北京康吉森自动化设备技术有限责任公司

     1. 项目背景介绍

    福建炼油乙烯一体化项目位于中国东南沿海的福建省泉州市泉港区，总占地面积约480公顷。它是目前我国第一个炼油、化工和成品油营销全面一体化的中外合资项目，也是至今为止一次性整体规划、一次性设计、一次性施工建设、一次性投产成功、实施投资最大的炼油乙烯一体化项目。

    2. 项目目标与原则

1）使工厂在健康、安全、环境保护和节能减排方面有可靠保证；

2）高质量的过程测量、调节控制、先进控制集成，友好的人机接口；

3）集成自动化系统具有高可靠性、高可用性及易维护性，减少非计划停车；

4）过程控制系统为企业的每个生产设置、公用工程及辅助设施提供产品产量及质量、原料和公用工程消耗等报告，提供准确、无缝的实时及历史过程信息；

5）全部仪表设备管理系统集成，提供历史分析、预测维护计划、库存控制及采购计划及存量控制等；

6）控制系统和仪表设备供应商应尽量单一化，具有最好的操作培训支持，达到最少人员配置水平，和最少的备品备件；

7）推进工厂信息管理系统和自动化系统集成技术的应用和发展；

8）为MES和ERP提供世界级工厂控制一体化的生产操作和经营管理的实时数据库平台，实现物流、资金流和信息流三流合一，做到信息透明、资源共享、为生产和营销决策提供可靠的依据，使产品能适应市场需求变化并获得最大利润；

9）强化现代化企业管理，减低工厂生命周期成本，获得最佳经济效益及社会效益。

3. 项目实施与应用情况详细介绍（详细介绍推荐项目的规划、实施与应用的详细情况，突出项目创新性、重点与难点问题及解决思路等。）

    参考国外石油化工智能化生产技术现状与发展趋势，借鉴国内外著名石油化工企业（如BP-Amoco、Exxon-Mobil、Shell Oil、上海赛科乙烯、南海壳牌乙烯、扬巴一体化乙烯等）的全厂智能化总体解决方案和实际应用情况，福建炼油乙烯一体化项目的全厂智能化总体解决方案采用自动控制和信息管理系统集成的“管控一体化”方案。整个系统分为三层，即生产操作控制层（PCS）、生产运行管理层（MES）和生产经营管理层（ERP）。

     以过程控制系统（PCS）为代表的生产操作控制层，又称为基础自动化层。主要包括：分散控制系统/现场总线控制系统（DCS/FCS）、安全仪表系统（SIS）、火灾及气体检测系统（FGS）、储运自动化系统（MAS）、压缩机组控制系统（CCS）、大型机组状态监测系统（MMS）、设备包控制系统（PLC）、在线分析仪系统（PAS）、仪表设备管理系统（AMS）、操作员培训仿真系统（OTS）、过程控制计算机系统（PCCS）（实施先进控制APC和实时优化RTO等）及实时数据库（RTDB）等系统，其核心是DCS/FCS系统。

    生产操作控制层能实时监控生产操作、原料及产品储运、公用工程和产品质量等全过程。并且使生产操作安全、可靠、稳定、长周期及满负荷运行。

    安全仪表系统（SIS）

    根据各工艺装置不同的特点，装置重要的联锁保护、紧急停车系统及关键设备联锁保护都设置成自动联锁，统一采用安全仪表系统（SIS）

    根据国内外设计规范，SIS设置独立的控制器，以确保人员及生产装置、重要机组和关键设备的安全。SIS按事故安全型设置，采用双重或三重冗余、容错系统。

     自动联锁保护系统分为两部分：装置联锁保护系统和机组设备的联锁保护系统。原则上在同一设置内，设一套SIS系统。我们建议全公司采用同一型号的SIS系统，以减少今后的维护工作量和维护成本。

    为了尽可能避免联锁事故的发生，设置予报警、报警信息，按程度分为3种优先级别，并配3种不同音调加以区分。
与DCS/FCS的设计方式相同，将SIS控制器或远程I/O机架安装在现场机柜室内，通过光缆接入中央控制室（CCR）操作站。根据需要在较远的现场机柜室适当设置辅助操作台，用于就地监控、机组试车和装置开停工时使用。

