（中国电建集团山东电力建设有限公司 山东省济南市 250102）
摘要：沙特阿美作为全球油气行业的高端市场，每年都有大量的投资项目。经过多年的发展，其严格的标准和流程管理规范体系也带给承包商很大的挑战,其中尤以控制系统的工厂测试为重。通对过程控制系统的工厂测试案例进行分析，分析工厂测试的基本流程、测试内容，从而总结归纳设计采购过程中应着重注意的设计原则和重点的设计研究活动。
关键词：过程控制系统；工厂测试；设计原则
0 引言
随着工业自动化系统的普及应用和对进口控制系统的消化吸收、再创新，国内自动化控制系统已取得了非常大的进步，产品性能与功能和质量可靠性都已得到了快速提供。然而相对于在国内市场占有率比较猛的增长势头而言，我国产品在国外市场的破冰还有待进一步的积累，我们在设计、测试和调试等方面还有待进一步的提高和规范。其中控制系统的工厂测试就是很重要的一环。不同于国内DCS系统套用类似项目软件设置、控制逻辑等情况，国外项目采用更为先进的管理理念，力求将整个系统设计规范化和高度自动化。这一过程不仅仅体现了生产厂商的专业性，也对设计方、EPC承包方提出了更为严格的要求。
本文基于对沙特阿美某项目的过程控制系统（PCS，Process Control System）的工厂测试过程，对整个PCS系统的规划、设计、资料交接、工厂测试和整改出厂做系统性的介绍，以对将来类似项目、甚至于PCS系统的设计和验收工作提供一些建议和指导。
1 项目介绍
沙特阿美某联合循环电站项目，主要由5个发电单元组成，每个单元采用二拖一模式，即由两台燃气轮机发电机分别带一台余热锅炉，和一台汽轮发电机组成。其中1#单元还担负着项目黑启动的要求，设置一些公用系统。全部五个发电单元都在中央控制室进行统一的集中控制运行。
该项目PCS控制系统采用霍尼韦尔C300，其标准要求苛刻、接口系统众多、高技术解决方案系统应用多、项目本身自动化水平要求高。PCS系统包含分散控制系统（DCS，Distrubuted Control System）和紧急关断系统（ESD，Emergency Shutdown System）两个分系统。除此之外，该项目还包括诸多第三方控制系统，比如燃机控制系统（CGTCS）、汽机控制系统（STGCS）、电源管理系统（PMS，Power Management System）、燃烧管理系统（BMS，Burner Management System）、旁路烟道控制系统（DDCS，Diverter Damper Control System）、震动检测系统（MPS，Machine Protection & Monitoring System）、烟气检测系统、空调控制系统、气体探测系统、管道蒸汽泄露检测系统、火灾报警系统、闭路电视系统等，都需要通讯至PCS用于集中监控操作。
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1 工厂测试目的
1.1测试目的
PCS工厂测试的目的在于验证PCS厂商组套的控制系统在软硬件、网络结构、画面、控制逻辑等各方面满足设计标准、技术规范和设计输入等各方面的要求，确保设备具备发货条件，避免或减少现场改动的工作量和成本。测试内容主要包括
（1）硬件测试：
硬件外观检查
接地和上电后的检查（是完全100%依照设计布置来进行接地和上电模拟）
DCS硬接线信号通道测试（控制点分配、现场仪表单位量程等具体信息等）
盘柜电源、风扇、气体探测器、烟感探头等
100%接线IO点的回路测试（需要将现场各型号仪表设备发控制系统厂家，硬接线后模拟信号回路测试）
（2）应用软件测试
验证网络配置
控制IO点数据库测试
控制方案和逻辑测试
操作系统画面
离线配置数据库测试
（3）系统功能性测试
电源冗余测试
IO模块冗余测试
通讯冗余测试
PCDI通讯冗余测试（Honeywell系统内部通讯协议，DCS和ESD之间通讯协议）
备用容量验证
机组历史负荷测试
（4）系统可靠性测试
在预定时间内，系统无故障持续运行测试。
1.2 PCS系统硬件
PCS系统设备包括系统柜、接线柜、电源柜、服务器柜、网络柜、工程师站、操作站、Experion服务器及操作站、子域控制器、数据存储服务器、时钟同步服务器、设备管理服务器、历史数据存储服务器、PCMS服务器、CMS服务器、KVM交换机、网络交换机、防火墙及打印机等。
1.3 工厂测试阶段
PCS控制系统的工厂测试目的虽然是设备验收最后一步的测试工作，但是确实一个全过程的工作。经过很多项目的磨合，已经形成了一套标准的流程，包括：设计输入、典型化定义、预工厂测试、工厂测试、一体化工厂测试等阶段。PCS控制系统的本质还是服务于工艺系统的控制，工艺系统越复杂，则控制系统越复杂。整个过程视项目规模而时间不等，断则半年，长则一年，是一项比较艰难的工作。
