楊新宇

(中國石油化工股份有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510700)

某石化公司化工區(qū)污水處理裝置是一套綜合性污水處理裝置，主要處理化工各裝置的生產(chǎn)污水、生活污水和循環(huán)水裝置的排污水。由于使用年久失修的緣故，原儀表控制盤所帶的設備已經(jīng)嚴重老化，對應備品備件也已經(jīng)不生產(chǎn)。同時，儀表控制盤的局限性也對裝置未來生產(chǎn)流程的升級優(yōu)化、擴建改造存在極大的約束。為此該公司決定對污水處理裝置進行DCS系統(tǒng)改造，并在滿足安全性和可靠性的原則基礎上控制資金投入及相關成本[1]。經(jīng)統(tǒng)一招標，污水處理裝置DCS采用MACS-K系統(tǒng)，歷時3個月完成了改造項目施工并投入使用。

1 裝置工藝簡介

污水處理裝置采用活性污泥生物處理方法的三級處理工藝：一級物化處理，二級生化處理，三級深度處理。設計處理能力為160 m3/h，處理后的污水達標外排。

圖1 污水處理裝置工藝流程簡圖Fig.1 Schematic diagram of sewage plant

2 污水處理裝置的硬件與軟件配置

MACS-K系統(tǒng)由K系列硬件和MACS V6軟件組成，其網(wǎng)絡架構從上至下由MNET(管理網(wǎng))、SNET(系統(tǒng)網(wǎng))、CNET(控制網(wǎng))三層構成。管理網(wǎng)為可選網(wǎng)絡層，用于和廠級MES(生產(chǎn)過程管理系統(tǒng))、第三方管理軟件等進行通訊。系統(tǒng)網(wǎng)將控制站與工程師站、操作員站等各節(jié)點連接，控制網(wǎng)則用于主控制器與各I/O模塊(信號輸入和輸出模塊)及智能設備的連接。該系統(tǒng)選用冗余、多重隔離等科技前沿性技術，并引入安全系統(tǒng)的概念，以提升系統(tǒng)穩(wěn)定性[3]。

2.1 系統(tǒng)的硬件配置

根據(jù)化工區(qū)污水處理裝置現(xiàn)場相關控制點與檢測點的統(tǒng)計數(shù)量(見表1)，配置1對K系列硬件控制器及5個機柜，分別為電源柜、#10主控柜、#10擴展柜、安全柵柜和繼電器柜。

表1 裝置控制回路和檢測點統(tǒng)計Table 1 Control loop and detection point statistics of the plant

電源柜內分三路電源進線，一路UPS(不間斷供電)電源；一路GPS(穩(wěn)壓供電)電源；一路為市電電源。電源柜220V AC(交流電)分配為其余4個機柜、控制室內的工程師站、操作員站以及現(xiàn)場儀表設備提供雙路冗余供電，機柜間空調及機柜內的風扇照明則是由市電電源提供。

在#10主控柜中，配置了主控制單元(其結構示意圖如圖2所示)位于正面機柜上方，其中2塊K-CU01控制器互為冗余。下方則是分布兩列的I/O模塊，包括冗余AI(模擬量信號輸入)模塊和AO(模擬量信號輸出)模塊。主控制器模塊可滿足雙通道冗余多功能總線和從站I/O模塊實施信息傳輸和通訊，采用冗余的100Mbps工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡和上位監(jiān)控單元實現(xiàn)，并且實時上傳過程和診斷數(shù)據(jù)信息，在線情況下完成下裝更新任務，同時不會影響到設備正常工作[4]。

圖2 主控單元結構圖Fig.2 Structure diagram of main control unit

由于開關量點數(shù)的需求較大，51個I/O模塊大部分為DI(開關量信號輸入)模塊和DO(開關量信號輸出)模塊。開關量模塊配置于#10擴展柜正反面，并通過IO-BUS(多功能總線)模塊擴展口與#10擴展柜相連接，以便數(shù)據(jù)通訊。

安全柵柜的配置起到現(xiàn)場與機柜間隔離保護的作用。柜中放置了模擬量輸入信號和模擬量輸出信號回路所使用的安全柵和防雷柵，用于信號保護和干擾屏蔽。安全柵使用的冗余電源，由電源柜配出。

