王子洋

(中國石油化工股份有限公司 茂名分公司，廣東 茂名 525000)

隨著石油化工生產(chǎn)工藝的不斷進步，各主要生產(chǎn)裝置運行周期屢屢刷新記錄，對儀表控制系統(tǒng)在運期間的可靠性提出了更高要求，特別是如何有效提升重要控制及聯(lián)鎖回路可靠性的問題越發(fā)凸顯，所以做好控制系統(tǒng)預防性維護工作至關重要。同時，對于最新的控制系統(tǒng)預防性維護方面相關標準規(guī)范的要求如何在老舊煉化裝置中落實到位，以及行業(yè)標椎規(guī)范中未具體明確的內容如何在實踐中應用等問題，各企業(yè)均在不斷摸索中前進。本文就上述問題，結合相關規(guī)范要求及裝置實際情況，介紹了幾種已經(jīng)取得良好效果的實踐經(jīng)驗，為煉化企業(yè)制訂控制系統(tǒng)預防性維護策略提供參考。

1 以控制系統(tǒng)在線監(jiān)測為主的預知性維護策略

以往對控制系統(tǒng)每天進行巡檢，需要查看系統(tǒng)報警，并打開每面機柜檢查卡件、電源模塊、交換機等設備運行狀態(tài)，同時每月還需檢查控制系統(tǒng)負荷、通信負荷、網(wǎng)絡狀態(tài)等。隨著老舊大型煉化企業(yè)人員老齡化加劇和自然減員，僅通過人力巡檢無法滿足此類工作要求，急需探索推進控制系統(tǒng)在線監(jiān)測功能的開發(fā)應用。上述要求在《中國石化煉化企業(yè)儀控預防性工作策略》(2021年版)中已有明確，但是未指出具體的實施途徑和目標，且各企業(yè)系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡結構的情況不同，對系統(tǒng)狀態(tài)關注的內容也不盡相同，所以需要根據(jù)自身實際情況定制化開發(fā)所需的功能，下面將以某大型煉化企業(yè)為例進行介紹。

1)網(wǎng)絡架構。老舊大型煉化企業(yè)面臨著控制系統(tǒng)點多面廣，并有不同品牌不同時期的各類控制系統(tǒng)，無法采用某一控制系統(tǒng)原廠配備的狀態(tài)檢測模塊來采集全廠所有系統(tǒng)狀態(tài)，需各企業(yè)外委第三方結合企業(yè)自身情況進行定制化開發(fā)。在該案例中，實現(xiàn)通過企業(yè)辦公網(wǎng)絡即可查看所有控制系統(tǒng)狀態(tài)和報警的功能，數(shù)據(jù)流主要分為兩條通路：

a)DCS OPC站及網(wǎng)關具備報警與事件(AE)接口。近年來新建裝置均具備該軟硬件條件，監(jiān)控平臺通過OPC AE接口直接采集DCS的報警和事件。該種方式的優(yōu)點是簡單高效并且報警信息詳實，同時不占用企業(yè)實時數(shù)據(jù)庫點位授權，缺點是無法實時監(jiān)控機柜間溫度和濕度等過程變量。

b)DCS OPC站及網(wǎng)關僅具備數(shù)據(jù)訪問(DA)接口。以往老舊裝置DCS不具備OPC AE接口的情況下，則需要將系統(tǒng)狀態(tài)的內部狀態(tài)參數(shù)通過OPC DA接口讀取。該種方式的優(yōu)點是可以監(jiān)控過程變量實時值，缺點是對于開關量報警采集工作量較大，占用企業(yè)實時數(shù)據(jù)庫點位授權較多，且部分老舊裝置自身狀態(tài)變量無法采集，則此類系統(tǒng)無法在線監(jiān)控。

在該案例中，通過上述兩種通路相結合的方式，實現(xiàn)既能采集到系統(tǒng)狀態(tài)報警，又能夠對于需要的過程變量實時監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)狀態(tài)檢測平臺網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)狀態(tài)檢測平臺網(wǎng)絡結構示意

2)硬件狀態(tài)監(jiān)控功能。將所有電源模塊、交換機、風扇報警、溫濕度報警分別接入其相應的DCS，安全儀表系統(tǒng)(SIS)或機組停車系統(tǒng)(CCS)，再將除DCS以外SIS等系統(tǒng)的硬件狀態(tài)通過Modbus通信至DCS，實現(xiàn)能夠在DCS中監(jiān)控本裝置所有控制系統(tǒng)及其配套硬件的狀態(tài)。之后，具備OPC AE接口的，則通過該接口將所有系統(tǒng)和硬件報警信號采集至監(jiān)控平臺，并在平臺內設置文本提取功能，將報警和事件信息與平臺上的監(jiān)控畫面相對應，實現(xiàn)可視化與文本化相結合的報警查看方式；僅具備OPC DA接口的，則將所有系統(tǒng)和硬件報警的開關量打包為32位無符號整型量上傳至平臺，再在平臺中解析并關聯(lián)至監(jiān)控畫面，實現(xiàn)在線監(jiān)控功能。

