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案例頻道 1. 項目背景介紹
福建煉油乙烯一體化項目位于中國東南沿海的福建省泉州市泉港區，總占地面積約480公頃。它是目前我國第一個煉油、化工和成品油營銷全面一體化的中外合資項目，也是至今為止一次性整體規劃、一次性設計、一次性施工建設、一次性投產成功、實施投資最大的煉油乙烯一體化項目。
2. 項目目標與原則
1）使工廠在健康、安全、環境保護和節能減排方面有可靠保證；
2）高質量的過程測量、調節控制、先進控制集成，友好的人機接口；
3）集成自動化系統具有高可靠性、高可用性及易維護性，減少非計劃停車；
4）過程控制系統為企業的每個生產設置、公用工程及輔助設施提供產品產量及質量、原料和公用工程消耗等報告，提供準確、無縫的實時及歷史過程信息；
5）全部儀表設備管理系統集成，提供歷史分析、預測維護計劃、庫存控制及采購計劃及存量控制等；
6）控制系統和儀表設備供應商應盡量單一化，具有最好的操作培訓支持，達到最少人員配置水平，和最少的備品備件；
7）推進工廠信息管理系統和自動化系統集成技術的應用和發展；
8）為MES和ERP提供世界級工廠控制一體化的生產操作和經營管理的實時數據庫平臺，實現物流、資金流和信息流三流合一，做到信息透明、資源共享、為生產和營銷決策提供可靠的依據，使產品能適應市場需求變化并獲得最大利潤；
9）強化現代化企業管理，減低工廠生命周期成本，獲得最佳經濟效益及社會效益。
3. 項目實施與應用情況詳細介紹（詳細介紹推薦項目的規劃、實施與應用的詳細情況，突出項目創新性、重點與難點問題及解決思路等。）
參考國外石油化工智能化生產技術現狀與發展趨勢，借鑒國內外著名石油化工企業（如BP-Amoco、Exxon-Mobil、Shell Oil、上海賽科乙烯、南海殼牌乙烯、揚巴一體化乙烯等）的全廠智能化總體解決方案和實際應用情況，福建煉油乙烯一體化項目的全廠智能化總體解決方案采用自動控制和信息管理系統集成的“管控一體化”方案。整個系統分為三層，即生產操作控制層（PCS）、生產運行管理層（MES）和生產經營管理層（ERP）。
以過程控制系統（PCS）為代表的生產操作控制層，又稱為基礎自動化層。主要包括：分散控制系統/現場總線控制系統（DCS/FCS）、安全儀表系統（SIS）、火災及氣體檢測系統（FGS）、儲運自動化系統（MAS）、壓縮機組控制系統（CCS）、大型機組狀態監測系統（MMS）、設備包控制系統（PLC）、在線分析儀系統（PAS）、儀表設備管理系統（AMS）、操作員培訓仿真系統（OTS）、過程控制計算機系統（PCCS）（實施先進控制APC和實時優化RTO等）及實時數據庫（RTDB）等系統，其核心是DCS/FCS系統。
生產操作控制層能實時監控生產操作、原料及產品儲運、公用工程和產品質量等全過程。并且使生產操作安全、可靠、穩定、長周期及滿負荷運行。
安全儀表系統（SIS）
根據各工藝裝置不同的特點，裝置重要的聯鎖保護、緊急停車系統及關鍵設備聯鎖保護都設置成自動聯鎖，統一采用安全儀表系統（SIS）
根據國內外設計規范，SIS設置獨立的控制器，以確保人員及生產裝置、重要機組和關鍵設備的安全。SIS按事故安全型設置，采用雙重或三重冗余、容錯系統。
自動聯鎖保護系統分為兩部分：裝置聯鎖保護系統和機組設備的聯鎖保護系統。原則上在同一設置內，設一套SIS系統。我們建議全公司采用同一型號的SIS系統，以減少今后的維護工作量和維護成本。
為了盡可能避免聯鎖事故的發生，設置予報警、報警信息，按程度分為3種優先級別，并配3種不同音調加以區分。