繼電器柜中主要放置了繼電器組、繼電器端子板以及DI轉接模塊。繼電器組每組帶有16個繼電器。

根據(jù)測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構及特點，結合裝置施工現(xiàn)場操作管理的實際需要，在裝置控制室配裝1臺工程師站的終端OP80和2臺操作員站的終端OP82、OP83以及1臺OPC站。其中OP80、OP82還兼作互為冗余的歷史站A和B。OPC站用于上傳DCS相關信息給上層的實時數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)網(wǎng)絡設備及結構圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構及設備示意圖Fig.3 Network structure and equipment schematic diagram of the system

2.2 系統(tǒng)的軟件配置

系統(tǒng)所使用的MACS V6軟件是與K系列硬件共同組成MACS-K系統(tǒng)的重要部分，具有多樣不同功能的組件，從而對工程系統(tǒng)進行完善的管理和操作。監(jiān)控軟件是人機交互數(shù)據(jù)信息的主要連接紐帶，是保證自動化控制操作和維護的最重要部分[5]。MACS V6軟件含多個控件，其核心為工程總控，集成了工程管理、數(shù)據(jù)庫編輯、用戶組態(tài)、節(jié)點組態(tài)、報表組態(tài)、編譯、下裝等功能。AutoThink、圖形編輯為其子控件，前者是控制器算法組態(tài)軟件，它集成了控制器算法的編輯、管理、仿真在線調試以及硬件配置功能；后者則用于制作在線操作的流程圖和相關操作模板。操作員在線程序則用以實現(xiàn)對程序和畫面進行監(jiān)控及查詢歷史數(shù)據(jù)。MACS V6軟件還具有完善的在線組態(tài)功能，可在線組態(tài)修改并做無擾動增量下裝，有效體現(xiàn)了系統(tǒng)的可用性和可維護性。

天與地，在中華民族傳統(tǒng)文化中處于至高無上的地位。中國最古老的經(jīng)典《易經(jīng)》第一卦為乾，歌頌的是天；第二卦為坤，歌頌的是地。有天地，就有了宇宙，就有了人類。所以，最高的神為天神和地神，最高之道，為天地之道。自古至今，祭天禮地是中華民族最為重要的禮儀活動。從良渚出土的玉璧和玉琮來看，祭天禮地的禮儀制度在那個時候就已經(jīng)奠定了。

3 系統(tǒng)改造施工過程中的重點工作

污水處理裝置在DCS改造施工過程中，主要有三項重點工作需要在儀表技術人員、施工單位、系統(tǒng)廠商以及工藝、電氣技術人員的相互協(xié)助和配合下，方能順利完成。

3.1 裝置連續(xù)生產(chǎn)下完成新系統(tǒng)就位與信號遷移

本次DCS改造項目施工與新建項目施工的區(qū)別主要有兩點：一是用新系統(tǒng)機柜頂替原有的儀表控制盤，但現(xiàn)場儀表供電及信號電纜利舊；二是信號遷移工作要在裝置連續(xù)生產(chǎn)條件下實施。

在前期施工準備過程中對原儀表盤中的電纜及其分支電纜做好必要的標記工作，核實確認儀表信號的位號。由于裝置的運行設備主要為各池攪拌機或機泵，且大多為主備配置，可自主進行切換。工藝人員可通過短停設備、切換機泵等操作，為項目施工爭取到了必要的時間。此外，原儀表盤在過去二十多年的使用過程中已經(jīng)歷過不少改造項目或技措項目實施，且盤內有元器件設備故障更換使用了備用通道，造成部分儀表信號未體現(xiàn)在新系統(tǒng)點表中，則需根據(jù)情況補充至新系統(tǒng)卡件的備用通道中。通過儀表技術人員的逐一確認，相當于在新系統(tǒng)投用前對儀表設備管理進行了有效的缺陷消除和完善提高。

3.2 復雜機泵控制程序的實現(xiàn)

原控制盤配置的是無紙記錄儀、旋鈕及按鈕，用以實現(xiàn)控制信號的接收與發(fā)送。本次DCS系統(tǒng)改造的目的，就是在新系統(tǒng)里轉譯原控制邏輯功能的基礎上，為操作人員提供更為高級、現(xiàn)代化的操作方式。