    保证自控系统正常运行的主要安全技术措施如下：

    a)现场仪表及控制系统均选用先进可靠的产品。DCS控制器、电源单元、通信网络、控制类I/O卡等都采用冗余配置；

    b)联锁保护系统及机组控制系统采用三重化或双重化的冗余、容错系统重要的联锁系统检测元件或输入信号按冗余方式设置。SIS检测元件和执行机构按事故安全型设置，即SIS故障或一旦能源中断，执行机构的最终位置应能确保工艺过程和设备处于安全状态；

    c)SIS设置事件序列记录站，用于记录设备状态和连锁事件，以便事故原因的追溯；

    d)自动控制系统设置独立的冗余的UPS电源，其供电安全、接地保护等问题在设计时应引起足够的重视；

    e)操作站与机柜采用冗余的通讯电缆或电缆连接，室外光缆通过不同的路径敷设，以确保通信的安全；

    f)为减少局域网对生产过程控制系统的干扰，建设公司控制网络，独立于公司的管理信息网。通过网络物理隔离设备（与防火墙不同。防火墙在受攻击成功后使两网畅通，物理隔离设备在受攻击成功后使两网隔离）与管理信息网连接。决不允许在两网信息互交时，因病毒、黑客或用户通过管理信息网侵害控制网，提高控制网络的可靠性，保证生产控制系统的安全运行；

   g)FREP现场处于高雷区，对DCS/FCS、SIS、FGS、CCS/ITCC、PLC等主要系统需充分考虑防雷措施，确保过程控制系统及仪表安全。

    安全仪表系统（SIS）安装在中央控制室（CCR）和现场控制机柜室（FAR）里。安全仪表系统（SIS）的设计必须满足根据IEC61508/IEC61511所定义的安全度等级（SIL）。

    安全仪表系统（SIS）独立于DCS系统和其它子系统单独设置，采用故障安全型设计，确保装置的安全性和可靠性。

     安全仪表系统（SIS）采用经TUV/IEC安全认证的三重化（TMR）可编程序控制器（PLC）完成各工艺装置的紧急停车和紧急泄压。SIS应具有SOE功能。

    紧急停车信号通过冗余MODBUS-RTU通信接口连接到DCS。所有的过程报警、旁路、复位等信号能在DCS操作站上显示。

    火灾及气体检测系统（FGS）

    火灾及气体检测系统（简称FGS）包括各工艺装置、公用工程、油品储运的可燃气体、有毒气体和火灾检测系统，以及建筑物的火灾检测系统。FGS系统与过程和设备的安全仪表系统（SIS）相独立。

     根据目前国内外有关规程，FGS可以单独设置，也可以采用独立的火灾报警系统（FGS）。建议在炼油、化工及其灌区等爆炸危险场所采用FGS系统，其他公用工程与中央控制室（CCR）、总变电所、中心化验室等建筑物采用FAS。FGS通过光缆与在中央控制室（CCR）的监控站进行通信。在中央控制室（CCR）内设置一个独立的控制站（与DCS的操作站相同）用于FGS系统，并有独立的顺序记录。设置报警指示灯和控制开关。全厂可燃气、有毒气及火灾报警系统控制器安装在各现场机柜室内。FGS系统与DCS/FCS系统通信，同时与自动灭火等系统实现数据联网，通过公司管理信息网提供消防队、环安等部门监控。全公司的FGS系统需要统一型号。

     火灾及气体检测系统（FGS）独立于DCS系统、SIS系统和其它子系统单独设置。采用TUV/IEC安全认证的三重化（TMR）可编程控制器（PLC），接受来自现场（包括装置区、灌区等场所）的火灾、可燃气体、有毒气体探测器的信号及手动报警信号，启动警报系统并产生消防联动和装置的紧急停车，同时将经过确认的火警信号传送到全厂消防控制中心。FGS应具有SOE功能。FGS系统与DCS系统可实现实时数据通信，在DCS系统操作站上显示报警及打印。

