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          淺談儀表控制系統的長周期安全穩定運行
          徐榮剛 中國石化海南煉油化工有限公司


          摘要:目前,儀表控制系統廣泛應用于石油、化工行業,面對石油化工行業裝置越來越大型化、復雜化,對儀表控制系統的要求也越來越高??刂葡到y作為裝置控制、安全的核心部分,其安全陛、可靠性、長周期的穩定運行關系著裝置的正常生產運行,提高控制系統安全、長周期穩定性是儀表工作者的責任與追求,本文會從影響控制系統的因素和提高穩定運行方法兩方面淺談這一問題。
          關鍵詞:儀表:控制系統;長周期;設計規范
           
          0引言
              儀表控制系統是隨著現代大型工業生產自動化的不斷興起和過程控制要求、安全保護的日益復雜應運而生的綜合控制系統,集合了計算機技術、系統控制技術、網絡通訊技術和多媒體技術等。大型石油化工企業儀表控制系統一般包含DCS系統、SIS系統、ITCC系統、PLC系統等,檢測、常規控制、復雜控制等過程控制系統采用DCS系統,獨立于過程控制系統,實現儀表安全功能方面采用安全儀表系統,SIS系統,大型機組控制采用ITCC系統,小型機組設備,順控等采用PLC系統。若將裝置比作一個身體,那么控制系統就如大腦,儀表設備是眼睛、四肢,控制系統通過儀表的監視、獲取數據信息,分析處理、控制、保護裝置。因此,提高儀表控制系統的安全、穩定,是裝置的長周期運行的關鍵部分。
           
          1影響控制系統穩定運行的因素
           
          1.1系統自身因素
           
          1.1.1控制系統不成熟
              控制系統發展到成熟是漫長的過程,任何系統、軟件的研發不可能十全十美,儀表控制系統需要不斷地升級更新換代,來提高自身穩定性。在應用過程中,或多或少會發現控制系統軟件、硬件的不完善、不周到,通常在其系統發展升級過程中,逐步完善、解決。在不成熟的、應用業績少的新控制系統產品中,有存在嚴重漏洞的可能,威脅著控制系統的正常使用,嚴重情況會造成網絡癱瘓、甚至裝置波動、停機。例:本公司DCS系統中,出現過因重裝工作站一個報警文件沒有禁用,工作站上線后,搶占了整個域內的過程報警進程,導致全廠DCS過程報警異常,廠家在后續的DCS系統升級過程中,將此BUG解決。
          1.1.2控制系統設計問題
              控制系統結構一般由設計院和廠家共同完成,設計深度不足,或廠家為了節約成本,設計結構僅滿足基本設計要求,選用設備配置過低,導致系統功能性受限等問題,直接制約著控制系統安全穩定運行。例:本公司MCS系統,最初設計結構考慮不足,采用單機版結構,在應用過程中,各操作站從控制器單獨取數,數據獨立保存,出現設定參數等數據不同步問題。因此,在17年大檢修中,將控制系統結構更改為服務器結構,徹底解決結構上的不足。
          1.1.3控制系統電源
              電源對控制系統運行至關重要,電源一旦故障,控制系統將徹底癱瘓。電源元器件必然經歷老化過程,將導致電源不穩定,甚至損壞;同時電源的相關負荷問題,還包括電源的容量、空開、保險容量等,控制系統與裝置一同建設后,裝置技改技措、擴能,控制系統擴容,電源負荷逐步偏離原設計,威脅著控制系統運行;另外,電氣供電同樣對控制系統電源有影響,如電氣供電電壓不穩,電氣串高壓等情況。
              在本公司一次機組檢修開工時,曾發生因電源負荷問題聯鎖停機事故。事故經過:ITCC系統一路供電端子,單獨為機組振動和位移回路安全柵供電,檢修過程中干氣密封改造項目實施,設計未核算電源負荷問題,新增干氣密封儀表安全柵的供電依舊取自此供電端子,在機組開機運行7天后,振動位移聯鎖停車,經檢查供電端子保險管熔斷,安全柵全部失電,導致機組停機。原因分析:此機組所使用的安全柵型號為MTL553l,此振動位移安全柵功率約2W,額定電壓為直流24V,根據功率與電壓、電流關系,1.25A(供電端子保險管容量)的供電回路,最多可以有15臺此類型安全柵,改造中新增AI安全柵后,安全柵總數量增加到20臺,總電流達1.25A左右。因此,當電流超臨界值后,保險管過熱熔斷。事故發生后,第一時間重新核算負荷,更換為1.5A保險管,并新增一路冗余電給安全柵供電。
              2017年本廠聚丙烯裝置風送PLC系統,電氣高壓串到儀表PLC系統機柜內導致PLC柜中及部分現場儀表設備燒毀,風送停車。事故經過分析:旋閥電機額定電壓為380V交流電,儀表與電氣之間狀態信號,使用普通的非屏蔽電纜。旋閥狀態信號引自從電氣開關柜干接點開關至儀表機柜內繼電器24V線圈,繼電器常開觸點接入PLC系統DI通道端子。PLC機柜內只有一對冗余24VDC恒流電源,電源給繼電器、PLC系統卡件、現場閥門回訊開關、轉速探頭供電,當感應高壓電出現后,通過回路直接把高電壓加到24v流電源上,導致24V供電的設備受高壓沖擊全部燒毀。事故發生后,信號電纜全部更換為屏蔽電纜,降低電氣感應出現幾率,2017年大檢修改造中,PLC機柜內又增加一對24V冗余電源,將DI信號繼電器供電電源與其他24V儀表用電設備電源分開,避免了感應電再度產生時,損毀大批24V儀表設備。
          1.1.4系統硬件使用年限
              控制系統硬件一般包含電源、控制器、系統卡件、通訊設備、工程師站、操作站等,都是高集成電子元器件,而電子元器件均有使用壽命,通??刂葡到y廠家給出卡件、控制器等硬件使用的指導時間為10年~12年左右,隨著控制系統的連續運行,硬件的故障率將逐步提高,直接影響長周期運行。
           
