)成功升級為PKS系統(tǒng)。

1項目背景及改造目的

大慶煉化公司所用的TDC3000和TPS系統(tǒng)運行多年來，故障率逐年遞增，主要問題有:操作系統(tǒng)為Windows NT4.0，該系統(tǒng)早已淘汰；DCS系統(tǒng)設(shè)備老化現(xiàn)象嚴(yán)重，出現(xiàn)HPM控制器、HM硬盤、IOP卡件故障較多；歷年的技改技措項目增加了儀表點，造成DCS系統(tǒng)超載運行。因此，決定對系統(tǒng)進行整體升級，將TPS系統(tǒng)升級為PKS系統(tǒng)，以保證裝置長周期運行。

2PKS系統(tǒng)的主要特點

Experion PKS新一代的過程自動化系統(tǒng)，集成了過程控制、資產(chǎn)管理功能，融合當(dāng)今最先進的控制、各種開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、最新的計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，將過程控制和安全系統(tǒng)集成為一個單一且統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)。

2.1　高度安全性設(shè)計的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

PKS將過程控制網(wǎng)絡(luò)分成3個層次。負(fù)責(zé)直接過程控制的節(jié)點(比如控制器和現(xiàn)場總線接口模塊)連接到第一層，Experion服務(wù)器、工作站和ACE節(jié)點連接到第二層，域控制器、廠房級優(yōu)化器、分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(distributed systems architecture,DSA)關(guān)聯(lián)的Experion服務(wù)器以及PHD歷史記錄器連接到第三層。

2.2　高級控制嵌入控制器

PKS將模型預(yù)估控制算法(Profit Loop)植入控制器(C300/C200)，使得這種先進的控制算法變得與組態(tài)一個PID算法一樣簡單，從而解決了許多采用PID控制效果不好的過程控制問題，例如純滯后時間長的回路、非線性回路等。

2.3　分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(DSA)是獨特的、集成多個過程系統(tǒng)的理想解決方案。DSA是Experion多服務(wù)器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，它允許設(shè)備、裝置內(nèi)甚至橫跨企業(yè)的多個Experion單服務(wù)器系集成為多服務(wù)器方式安全地運行操作，而且無需增加重復(fù)的組態(tài)工作。

3TPS升級到PKS改造方案

改造方案將煉油7套裝置中2套獨立的TPS控制系統(tǒng)整體更新，拆除原有DCS系統(tǒng)硬件機柜，將I/O點重新分配，重新編制整個控制系統(tǒng)程序，完成原有老系統(tǒng)的全部功能。DCS控制系統(tǒng)I/O點數(shù)統(tǒng)計如表1所示。該套系統(tǒng)進行了如下配置。

表1　煉油二廠聯(lián)合裝置DCS點表

① 系統(tǒng)一。2套ARGG：冗余控制站及I/O卡件柜2套， 7套操作站。ARGG、產(chǎn)品精制、MIP: 冗余控制站及I/O卡件柜1套冗余控制站及I/O卡件柜1套，2套操作站。氣分、MTBE：冗余控制站及I/O卡件柜2套，3套操作站。煙氣脫硫余控制站及I/O卡件柜1套 冗余控制站及I/O卡件柜1套，2套操作站。端子及安全柵柜1套。

② 系統(tǒng)二。加氫改質(zhì)、PSA：冗余控制站及I/O卡件柜2套，3套操作站。工程師站1套、端子及安全柵柜4套。4臺服務(wù)器和交換機放置在同一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機柜。

改造后的DCS系統(tǒng)配置圖如圖1所示，DCS整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為1∶1冗余配置。2套聯(lián)合控制系統(tǒng)合計79面DCS盤柜，82面操作臺，7 394點儀表，實現(xiàn)對2套ARGG、產(chǎn)品精制、氣體分餾、MTBE、加氫改質(zhì)、PSA共計6套生產(chǎn)單元裝置的監(jiān)控。其中加氫改質(zhì)和PSA另用一套網(wǎng)絡(luò)。

圖1　煉油二廠PKS系統(tǒng)配置圖

4原設(shè)計問題的整改

煉油二廠聯(lián)合裝置是1998年由北京設(shè)計院設(shè)計、中油一建承建的一套聯(lián)合裝置。當(dāng)年的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和自動化技術(shù)與現(xiàn)在相比要落后很多，運行15年來逐漸暴露出一些問題。本次改造是嚴(yán)格遵循當(dāng)今最新的設(shè)計規(guī)范，進行了為期3個多月的可行性研究，最終確立了改造方案。