     机组控制系统（ITCC/CCS）

    大型机组控制系统由两部分组成：压缩机组控制系统（CCS，又称ITCC）和大型机组状态监测系统（MMS）。它们是独立的控制系统。

    压缩机组控制系统（CCS/ITCC）

     CCS/ITCC系统用于压缩机的防喘振调节和连锁保护。CCS/ITCC系统根据工艺过程的要求，使压缩机系统在最小流量喘振曲线下维持压缩机最佳的性能和功效。

    CCS/ITCC系统采用三重化或双重化的冗余、容错系统。重要的联锁系统控制元件，或输入信息按三取二的方式设置。

    CCS/ITCC系统的硬件设置在现场机柜室（FAR）中。防喘振调节的特殊、高速的电子设备完成，并存储工艺气体补偿的喘振模型曲线。

   b)大型机组状态监测系统（MMS）

    MMS系统用于透平机、压缩机和泵等主要转动设备参数的在线监控，对转动设备的性能进行分析和诊断，支持转动设备的故障预维护。重要运行参数（轴振动、轴位移、转速等）直接传动到MMS系统，操作人员在管理站上直接读取转动设备运行参数，在线诊断分析结果。

     MMS系统数据处理器设在现场机柜室（FAR），服务器和管理站设在中央控制室（CCR）。各现场机柜室（FAR）之间及中央控制室（CCR）的MMS系统通过双重冗余的光纤电缆进行数据通信，构成MMS系统局域网。MMS系统的信息数据采用通信方式传送至DCS/FCS系统。用于连锁保护的数据，通过硬接线方式传送至SIS系统，通过局域网供管理层分析处理，为预防性维修提供依据。
  
     大型机组控制系统由于机组制造商不同，相应的控制系统配置、型号均不相同，因此尤其要统一仪表及控制系统型号，减少今后的维护工作。
 
    大型机组（如：裂解气压缩机、丙烯制冷压缩机、二元制冷压缩机、甲烷膨胀/压缩机等）的控制系统由两部分组成：透平/压缩机组综合控制系统（ITCC/CCS）和转动设备在线检测系统（MMS）。机组控制系统是独立于DCS的控制系统。其它机组和设备包（如：循环气压缩机、尾气压缩机、空压机、氢压机、氮压机、急冷油泵、急冷水泵、冷冻机、干燥器、挤压造粒机及风送系统等）的控制系统一般采用PLC或DCS。
 
    ITCC/CCS系统用于透平/压缩机组的调速、防喘振控制、负荷控制和联锁保护。ITCC系统根据工艺过程的控制要求，使压缩机系统在最小流量喘振曲线下维持压缩机最佳的性能和功效。

    ITCC/CCS系统采用三重化（TMR）或双重化的冗余、容错系统。重要的联锁系统输入传感器按三取二的方式设置。ITCC系统应具有SOE功能。

     机组状态监测系统（MMS）

     MMS系统用于透平/压缩机和高速泵等主要转动设备参数的在线监控，对转动设备的性能进行分析和诊断，支持转动设备的故障预维护和资产管理。重要运行参数（轴振动、轴位移、转速等）直接传送到MMS系统，操作人员在管理转上直接读取转动设备运行参数，在线诊断分析结果。

      MMS系统包含本特利3500机架和System 1 两部分。

     ITCC和MMS系统应能与DCS系统进行实时通信。

     关键技术和难点及解决措施

     仪表自控工程技术标准规范

     研究并开发的《仪表及控制系统功能设计规格书FDS》等设计文件，形成了一整套适用于大型炼油化工一体化项目的仪表自控工程技术体系。

     高速网络联网集成

    对于DCS、SIS、FGS、ITCC、MMS、等控制系统网络采用千兆级（1GB/Sec）工业以太网并全厂系统联网并集成。

    SIS系统和FGS系统在大型炼油化工一体化工厂的工程化研究及应用

    研究并实施并符合IEC 61508、IEC 61511功能安全标准和获得IEC SIL3认证的安全仪表系统（SIS）、火灾及气体检测系统（FGS）全面应用于大型炼油化工一体化工厂。