3)故障趨勢判斷功能。將各控制系統(tǒng)的控制器負荷、通信負荷、通信丟包率、控制器溫度等參數(shù)采集至監(jiān)控平臺，并在其中設置歷史記錄功能和趨勢自主判斷功能，實現(xiàn)平臺能夠自主分析上述參數(shù)的變化，在達到報警值之前就提出預警。例如： 在正常生產(chǎn)期間每周自主分析控制器負荷，若在沒有組態(tài)修改的情況下某短時間突然負荷增加達到一定程度，但又沒有達到報警值，則提前提醒維護人員主動查看分析，提前處理系統(tǒng)問題。

4)機柜間管理功能。將機柜間溫濕度、進線口浸水檢測開關狀態(tài)上傳至監(jiān)控平臺顯示和報警，并且與企業(yè)視頻監(jiān)控平臺相關聯(lián)，實現(xiàn)既能監(jiān)控系統(tǒng)運行環(huán)境，又能查看機柜間視頻監(jiān)控。

5)過程信息采集功能。將SIS和CCS的聯(lián)鎖旁路狀態(tài)通信至DCS，再上傳至監(jiān)控平臺，實現(xiàn)實時監(jiān)控聯(lián)鎖投、摘情況，進而自動統(tǒng)計聯(lián)鎖投用率；將冗余聯(lián)鎖或重要控制儀表實時數(shù)據(jù)上傳至平臺，在平臺中設置偏差報警，實現(xiàn)提前預判重要儀表故障的功能，并節(jié)省了SIS或DCS本身負荷；對裝置重要閥門及進出料流量進行監(jiān)控和報警，實現(xiàn)實時監(jiān)控裝置開停工狀態(tài)。

6)移動端報警推送功能。按照企業(yè)管理模式將各類報警通過短信、釘釘?shù)确绞降谝粫r間推送至對應負責的片區(qū)工程師，并在移動端可以實時查看平臺所有數(shù)據(jù)。

2 裝置檢修期間的控制系統(tǒng)專項預防性維護策略

以往對于控制系統(tǒng)檢修項目內容在《石油化工設備維護檢修規(guī)程》第七冊中雖然已有要求，但隨著近年來儀表控制系統(tǒng)的不斷迭代升級，對系統(tǒng)檢修內容提出了新的要求。近年來在《中國石化煉化企業(yè)儀控預防性工作策略》(2021年版)對控制系統(tǒng)的預防性維護工作已有要求，但各企業(yè)仍需結合實際情況細化如何利用裝置停工檢修的契機對控制系統(tǒng)進行全面的檢查和隱患整改，確保檢修后的系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。下面將以某大型煉化企業(yè)為例，介紹除上述已有明確要求的系統(tǒng)清掃、冗余測試、接地檢查等常規(guī)工作之外，以檢修后的控制系統(tǒng)達到“系統(tǒng)零報警、工控零漏洞、聯(lián)鎖零摘除(特指因儀表原因需摘除的聯(lián)鎖)、控制零手動(因儀表原因無法投用自動的回路)”為目標，在檢修中還需進一步實施的預防性維護工作。

1)控制系統(tǒng)點檢。系統(tǒng)點檢雖然在SHS 07001—2004中已有要求，但沒有明確是否需要檢查所有通道以及檢查的技術要求。該企業(yè)自2020年推進設備完整性管理體系以來，在檢修期間對控制系統(tǒng)委托原廠家使用專用設備檢查每個通道，通過兩年來近二十余套裝置六萬余個通道檢查均未發(fā)現(xiàn)過通道故障。隨著近年來新增控制系統(tǒng)質量不斷提升，將檢修期間控制系統(tǒng)點檢策略定為每塊卡件選取1～2點通道進行抽檢測試，之后出具檢查報告，同時點檢工作盡量委托原系統(tǒng)廠家使用專業(yè)設備實施。因此在確保合規(guī)檢修的前提下，更加經(jīng)濟和有針對性地做好系統(tǒng)點檢工作。