4.1　通信網(wǎng)絡(luò)的整改

TPS網(wǎng)絡(luò)布置為總線型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，令牌傳輸協(xié)議，通信介質(zhì)為同軸電纜，其通信質(zhì)量要求較高。因環(huán)境濕度、溫度影響較大，尤其是系統(tǒng)接地電阻1 Ω要求較苛刻，導(dǎo)致LCN和UCN經(jīng)常通信故障。為此在2004年曾全部更換過，造價達60多萬元，也未從根本上解決問題。本次改造的PKS系統(tǒng)的FTE容錯以太網(wǎng)使用的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和雙網(wǎng)冗余大大提高了通信的可靠性和穩(wěn)定性。

整合后數(shù)據(jù)通信路徑有4條，比TPS的LCN或UCN網(wǎng)絡(luò)增加了2條路徑，技術(shù)上更可靠。較同軸電纜，以太網(wǎng)通信速率也大大提高，同時也便于故障排查。

4.2　儀表單電源整改

煉油二廠聯(lián)合DCS系統(tǒng)，原儀表電源為一路UPS加一路市電，本次改造整改為二路冗余雙UPS供電加一路市電，實現(xiàn)電源“三重化”。潤滑油聯(lián)合裝置DCS系統(tǒng)，原儀表電源為一路UPS供電，本次改造整改為一路UPS和一路市電，實現(xiàn)了冗余供電，增加了抗風(fēng)險能力。

獨立的24 VDC電源全部整改為冗余供電，并增加二極管單項保護功能，保證電源系統(tǒng)的可靠性。此外，SIS系統(tǒng)、大機組PLC系統(tǒng)均整改為雙路冗余供電。

5治理歷史遺留的技術(shù)缺陷

5.1　PSA系統(tǒng)的順控方案

PSA順控程序以前存在缺陷，經(jīng)過升級系統(tǒng)改造后，程序的初始化、容錯、壞值、步進方式、開停工閥門處理等問題得到了優(yōu)化處理，解決了以前出現(xiàn)的程序軟故障問題。

本次改造在PKS系統(tǒng)中用SCM順控功能塊搭接組態(tài)，全方位實現(xiàn)容錯冗余。例如，當(dāng)儀表壞值時，程序容錯處理的方案是：在PKS中采取當(dāng)儀表壞值Badpv時讀取最后一個好值進行運算，從而避免了程序讀取錯誤導(dǎo)致的停運。 控制器初始化的方案是：C300控制器上電后，順控程序應(yīng)自動運行，79個程控閥的開關(guān)安全位置程序應(yīng)處于MAN=ON狀態(tài)，即停工狀態(tài)，且要保證閥門的開關(guān)動作順序正確。

5.2　實現(xiàn)全廠GPS時鐘同步化

目前GPS技術(shù)已經(jīng)普及到煉油化工行業(yè)。多套儀表控制系統(tǒng)往往因時鐘不一致給生產(chǎn)統(tǒng)一調(diào)度、事故分析等帶來諸多不便。本次改造具體方案是：主風(fēng)機和氣壓機采用同一GPS服務(wù)器時基；煉油二廠聯(lián)合控制室DCS系統(tǒng)、工業(yè)TV系統(tǒng)、ARGG ESD系統(tǒng)、加氫改質(zhì)ESD系統(tǒng)、丙烷壓縮機、K102、K401、K101A/B采用同一GPS服務(wù)器時基；通過以太網(wǎng)連接，實現(xiàn)了煉油二廠各套裝置DCS、SIS、PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理輸出控制時鐘同步。

5.3　利用FDM技術(shù)采集HART信號

FDM系統(tǒng)是針對艾默生公司推出AMS系統(tǒng)開發(fā)的專門采集HART信號的軟件。煉油二廠聯(lián)合裝置和潤滑油聯(lián)合裝置，在新投運時，現(xiàn)場基本全部是Honeywell智能變送器，約2 000多臺。它與TPS系統(tǒng)通過STIM智能卡件用DE數(shù)字通信。但新的PKS系統(tǒng)卡件不支持DE通信協(xié)議，因此無法通過FDM軟件采集現(xiàn)場HART儀表信號。

6DCS升級應(yīng)注意的問題

在石化行業(yè)應(yīng)用最多的DCS系統(tǒng)主要是日本橫河公司的CS3000系統(tǒng)、美國Honeywell(霍尼韋爾)公司的TPS或PKS系統(tǒng)、美國艾默生公司的DeltaV系統(tǒng)。其中TPS系統(tǒng)已經(jīng)瀕臨淘汰，其升級改造是多數(shù)老用戶面臨的必然選擇。大慶煉化公司總共有9套霍尼韋爾DCS系統(tǒng)，在2013年隱患治理項目中整體升級改造8套。改造過程中注意重點問題如下。

