浅谈仪表控制系统的长周期安全稳定运行
徐荣刚 中国石化海南炼油化工有限公司
摘要：目前，仪表控制系统广泛应用于石油、化工行业，面对石油化工行业装置越来越大型化、复杂化，对仪表控制系统的要求也越来越高。控制系统作为装置控制、安全的核心部分，其安全陛、可靠性、长周期的稳定运行关系着装置的正常生产运行，提高控制系统安全、长周期稳定性是仪表工作者的责任与追求，本文会从影响控制系统的因素和提高稳定运行方法两方面浅谈这一问题。
关键词：仪表：控制系统；长周期；设计规范
0引言
仪表控制系统是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求、安全保护的日益复杂应运而生的综合控制系统，集合了计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术等。大型石油化工企业仪表控制系统一般包含DCS系统、SIS系统、ITCC系统、PLC系统等，检测、常规控制、复杂控制等过程控制系统采用DCS系统，独立于过程控制系统，实现仪表安全功能方面采用安全仪表系统，SIS系统，大型机组控制采用ITCC系统，小型机组设备，顺控等采用PLC系统。若将装置比作一个身体，那么控制系统就如大脑，仪表设备是眼睛、四肢，控制系统通过仪表的监视、获取数据信息，分析处理、控制、保护装置。因此，提高仪表控制系统的安全、稳定，是装置的长周期运行的关键部分。
1影响控制系统稳定运行的因素
1.1系统自身因素
1.1.1控制系统不成熟
控制系统发展到成熟是漫长的过程，任何系统、软件的研发不可能十全十美，仪表控制系统需要不断地升级更新换代，来提高自身稳定性。在应用过程中，或多或少会发现控制系统软件、硬件的不完善、不周到，通常在其系统发展升级过程中，逐步完善、解决。在不成熟的、应用业绩少的新控制系统产品中，有存在严重漏洞的可能，威胁着控制系统的正常使用，严重情况会造成网络瘫痪、甚至装置波动、停机。例：本公司DCS系统中，出现过因重装工作站一个报警文件没有禁用，工作站上线后，抢占了整个域内的过程报警进程，导致全厂DCS过程报警异常，厂家在后续的DCS系统升级过程中，将此BUG解决。
1.1.2控制系统设计问题
控制系统结构一般由设计院和厂家共同完成，设计深度不足，或厂家为了节约成本，设计结构仅满足基本设计要求，选用设备配置过低，导致系统功能性受限等问题，直接制约着控制系统安全稳定运行。例：本公司MCS系统，最初设计结构考虑不足，采用单机版结构，在应用过程中，各操作站从控制器单独取数，数据独立保存，出现设定参数等数据不同步问题。因此，在17年大检修中，将控制系统结构更改为服务器结构，彻底解决结构上的不足。
1.1.3控制系统电源
电源对控制系统运行至关重要，电源一旦故障，控制系统将彻底瘫痪。电源元器件必然经历老化过程，将导致电源不稳定，甚至损坏；同时电源的相关负荷问题，还包括电源的容量、空开、保险容量等，控制系统与装置一同建设后，装置技改技措、扩能，控制系统扩容，电源负荷逐步偏离原设计，威胁着控制系统运行；另外，电气供电同样对控制系统电源有影响，如电气供电电压不稳，电气串高压等情况。
在本公司一次机组检修开工时，曾发生因电源负荷问题联锁停机事故。事故经过：ITCC系统一路供电端子，单独为机组振动和位移回路安全栅供电，检修过程中干气密封改造项目实施，设计未核算电源负荷问题，新增干气密封仪表安全栅的供电依旧取自此供电端子，在机组开机运行7天后，振动位移联锁停车，经检查供电端子保险管熔断，安全栅全部失电，导致机组停机。原因分析：此机组所使用的安全栅型号为MTL553l，此振动位移安全栅功率约2W，额定电压为直流24V，根据功率与电压、电流关系，1.25A(供电端子保险管容量)的供电回路，最多可以有15台此类型安全栅，改造中新增AI安全栅后，安全栅总数量增加到20台，总电流达1.25A左右。因此，当电流超临界值后，保险管过热熔断。事故发生后，第一时间重新核算负荷，更换为1.5A保险管，并新增一路冗余电给安全栅供电。