與DCS/FCS的設計方式相同，將SIS控制器或遠程I/O機架安裝在現場機柜室內，通過光纜接入中央控制室（CCR）操作站。根據需要在較遠的現場機柜室適當設置輔助操作臺，用于就地監控、機組試車和裝置開停工時使用。
保證自控系統正常運行的主要安全技術措施如下：
a)現場儀表及控制系統均選用先進可靠的產品。DCS控制器、電源單元、通信網絡、控制類I/O卡等都采用冗余配置；
b)聯鎖保護系統及機組控制系統采用三重化或雙重化的冗余、容錯系統重要的聯鎖系統檢測元件或輸入信號按冗余方式設置。SIS檢測元件和執行機構按事故安全型設置，即SIS故障或一旦能源中斷，執行機構的最終位置應能確保工藝過程和設備處于安全狀態；
c)SIS設置事件序列記錄站，用于記錄設備狀態和連鎖事件，以便事故原因的追溯；
d)自動控制系統設置獨立的冗余的UPS電源，其供電安全、接地保護等問題在設計時應引起足夠的重視；
e)操作站與機柜采用冗余的通訊電纜或電纜連接，室外光纜通過不同的路徑敷設，以確保通信的安全；
f)為減少局域網對生產過程控制系統的干擾，建設公司控制網絡，獨立于公司的管理信息網。通過網絡物理隔離設備（與防火墻不同。防火墻在受攻擊成功后使兩網暢通，物理隔離設備在受攻擊成功后使兩網隔離）與管理信息網連接。決不允許在兩網信息互交時，因病毒、黑客或用戶通過管理信息網侵害控制網，提高控制網絡的可靠性，保證生產控制系統的安全運行；
g)FREP現場處于高雷區，對DCS/FCS、SIS、FGS、CCS/ITCC、PLC等主要系統需充分考慮防雷措施，確保過程控制系統及儀表安全。
安全儀表系統（SIS）安裝在中央控制室（CCR）和現場控制機柜室（FAR）里。安全儀表系統（SIS）的設計必須滿足根據IEC61508/IEC61511所定義的安全度等級（SIL）。
安全儀表系統（SIS）獨立于DCS系統和其它子系統單獨設置，采用故障安全型設計，確保裝置的安全性和可靠性。
安全儀表系統（SIS）采用經TUV/IEC安全認證的三重化（TMR）可編程序控制器（PLC）完成各工藝裝置的緊急停車和緊急泄壓。SIS應具有SOE功能。
緊急停車信號通過冗余MODBUS-RTU通信接口連接到DCS。所有的過程報警、旁路、復位等信號能在DCS操作站上顯示。
火災及氣體檢測系統（FGS）
火災及氣體檢測系統（簡稱FGS）包括各工藝裝置、公用工程、油品儲運的可燃氣體、有毒氣體和火災檢測系統，以及建筑物的火災檢測系統。FGS系統與過程和設備的安全儀表系統（SIS）相獨立。
根據目前國內外有關規程，FGS可以單獨設置，也可以采用獨立的火災報警系統（FGS）。建議在煉油、化工及其灌區等爆炸危險場所采用FGS系統，其他公用工程與中央控制室（CCR）、總變電所、中心化驗室等建筑物采用FAS。FGS通過光纜與在中央控制室（CCR）的監控站進行通信。在中央控制室（CCR）內設置一個獨立的控制站（與DCS的操作站相同）用于FGS系統，并有獨立的順序記錄。設置報警指示燈和控制開關。全廠可燃氣、有毒氣及火災報警系統控制器安裝在各現場機柜室內。FGS系統與DCS/FCS系統通信，同時與自動滅火等系統實現數據聯網，通過公司管理信息網提供消防隊、環安等部門監控。全公司的FGS系統需要統一型號。
火災及氣體檢測系統（FGS）獨立于DCS系統、SIS系統和其它子系統單獨設置。采用TUV/IEC安全認證的三重化（TMR）可編程控制器（PLC），接受來自現場（包括裝置區、灌區等場所）的火災、可燃氣體、有毒氣體探測器的信號及手動報警信號，啟動警報系統并產生消防聯動和裝置的緊急停車，同時將經過確認的火警信號傳送到全廠消防控制中心。FGS應具有SOE功能。FGS系統與DCS系統可實現實時數據通信，在DCS系統操作站上顯示報警及打印。