    SIS系统

    a） 远程机架的灵活应用

    根据Tricon系统具有远程机架的特点，对于各工艺装置所对应的紧急停车按钮、维护旁路开关（MOS）及开车操作旁路开关（SOS），采用在CCR设置SIS远程机架，在FAR内设置SIS主控制器的方案；而对于紧急联锁回路较少的公用工程单元采用在CCR设置SIS主控制器，在FAR内设置SIS远程机架的方案，这样可以节省投资。

    b） SIS及其关联仪表选用原则

      根据工艺系统对安全等级的要求和安全分析，装置SIS安全等级要求为SIL1、SIL2及SIL3（IEC 61508）时，选用安全级别为SIL3的TRICON三重冗余系统，按故障安全型设计。TRICON（SIS）系统是基于三重化模件（TMR）结构的冗余容错控制器，将三路隔离、并行的控制系统和诊断集成在一个系统中，用3取2表决提供完善、无差错、不间断的过程操作，不会因单点的故障导致系统失效，并允许在完成指定任务的同时，对故障元件进行修复，不中断过程控制。SIS能诊断和显示系统的全部部件故障，并通过串行通信接口在DCS的操作站上显示。为确保SIS的整体安全性，电源单元、通讯系统等为冗余配置，I/O卡件为三重冗余光电隔离型，包括32点DI卡件3503E，16点DO卡件3604E和3624，16点AI卡件3700A。其中3624为监督型数字输出卡件（SDO），带电流和电压反馈回路，提供完整的故障覆盖而不影响输出信号，可检测出掉电或熔断、负载开路、短路导致的错误励磁等现场故障，主要应用于关键场合。如图4-6，燃料油入口和返回管线上的阀门切断关系到加热炉和装置的生产运行，SIS选用3624型SDO卡件输出到并联电磁阀实现联锁功能。

                     

     检测元件和执行元件的可靠性也直接影响到SIS的安全性能，为减少现场元件的故障概率，装置与SIS相关的检测仪表主要选用流量、液位、温度、压力等变送器。如三个变送器进入SIS，由机柜内的三个信号分配器进行信号分配，三路纯4-20mA信号进入SIS的AI卡进行2003表决，另三路4-20mA带HART信号进入DCS的AI卡进行三取中运算后作为PID调节回路的PV值，DCS故障不影响变送器的正常操作。普通开关类仪表易出现触点粘合或因管线振动而打开等异常状况，与SIS相关的开关类仪表只限于：现场防爆控制按钮，炉体上的火焰检测器开关，待SIL2认证的音叉液位开关，接近于干接点型式的阀位反馈开关；不选用流量、温度和压力开关。SIS中执行文件选用高温绝缘耐用型线圈、长期带点型的低功耗电磁阀，相应的切断球阀和蝶阀选择合适的材质，防止出现卡塞现象。马达控制中心电动机的起停信号一般采用220VAC、5A继电器隔离，对于中压电动机（6KV/10KV）的起停信号则选用大功率继电器隔离。SIS的检测元件单独设置，或采用二取二、三取二表达逻辑，对检测元件故障报警，避免因检测元件失效导致SIS误动作；相关执行元件如电磁阀等单独设置或采用并联设置。燃料油的入口管线和返回管线采用2oo2电磁阀并联龙蛭切断阀(FC)的开/关，只有当电磁阀A、B均失电非励磁时，切断阀失气关闭，可避免因电磁阀失效引发联锁误动作。

     ITCC系统和MMS系统在大型炼油化工一体化工厂的工程化研究及应用

    机组控制系统（ITCC）

    研究并实施机组控制系统（ITCC）先进控制技术：针对大型机组采用ITCC解决方案并全厂联网，在ITCC中采用了解耦（Decoupling）、负荷分配（Load Sharing）等机组先进控制技术。
 