2 设计输入和典型化设计
沙特电站项目往往比较有异于国内电站项目，因为石油化工项目较多，业主往往将化工项目的细致化、程序化和文件化带入电站项目当中，同时也由于业主在现场施工调试中严把流程关，这些都决定了对设计输入的严肃性和准确性有非常高的要求。其主要设计输入有：
系统控制点IO清单
工艺流程图（PFD和P&ID）
机组设备资产结构定义
主要设备和仪表数据表、参数等
ESD系统因果表
典型回路图
典型逻辑图和控制逻辑草图
工艺系统控制方案和描述
控制系统画面
主报警数据库
机组及主要设备性能曲线
趋势清单及各类报告报表要求
第三方通讯系统清单及PCDI点通讯清单
工艺系统启停步骤（含自动化启停控制逻辑）
现场运行人员巡检任务清单
其他
2.1 系统控制点IO清单，又称SUD（Shared User Database），是PCS控制系统设计的基础，清单的形成主要来自于主机设备接口信号清单和P&ID图纸。P&ID中的控制回路设计是依据机组控制逻辑图和典型回路图来进行设计的，因此P&ID图纸部分信号，需要结合典型回路图来进行确定每个设备所对应的信号，从而汇总成最终的信号清单。
IO清单在统计中，通常需要注意的事情有：
HART仪表：需在采购时注意NAMUR值的收集
FF仪表：需要厂商提供设备描述文件（Device Description File）和DTM软件，用于PCS与FF仪表的通讯和设备信息采集
FF回路容量计算：分析每个回路可以支持几个FF设备
电机水泵轴系振动检测参数
接口模拟量信号是否需要外供电
就地设备驱动信号是否需要常带电
2.2 由2.1可知，典型回路原则（Typical Loop Philosophy，见下图）是PCS设计中极为基础也极为关键的基础性文件。而是否形成了典型回路原则文件，也是沙特阿美有别于国内一般项目的重大体现，是其设计规范化的具体表现。典型回路原则因运行人员和项目的要求略有不同，通常需要在项目设计初期，通过与业主、各EPC及控制系统厂商通过多次技术会议确定。这一文件不光影响PCS系统的设计，也将对仪表设备选型、分控制系统甚至于主机控制系统进行规范统一，对项目控制系统的集成起着很大的积极作用。
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2.3 工艺控制方案和逻辑直接决定了设备信号接入的系统是ESD还是DCS。因为两个系统相互独立且采用不同的硬件，错误的设计修改起来是双倍的工程量，同时也将意味着双倍的费用，将给项目带来不可估量的损失。DCS信号用于数据采集、控制、报警、监视，而ESD信号则是用于连锁保护和紧急关断。即使现场对应同一介质的测量，通常两个系统都是单独设计仪表，ESD也因为系统安全等级高的要求，往往要求有三取二、三取平均、三取中间或者二取平均等等特殊的设计。对一些有限的特殊的信号无法进行同时分配的，则需要经过业主审批流程后，优先接入ESD系统，继而通过系统内部PCDI通讯至DCS部分。DCS部分对应形成控制回路清单和控制逻辑描述，而ESD部分则形成因果联系表，用于PCS系统的软件设计。国内PCS系统的设计分工中，设计院往往是将控制逻辑工作排除在外的，一般由PCS厂商直接沿用相似机组的成熟设计进行导入，然后在后期现场调试工作中，逐一调试修改后完成，可以说PCS现场调试的过程就是控制逻辑再设计的一个过程。成于此，我们国内的项目进度非常快，不断吸收错误的经验进行改正；毁于此，设计单位缺乏工艺运行专业设计人员，如同被阉割了此项能力，连带EPC对此类工程水土不服。再加上，阿美项目对于HAZOP研究、SIL等级研究以及机组一键启停逻辑等项工作的要求，使得控制逻辑的设计工作显得尤为复杂和重要，这是PCS工厂测试的重点工作。
2.4同样面临上述困境的还有控制系统画面的设计工作，这也需要我们在以后的工程项目中逐步积累提高。通常画面基于P&ID进行绘制，对于特殊功能的画面则需要根据运行操作情况进行专门设计，比如电源分配画面及一键启停画面等，都需要设计人员具备全面的专业能力。
PCS厂商通常在合同中对画面的规模进行约定（如下图），物体（Object）的定义通常是分歧点。一条线、一张图都会被PCS画面编辑软件视为一个物体，但其中所能包含的内容量是有很大差异的。当前阶段，个人认为引入专业的第三方设计团队会是一个比较不错的选择。