機組控制系統（ITCC/CCS）
大型機組控制系統由兩部分組成：壓縮機組控制系統（CCS，又稱ITCC）和大型機組狀態監測系統（MMS）。它們是獨立的控制系統。
壓縮機組控制系統（CCS/ITCC）
CCS/ITCC系統用于壓縮機的防喘振調節和連鎖保護。CCS/ITCC系統根據工藝過程的要求，使壓縮機系統在最小流量喘振曲線下維持壓縮機最佳的性能和功效。
CCS/ITCC系統采用三重化或雙重化的冗余、容錯系統。重要的聯鎖系統控制元件，或輸入信息按三取二的方式設置。
CCS/ITCC系統的硬件設置在現場機柜室（FAR）中。防喘振調節的特殊、高速的電子設備完成，并存儲工藝氣體補償的喘振模型曲線。
b)大型機組狀態監測系統（MMS）
MMS系統用于透平機、壓縮機和泵等主要轉動設備參數的在線監控，對轉動設備的性能進行分析和診斷，支持轉動設備的故障預維護。重要運行參數（軸振動、軸位移、轉速等）直接傳動到MMS系統，操作人員在管理站上直接讀取轉動設備運行參數，在線診斷分析結果。
MMS系統數據處理器設在現場機柜室（FAR），服務器和管理站設在中央控制室（CCR）。各現場機柜室（FAR）之間及中央控制室（CCR）的MMS系統通過雙重冗余的光纖電纜進行數據通信，構成MMS系統局域網。MMS系統的信息數據采用通信方式傳送至DCS/FCS系統。用于連鎖保護的數據，通過硬接線方式傳送至SIS系統，通過局域網供管理層分析處理，為預防性維修提供依據。
大型機組控制系統由于機組制造商不同，相應的控制系統配置、型號均不相同，因此尤其要統一儀表及控制系統型號，減少今后的維護工作。
大型機組（如：裂解氣壓縮機、丙烯制冷壓縮機、二元制冷壓縮機、甲烷膨脹/壓縮機等）的控制系統由兩部分組成：透平/壓縮機組綜合控制系統（ITCC/CCS）和轉動設備在線檢測系統（MMS）。機組控制系統是獨立于DCS的控制系統。其它機組和設備包（如：循環氣壓縮機、尾氣壓縮機、空壓機、氫壓機、氮壓機、急冷油泵、急冷水泵、冷凍機、干燥器、擠壓造粒機及風送系統等）的控制系統一般采用PLC或DCS。
ITCC/CCS系統用于透平/壓縮機組的調速、防喘振控制、負荷控制和聯鎖保護。ITCC系統根據工藝過程的控制要求，使壓縮機系統在最小流量喘振曲線下維持壓縮機最佳的性能和功效。
ITCC/CCS系統采用三重化（TMR）或雙重化的冗余、容錯系統。重要的聯鎖系統輸入傳感器按三取二的方式設置。ITCC系統應具有SOE功能。
機組狀態監測系統（MMS）
MMS系統用于透平/壓縮機和高速泵等主要轉動設備參數的在線監控，對轉動設備的性能進行分析和診斷，支持轉動設備的故障預維護和資產管理。重要運行參數（軸振動、軸位移、轉速等）直接傳送到MMS系統，操作人員在管理轉上直接讀取轉動設備運行參數，在線診斷分析結果。
MMS系統包含本特利3500機架和System 1 兩部分。
ITCC和MMS系統應能與DCS系統進行實時通信。
關鍵技術和難點及解決措施
儀表自控工程技術標準規范
研究并開發的《儀表及控制系統功能設計規格書FDS》等設計文件，形成了一整套適用于大型煉油化工一體化項目的儀表自控工程技術體系。
高速網絡聯網集成
對于DCS、SIS、FGS、ITCC、MMS、等控制系統網絡采用千兆級（1GB/Sec）工業以太網并全廠系統聯網并集成。
SIS系統和FGS系統在大型煉油化工一體化工廠的工程化研究及應用
研究并實施并符合IEC 61508、IEC 61511功能安全標準和獲得IEC SIL3認證的安全儀表系統（SIS）、火災及氣體檢測系統（FGS）全面應用于大型煉油化工一體化工廠。
SIS系統
a） 遠程機架的靈活應用
