本文通过对裂化装置生产过程自动控制仪表现状的研究，提出了采用CENTUM CS3000集散控制系统作为催化裂化装置控制的核心系统。分析了该系统的特点和软硬件、人机界面和控制功能的设计思路，并针对再生器压力控制、反应温度的控制方案，详细介绍了软件组态设计方案及其实施效果。

2008年为了符合中国化工集团“老化工、新材料”的发展定位及与昌邑石化、华星石化合并打造黄河三角洲化工原料基地的要求，为中国化工提供所需的化工原料，同时也为有效地带动广饶县石油化工等相关产业的发展，促进地方经济发展，山东正和开工建设140万t/a DCC联合装置，其控制的核心设备为集散控制系统，通过对催化设备的关键控制方案进行分析，设计了较为先进的控制方案，满足设备长期安全、稳定生产的要求。

山东正和140万t DCC项目

山东正和140万t DCC及其配套工程包括：140万t/a催化裂解工程：DCC单元、产品精制单元、溶剂再生单元）；25万t/a气体分馏装置；4万t/aMTBE装置；60万t/a汽油加氢脱硫装置；低压瓦斯回收装置。DCC联合装置于2008年1月1日正式奠基破土动工，安装工程于2008年5月开始，2009年9月30日实现中交，总建设工期21个月。

2010年4月1日，DCC联合装置（DCC装置、气分装置、汽油加氢装置、MTBE装置）开始联动试车。经过近一个月的调整，4月30日，DCC装置、气分装置及MTBE装置投料运行并产出合格产品；2010年5月30日，汽油加氢装置投料运行，DCC联合装置投料试车一次成功。

选用的控制系统

山东正和140万t DCC项目选用了横河电机CENTUM CS3000集散控制系统，该系统采用Windows XP标准操作系统，支持DDE/OPC。既可以直接使用PC机通用的MS-Excel，Visual Basic编制报表及程序开发，也可以同在UNIX上运行的大型Oracle数据库进行数据交换，系统可与各种现场网络总线相连接，以其高可靠性、良好通用性、现场控制站的高效性、友好的组态以及操作环境和界面、易于升级且可扩展等优点得到广泛应用。

CENTUM CS3000集散控制系统由集中管理部分、分散监控检测部分和通信三部分组成，具有通用性、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、运行安全可靠等特点，广泛应用于电力、冶金、石油、化工等行业。

CENTUM CS3000集散控制系统主要组成部分如下：

HIS：操作站，用于运行操作和监视。采用Windows XP作为操作系统的横河指定的高性能计算机。

EWS：工程师站，用于设计组态、仿真调试及操作监视。采用Windows XP作为操作系统的横河指定的高性能计算机。

FCS：控制站，用于过程I/O信号处理，完成模拟量调节、顺序控制、批量控制、逻辑运算等实时控制运算功能。

Vnet/IP 网络：结合一般的通信功能，可提供高可靠性、实时且稳定的通信，是真正意义上的开放性控制总线，有如下特点。

系统的设计及构成

设计原则及设计思路

DCC装置的总点数为1?020点。其中，AI输入共计667点，AO输出共计222点，DI数字量输入86点，DI数字量输出42点，MODBUS通信3点等其他信号。为满足系统开放性、便于先控和优化控制的要求，系统主要分两个区域：