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2.5主报警数据库（MAD， Master Alarm Database），是报警管理系统的设计依据。它不仅仅是给定一个报警值就可以的，还需要对报警的优先级别、发生原因、影响、操作人员要求、操作人员相应时间、静态/动态抑制分组、设备资产归属等一系列要求提出具体的规定。这一切都是需要经过专业团队复杂的报警合理化研究（Alarm Rationalization Study）来得出的，这样一项工作是超出我们的设计单位和EPC想象的，往往也并没有在项目报价中包含，给项目带来损失。
2.6 第三方系统通讯清单。基于业主对控制系统高度自动化的要求（两套二拖一发电单元可能仅设置两人进行监盘操作），这包含了与几乎机组所有的分控制系统的通讯，间接要求各分控制系统采用PCS相同的设计，无论信号、画面、报警，还是报表、曲线报告等都需要集成到PCS操作站上，以便实现集中控制管理，甚至于一键启停。
为了防止重蹈17年“Shamoon”病毒袭击造成的网络安全事故和方便维护，阿美要求所有的控制系统的操作系统都需要遵循其网络安全标准，从而使各分系统都能通过PCS来进行时钟同步、系统更新、定期备份、杀毒软件自动更新等工作，以提高其控制系统的安全级别，减少数据丢失或系统崩溃带来的风险。这就对第三方控制系统提出了较高的技术要求，需要在设备采购合同中明确要求。
2.7 机组性能参数和曲线、启停曲线、H&MB以及机组工况等信息，主要用于机组运行指导系统(OAS，Operation Admistration System)和机组培训系统（OTS，Operation Training System）系统的建模仿真。
2.8现场运行人员巡检任务清单，用于巡检系统的数据库建立。此项需要对机组运行维护非常有经验的工程师结合设备和工艺系统要求进行编制。国内通常为业主自行安排，但是阿美项目则要求EPC进行设计。
2.9机组设备资产结构定义清单，用于机组设备资产管理库的建立。
以上内容只是众多设计输入问题中比较突出的条目，限于篇幅不做展开介绍。但是有一点是非常明确的：设计输入是做好一切的开始，是避免返工、工期延误和额外成本的根本。
3工厂测试
工厂测试通常分为三步：预工厂测试、工厂测试、一体化工厂测试。预工厂测试主要是EPC和PCS厂商之间的预先测试；工厂测试则需要业主工程师的参与；一体化工厂测试是指的对包括PCS和分控制系统内的整个控制系统的通讯集成、网络功能和安全、高技术解决方案等的工厂测试。需具备条件如下：
3.1设计输入及其他文件准备
设计相关内容在章节2中已详细描述，不再做重复。另需准备测试条目清单、记录表、缺陷单等文件。
文件上通常在电子版的基础上，再打印一份纸版。根据测试步骤，分别加盖“PRE-FAT MASTER”“FAT MASTER”和“IFAT MASTER”红章。测试中的更改内容用红色字体标注，由EPC工程师签字确认，以备后续查证和文件升版。
3.2 人力安排
该项目人力安排大致如下：
EPC方：技术负责人1名，工艺工程师1名，仪控工程师1名，控制逻辑工程师1名，PCS硬件工程师2名，PCS软件测试工程师4名（视测试分组情况而调整），阿美认证PID人员1名。
业主方：测试负责人1名，PCS硬件工程师2名，PCS运行调试工程师4名，工艺工程师1名。
PCS厂方：项目经理1名，技术负责人1名，ESD软件工程师2名，DCS软件工程师2名，硬件工程师2名，画面工程师1名，报警管理系统工程师2名，网络工程师1名，文件和缺陷管理工程师1名，高技术解决方案工程师（视系统数量和进度而定）。
上述人员的安排会根据测试分阶段进行安排，并不是全过程都需要参与。各节点之间没有明确的界限，需要工厂测试负责人通过日例会掌握测试进度，合理安排计划，动员相关工程师。
3.3 测试工具
主要测试工具有数字万用表、4-20mA信号发生器、断路探查试验器、带指示灯/开关和电压计的模拟盘等。
4.5焊缝经无损检测，如有超标缺陷，可用挖补的方式返修，但同一位置上挖补次数不得超过两次，并做到： a.彻底清除缺陷。b.补焊时，应按正式焊接工艺要求进行。c.返修的焊缝必须重新进行焊后热处理和无损检验。
5 焊缝检测
5.1主蒸汽焊口热处理完毕进行100%超声波检测、100%光谱检测、100%硬度检测、100%磁粉检测合格。
5.2对热处理完成的焊口进行无损检验时，如有不合格的，应对不合格焊缝进行返修。返修必须在返修措施指导下并按照工艺要求进行。返修后的焊缝，经热处理后应进行100％无损检验。
6 结束语
在主蒸汽管道更换施工过程中，严格按照此工艺进行施工，经无损检测，100%一次合格，达到了施工目标。履行了合同要求，满足了质量、进度、成本三大控制目标。保证了2号机组的安全稳定运行。
参考文献
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