2017年本厂聚丙烯装置风送PLC系统，电气高压串到仪表PLC系统机柜内导致PLC柜中及部分现场仪表设备烧毁，风送停车。事故经过分析：旋阀电机额定电压为380V交流电，仪表与电气之间状态信号，使用普通的非屏蔽电缆。旋阀状态信号引自从电气开关柜干接点开关至仪表机柜内继电器24V线圈，继电器常开触点接入PLC系统DI通道端子。PLC机柜内只有一对冗余24VDC恒流电源，电源给继电器、PLC系统卡件、现场阀门回讯开关、转速探头供电，当感应高压电出现后，通过回路直接把高电压加到24v流电源上，导致24V供电的设备受高压冲击全部烧毁。事故发生后，信号电缆全部更换为屏蔽电缆，降低电气感应出现几率，2017年大检修改造中，PLC机柜内又增加一对24V冗余电源，将DI信号继电器供电电源与其他24V仪表用电设备电源分开，避免了感应电再度产生时，损毁大批24V仪表设备。
1.1.4系统硬件使用年限
控制系统硬件一般包含电源、控制器、系统卡件、通讯设备、工程师站、操作站等，都是高集成电子元器件，而电子元器件均有使用寿命，通常控制系统厂家给出卡件、控制器等硬件使用的指导时间为10年～12年左右，随着控制系统的连续运行，硬件的故障率将逐步提高，直接影响长周期运行。
1.2环境因素
1.2.1温度、湿度
温度对元器件、电阻、电容、绝缘材料、金属构件均有影响，在超过规定的工作温度时，温度每增加10℃，元器件的可靠性降低10％，电容的使用时间将下降50％，同时还会导致电阻器额定功率和绝缘性能的下降。因此，控制系统所处环境温度很重要。同样，湿度也是一样重要：湿度小，环境中易产生静电，静电释放的高电压会击穿电子设备元器件；湿度过大，控制系统所处环境温差变化时，易产生凝结水滴，造成电源短路。
1.2.2接地系统
控制系统的接地中一般分保护接地和工作接地，保护接地(也称安全接地)是为人身安全和电气设备安全而设置的接地。要求凡控制系统的机柜、操作台、仪表柜、配电柜、继电器柜等用电设备的金属外壳及控制设备正常不带电的金属部分，由于各种原因(如绝缘破坏等)而有可能带危险电压者，均应作保护接地。工作接地包括：仪表信号回路接地和屏蔽接地，仪表工作接地的原则为单点接地，信号回路中应避免产生接地回路，如果一条线路上的信号源和接收仪表都不可避免接地，则应采用隔离器将两点接地隔离开。接地系统不符合规范要求，直接威胁控制系统的安全、运行、甚至造成停车事故、人身伤亡。
1.2.3防雷保护
控制系统所在建筑环境需有合格的防雷系统，避免控制系统遭受雷击影响，因雷击造成控制系统故障，造成装置停车案例普遍存在。除装置建筑防雷外，仪表控制系统的防雷保护还包括仪表设备的防雷，在石化行业中，设备多处于露天环境，装置是金属设备的集合体，当无防雷保护的仪表设备遭受雷击时，雷电会通过仪表回路直接威胁控制系统的运行，后果十分严重。例如，本厂处于多雷雨气候区。因此，仪表设备设计均要求具有防雷保护配置，仪表回路中有浪涌保护器等防雷要求。
1.2.4干扰
空间中雷电、无线电、雷达、变压器等都属于干扰源，控制系统所处环境或者周围存在干扰源时，影响系统信号传输，系统存储，系统电源稳定，对控制系统元器件会有损伤，严重时会造成控制系统误动作，停运。
控制系统所处环境的振动大，也会有振动干扰，例如现场小机组的PLC控制系统，机柜选置时离机组过近，控制系统处于振动干扰环境中，对控制系统内部接线，元器件的焊点等有不同程度的影响。
1.2.5动物影响
防护小动物是仪表专业非常重要的工作之一，例如老鼠的啃咬电缆，光纤可能导致控制系统电源开路或短路，导致通信中断，现场就地机柜、接线箱密封不严，若壁虎、老鼠、蛇进入，动物本身或者排泄物可直接导致电源或者卡件等设备的损坏，影响系统运行。
1.3人为因素
操作员和仪表系统维护人员是经常接触控制系统的人员，操作员更改控制系统上位机设置，误动作操作台上按钮都有可能导致控制系统波动，甚至停车；仪表维护人员随意更改软件设置，不按规定、制度维护等都威胁控制系统稳定运行。例如：本厂DCS系统在2017年升级前，操作站是与工程师站自动同步进行时间校准，机动部要求操作人员不得擅自更改操作站系统时间，但一个经验不足的操作人员，修改了操作站计算机时间，影响了报警发送机制，导致实时过程报警不再发出，仪表工程师及时处理后，报警方恢复正常，未造成装置波动，2017年检修，本厂增力IIGPS时钟源，改变了时间同步方式，彻底解决了该问题。
2提高控制系统长周期稳定运行方法
2.1选用成熟产品