2)光通量測試。由于老舊裝置控制系統(tǒng)已投用較長時間，其中光電轉換器、光纖跳線、光纖熔接部位等光信號通路容易產(chǎn)生老化，特別是對于帶有遠程I/O并配備輔操臺的系統(tǒng)，一旦光信號設備出現(xiàn)故障極易引起生產(chǎn)裝置波動或非計劃停車，并且目前的各類規(guī)范導則中未明確對于控制系統(tǒng)的光路設備如何檢測維護。因此，利用檢修契機使用光時域檢測儀檢測整個光路信號的光衰程度，參考國際綜合布線標準，通常光纜衰減不超過0.5 dB/km，每個連接部件衰減不超過0.75 dB，每個熔接點衰減不超過0.3 dB。若整條通路檢查發(fā)現(xiàn)異常，則通過分段測量的方法找到光衰較大的部件進行預防性更換。

3)端子復緊固。由于目前裝置大修周期不斷延長，特別是對于運行周期在5 a以上的各類控制系統(tǒng)，接線端子容易出現(xiàn)塑料支架老化、緊固部位金屬疲勞等問題，造成端子松動，存在安全運行的風險，并且在各類檢修規(guī)范標準中對此無明確要求。因此，利用檢修契機對所有接線端子進行進一步緊固，并安排專人抽檢和做好記錄，確保檢修后端子連接良好。

4)預防性更換易損件。對控制系統(tǒng)易損件在檢修期進行預防性更換，以降低在運行期間施工作業(yè)的風險，除各類導則規(guī)程要求的以外，還需注意以下幾個方面：

a)綜合各類控制系統(tǒng)說明書中明確的系統(tǒng)內部電池通常使用壽命為3～5 a，制訂了對超過3 a的控制系統(tǒng)電池隨檢修進行更換的策略，降低在裝置運行期間進行系統(tǒng)內部電池更換作業(yè)的頻次和風險。

b)由于外部供電模塊或者系統(tǒng)機架風扇一旦故障，在運行期間更換作業(yè)的風險較大，所以對于SIS，CCS和重要裝置的DCS控制系統(tǒng)，在檢修期間預防性更換使用超過8 a的外供電電源模塊和機架風扇，并將換下的設備清理保存好，作為非重要裝置的控制系統(tǒng)備件。

c)根據(jù)以往維護經(jīng)驗，對于帶有風扇的電源模塊故障率較高，則對于使用5 a以上帶有風扇的電源模塊，需在檢修時更換為無風扇電源模塊，無法更換的則需定期更換電源模塊風扇。

d)對于使用8 a以上的專用控制器需在檢修期間進行全面評估測試，尤其是對于在現(xiàn)場安裝的控制單元需詳細檢查運行環(huán)境，一旦發(fā)現(xiàn)性能下降、故障損壞的趨勢等問題則需及時預防性更換，并改善運行環(huán)境。

5)改善系統(tǒng)運行環(huán)境。在做好各類標準規(guī)范中對于機柜間已有的相關要求基礎上，在機柜間對角和中心位置安裝溫濕度變送器，在進線口安裝浸水檢測開關，并將信號引入DCS顯示和報警；在機柜間進線口等部位設置透明防靜電地板，以便于觀察滲水情況及防小動物措施是否完好；對于老舊機柜間與其他操作間、餐廳在防靜電地板下方連通的，利用檢修契機砌墻隔斷。

3 新建及改造項目中需特別關注的事項

3.1 冗余表決回路的結構

由于近年來相繼出現(xiàn)過某1塊AI，DI或DO卡損壞造成“2oo3”“2oo2”聯(lián)鎖或控制回路動作，導致裝置非計劃停車或波動的案例，所以將“2oo3”“2oo2”結構的輸入、輸出信號均設置在不同的控制系統(tǒng)卡件上，即可避免該問題。除此之外，對于相關標準規(guī)范中未十分明確的，建議采取以下策略：

1)對于機組軸系監(jiān)測系統(tǒng)，以往大部分項目是在該系統(tǒng)中表決運算后輸出單組觸點至機組緊急停機系統(tǒng)中聯(lián)鎖，但近年來出現(xiàn)過軸系檢測系統(tǒng)繼電器卡頓故障造成聯(lián)鎖誤動作的案例。所以，對于機組軸系檢測系統(tǒng)至機組緊急停機系統(tǒng)的聯(lián)鎖，需通過不同繼電器卡件直接輸出振動或位移單點超聯(lián)鎖值的DO信號至機組緊急停機系統(tǒng)的不同DI卡件，再在緊急停機系統(tǒng)上進行表決運算后輸出聯(lián)鎖，以確保從現(xiàn)場至控制器全回路的冗余表決結構。以軸位移“2oo3”聯(lián)鎖回路為例，回路接法如圖2所示。