6.1　盤柜的布局問題

由于是原有儀表改造，因此設(shè)計盤柜位置尤其重要。現(xiàn)場儀表入盤柜的電纜長度是否夠長，這就需要考慮接線端子柜的位置必須按原位置考慮。當(dāng)個別現(xiàn)場儀表電纜長度不夠時，考慮用焊接的方式或用過度端子，盡可能不用絞接方式，以提高回路的可靠性和可維護性。其次，要考慮盤柜內(nèi)一次端子或隔離柵位置盡量靠下，以便于接線長度有裕度。

6.2　儀表回路設(shè)計問題

在儀表回路設(shè)計中,通?，F(xiàn)場儀表入戶經(jīng)過端子柜、隔離柵柜再至卡件柜。為減少故障環(huán)節(jié)和故障點、降低成本，建議在設(shè)計隔離柵的本安儀表回路取消端子柜，現(xiàn)場儀表入戶第一道端子即為隔離柵，實際使用效果較好。

6.3　控制方案解讀問題

在升級改造項目中，多數(shù)DCS是運行多年的老系統(tǒng)，經(jīng)過歷年的多次技術(shù)改造，一些技術(shù)圖紙不全或遺失很常見。對此，最直接最有效的方法就是以現(xiàn)有DCS組態(tài)方案為準(zhǔn)，普查現(xiàn)有控制方案和邏輯關(guān)系，并整理成冊，將組態(tài)參數(shù)拷貝或備份，這樣在新DCS組態(tài)時就做到了準(zhǔn)確無誤。比如分程控制的折線拐點坐標(biāo)是多少、PID正反作用等，若不提前統(tǒng)計記錄好，后續(xù)的改造工作將無法正常進行下去。DCS控制方案可以適度優(yōu)化，但嚴(yán)禁私自更改方案。改造項目的DCS組態(tài)工作最好由維護單位自己實施，不建議DCS廠商組態(tài)，這樣可以保證組態(tài)的正確性和可靠性。

6.4　工期問題

首先，DCS升級改造工作通常都是在裝置大檢修期間完成，有效工作時間一般在40天左右，必須在工期內(nèi)完成，否則影響工廠的按期開工投產(chǎn)。其次，統(tǒng)籌好人力、設(shè)備材料到貨非常重要，并提前整理好施工圖紙，提前組態(tài)、提前預(yù)制、提前打印線標(biāo)管等，并進行技術(shù)交底，施工方案按天統(tǒng)計工作量，細(xì)化到每天具體做什么。另外，最重要的DCS組態(tài)必須離線提前完成，并測試合格，否則工期無法保證。

7DCS升級改造效果分析

7.1　方案可靠性問題

霍尼韋爾的TPS系統(tǒng)提供一套先進且完整的升級改造方案，是一個非常靈活且強大的平臺，可以無縫集成緊急停車系統(tǒng)、火氣系統(tǒng)、第三方PLC系統(tǒng)，使技術(shù)人員和管理人員等均從一個系統(tǒng)中獲得一致的準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。通過軟件，用戶可以很方便地進行控制策略的生成和操作畫面的制作。系統(tǒng)基本軟件安裝在服務(wù)器上，實現(xiàn)系統(tǒng)的全部基礎(chǔ)功能，包括實施數(shù)據(jù)庫采集、處理和歷史存儲，同時進行報警管理、網(wǎng)絡(luò)管理等。

7.2　方案先進性問題

7.2.1容錯以太網(wǎng)的可靠性

PKS支持容錯以太網(wǎng)(fault tolerant Ethernet,FTE)。常規(guī)的以太網(wǎng)冗余，是采用兩個獨立以太網(wǎng)，每個節(jié)點分別連接到不同的網(wǎng)絡(luò)上。如果有一個通信故障，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點切換時間取決于網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性以及所使用的特定節(jié)點設(shè)備類型。FTE提供節(jié)點之間更多的網(wǎng)絡(luò)通信路徑，所以容錯以太網(wǎng)(FTE)可以承受更多的故障，包括所有單個故障和多個多重故障。與UCN和LCN經(jīng)常發(fā)生噪聲故障相比較，F(xiàn)TE有了明顯的改進，這是由同軸電纜改為以太網(wǎng)取得的顯著效果。

7.2.2控制器的技術(shù)優(yōu)勢

C300控制器具有快速執(zhí)行過程控制、邏輯控制、順序控制和批量控制的強大實力，其處理能力是HPM的1.5倍。C300控制器繼續(xù)支持大多數(shù)PM/APM/HPM傳統(tǒng)的PMIO卡件，使得HPM可以平滑地升級至C300。同時I/O機柜及接線可以保持原樣，這樣可以減少大量的現(xiàn)場施工、測試及校對工作。

