石油与天然气化工  2011, Vol. 40 Issue (5): 539-542
DCS/ESD在天然气净化厂的设计优化
高进1 , 郑民1 , 袁树海2 , 吴廷兰3     
1. 中国石油西南油气田公司重庆天然气净化总厂;
2. 中国石油西南油气田公司天然气研究院;
3. 中国石油西南油气田公司重庆天然气净化总厂引进分厂
收稿日期：2011-10-28；修回日期：2011-11-20
作者简介：高进:1977生，男，2000年毕业于(华东)石油大学工业电气自动化专业。现从事仪表维修和技术管理工作，工程师.
摘要：主要论述DCS/ESD在天然气净化厂设计中存在的问题，通过分析产生问题原因，提出相应的优化措施，以提高DCS/ESD的可靠性、稳定性，从而确保天然气净化装置的平稳运行。
关键词：天然气    净化装置    DCS/ESD    I/O    控制程序    通讯    供电    安全等级    优化措施    
Design Optimization of DCS/ESD in Natural Gas Purification Plant
Gao Jin1 , Zheng Min1 , Yuan Shuhai2 , et al     
1. Chongqing Natural Gas Purification Plant General of PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company;
2. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company
Abstract: The problems of DCS/ESD design in natural gas purification plant were mainly discussed.In order to improve the reliability and stability of the DCS/ESD and ensure the smooth running of natural gas purification plant, the cause of the problems was analyzed, and the corresponding optimization measures were put forward.
Key words: DCS/ESD    I/O control program    communication    power supply    safety level    optimization measures    

在天然气净化装置生产过程中，DCS/ESD是天然气净化装置的大脑和灵魂，具有不可缺少、不可代替的重要作用。DCS用于工艺过程的连续测量、操作控制管理，保证天然气净化装置平稳运行[1-2]；ESD用于监视生产装置的运行状况，对异常工况迅速进行联锁保护处理，使故障发生的可能性降到最低，使人和装置处于安全状态。

1 存在问题及优化措施

DCS/ESD的可靠性、稳定性直接决定着天然气净化装置能否安全平稳运行；其可靠性、稳定性除与硬件性能有关外，还与设计有很大的关系。下面对DCS/ESD设计中涉及到的几个常见问题进行探讨[3-5]。

1.1 备用I /O点数配置

在DCS/ESD施工设计中，通常要求系统备用I/O点数具有15%~20%的余量，以满足系统在以后的应用中增加I/O测量点数的扩容要求或对在用的通道损坏后替换。对于备用I/O点数，通常是将系统柜内前面的I/O卡硬件通道排满，然后剩下后面的一到两块和未排满的卡件作为备用的I/O点数余量。这将导致两个问题：① I/O卡的负荷分布不均；②当某个在用的I/O卡通道出现故障时，需要更换到备用通道，由于备用与在用的I/O通道距离较远，需要对信号线进行剪断或加长处理，增加了工作量，大大延长了恢复时间。

优化措施：将备用I/O点数均匀分配在每个I/O卡上。通常每个8通道的I/O卡备用1点~2点，每个16通道的I/O卡备用2点~3点，每个32通道的I/O卡备用5点~6点。

1.2 I/O卡通道数量配置

在新建的忠县、大竹、万州天然气净化厂中，DCS采用的AI/AO(模拟量输入/输出)卡均为16通道，DI/DO(数字量输入/输出)卡均为32通道；ESD采用的AI(模拟量输入)卡均为8通道，DI/DO(数字量输入/输出)卡均为16通道。由于每块卡件的I/O点数较多，若出现卡件故障，将导致整块卡件上的I/O点失去作用，降低了系统的安全性、可靠性。对DCS而言，若故障卡件上的I/O点涉及控制回路，将导致控制回路失控；对ESD而言，若出现因卡件故障导致整块卡件上的I/O点失去作用，必将导致装置联锁停车。

优化措施：DCS采用的AI/AO卡选用8通道的卡，DI/DO卡选用16通道卡；ESD采用的AI卡选用4通道的卡，DI/DO卡选用8通道的卡，可以大大降低因I/O卡故障造成的控制风险。