圖2 機組軸系檢測系統(tǒng)聯(lián)鎖回路示意

2)對于冗余表決結構的測量回路需設置偏差報警。根據(jù)以往實際維護經(jīng)驗，通常設置流量差值不超過聯(lián)鎖值的10%或量程值的5%(取兩者間的大值)、溫度差值不超過聯(lián)鎖值的6%或量程值的3%(取兩者間的大值)、液位差值不超過聯(lián)鎖值的10%或量程值的5%(取兩者間的大值)、壓力差值不宜超過聯(lián)鎖值的4%或量程值的2%(取兩者間的大值)。特別是對于“2oo2”回路還需設置防拒動的措施，可在單個儀表故障時將原聯(lián)鎖回路自動或強制改為“1oo1”結構，實現(xiàn)提升整個回路的可靠性和安全性。

3)對于機組防喘振系統(tǒng)中的入口差壓測量，若設置3臺獨立的變送器時，防喘振系統(tǒng)需配有故障診斷和自動切換控制策略的功能。當3臺儀表均正常時采用“三取中”控制，當其中1臺儀表故障時自動變?yōu)榱硗?臺正常儀表測量值“二取低”，當2臺儀表故障時則取剩余1臺正常儀表的測量值，3臺儀表都故障時則保持最后1個正常值。

4)對于DCS中的“三取中”回路往往是在項目實施中容易忽視的部位，對于現(xiàn)場3路儀表信號需分別接入3塊AI卡，以確保輸入信號的可靠性。

3.2 超速保護系統(tǒng)回路結構

在API STANDARD 670： 2014中對于機組電子超速保護系統(tǒng)的要求：“除最終控制元件外，電子超速檢測應與速度控制系統(tǒng)分開并有別于速度控制系統(tǒng)；如有規(guī)定，喘振檢測系統(tǒng)和/或緊急停機系統(tǒng)可與單個系統(tǒng)中的超速檢測功能結合，但這些功能的故障不得影響超速保護系統(tǒng)；不允許將超速系統(tǒng)與任何其他控制、保護或監(jiān)控系統(tǒng)結合?！币虼?，目前各機組控制系統(tǒng)大多配有第三方超速保護系統(tǒng)，自現(xiàn)場3路轉速信號分別進入其內部的3塊速度檢測模塊，再輸出多個經(jīng)“2oo3”表決后的停車觸點。但超速保護系統(tǒng)和CCS如何共同作用于現(xiàn)場停機電磁閥的回路結構在各規(guī)范中沒有十分明確，并且各家設計單位、煉化企業(yè)目前接法也不盡相同。通常，停車電磁閥及其配套的速關組件結構主要有“1oo2”和“2oo3”兩種停機模式，針對不同模式分別研究制訂了相應的控制回路結構。總體原則是既能實現(xiàn)超速保護系統(tǒng)獨立停機，并且能夠實現(xiàn)超速保護停機與CCS聯(lián)動，又能夠最大限度保留停機回路冗余結構完整，同時對關鍵動作部件利用緊急停車系統(tǒng)采集其狀態(tài)進行報警和記錄。

1)針對“1oo2”停機電磁閥的回路結構。該種模式常用于非特別重要的機組，缺點是只要1個電磁閥及其回路部件發(fā)生故障則會導致誤停機，為此在設計該回路時需重點考慮提升回路結構的可靠性和對各動作部件的監(jiān)測，回路接法如圖3所示。對超速保護系統(tǒng)表決后的2組信號分別配置繼電器，分別將該繼電器的1組觸點與CCS停機繼電器的1組觸點串接后，共同控制現(xiàn)場2臺停機電磁閥；將超速保護系統(tǒng)2個停機繼電器的輔助觸點和超速保護系統(tǒng)的1組表決后的觸點共同接入CCS，構成“2oo3”停機聯(lián)鎖；將CCS 2個停機繼電器的另一組觸點分別接入其自身用于報警和記錄；將超速保護系統(tǒng)3個模塊的綜合報警觸點分別接入CCS用于報警和記錄。此處需注意： 接入CCS用于聯(lián)鎖的3組超速停機信號需分別進入3塊DI卡，CCS停機信號需分別從2塊DO卡件輸出。