          1.2環境因素
           
          1.2.1溫度、濕度
              溫度對元器件、電阻、電容、絕緣材料、金屬構件均有影響,在超過規定的工作溫度時,溫度每增加10,元器件的可靠性降低10%,電容的使用時間將下降50%,同時還會導致電阻器額定功率和絕緣性能的下降。因此,控制系統所處環境溫度很重要。同樣,濕度也是一樣重要:濕度小,環境中易產生靜電,靜電釋放的高電壓會擊穿電子設備元器件;濕度過大,控制系統所處環境溫差變化時,易產生凝結水滴,造成電源短路。
          1.2.2接地系統
              控制系統的接地中一般分保護接地和工作接地,保護接地(也稱安全接地)是為人身安全和電氣設備安全而設置的接地。要求凡控制系統的機柜、操作臺、儀表柜、配電柜、繼電器柜等用電設備的金屬外殼及控制設備正常不帶電的金屬部分,由于各種原因(如絕緣破壞等)而有可能帶危險電壓者,均應作保護接地。工作接地包括:儀表信號回路接地和屏蔽接地,儀表工作接地的原則為單點接地,信號回路中應避免產生接地回路,如果一條線路上的信號源和接收儀表都不可避免接地,則應采用隔離器將兩點接地隔離開。接地系統不符合規范要求,直接威脅控制系統的安全、運行、甚至造成停車事故、人身傷亡。
          1.2.3防雷保護
              控制系統所在建筑環境需有合格的防雷系統,避免控制系統遭受雷擊影響,因雷擊造成控制系統故障,造成裝置停車案例普遍存在。除裝置建筑防雷外,儀表控制系統的防雷保護還包括儀表設備的防雷,在石化行業中,設備多處于露天環境,裝置是金屬設備的集合體,當無防雷保護的儀表設備遭受雷擊時,雷電會通過儀表回路直接威脅控制系統的運行,后果十分嚴重。例如,本廠處于多雷雨氣候區。因此,儀表設備設計均要求具有防雷保護配置,儀表回路中有浪涌保護器等防雷要求。
          1.2.4干擾
              空間中雷電、無線電、雷達、變壓器等都屬于干擾源,控制系統所處環境或者周圍存在干擾源時,影響系統信號傳輸,系統存儲,系統電源穩定,對控制系統元器件會有損傷,嚴重時會造成控制系統誤動作,停運。
              控制系統所處環境的振動大,也會有振動干擾,例如現場小機組的PLC控制系統,機柜選置時離機組過近,控制系統處于振動干擾環境中,對控制系統內部接線,元器件的焊點等有不同程度的影響。
          1.2.5動物影響
              防護小動物是儀表專業非常重要的工作之一,例如老鼠的啃咬電纜,光纖可能導致控制系統電源開路或短路,導致通信中斷,現場就地機柜、接線箱密封不嚴,若壁虎、老鼠、蛇進入,動物本身或者排泄物可直接導致電源或者卡件等設備的損壞,影響系統運行。
          1.3人為因素
              操作員和儀表系統維護人員是經常接觸控制系統的人員,操作員更改控制系統上位機設置,誤動作操作臺上按鈕都有可能導致控制系統波動,甚至停車;儀表維護人員隨意更改軟件設置,不按規定、制度維護等都威脅控制系統穩定運行。例如:本廠DCS系統在2017年升級前,操作站是與工程師站自動同步進行時間校準,機動部要求操作人員不得擅自更改操作站系統時間,但一個經驗不足的操作人員,修改了操作站計算機時間,影響了報警發送機制,導致實時過程報警不再發出,儀表工程師及時處理后,報警方恢復正常,未造成裝置波動,2017年檢修,本廠增力IIGPS時鐘源,改變了時間同步方式,徹底解決了該問題。
           