① 預(yù)估控制的技術(shù)成效

Profit Loop是霍尼韋爾的專利算法，為一個單輸入/單輸出(SISO)模型預(yù)估調(diào)節(jié)器，較常規(guī) PID調(diào)節(jié)器有更高的效率。常規(guī)PID 的局限在于：PID 調(diào)節(jié)器處理過程滯后、非線性和噪聲過程信號存在困難；不能達到最優(yōu)控制，并增大了整定的工作量和過程的不穩(wěn)定性；此外，過程信號噪聲會直接轉(zhuǎn)移到控制器輸出?？偟膩碚f，這些缺點會加速閥門磨損，降低產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，隨之增加了操作和維護的成本。Profit Loop 通過過程動態(tài)變化的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠眍A(yù)測過去、現(xiàn)在和將來的控制動作對控制變量的影響，提高了魯棒性，減小了過程震蕩。

② OperTune技術(shù)提高控制精度

OperTune是霍尼韋爾最新的閉環(huán)PID自整定技術(shù)。在自整定期間，控制回路保持自動控制。通過操作界面上直觀的滑動棒，技術(shù)人員可根據(jù)情況選擇“較快”或“較慢”以適應(yīng)需要，然后將選定的整定參數(shù)下載控制器，完成回路調(diào)節(jié)。運用OperTune技術(shù)的現(xiàn)場人員可獲得極好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

③ 提高了裝置的控制指標(biāo)

工藝技術(shù)人員重新核實了報警參數(shù)，修改了裝置的所有報警參數(shù)，較之前的TPS系統(tǒng)報警值偏差減少了5%左右，工藝控制指標(biāo)有了很大的提高。

④ 降低了儀表的故障率

首先，改造后PKS系統(tǒng)的接地再未出現(xiàn)故障，因為PKS較TPS有幾個大的改進。一是接地電阻的要求放寬，由1 Ω改為4 Ω，這就提高了接地的可靠性。二是將TPS系統(tǒng)的安全接地和工作接地合二為一，PKS系統(tǒng)不再區(qū)分安全地和工作地，這樣就使儀表回路的容錯能力得到加強，從而減少了儀表的故障點。其次，PKS系統(tǒng)豐富的自診斷功能方便用戶巡檢和預(yù)知性維護，從而提高了DCS的穩(wěn)定性和可靠性，為安全生產(chǎn)提供保障。另外，DCS多冗余功能，保證了電源、控制器、卡件等超強的容錯能力，便于在線維護，為裝置長周期運行提供基礎(chǔ)。

⑤ 解決了數(shù)據(jù)存儲的空間限定

TPS的歷史數(shù)據(jù)存儲在HM歷史模件的硬盤中，硬盤大小為2 GB，通常只能組態(tài)有限的歷史點和查看20天左右的歷史數(shù)據(jù)。而PKS歷史存儲在服務(wù)器上，

存儲空間取決于服務(wù)器硬盤容量的大小，通常2 TB配置，存儲空間擴至2 000倍以上，可以采集所有工藝想采集的數(shù)據(jù)。最顯著的是可以對PID的PV、SP、OP值采集歷史曲線，該項數(shù)據(jù)量是TPS的3倍。

8結(jié)束語

2013年9月，經(jīng)過檢修期間40天的緊張施工，兩套TPS系統(tǒng)成功升級到PKS系統(tǒng)，實現(xiàn)了兩大特色功能：一是7 394點的PKS組態(tài)完全由用戶組態(tài)；二是79面DCS盤柜、82面操作臺完全由用戶自己承擔(dān)施工，并實現(xiàn)了開車一次成功。這為裝置的安全生產(chǎn)打下了堅實基礎(chǔ)，并通過優(yōu)化整合控制方案，達到了最佳控制。隨著新技術(shù)的大量應(yīng)用，系統(tǒng)改造將創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1] 何衍慶，俞金壽.集散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：120-125.

[2] 王征.RS-232/Profibus-DP從站接口設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：清華大學(xué)，2004.

[3] 王長力，羅安.集散型控制系統(tǒng)選型與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1996：126-127.

[4] GB/T 21191 過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006：35-36.

[5] 周怡颋，凌志浩，吳勤勤. ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].自動化儀表，2005,26(6)：5-9.

[6] 國家發(fā)展和改革委員會.SH/T 3018-2003石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國石化出版社，2003.

[7] 侯志林.過程控制與自動化儀表[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003:25-26.

[8] 孫洪城，翁唯勤.過程控制工程設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001:7-9.

[9] 馮萍.計算機軟件技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2006:56-57.

[10]杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京：清華大學(xué)出版社,2003:66-68.

中圖分類號：TH868

文獻標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502005

修改稿收到日期：2014-08-03。

第一作者張衛(wèi)東(1968-)，男，1989年畢業(yè)于東北石油大學(xué)機械制造與自動化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，工程師；主要從事石化系統(tǒng)自動化專業(yè)的日常維護和施工改造的技術(shù)和管理工作。