（1）DCC装置的催化裂化包含反应再生单元、分馏单元、吸收稳定单元和热工单元；

（2）DCC装置的气体分离包含液化气分离单元、溶剂再生单元和汽油精制单元。

其中主要的输入输出点的布置均按照装置的单元划分。

设计原则

（1）根据原料特性和产品方案的要求，采用国际先进且合理的工程技术，使装置设计总体先进。

（2）采用能实现目标的最简单的工艺流程和操作控制方案，在保证装置安全、平稳运行的前提下，装置操作最简单。

（3）采用完善的节能技术和装置之间的热能联合，使装置能耗、物耗达到国内外同类装置的先进水平，大幅降低运行费用。

（4）采用集中控制，为装置安全、优化地运行创造条件。

（5）通过优化设计工艺流程、平面布置及设备结构，节省投资，优化装置占地。

（6）充分考虑对催化剂广泛适应的流态化工程设计和对原料的广泛适应性，达到优化产品的目的。

（7）根据全厂加工流程的实际配置情况，对本装置设计适当考虑必要的裕度，增强装置运行弹性、稳定性和安全性。

（8）采用“清洁工艺”，严格遵循国家、地方有关环境保护、消防、职业安全卫生的标准、规范，减少环境污染，确保排放物符合环保要求。

系统设计思路

（1）高可靠性与稳定性：系统重要设备全部冗余，采用冗余控制器，双重化控制器电源及电源开关，双重化实时控制总线，各节点采用冗余现场网络总线。

（2）操作灵活性：采用Windows操作平台，OPC数据采集接口，可以和Ethernet互连；

（3）高效性：应用软件应具有在线测试和仿真功能，便于实时在线分析现场工况，修改控制方案，并给以后实施高级控制提供模拟现场的条件。

（4）可扩展性：为系统扩展提供接口。现有设备I/O留有一定的被用量，当系统增加10％左右的操作站和控制站时，系统的通信量和负载量仍可满足要求。

（5）与既有系统的兼容性：可与以往的系统可通过总线转换单元，方便地连接在一起，实现对既有系统的监视和操作。

系统的硬件结构

为了最大程度的满足实际生产应用的需求，山东正和140万t/a DCC装置设置了工作操作室、工程师站室和控制站室。其中，布局如下：工程师站室放置机柜室中。全部操作台配置风扇，机柜内配置顶装风扇和侧吹风扇，各工作室均配有接地极，并有空调设备，室内网络电缆、电源电缆、信号电缆均使用单独的槽盒，系统硬件结构如图1所示。

系统由11台操作站（HIS）、1台工程师站（EWS）、3台现场控制站（FCS）、Vnet/IP、ESB总线以及打印机组成。其中操作站（HIS）采用Dell T3400，双核E6550，22in宽屏液晶器用于运行操作和监视。采用Windows XP作为操作系统。

工程师站（EWS）采用DELL Precision T5400：3.0GHz 双核CPU、内存4GB、320GB硬盘、显卡至少512MB、COMBO DVD±RW、光电鼠标、标准键盘，Dell E228WFP 22宽屏液晶显示器（显示器由DCS供,型号开工会定），用于设计组态、仿真调试及操作监视。

每个现场控制站采用了可靠性极高的4个CPU 的“Pair &Spare”。“Fail Safe”结构设计，实现了完全的容错冗余。具有强大的控制运算功能，用于过程I/O信号处理，完成模拟量调节、顺序控制、批量控制、逻辑运算等实时控制运算功能。

Vnet/IP控制总线通信冗余配置，连接系统内所有FCS、ICS以及ACG等硬件设备，连接媒体为超五类屏蔽双绞线，连接类型为星形，通信速度是1Gbps。

ESB总线连接处理器单元（FCU）到本地节点（ANB10D）之间的本地I/O通信总线，了解媒体为专用电缆（YCB301），选用总线型结构，通信速率为128Mbps。

打印机EP4，实现MIF软件控制下的各种生产报表，系统报警信息以及过程报警信息的（具体打印内容以实际为准）打印功能，供操作员使用，OP4打印机一台，实现工程任务的打印，供操作员使用。

系统的软件组成

CENTUM CS3000系统的功能模块划分较为细致，在系统设计时需要考虑用户需求选择合适的模块，针对此项目，以满足生产需求等为目标，确定如下：

（1）画面显示功能：操作站可支持菜单画面、流程图画面、控制分组、回路参数等功能的画面展示。

（2）操作监视功能：工艺操作员通过流程图、趋势、控制组等窗口发布命令。

（3）标准组态功能：工程师站（EWS）提供标准图形组态方式。模拟控制回路组态采用Control Drawing图方式，顺序控制采用逻辑图（IBD）、顺控表（STB）等方式，所有组态都在图形环境下进行，设计和组态工作可同步进行，简化了工作流程。

（4）检索及报告功能：运行人员可以方便的检索和打印各种信息，如：数据、报警、模拟量、异常过程输入点信息。

（5）报警功能：针对故障报警与工艺过程报警均以音响及突出显示的形式报警，以便快速处理。

（6）报表功能：系统数据库中的所有记录均可制作成班报、日报、月报，自动按时打印或根据运行人员的指令随时召唤打印。报表软件使用MS-Excel及YOKOGAWA提供的配套软件。

系统控制解决方案

CENTUM CS3000系统装置工艺复杂，控制要求很高，具有多种复杂的控制回路，本文将采取再生气压力控制以及反应温度控制这两种复杂的控制方案并以实例进行说明。

再生器压力控制

工艺控制要求

催化裂化装置是炼油厂的重要装置，反应再生系统是催化的核心组成部分，在生气的压力控制对生产操作至关重要。充分利用再生烟气压力能、最大限度地保证高温烟气通过烟机做功，降低主风机电机功耗，达到节能降耗的目的。

