丙烷脱氢装置DCS与SIS一体化设计(评审修改版)

丙烷脱氢装置DCS与SIS一体化设计梁亚霖1程兴1陈备跃2浙江中控技术股份有限公司，浙江杭州，310053宁波海越新材料有限公司，浙江宁波，315800摘要：集散控制系统（DCS）和安全仪表系统（SIS）在工业过程控制中的地位都是不可或缺的。

近年来，对于是否将两者系统进行集成实现DCS/SIS一体化控制系统一直是过程控制系统研究领域讨论的热点。

本文以丙烷脱氢项目为例，结合实例阐述了DCS/SIS一体化系统架构的原理，并总结了DCS/SIS一体化实施的过程。

关键词：丙烷脱氢安全仪表系统集散控制系统一体化控制Integration of DCS and SIS for a Propane DehydrogenationUnitLiang Yalin1Cheng Xing1 Chen Beiyue2Zhejiang SUPCON Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang, 310053Ningbo Haiyue New Material Co., Ltd., Ningbo, Zhejiang 315800Abstract: Distributed Control System (DCS) and Safety Instrumented Systems (SIS) play an important roles in the industrial process control, they’re both essential. In recent years, it is an argument that whether DCS and SIS should be integrated. The control system integration of DCS & SIS is described in detail in various stages of projects implementation and the actual effect in the whole process.Keywords: Propane Dehydrogenation(PDH),Safety Instrumented Systems (SIS), Integration, Distributed Control System(DCS)0 引言宁波海越新材料有限公司60万吨/年丙烷脱氢装置，采用美国Lummus公司的Catofin 工艺，是其C3~C5烷烃脱氢生产单烯烃的改进技术。

该工艺以丙烷为原料，采用高效的铬系脱氢催化剂在八台固定床反应器中进行脱氢反应，再经低温回收及产品精制后，得到聚合级丙烯产品。

该工艺具有丙烷转化率高、丙烯选择性好、原料适应性强及装置在线率高等优点；其对反应器的控制步序复杂，时序控制要求精度高；设备繁多，安全度等级要求达到SIL3级，工艺联锁前后关联性强，对控制系统的精确性、稳定性都有极高的要求。

该装置由浙江中控技术股份有限公司提供全厂所有DCS与SIS系统，在过程控制及安全联锁保护上实施DCS与SIS一体化设计。

目前该项目中已实现成功投运，并在项目设计、安装调试、运行操作及维护等方面形成了很多宝贵的经验，希望通过本文的探讨对国内大化工项目的建设和实施给予少许启发。

1 项目工艺简介丙烷脱氢的CATOFIN 工艺技术是美国Lummus 公司开发的C3~C5烷烃脱氢生产单烯烃的改进技术。

主要反应为：263-r ,650,05.083H H C H C Al C MPa +−−−−−−→−℃该工艺以丙烷为原料，采用高效的铬系脱氢催化剂在八台固定床反应器中进行脱氢反应，再经低温回收及产品精制后，得到聚合级丙烯产品。

该工艺具有丙烷转化率高、丙烯选择性好、原料适应性强及装置在线率高等优点。

丙烷脱氢装置主要由反应、压缩、低温回收、精制、制冷及公用工程等部分组成。

工艺流程简图如下图所示：图1 CATOFIN 丙烷脱氢工艺反应器的控制是整个工艺过程控制的重点，8个反应器以循环方式操作，3个反应器投入生产，3个反应器在预热/再生，2个反应器在抽真空、蒸汽吹扫或在阀门变动过程中。

每个循环24分钟，控制器计数为1~1440秒，根据时序每秒控制不同阀门运动，实现循环生产。

每台反应器有10台阀门，这10台阀门中有7台由于尺寸较大，由液压执行机构驱动，有2台由气动执行机构驱动，1台是电磁阀。

其中8台(注气阀、烃进口阀、烃出口阀、还原气阀、低低压蒸汽吹扫阀、再生空气入口阀、再生空气出口阀、抽真空阀)的执行机构上都配有限位开关及阀位变送器，以确定阀门是否完全关闭或打开。

整套系统测点约有5000点， DCS 配有5对控制器、32面机柜；SIS 配有2对控制器、16面机柜；在现场机柜室设置1台DCS 现场工程师站、1台SIS 现场工程师站，在中心控制室CCR1设有8台操作站，1台GDS 站，在中心控制室还配有专用的工程师站和服务器，用于正常的系统维护和数据组态。

2 一体化设计原则《石油化工分散控制系统设计规范》和《石油化工安全仪表系统设计规范》规定了分散控制系统（DCS ）和安全仪表系统（SIS ）的主要设计、施工、维护的原则。

DCS 系统是动态过程，用于对装置过程变量进行连续的测量，运算和控制，而SIS 系统是静态过程，对装置的生产进行监测，在事故状态下保护动作，实现装置的安全联锁。

SIS 的可靠性较DCS 要求更高，因此各标准都推荐SIS 和DCS 的硬件系统独立设置，然而丙烷脱氢工艺在很多关键回路、阀门上同时有过程控制和安全联锁的需要，这就要求对自控系统进行一体化设计，周密考虑设计、集成、施工等问题，在做到遵照SIS系统设计规范要求的同时，还能充分、灵活地满足复杂工艺控制的需求。

SIS与DCS一体化集成的方法包括同品牌集成和异品牌集成两种，异品牌集成指不同品牌的DCS和SIS之间集成，同品牌集成指同一品牌的SIS和DCS共用网络、人机界面和组态。