在设计阶段，在询价书中严格尊守规范，通过设计文件要求，摒弃不成熟产品，选用行业内有良好应用业绩的控制系统，同时留有充足预算，避免因费用问题，无法采购成熟控制系统产品。
2.2设计合理、全面
DCS系统的控制单元、通信接口、电源，重要控制IO卡件采用1：1冗余配置，SIS、ITCC系统的中央处理单元、电源单元、I0模块及通信系统等通常采用冗余容错配置【2】，例如：本司SIS、ITCC系统均采用的控制系统为三重模件冗余(TMR)结构的容错控制器。PLC系统一般随机组集成而来，要结合实际情况，考虑选型，冗余配置的必要性，负荷，控制结构等。
设计院会根据控制系统设计规范进行设计，通常不会有设计缺陷之类问题，但仍需跳出设计思维，变换角度，结合项目和实际应用，适时调研，在设计阶段提出建设性意见，力求最合理、最全面。
2.3遵守规范。狠抓施工质量
SH/T 3092-2013《石油化工分散控制系统设计规范》、 GB/T 50770-2013 《石油化工安全仪表系统设计规范》、 SY/T 6966-2013《输油气管道工程安全仪表系统设计规范》 等仪表规范中都详细地规范了控制系统的设计及实施。为控制系统、控制室选好位置，排除环境干扰，防鼠防虫，安装温湿度监控设备，防雷、接地按规范执行，使用正确的电缆等方面，可以说良好施工质量是控制系统顺利投用、安全稳定运行的前提，是控制系统长周期安全稳定运行的保障。
2.4落实规章制度。强化运维管理
针对控制系统，各公司都会出台运行维护规章制度，例如：本公司对控制系统的备份、巡检、控制器卡件的温度检测、控制机柜、操作站的清灰、温湿度的检查、以及软件、密码、防病毒管理、控制系统诊断程序全功能检查、故障统计、预防性维修等方面都有明确的管理规定，同时派专职工程师及维保队伍进行管理维护，定期为维护人员进行培训、考核。建立完善的管理规章制度，并严格执行，杜绝人为因素影响控制系统运行，同时强化管理，发现控制系统异常及时处理，避免小问题累积影响造成装置波动甚至停车。
2.5加强预防性维护管理
抓好定期维护保养工作，建立故障专家系统，知识库，科学管理，时刻监控控制系统运行情况，控制系统的备品备件纳入重点管理，对已经停产或即将停产的系统设备，制定更新计划，升级更换；检修时，进行点检，对电源、控制器、通信系统进行冗余测试，对软件、硬件进行升级，遵守全生命周期的理论，对已经超过厂家给予指导使用年限的设备，进行特护，择机更换升级，控制系统不带病运行，不容许存在隐患，落实预防性维护维修管理。
3.仪表控制系统长周期安全运行建议
控制系统的安全正面临着巨大挑战，建议对所有工控网络和信息网络之间增加工业防火墙[3]，对控制系统操作站、工程师站的防病毒措施进行升级，杀毒软件定时、及时升级，使用USB锁，禁用USB口、禁止使用光驱拷贝文件，建立、并严格执行防病毒管理制度。
建议用信息化手段对控制系统进行监控、管理，各个厂家控制系统都支持故障报警输出功能，实时采集故障信息，利用信息化手段，将系统故障第一时间发送至工程师手中，以便及时响应处理，避免因控制系统故障处理不及时造成影响。
在石化行业，仪表专业通常称为辅助专业，但仪表的长周期安全稳定是装置长周期运行的前提和保障，在长周期运行精细化管理过程中，建议公司乃至总部给予仪表专业更多的理解和支持，同时全行业的仪表工作者一起共同努力，让石化行业认识到控制系统乃至仪表专业长周期稳定运行的重要意义。
4.结语
影响控制系统长周期安全稳定运行的因素有很多，也很复杂，这些因素伴随着时间，日积月累威胁着控制系统，要累积经验，科学管理，用心维护，为装置长周期、安全、稳定、高效地运行不懈努力。
参考文献：
[1]刘景辉，李俊丽，李文仁，等.浅谈炼油企业计算机控制系统的安全稳定长周期运行U】石油化工自动化，2004(4)：42—45.
[2]陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册【M】北京：化学工业出版社，20()0：505—706.
[3】冯伟我国工业控制系统面临的信息安全挑战及措施建议Ⅱ】信息安全与技术，2013，4(2)：19—22.
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