圖3 “1oo2”停車電磁閥的超速保護系統(tǒng)接法示意

該接法的優(yōu)勢在于超速保護系統(tǒng)和CCS可分別獨立控制現(xiàn)場2臺停車電磁閥。為提升回路的可靠性，超速保護系統(tǒng)的停機信號以“2oo3”方式聯(lián)動觸發(fā)CCS聯(lián)鎖。同時利用CCS分別監(jiān)控超速保護系統(tǒng)每個模塊以及停車繼電器的故障狀態(tài)。

2)針對“2oo3”停機電磁閥的回路結構。該種模式常用于近年來新裝置的重要機組，在設計回路時尤其需注意最大限度保留各環(huán)節(jié)冗余結構，并可監(jiān)控動作部件狀態(tài)，回路接法如圖4所示。對超速保護系統(tǒng)表決后的3組觸點分別配置繼電器，分別將該繼電器的其中1組觸點與CCS停機繼電器的1組觸點串接后，共同控制現(xiàn)場3臺停機電磁閥；將超速保護系統(tǒng)配備的3個繼電器的另一組觸點分別接入CCS用于“2oo3”停機聯(lián)鎖；將CCS 3個停機繼電器的另一組觸點分別接入其自身用于報警和記錄；將超速保護系統(tǒng)3個模塊的綜合報警觸點分別接入CCS用于報警和記錄。此處需注意： 接入CCS用于聯(lián)鎖的3組超速停機信號需分別進入3塊DI卡，CCS的停機信號需分別從3塊DO卡件輸出。

圖4 “2oo3”停車電磁閥的超速保護系統(tǒng)接法示意

該種模式真正做到了從輸入到輸出的全回路“2oo3”冗余結構，實現(xiàn)超速保護系統(tǒng)和CCS均通過表決后的信號分別獨立控制現(xiàn)場3臺停機電磁閥，并且超速保護系統(tǒng)聯(lián)鎖后可以聯(lián)動觸發(fā)CCS聯(lián)鎖，同時利用CCS可以分別監(jiān)控超速保護系統(tǒng)每個模塊以及停車繼電器的故障狀態(tài)，大幅提升了回路整體可靠性。

3.3 控制系統(tǒng)預防性維護需要關注的事項

1)提升控制系統(tǒng)運行環(huán)境。對于老裝置凸顯出的防靜電地板使用若干年后存在支架斷裂、地板邊框脫落的問題，在新建項目中使用實心無邊框型地板，并且地板支撐全部采用槽鋼網(wǎng)格狀焊接固定，確保長期穩(wěn)固耐用。由于該企業(yè)地處南方，夏季濕度較大，以往在機柜間配置多臺空調和抽濕機，增加維護難度，為此在新項目中對機柜室配置恒溫恒濕集中空調，并且將空調報警信號接入DCS，同時空調出風口位置不能設置在機柜正上方或正對機柜處。

2)對于差壓式流量檢測儀表，為避免生產(chǎn)運行階段更換故障儀表或修改組態(tài)時忽略核對開方運算方式，在新建項目中對于差壓式流量一律在現(xiàn)場變送器中進行開方運算，除特殊要求外，控制系統(tǒng)內不進行開方運算。

3)對于獨立的大機組軸系監(jiān)測系統(tǒng)，選用帶有以太網(wǎng)功能的控制器，并將其接入已有的CCS網(wǎng)絡中，實現(xiàn)通過CCS工程師站即可對其進行組態(tài)和狀態(tài)監(jiān)測。

4)對于設備隨附的現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)，在新建或改造項目時要求廠家提供控制邏輯，將其引入DCS控制，可以對該程序段加密并簽署保密協(xié)議。

4 結束語

上述為提升控制系統(tǒng)整體可靠性而制訂的各類預防性維護策略，是在各項標準規(guī)范要求的框架下結合企業(yè)自身情況進一步的細化和完善，已經(jīng)在實際應用中充分實踐。其中，控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測平臺已經(jīng)及時發(fā)現(xiàn)并提醒處置了多起重要設備故障，并降低了人工巡檢工作量；系統(tǒng)檢維修方面的措施使得在運行期間的系統(tǒng)維護工作量和作業(yè)風險大幅降低，并有效遏制了老舊控制系統(tǒng)故障率頻發(fā)的趨勢；新建及改造項目對于控制系統(tǒng)需要關注的內容，在近年來新上的各類工藝新、聯(lián)鎖多、控制復雜的裝置中成功避免了多起波動或非計劃停車。上述策略整體上取得了良好效果，提供了可借鑒的經(jīng)驗。同時，隨著煉化工藝的不斷進步，對于如何精準制訂控制系統(tǒng)預防性維護策略的課題仍然需不斷探索和實踐。