在裝置中最常見的是A泵與B泵可互相切換的主備操作模式。但總提升池AY-4939提升泵GY-4940A/B/S的操作模式則牽涉到3臺機泵，最為復雜，如圖4所示即為GY-4940A/B/S所在工藝流程圖畫面(虛線框內部分)。

圖4 GY-4940A/B/S所在工藝流程圖畫面Fig.4 The process flow diagram of GY-4940A/B/S

根據(jù)原始資料，提升泵GY-4940A/B/S設有手動-自動模式切換開關及3個檔位選擇器，檔位選擇器用于改變更換3臺泵在自動模式下的啟動順序。提升池的液位是由池頂算起，液位從低到高依次設置了5個開關，位號分別是：LSLL4938(距離池頂4150 mm)、LSL4942(距離池頂3950 mm)、LSH4941(距離池頂3150 mm)、LSHH4940(距離池頂2750 mm)、LSHHH4939(距離池頂1350 mm)。

當提升池液位高于LSLL4938聯(lián)鎖值時，3臺泵可在手動模式下做正常啟停操作。當液位低于LSLL4938聯(lián)鎖值時，泵將觸發(fā)聯(lián)鎖停機狀態(tài)，使用現(xiàn)場操作柱也無法啟動各泵，這是防止泵抽空而設置的聯(lián)鎖安全保護措施。若液位高于LSHHH4939報警值時，DCS畫面將會提示高高高報警，操作人員可選擇在雙泵運行的狀況下將最后1臺泵現(xiàn)場手動開啟，3泵同時運行確保液位迅速下降。

在自動模式下，以選擇器為1檔做詳細說明，當液位高于LSH4941報警值時，A泵作為主泵優(yōu)先自啟；當液位高于LSHH4940報警值時，自動啟動B泵；若液位繼續(xù)增漲超過LSHHH4939報警值將自動啟動S泵。當液位低于LSL4942報警值時，自動停止所有在運行的機泵。當A泵出現(xiàn)故障無法正常運行時，系統(tǒng)將自動將B泵由備泵切換為主泵，并將S泵作為B泵的備泵。選擇2檔時B泵作為主泵，3檔時主泵為S泵，依此類推。

運行過程中當系統(tǒng)接收到主泵運行故障信號將自動停機，同時啟動備用泵，第三臺泵切換為備用泵。這在很大的程度上避免了提升泵故障影響到裝置安全生產(chǎn)，并提供充足的時間以便工藝與設備人員處理機泵故障。

圖5為提升泵GY-4940A手動和自動控制程序，該程序在AutoThink中完成組態(tài)編寫。其中HS_4940_1/2/3分別代表為1檔、2檔和3檔，僅在自動模式下生效。將B泵與S泵故障報警信號與2檔選擇信號經(jīng)與門后共同引入到MOT2模塊的INON管腳處，并按照原始設計延時2s。從而實現(xiàn)2檔B泵與S泵故障時A泵作能在液位高報警時自啟的功能。LSL4942低報信號必須在手自動選擇DM10_4940_SZD為自動模式時生效，并接入INOFF管腳，以觸發(fā)自動停機命令。LSLL-4938作為聯(lián)鎖信號和遠程手動停泵信號由管腳ILSW接入，當聯(lián)鎖信號報警時，將從OUTOFF管腳輸出停機指令至MCC(電機控制中心)處對應的電機抽屜柜中。DM10_GY4940A_RST為畫面軟按鈕用于報警復位。MOT2模塊為MACS V6軟件自帶控制功能算法所提供，可有效集成手動、自動、聯(lián)鎖等功能命令并將信號輸出，并確保了邏輯的準確性和可靠性。

圖5 GY-4940A手動和自動控制程序Fig.5 Manual and automatic control program for GY-4940A

3.3 電氣與儀表信號的對接

該項對接工作同樣是本次改造項目的關鍵工作內容。需要對接的信號基本為攪拌器與機泵控制運行信號，如允許啟動、啟動、停止、故障、運行狀態(tài)等。全裝置共有60臺動設備，均需按照每臺設備每個信號通道進行對接，由儀表人員與電氣人員共同參與并簽字確認。當對接完成后將線纜接好，電氣人員在MCC處將對應的電機抽屜柜上電并打到試驗位，儀表人員利用MACS V6軟件在下位程序中強制信號，觀察和確認信號傳遞的效果。