          2提高控制系統長周期穩定運行方法

          2.1選用成熟產品
              在設計階段,在詢價書中嚴格尊守規范,通過設計文件要求,摒棄不成熟產品,選用行業內有良好應用業績的控制系統,同時留有充足預算,避免因費用問題,無法采購成熟控制系統產品。
          2.2設計合理、全面
              DCS系統的控制單元、通信接口、電源,重要控制IO卡件采用1:1冗余配置,SIS、ITCC系統的中央處理單元、電源單元、I0模塊及通信系統等通常采用冗余容錯配置【2】,例如:本司SIS、ITCC系統均采用的控制系統為三重模件冗余(TMR)結構的容錯控制器。PLC系統一般隨機組集成而來,要結合實際情況,考慮選型,冗余配置的必要性,負荷,控制結構等。
              設計院會根據控制系統設計規范進行設計,通常不會有設計缺陷之類問題,但仍需跳出設計思維,變換角度,結合項目和實際應用,適時調研,在設計階段提出建設性意見,力求最合理、最全面。
          2.3遵守規范。狠抓施工質量
              SH/T 3092-2013《石油化工分散控制系統設計規范》、 GB/T 50770-2013 石油化工安全儀表系統設計規范》、 SY/T 6966-2013《輸油氣管道工程安全儀表系統設計規范》 等儀表規范中都詳細地規范了控制系統的設計及實施。為控制系統、控制室選好位置,排除環境干擾,防鼠防蟲,安裝溫濕度監控設備,防雷、接地按規范執行,使用正確的電纜等方面,可以說良好施工質量是控制系統順利投用、安全穩定運行的前提,是控制系統長周期安全穩定運行的保障。
          2.4落實規章制度。強化運維管理
              針對控制系統,各公司都會出臺運行維護規章制度,例如:本公司對控制系統的備份、巡檢、控制器卡件的溫度檢測、控制機柜、操作站的清灰、溫濕度的檢查、以及軟件、密碼、防病毒管理、控制系統診斷程序全功能檢查、故障統計、預防性維修等方面都有明確的管理規定,同時派專職工程師及維保隊伍進行管理維護,定期為維護人員進行培訓、考核。建立完善的管理規章制度,并嚴格執行,杜絕人為因素影響控制系統運行,同時強化管理,發現控制系統異常及時處理,避免小問題累積影響造成裝置波動甚至停車。
          2.5加強預防性維護管理
              抓好定期維護保養工作,建立故障專家系統,知識庫,科學管理,時刻監控控制系統運行情況,控制系統的備品備件納入重點管理,對已經停產或即將停產的系統設備,制定更新計劃,升級更換;檢修時,進行點檢,對電源、控制器、通信系統進行冗余測試,對軟件、硬件進行升級,遵守全生命周期的理論,對已經超過廠家給予指導使用年限的設備,進行特護,擇機更換升級,控制系統不帶病運行,不容許存在隱患,落實預防性維護維修管理。
           
          3.儀表控制系統長周期安全運行建議

              控制系統的安全正面臨著巨大挑戰,建議對所有工控網絡和信息網絡之間增加工業防火墻[3],對控制系統操作站、工程師站的防病毒措施進行升級,殺毒軟件定時、及時升級,使用USB鎖,禁用USB口、禁止使用光驅拷貝文件,建立、并嚴格執行防病毒管理制度。
              建議用信息化手段對控制系統進行監控、管理,各個廠家控制系統都支持故障報警輸出功能,實時采集故障信息,利用信息化手段,將系統故障第一時間發送至工程師手中,以便及時響應處理,避免因控制系統故障處理不及時造成影響。
              在石化行業,儀表專業通常稱為輔助專業,但儀表的長周期安全穩定是裝置長周期運行的前提和保障,在長周期運行精細化管理過程中,建議公司乃至總部給予儀表專業更多的理解和支持,同時全行業的儀表工作者一起共同努力,讓石化行業認識到控制系統乃至儀表專業長周期穩定運行的重要意義。

          4.結語
              影響控制系統長周期安全穩定運行的因素有很多,也很復雜,這些因素伴隨著時間,日積月累威脅著控制系統,要累積經驗,科學管理,用心維護,為裝置長周期、安全、穩定、高效地運行不懈努力。
           
          參考文獻:
          [1]劉景輝,李俊麗,李文仁,等.淺談煉油企業計算機控制系統的安全穩定長周期運行U】石油化工自動化,2004(4):42—45.
          [2]陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊【M】北京:化學工業出版社,20()0:505—706.
          [3】馮偉我國工業控制系統面臨的信息安全挑戰及措施建議Ⅱ】信息安全與技術,2013,4(2):19—22.


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