1.3 硫磺回收装置控制程序方案优化

随着超级克劳斯、冷床吸附、等温亚露点、低温克劳斯等硫磺回收新工艺的引进使用，硫回收率均达到99.2%以上，硫磺回收装置的自控水平明显提高，操作人员的劳动强度显著降低。上述新工艺是在常规克劳斯的基础上发展形成的，都有酸气(H2S)燃烧生成SO2的工艺过程，因此都设置有供H2S燃烧生成SO2的主燃烧炉。硫磺回收装置的控制程序较多，如吹扫程序、点火程序、酸气进炉程序、切换程序等，且都具有顺控程序的特点。目前，所有设置有ESD的天然气净化厂，其硫磺回收装置的吹扫程序、点火程序、酸气进炉程序均由ESD完成，其中以点火程序最为复杂。将控制程序由ESD完成会产生两个问题：①程序控制涉及的变量多，步骤多，逻辑关系复杂，且变量重复引用的次数多。由于ESD的控制功能是通过逻辑图来实现的，不具备顺序控制功能；在ESD内要实现程序控制，只能通过逻辑组态来实现，造成组态逻辑图复杂、组态方案页多，以致组态逻辑图除了组态人员之外其他人很难看懂，更不用说维护和组态修改，明显增加了维护难度。②所有程序控制的操作、条件显示、进程显示均需在DCS的流程画面上实现，需要ESD将这些变量上传至DCS，每个控制程序的上传变量数量多，增加了ESD与DCS之间的通讯负荷。以忠县天然气净化厂为例：ESD的组态方案页为232页，控制程序在DCS上进行相关显示需ESD上传的点数达到181点。

优化措施：建议将硫磺回收装置的程序控制改为具有顺控功能的DCS实现，既解决了上述两个问题，又解决了程序控制组态复杂，程序组态修改、优化困难的问题。用具有顺控组态功能的DCS来实现程序控制，使得程序控制的组态、调试都很简单，程序控制的故障也便于查找；同时，ESD没有了程序控制，组态逻辑图将大大简化，ESD组态修改、维护及联锁逻辑故障查找将变得简单。

1.4 DCS数据采集方案优化

在天然气净化装置中，DCS数据采集的方式通常为用冗余服务器从控制器上读取，然后各操作站(station)再从服务器上读取数据。这种数据采集方式存在明显缺陷：要求所有数据都需要通过服务器，服务器承载很重，当服务器发生故障将导致DCS出现通讯中断，从而导致操作人员对生产装置失去监控。忠县天然气净化厂自2005年5月投产至2010年9月，据不完全统计服务器共发生8次故障，每次均导致DCS通讯中断，所有操作站流程画面上的工艺参数不变，控制指令失效，失去对天然气净化装置的监控。针对天然气净化厂操作站数量相对较少的情况，DCS应采用“点对点”数据采集方式(操作站直接从控制器读取数据)，这种数据采集方式不会明显增加控制器的通讯负荷，避免上述故障的发生，保证了DCS的可靠性。以Honeywell的DCS为例：station分flex station和console station，前者是从服务器中读取数据，服务器故障或者服务器与station的链路断开后，该station将无法读取到控制器中的数据；后者是优先从服务器中读取数据，当服务器故障或服务器与station的链路断开后，station将直接从控制器中读取数据。

优化措施：建议DCS采用“点对点”的数据采集方式，尽可能减少中间数据传递环节。

1.5 通讯组态优化

ESD的操作、显示依赖于DCS实现，但控制单元独立于DCS；这决定了DCS与ESD之间存在大量的数据交换，数据交换的实现方式是DCS与ESD通讯。通讯数据主要有五类：① ESD的SOE；② ESD需在DCS流程画面上显示的数据，如：联锁条件值、设定值、联锁值、联锁结果、程序控制进程显示等；③操作指令，如解除联锁、投入联锁等；④逻辑运行的关联值，如跟踪变量等；⑤ DCS上传给ESD作为联锁条件的值。忠县分厂曾出现因数据通讯组态方式不合理而导致出现两次通讯故障：一次是ESD传给DCS的调节阀的跟踪变量跳变，导致硫磺回收装置联锁停车；另一次是导致ESD的数据无法上传至DCS，流程画面上与ESD相关的数据均显示异常，无变化。通过对数据通讯组态方式进行修改后正常。

优化措施：要求组态人员选择合理的数据通讯组态方式，尽可能地避免易发生通讯故障的数据通讯组态方式。

1.6 供电方式优化
1.6.1 系统机柜供电优化

DCS/ESD系统机柜都设置有冗余电源模块。在忠县天然气净化厂的施工设计中，系统机柜的供电采用并联共接一路UPS供电线路，如图 1所示。这种供电方式存在较大的安全隐患：当供电线路出现故障或其中一个供电模块出现故障引起电源开关跳闸时，都将导致系统机柜掉电，造成生产装置失去监控或联锁停车的重大事故，从而失去电源模块冗余配置的意义，降低了DCS/ESD运行的安全性、可靠性。