此外為了避免出現(xiàn)機泵或攪拌器異常停運后，無法判斷是否有儀表輸出指令停機導致，本次改造特意將儀表側輸送至MCC處的DO指令信號(如自啟動信號、停機信號等)在機柜內繼電器處額外分出一路返回作為回訊信號輸入進DCS系統(tǒng)作為記錄，從而可以判斷相關信號的輸出在繼電器前后的狀態(tài)是否一致，更好地針對信號傳遞情況進行分析。

4 控制系統(tǒng)應用效果分析

從老式的儀表控制盤到全新DCS的升級換代，使得工藝人員的操作方式得以優(yōu)化提升。由于MACS-K系統(tǒng)為國產(chǎn)化DCS，較為貼近國人的思維邏輯與操作習慣，友好人機界面提供的操作指令為中文，因此即便是剛接觸也可迅速掌握，極大提高了人員的學習效率。

裝置在應用新系統(tǒng)后，可靠性和可用性方面同樣得到顯著提高。不僅是電源模塊和主控制器采用冗余配置并聯(lián)運行，對于關鍵的控制回路同樣采用了冗余I/O卡件配置。冗余結構的特點是一個部件所有單元都發(fā)生故障時，該部件才會發(fā)生故障從而影響系統(tǒng)運行。對于由2個一樣結構體系并且有一定聯(lián)系的部分，它們的使用周期符合指數(shù)分布，系統(tǒng)的可靠度R(t)和MTBF(平均故障時間)分別為：

R(t)=1-(1-e-λt)2

(1)

(2)

并聯(lián)結構可以提高系統(tǒng)的可靠性，根據(jù)式1和式2可以得出，有兩個單元并聯(lián)(n=2)的部件對比單一單元的部件(n=1)，其可靠性大幅提高。并聯(lián)結構是用于達到極高的系統(tǒng)可靠度的設計方法，這種系統(tǒng)可靠度高于各個單元的可靠度，尤其針對容易出故障的單元或比較重要的、需要高可靠性的單元[6-7]。

根據(jù)測控系統(tǒng)部分硬件的單模塊的MTBF數(shù)據(jù)和配置類型由式2計算得出裝置實際應用的各種模塊型號對應的故障率情況，具體可見表2。

表2 控制系統(tǒng)部分硬件MTBF與故障率數(shù)據(jù)表Table 2 The data of control system hardware MTBF and failure rates

通過實際應用，裝置實際運行所處理的污水達到了排放指標，效果令人滿意。如表3所示，為裝置于2020年10月31日當日的生產(chǎn)運行指標情況，實際數(shù)據(jù)滿足《石油化學工業(yè)污染物排放標準》的有關指標要求[8]。

表3 污水處理裝置主要運行指標Table 3 Main operating indexes of the sewage plant

根據(jù)儀表運行維護車間每月對維護管轄裝置進行儀表技術狀況表統(tǒng)計，化工區(qū)污水處理裝置2020年10月的統(tǒng)計情況如圖7所示。裝置完好臺件數(shù)、完好率以及投用回路數(shù)均符合運行生產(chǎn)要求。

圖7 污水處理裝置儀表技術狀況統(tǒng)計Fig.7 statistics of the sewage plant instrument technique

5 結 語

MACS-K系統(tǒng)自動化程度較高，完全可以滿足現(xiàn)場工藝裝置控制要求，同時具有相當?shù)臄U展性和可靠性。投運3年以來，裝置各操作站上位機軟件顯示運行及系統(tǒng)網(wǎng)絡通訊狀況均無異常，系統(tǒng)硬件正常工作無故障報警。該系統(tǒng)具備對聯(lián)鎖信號強制的功能，可根據(jù)需要對現(xiàn)場儀表設備進行在線維修或更換，有效加強儀表專業(yè)設備生命周期管理。此外，MACS-K系統(tǒng)的投用也讓化工區(qū)污水處理裝置的規(guī)模及工藝流程擁有了改進提升的空間，以適應今后環(huán)保排放標準不斷提高及城市化大環(huán)境等因素影響。