同品牌集成有着维护和工程的便利，减少了维护错误等随机性风险，但却增加了系统失效风险和共因风险，因此在本项目的设计中，SIS与DCS采用异品牌集成，DCS采用浙江中控技术股份有限公司的ECS-700系统，SIS系统采用美国Rockwell旗下ICS系列产品。

DCS系统与SIS系统在整体结构上具有很大的共通性，这也为两者系统的一体化提供了可能。

两者都由检测输入，执行元件，逻辑运算单元组成，系统的一体化最关键的问题在于如何解决系统间的通信，协调优先级和制定冲突解决方案。

2.1检测输入检测信号输入DCS与SIS系统有硬接线和通信两种方案，《石油化工安全仪表系统设计规范》中规定，3级安全仪表系统，其传感器应与过程控制系统分开。

但限于设备和投资情况，本项目中也存在DCS与SIS共用传感器，通过信号分配器实现不同系统之间的信号分配。

本项目中，系统检测输入就使用了下列三种方法：1)单独传感器如下图2所示，A、B、C传感器信号送往SIS，三取二参与联锁；D传感器信号送往DCS，参与控制。

图2 单独传感器2)共用传感器如下图3所示，A、B、C传感器信号经过信号分配器分别送往SIS与DCS，SIS信号三取二参与联锁；DCS信号三取平均（中值）参与控制。

信号分配器必须安装在SIS 系统机柜内，由SIS 系统供电。

图3 共用传感器3)通信互联SIS联锁使用的开关量/模拟量，送往DCS起报警、指示作用的，可以不使用硬接线，通过软件网关实现通信。

2.2执行元件执行元件的控制有两种方式，有DCS操作工艺阀门而SIS控制阀门的气源电磁阀的方案；还有利用SIS作为操作平台，DCS的所有操作通过SIS 来完成的方案。

普通工艺联锁阀门，DCS和SIS各自有自己的执行元件，DCS发出AO信号控制阀门开度，SIS发出DO信号控制阀门动力风。

正常生产时DCS控制阀门的操作，事故状态下，SIS切断磁阀，使阀门进入预设的安全状态。

这种方案使DCS和SIS的硬件界面划分清楚，控制方案也各自独立，避免了DCS和SIS之间的软、硬件和控制方案交集，对于DCS 系统和安全仪表系统的维护和操作来说也具有很大的便利性。

反应器液压大阀可靠性高，投资巨大，用于关键控制。

在正常生产中，这些阀门执行反应器时序控制器的输出，控制反应器的循环操作，而在事故状态下，这些阀门响应SIS的控制命令，保证反应器以及工艺装置安全。

因此这些阀门在控制方案设计中就必须能实现同时接收来自DCS和SIS的控制命令，分别实现正常控制和安全联锁，且安全联锁的命令享有更高的优先级别。

因此反应器阀门的控制信号首先由DCS送往SIS，经SIS判断后再送往现场。

2.3逻辑运算丙烷脱氢装置控制程序的逻辑重点有反应器的时序控制（SEQ）、反应器自动紧急停车程序(RAESS)以及反应器安全联锁系统(SIS)。

在Lummus《分散控制系统和安全联锁系统指南》中指出反应器时序控制一般在DCS中进行，但也可以在单独的PLC中进行。

反应器自动紧急停车系统一般和反应器时序器逻辑相同位置来执行此逻辑。

逻辑运算可以由SIS完成，也可以由DCS完成。

由SIS完成时序器（正常运行）和RAESS （自动紧急停车）程序时, DCS手动命令、手自动状态通过接线送往SIS,阀门命令经SIS 联锁判断后送往现场，逻辑图如下图4所示（以开阀命令为例）：图4 SIS执行逻辑运算还有一种方案，DCS完成时序器（正常运行）和RAESS（自动紧急停车）程序,阀门控制命令通过硬接线送往SIS,经联锁判断后送往现场，逻辑图如下图5所示（以开阀命令为例）：图5 DCS执行时序逻辑由于SIS擅长联锁保护，缺少SFC调试工具，而DCS有多种编程手段，SFC调试方便，维护便利；在开车过程中，会经常根据现场实际情况调整反应器时序时间设定值，而DCS 在线下载更为方便。

因此在海越项目我们采用后一种方案，DCS根据时序控制反应器阀门动作，DCS系统的控制指令需要经过SIS系统的安全判断，在确认控制命令正确以及现场装置工艺正常时才能生效。

3 现场实施3.1信号命名SIS系统中所有的数据均可通过MODBUS通讯发送给DCS系统，同时部分联锁信号通过硬接线同时送给SIS和DCS。

同一个测点，在两套系统中均有可能被引用，因而产生重复位号，对操作维护人员也有可能产生误导。

因此，在现场实施过程中，必须设计一套命名规则，通过不同的前后缀，表明位号来源去向，即避免产生重复，又能够通过位号名方便快速的查询位号测点的出处：表1 位号命名原则测点名称DCS位号SIS位号模拟量03PI-10101 03PI-10101 c03PI-10101 采用信号分配器开关量03KV-14101 03KV-D14101 03KV-D14101S 由DCS送往SIS开关量03KZSC-14101 03KZSC-S14101D03KV-S14101 由DCS送往SISSIS位号-- c03PI-10101-COMM c03PI-10101 通讯至DCS3.2逻辑信号命令在调试之初，DCS发往SIS的信号采用长电平信号，比较直观，可以很方便的通过继电器的指示灯判断信号有没有发往SIS。