安全要求：严格控制反应器压力超高或过低，保证再生器和沉降器一定的压差防止空气与油气乱蹿，造成安全事故的发生。

设计与实现

在再生器压力控制设计时，为达到节能降耗，首先烟机的功率最大化，烟机蝶阀全开，再通过微开双动滑阀控制再生压力。

再生器压力分程控制烟机入口蝶阀（50%~100%/100~0）和旁路双动滑阀（0~50%/0~100%）。当再生器压力高于压力调节的给定值时，先开大烟机入口蝶阀，若蝶阀全开仍不能使压力下降，则打开双动滑阀以维持再生器压力的平衡；反之，当再生器压力低于压力调节器的给定值时，先关小双动滑阀，继而再关小烟机入口蝶阀以维持再生器压力。其中，再生器压力控制的P&ID图如图2所示。

根据如上设计方案，系统组态图如图3所示：

其中，PSP1101A为分程控制器、PF1101A为信号分配器、SW33A11和SW33A12分别为切换开关、DXA02为自动高选器、SKA7为顺控表。作用如下：

（1）PSP1101A分程控制器一路分程为50%~100% 到 PF1101A信号分配器，控制双动滑阀；一路分程为0~50%到SW33A11切换开关经高选后去控制烟机蝶阀。

（2）SW33A12是用来切除/投用两器差压PDRCA1104的PID输出与PRCA1101A的0~50%分程信号高选DXA02后去控制烟机蝶阀，双动滑阀为控制50%~100% 全关到全开状态。

（3）PSP1101A分程的50%~100%控制双动滑阀的0~100%开度，分程的0~50%控制经高选后控制蝶阀的0~100%开度。

（4）SW33A11的作用是控制分程的0~50%是否参与高选控制，即再生器压力是否参与控制烟机蝶阀。

（5）SW33A12的作用是两器差压是否控制烟机蝶阀。

（6）SKA7的顺控表是在PIK1101A、PIK1101B正常的情况下保证PSP1101A分程控制器的正常工作。

（7）SW91A101AOTSW和SW91A101模块的主要作用是保证PI1101A和PI1101B两个测量值其中一个报警的时候切换到另一个测量值来控制。

在生气压力监控结果显示，该方案很好实现了工艺的预期设想。

反应温度的控制

工艺控制要求

反应温度可以通过调节再生催化剂的循环量来控制以保证反应温度的平稳。具体来讲，通过调节再生滑阀开度来改变再生催化剂循环量达到控制温度，引入再生滑阀差压来组成温度与差压的低值选择控制，以实现再生滑阀低压差软限保护，防止催化剂倒流。

设计与实现

在设计过程中，通过调节再生滑阀开度来改变再生催化剂循环量达到控制温度。在此项目中，再生器介质为空气，沉降器中介质为反应油气，为了保证再生器的空气不倒窜入沉降器，或者沉降器中的油气不倒窜入再生器发生安全事故。两器差压严格控制在0.02~0.08MPa。

当再生滑阀开度过大而使滑阀压降过小时，为防止油气催化剂倒蹿，再生滑阀压降调节将取代反应温度来控制再生滑阀——关小再生滑阀以油气不倒窜入再生器（即两器介质互窜）发生安全事故。

根据工艺流程以及设计方案，系统的控制组态图如图4所示：

其中，SWXZ、SW33A9、SW33A10是切换控制器。作用如下：

（1）SWXZ的作用是选择TI1101和TI1102两个温度点的一个作为温度控制器的输入，防止一个温度损坏后无法控制。

（2）SW33A9、SW33A10作为投用/切除的控制器，来选择温度控制输出和压降控制输出是否投用。

（3）DXA01作为低选控制器作用是在自动选择温度控制输出和压降控制输出的低点数值来控制再生滑阀。

总结

催化裂化装置自成功投入使用系统后，系统100%实现了设计目标并稳定运行多长时间。根据参数统计控制质量高，成功实现了催化生产的全过程监控、各种实时在线计算和过程参数的自动控制。

由于系统组态的简单、方便，在使用过程中易于掌握和维护。同时，CS3000自带的测试功能极大地提高了调试的效率以及组态逻辑的正确性，高质量的投产为用户降低了维护的工作量，同时也减少了因系统故障造成对生产的影响，系统的成功上线为实现先进控制以及优化控制、提高装置自动化程度从而为企业创造更大的经济利益打下了坚实的基础。