淺談儀表控制系統(tǒng)的長周期安全穩(wěn)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(tǒng)廣泛應用于石油、化工行業(yè)，面對石油化工行業(yè)裝置越來越大型化、復雜化，對儀表控制系統(tǒng)的要求也越來越高?？刂葡到y(tǒng)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(wěn)定運行關系著裝置的正常生產運行，提高控制系統(tǒng)安全、長周期穩(wěn)定性是儀表工作者的責任與追求，本文會從影響控制系統(tǒng)的因素和提高穩(wěn)定運行方法兩方面淺談這一問題。
關鍵詞：儀表：控制系統(tǒng)；長周期；設計規(guī)范
0引言
儀表控制系統(tǒng)是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)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(tǒng)，集合了計算機技術、系統(tǒng)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(yè)儀表控制系統(tǒng)一般包含DCS系統(tǒng)、SIS系統(tǒng)、ITCC系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)等，檢測、常規(guī)控制、復雜控制等過程控制系統(tǒng)采用DCS系統(tǒng)，獨立于過程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)儀表安全功能方面采用安全儀表系統(tǒng)，SIS系統(tǒng)，大型機組控制采用ITCC系統(tǒng)，小型機組設備，順控等采用PLC系統(tǒng)。若將裝置比作一個身體，那么控制系統(tǒng)就如大腦，儀表設備是眼睛、四肢，控制系統(tǒng)通過儀表的監(jiān)視、獲取數(shù)據(jù)信息，分析處理、控制、保護裝置。因此，提高儀表控制系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定，是裝置的長周期運行的關鍵部分。
1影響控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的因素
1.1系統(tǒng)自身因素
1.1.1控制系統(tǒng)不成熟
控制系統(tǒng)發(fā)展到成熟是漫長的過程，任何系統(tǒng)、軟件的研發(fā)不可能十全十美，儀表控制系統(tǒng)需要不斷地升級更新?lián)Q代，來提高自身穩(wěn)定性。在應用過程中，或多或少會發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)軟件、硬件的不完善、不周到，通常在其系統(tǒng)發(fā)展升級過程中，逐步完善、解決。在不成熟的、應用業(yè)績少的新控制系統(tǒng)產品中，有存在嚴重漏洞的可能，威脅著控制系統(tǒng)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(tǒng)中，出現(xiàn)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(xù)的DCS系統(tǒng)升級過程中，將此BUG解決。
1.1.2控制系統(tǒng)設計問題
控制系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)功能性受限等問題，直接制約著控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。例：本公司MCS系統(tǒng)，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(shù)，數(shù)據(jù)獨立保存，出現(xiàn)設定參數(shù)等數(shù)據(jù)不同步問題。因此，在17年大檢修中，將控制系統(tǒng)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(tǒng)電源
電源對控制系統(tǒng)運行至關重要，電源一旦故障，控制系統(tǒng)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(wěn)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(tǒng)與裝置一同建設后，裝置技改技措、擴能，控制系統(tǒng)擴容，電源負荷逐步偏離原設計，威脅著控制系統(tǒng)運行；另外，電氣供電同樣對控制系統(tǒng)電源有影響，如電氣供電電壓不穩(wěn)，電氣串高壓等情況。
在本公司一次機組檢修開工時，曾發(fā)生因電源負荷問題聯(lián)鎖停機事故。事故經過：ITCC系統(tǒng)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(lián)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(jù)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(shù)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(fā)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(tǒng)，電氣高壓串到儀表PLC系統(tǒng)機柜內導致PLC柜中及部分現(xiàn)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(tài)信號，使用普通的非屏蔽電纜。旋閥狀態(tài)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(tǒng)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(tǒng)卡件、現(xiàn)場閥門回訊開關、轉速探頭供電，當感應高壓電出現(xiàn)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(fā)生后，信號電纜全部更換為屏蔽電纜，降低電氣感應出現(xiàn)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(tǒng)硬件使用年限
控制系統(tǒng)硬件一般包含電源、控制器、系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的連續(xù)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(huán)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(guī)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(tǒng)所處環(huán)境溫度很重要。同樣，濕度也是一樣重要：濕度小，環(huán)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(tǒng)所處環(huán)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(tǒng)