根據Tricon系統具有遠程機架的特點，對于各工藝裝置所對應的緊急停車按鈕、維護旁路開關（MOS）及開車操作旁路開關（SOS），采用在CCR設置SIS遠程機架，在FAR內設置SIS主控制器的方案；而對于緊急聯鎖回路較少的公用工程單元采用在CCR設置SIS主控制器，在FAR內設置SIS遠程機架的方案，這樣可以節省投資。
b） SIS及其關聯儀表選用原則
根據工藝系統對安全等級的要求和安全分析，裝置SIS安全等級要求為SIL1、SIL2及SIL3（IEC 61508）時，選用安全級別為SIL3的TRICON三重冗余系統，按故障安全型設計。TRICON（SIS）系統是基于三重化模件（TMR）結構的冗余容錯控制器，將三路隔離、并行的控制系統和診斷集成在一個系統中，用3取2表決提供完善、無差錯、不間斷的過程操作，不會因單點的故障導致系統失效，并允許在完成指定任務的同時，對故障元件進行修復，不中斷過程控制。SIS能診斷和顯示系統的全部部件故障，并通過串行通信接口在DCS的操作站上顯示。為確保SIS的整體安全性，電源單元、通訊系統等為冗余配置，I/O卡件為三重冗余光電隔離型，包括32點DI卡件3503E，16點DO卡件3604E和3624，16點AI卡件3700A。其中3624為監督型數字輸出卡件（SDO），帶電流和電壓反饋回路，提供完整的故障覆蓋而不影響輸出信號，可檢測出掉電或熔斷、負載開路、短路導致的錯誤勵磁等現場故障，主要應用于關鍵場合。如圖4-6，燃料油入口和返回管線上的閥門切斷關系到加熱爐和裝置的生產運行，SIS選用3624型SDO卡件輸出到并聯電磁閥實現聯鎖功能。
檢測元件和執行元件的可靠性也直接影響到SIS的安全性能，為減少現場元件的故障概率，裝置與SIS相關的檢測儀表主要選用流量、液位、溫度、壓力等變送器。如三個變送器進入SIS，由機柜內的三個信號分配器進行信號分配，三路純4-20mA信號進入SIS的AI卡進行2003表決，另三路4-20mA帶HART信號進入DCS的AI卡進行三取中運算后作為PID調節回路的PV值，DCS故障不影響變送器的正常操作。普通開關類儀表易出現觸點粘合或因管線振動而打開等異常狀況，與SIS相關的開關類儀表只限于：現場防爆控制按鈕，爐體上的火焰檢測器開關，待SIL2認證的音叉液位開關，接近于干接點型式的閥位反饋開關；不選用流量、溫度和壓力開關。SIS中執行文件選用高溫絕緣耐用型線圈、長期帶點型的低功耗電磁閥，相應的切斷球閥和蝶閥選擇合適的材質，防止出現卡塞現象。馬達控制中心電動機的起停信號一般采用220VAC、5A繼電器隔離，對于中壓電動機（6KV/10KV）的起停信號則選用大功率繼電器隔離。SIS的檢測元件單獨設置，或采用二取二、三取二表達邏輯，對檢測元件故障報警，避免因檢測元件失效導致SIS誤動作；相關執行元件如電磁閥等單獨設置或采用并聯設置。燃料油的入口管線和返回管線采用2oo2電磁閥并聯龍蛭切斷閥(FC)的開/關，只有當電磁閥A、B均失電非勵磁時，切斷閥失氣關閉，可避免因電磁閥失效引發聯鎖誤動作。
ITCC系統和MMS系統在大型煉油化工一體化工廠的工程化研究及應用
機組控制系統（ITCC）
研究并實施機組控制系統（ITCC）先進控制技術：針對大型機組采用ITCC解決方案并全廠聯網，在ITCC中采用了解耦（Decoupling）、負荷分配（Load Sharing）等機組先進控制技術。
對于像FREP這樣的世界一流的煉油化工一體化項目，裝置眾多，往往存在多個EPC、多個壓縮機組供應商同時提供設備和服務的復雜情況。對于ITCC系統，將采用全廠一體化的控制方案。這樣的整體方案將帶給用戶諸多裨益：
a） 統一的全廠網絡及設備平臺；
b） 一致開放的控制系統軟件；