图 1     单供电方式

优化措施：将每个DCS/ESD系统机柜冗余配置的电源模块分别单独接UPS供电线路，实现冗余供电，如图 2所示。

图 2     冗余供电方式

1.6.2 触点回路供电优化

在天然气净化装置中，继电器与DCS/ESD的DO配合使用，主要用于控制切断阀的开关、点火枪的伸缩、泵的启停等。DCS/ESD的DO输出作为继电器的控制信号，控制继电器的线圈是否带电，通过线圈的带电、断电使继电器的输出触点闭合或断开，从而实现两位式控制。当DO用于控制切断阀的开关、点火枪的伸缩时，需要在继电器的触点回路串接24V.DC的电源，通过触点的断开或闭合实现对电磁阀的开、关控制，切换气缸供排气气路，实现控制切断阀开关、点火枪伸缩。

在大竹、万州天然气净化厂的施工设计中，实际存在7个~8个DO控制的继电器输出触点回路共用一个保险的问题，如图 3所示。当某个触点输出回路故障导致电源保险被烧时，将导致其它所有DO输出失效；尤其是ESD的DO输出失效时，将导致装置的联锁停车。

图 3     8个DO回路供电电源共用保险端子示意图

优化措施：每个DO继电器输出触点回路均设置供电电源保险或双极开关断路器，如图 4所示。实现故障影响分离，尽可能缩小影响范围。忠县天然气净化厂DO回路采用双极开关断路器。

图 4     优化后的DO回路供电示意图

1.7 ESD的安全等级评估确认

在已应用ESD的天然气净化厂中，其ESD逻辑控制器自身的安全等级是按AK6或SIL3等级来选型设计的。虽然ESD逻辑控制器自身的安全等级较高，但在ESD外围设备(主要包括：中间端子柜、避雷器、信号电缆、接线箱、现场仪表)的实际施工设计中，为了降低成本而简化配置，使外围设备的安全等级达不到标准要求的SIL等级。主要表现为：① DCS/ESD共用中间端子柜及其内部的接线端子排；② ESD的DI信号避雷器选用8通道的避雷器，信号之间的线路未分开；③控制室至接线箱的主信号电缆存在DCS/ESD共用的情况；④大量存在DCS/ESD共用传感器的现象；⑤ ESD大量存在设置单一传感器的现象；⑥ ESD采用三取二的过程信号，不是分别接入三块不同的输入卡，而是接入同一块输入卡；⑦部分联锁条件设置有旁路操作按钮。上述问题在重庆天然气净化总厂已应用ESD的各个分厂中普遍存在，根据SH/T 3018-2003《石油化工安全仪表系统设计规范》相关规定，其ESD整体安全等级只能达到SIL1~SIL2级。

优化措施：考虑ESD的安全等级，同时要注意ESD外围设备的安全等级，只有外围设备的安全等级同时提高了，ESD整体安全等级才能达到设计要求。建议聘请专业机构对装置整个联锁控制系统进行SIL评估，对未达到标准要求的提出整改措施。

2 结束语

本文阐述的一些问题，仅是DCS/ESD在重庆天然气净化总厂下属各分厂设计中存在的几个比较有代表性的问题。根据多年的生产实践和故障处理经验，并结合相关标准要求，总结提出了一些优化措施建议，希望对DCS/ESD设计优化有所帮助，以提高DCS/ESD的可靠性、稳定性，从而确保天然气净化装置的平稳运行。

参考文献
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周静, 杨艳, 蒋吉强, 等. DCS系统应用技术回顾与展望[J]. 石油与天然气化工, 2010(增刊): 62-65.
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郑斌. 天然气净化装置DCS/ESD系统独立设置要求[J]. 石油与天然气化工, 2010(增刊): 70-74. DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2010.01.020
[3]
国家发展和改革委员会. SY/T 0090-2006油气田及管道仪表控制系统设计规范[S], 2006-07-10.
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全国化工工程建设标准编辑中心. HG/T 20511-2000信号报警、安全联锁系统设计规定[S], 2000-11-22.
[5]
中华人民共和国国家发展和改革委员会. SHT3018-2003石油化工安全仪表系统设计规范[S], 2004-03-10.
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