控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)不符合規(guī)范要求，直接威脅控制系統(tǒng)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(tǒng)所在建筑環(huán)境需有合格的防雷系統(tǒng)，避免控制系統(tǒng)遭受雷擊影響，因雷擊造成控制系統(tǒng)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(tǒng)的防雷保護還包括儀表設備的防雷，在石化行業(yè)中，設備多處于露天環(huán)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(tǒng)的運行，后果十分嚴重。例如，本廠處于多雷雨氣候區(qū)。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(tǒng)所處環(huán)境或者周圍存在干擾源時，影響系統(tǒng)信號傳輸，系統(tǒng)存儲，系統(tǒng)電源穩(wěn)定，對控制系統(tǒng)元器件會有損傷，嚴重時會造成控制系統(tǒng)誤動作，停運。
控制系統(tǒng)所處環(huán)境的振動大，也會有振動干擾，例如現(xiàn)場小機組的PLC控制系統(tǒng)，機柜選置時離機組過近，控制系統(tǒng)處于振動干擾環(huán)境中，對控制系統(tǒng)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(yè)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(tǒng)電源開路或短路，導致通信中斷，現(xiàn)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(tǒng)運行。
1.3人為因素
操作員和儀表系統(tǒng)維護人員是經常接觸控制系統(tǒng)的人員，操作員更改控制系統(tǒng)上位機設置，誤動作操作臺上按鈕都有可能導致控制系統(tǒng)波動，甚至停車；儀表維護人員隨意更改軟件設置，不按規(guī)定、制度維護等都威脅控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行。例如：本廠DCS系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)送機制，導致實時過程報警不再發(fā)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(tǒng)長周期穩(wěn)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(guī)范，通過設計文件要求，摒棄不成熟產品，選用行業(yè)內有良好應用業(yè)績的控制系統(tǒng)，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(tǒng)產品。
2.2設計合理、全面
DCS系統(tǒng)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(tǒng)的中央處理單元、電源單元、I0模塊及通信系統(tǒng)等通常采用冗余容錯配置【2】，例如：本司SIS、ITCC系統(tǒng)均采用的控制系統(tǒng)為三重模件冗余(TMR)結構的容錯控制器。PLC系統(tǒng)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(jù)控制系統(tǒng)設計規(guī)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(guī)范。狠抓施工質量
SH/T 3092-2013《石油化工分散控制系統(tǒng)設計規(guī)范》、 GB/T 50770-2013 《石油化工安全儀表系統(tǒng)設計規(guī)范》、 SY/T 6966-2013《輸油氣管道工程安全儀表系統(tǒng)設計規(guī)范》 等儀表規(guī)范中都詳細地規(guī)范了控制系統(tǒng)的設計及實施。為控制系統(tǒng)、控制室選好位置，排除環(huán)境干擾，防鼠防蟲，安裝溫濕度監(jiān)控設備，防雷、接地按規(guī)范執(zhí)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(tǒng)順利投用、安全穩(wěn)定運行的前提，是控制系統(tǒng)長周期安全穩(wěn)定運行的保障。
2.4落實規(guī)章制度。強化運維管理
針對控制系統(tǒng)，各公司都會出臺運行維護規(guī)章制度，例如：本公司對控制系統(tǒng)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(tǒng)診斷程序全功能檢查、故障統(tǒng)計、預防性維修等方面都有明確的管理規(guī)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(guī)章制度，并嚴格執(zhí)行，杜絕人為因素影響控制系統(tǒng)運行，同時強化管理，發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)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(yǎng)工作，建立故障專家系統(tǒng)，知識庫，科學管理，時刻監(jiān)控控制系統(tǒng)運行情況，控制系統(tǒng)的備品備件納入重點管理，對已經停產或即將停產的系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)長周期安全運行建議
控制系統(tǒng)的安全正面臨著巨大挑戰(zhàn)，建議對所有工控網絡和信息網絡之間增加工業(yè)防火墻[3]，對控制系統(tǒng)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(zhí)行防病毒管理制度。
建議用信息化手段對控制系統(tǒng)進行監(jiān)控、管理，各個廠家控制系統(tǒng)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(tǒng)故障第一時間發(fā)送至工程師手中，以便及時響應處理，避免因控制系統(tǒng)故障處理不及時造成影響。
在石化行業(yè)，儀表專業(yè)通常稱為輔助專業(yè)，但儀表的長周期安全穩(wěn)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(yè)更多的理解和支持，同時全行業(yè)的儀表工作者一起共同努力，讓石化行業(yè)認識到控制系統(tǒng)乃至儀表專業(yè)長周期穩(wěn)定運行的重要意義。
4.結語
影響控制系統(tǒng)長周期安全穩(wěn)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(tǒng)，要累積經驗，科學管理，用心維護，為裝置長周期、安全、穩(wěn)定、高效地運行不懈努力。
參考文獻：
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[3】馮偉我國工業(yè)控制系統(tǒng)面臨的信息安全挑戰(zhàn)及措施建議Ⅱ】信息安全與技術，2013，4(2)：19—22.
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