c） 先進可靠地壓縮機控制功能；
d） 簡單統一的采購程序；
e） 統一協調的工程與培訓；
f） 與SIS/FGS系統統一的硬件平臺，減少備件的需求量；
g） 優良及時的本土化售后支持服務。
機組狀態監測系統（MMS）
研究并實施機組狀態監測系統（MMS）先進診斷技術：針對大型機組采用機組狀態監測及診斷系統（3500系統+System 1）并全廠聯網，診斷信息通過OPC與DCS通信。
技術難點：IGCC裝置的順序控制、安全聯鎖、關聯操作很復雜，影響到全廠的能量平衡（包括蒸汽平衡、氫氣平衡和電能平衡）。
解決措施：通過組成由專利商、埃克森-美孚、MICC和EPC工程承包商組成的聯合攻關小組，協作完成IGCC裝置DCS及SIS組態和工廠測試。
研究并實施將符合IEC 61508、IEC 61511功能安全標準和獲得IEC SIL3認證的安全儀表系統（SIS）、火災及氣體檢測系統（FGS）成功應用于大型煉油化工一體化工廠，SIS和FGS系統掃描周期≤200ms;
研究并實施機組控制系統（ITCC）先進控制技術：針對大型機組采用ITCC解決方案并全廠聯網，在ITCC中采用了解耦（Decoupling）、負荷分配（Load Sharing）等機組先進控制技術，ITCC系統掃描周期≤50ms;
本項目在國內首次將智能化儀表技術全面應用于大型煉油化工一體化工廠，全廠采用AMS整體解決方案（針對DCS、SIS、ITCC系統），使用FF及HART智能化儀表。
在國內首次將機組控制系統（ITCC）先進控制技術及機組監測系統（MMS）先進診斷技術全面應用于大型煉油化工一體化工廠，大幅度提高了工廠大型機組及其它轉動設備的控制及保護水平。
應用情況
到目前為止，該項目已投產1年多時間，控制系統（DCS、ITCC、PLC）運行穩定、操作靈活，安全保護系統（SIS、FGS、MMS）安全、可靠，其它系統（OTS、RTDB、MES、ERP等）均已在線運行，自動化系統及信息管理系統高度集成。據用戶統計，包括FF現場總線及HART儀表在內，儀表的完好率及使用率均達到了99.8%（中國石化總公司的設備管理規定為：完好率及使用率≥95%）。由于全面采用了智能化儀表技術，大大降低了儀表的維護工作量，全廠投入的控制系統及現場儀表維護人員僅為一般情況的30%。
4. 效益分析
經濟效益
由于控制系統運行穩定、操作靈活，安全保護系統安全、可靠，其它系統（OTS、RTDB、MES、ERP等）均已在線運行，自動化系統及信息管理系統集成度高，保證了大型煉油乙烯一體化工廠能夠“安全、穩定、長周期、滿負荷、產品質量優良”地生產，創造了良好的經濟效益。
據粗略統計，本項目每年為工廠創造的直接經濟效益達1.068億元以上。
社會效益
由于控制系統運行穩定、操作靈活；安全保護系統安全、可靠，智能化儀表預測診斷先進，大大降低了事故排放及能耗，滿足了健康、安全、環保與節能減排的社會需求。
推廣應用前景
本開發項目的成功實施，對于大型煉油化工一體化工廠的工程設計有很好的示范作用，本項目的技術規定經過二次開發已經成為中國石化集團公司企業標準系列的“中國石化煉化工程建設標準”。
本項目開發的大量技術文件、應用軟件及模板已廣泛被借鑒應用到惠州大煉油、天津煉油乙烯、鎮海乙烯、武漢乙烯等大型煉油乙烯項目上，取得了很好的效果，推廣前景廣闊。
存在的問題和改進意見
由于設計、供貨、施工及工藝操作等諸方面原因，目前尚有少量現場儀表和調節回路未投入運行或未投入自動，影響到少數過程測量及控制功能的實現，需要在裝置技改和檢修時整改、完善。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號