     对于像FREP这样的世界一流的炼油化工一体化项目，装置众多，往往存在多个EPC、多个压缩机组供应商同时提供设备和服务的复杂情况。对于ITCC系统，将采用全厂一体化的控制方案。这样的整体方案将带给用户诸多裨益：

a） 统一的全厂网络及设备平台；

b） 一致开放的控制系统软件；

c） 先进可靠地压缩机控制功能；

d） 简单统一的采购程序；

e） 统一协调的工程与培训；

f） 与SIS/FGS系统统一的硬件平台，减少备件的需求量；

g） 优良及时的本土化售后支持服务。

   机组状态监测系统（MMS）

    研究并实施机组状态监测系统（MMS）先进诊断技术：针对大型机组采用机组状态监测及诊断系统（3500系统+System 1）并全厂联网，诊断信息通过OPC与DCS通信。

    技术难点：IGCC装置的顺序控制、安全联锁、关联操作很复杂，影响到全厂的能量平衡（包括蒸汽平衡、氢气平衡和电能平衡）。

    解决措施：通过组成由专利商、埃克森-美孚、MICC和EPC工程承包商组成的联合攻关小组，协作完成IGCC装置DCS及SIS组态和工厂测试。
研究并实施将符合IEC 61508、IEC 61511功能安全标准和获得IEC SIL3认证的安全仪表系统（SIS）、火灾及气体检测系统（FGS）成功应用于大型炼油化工一体化工厂，SIS和FGS系统扫描周期≤200ms;

    研究并实施机组控制系统（ITCC）先进控制技术：针对大型机组采用ITCC解决方案并全厂联网，在ITCC中采用了解耦（Decoupling）、负荷分配（Load Sharing）等机组先进控制技术，ITCC系统扫描周期≤50ms;
本项目在国内首次将智能化仪表技术全面应用于大型炼油化工一体化工厂，全厂采用AMS整体解决方案（针对DCS、SIS、ITCC系统），使用FF及HART智能化仪表。

    在国内首次将机组控制系统（ITCC）先进控制技术及机组监测系统（MMS）先进诊断技术全面应用于大型炼油化工一体化工厂，大幅度提高了工厂大型机组及其它转动设备的控制及保护水平。

    应用情况

     到目前为止，该项目已投产1年多时间，控制系统（DCS、ITCC、PLC）运行稳定、操作灵活，安全保护系统（SIS、FGS、MMS）安全、可靠，其它系统（OTS、RTDB、MES、ERP等）均已在线运行，自动化系统及信息管理系统高度集成。据用户统计，包括FF现场总线及HART仪表在内，仪表的完好率及使用率均达到了99.8%（中国石化总公司的设备管理规定为：完好率及使用率≥95%）。由于全面采用了智能化仪表技术，大大降低了仪表的维护工作量，全厂投入的控制系统及现场仪表维护人员仅为一般情况的30%。

    4. 效益分析

    经济效益

    由于控制系统运行稳定、操作灵活，安全保护系统安全、可靠，其它系统（OTS、RTDB、MES、ERP等）均已在线运行，自动化系统及信息管理系统集成度高，保证了大型炼油乙烯一体化工厂能够“安全、稳定、长周期、满负荷、产品质量优良”地生产，创造了良好的经济效益。

    据粗略统计，本项目每年为工厂创造的直接经济效益达1.068亿元以上。

    社会效益

    由于控制系统运行稳定、操作灵活；安全保护系统安全、可靠，智能化仪表预测诊断先进，大大降低了事故排放及能耗，满足了健康、安全、环保与节能减排的社会需求。

    推广应用前景

     本开发项目的成功实施，对于大型炼油化工一体化工厂的工程设计有很好的示范作用，本项目的技术规定经过二次开发已经成为中国石化集团公司企业标准系列的“中国石化炼化工程建设标准”。

    本项目开发的大量技术文件、应用软件及模板已广泛被借鉴应用到惠州大炼油、天津炼油乙烯、镇海乙烯、武汉乙烯等大型炼油乙烯项目上，取得了很好的效果，推广前景广阔。

    存在的问题和改进意见

    由于设计、供货、施工及工艺操作等诸方面原因，目前尚有少量现场仪表和调节回路未投入运行或未投入自动，影响到少数过程测量及控制功能的实现，需要在装置技改和检修时整改、完善。