650kt/a乙烯裝置ESD系統(tǒng)設(shè)計綜述
石油化工屬流程工業(yè),具有高溫,高壓,易燃,易爆等特征,在生產(chǎn)中具有極高的危險性,因此實現(xiàn)生產(chǎn)裝置的安全,穩(wěn)定,高效運行不僅是提高效益的關(guān)鍵,而且對生產(chǎn)人員,生產(chǎn)設(shè)備,以及整個社區(qū)安全都十分重要.在新一輪乙烯改造中,揚子石化選用了國際先進的ESD(Emergency Shut down, 緊急停車)系統(tǒng)實現(xiàn)裝置的安全控制.
650kt/a乙烯擴建裝置ESD系統(tǒng)由兩個層次的方式構(gòu)成:裂解爐區(qū),壓縮區(qū),急冷區(qū)和公用工程區(qū)實現(xiàn)聯(lián)鎖保護控制;冷區(qū)和熱區(qū)的塔系統(tǒng)控制除要求實現(xiàn)聯(lián)鎖控制外,還要求實現(xiàn)SIS(Safety Instrumented System)控制,以確保裝置在發(fā)生電力,循環(huán)水裝置或儀表系統(tǒng)等公共故障時火炬的排放量得到有效控制.原400kt/a乙烯裝置采用的是Honeywell公司的LM(邏輯管理器)系統(tǒng)對裝置進行聯(lián)鎖控制,因本輪改造經(jīng)費所限該部分沒有改為安全性更好的ESD系統(tǒng).
一 乙烯ESD系統(tǒng)的設(shè)計原則
1. 系統(tǒng)部分的設(shè)計原則
(1)為確保裝置安全,穩(wěn)定,可靠地運行,提高系統(tǒng)的運算速度,在擴建的新區(qū)設(shè)計中采用兩套ESD系統(tǒng)分別控制兩個重要的區(qū)域,一套用于控制裂解爐區(qū),急冷區(qū),壓縮區(qū),加氫區(qū)和公用工程區(qū),另一套用于冷區(qū)和熱區(qū).
(2)中央控制室(CCR)在原有控制室內(nèi)進行擴容,DCS在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行擴容,US操作站與原系統(tǒng)保持統(tǒng)一.ESD系統(tǒng)主機安裝在新機柜(NRR)間,裝在DCS輔操臺上的按鈕,開關(guān),報警燈的控制采用遠程控制站(RXM)控制,遠程控制站設(shè)在CCR,CCR和NRR之間的通信由三冗余的光纜構(gòu)成.
(3)為提高程序的掃描速率,ESD系統(tǒng)內(nèi)部未設(shè)計第一事故報警程序,區(qū)分第一事故的設(shè)備選用美國Ronan公司的分體式報警器,報警器的燈屏部分安裝在輔助操作臺上,作為操作人員的一種人機界面,控制部分安裝在機柜間.
(4)本著安全高于控制的原則,所有關(guān)鍵聯(lián)鎖檢測點采用先進ESD系統(tǒng),再通過SMM(安全管理器模件)與DCS中的UCN(萬能控制網(wǎng)絡(luò))通信,實現(xiàn)在US(通用操作站)上的數(shù)據(jù)顯示.
(5)新區(qū)和老區(qū)分別設(shè)計SOE(事故順序記錄儀)站,兩套ESD系統(tǒng)共設(shè)有4個SOE站,各站間用以太網(wǎng)(Enternet)相連.
(6)重要的I/O點全部選用熱備冗余方式,輸入卡全部選用光電隔離型,非SIL(Safety Interity Level)級的輸出卡選用繼電器隔離或光電隔離型,避免現(xiàn)場干擾
信號的影響.
(7)交流電源采用雙路方式供給電源模件,一路電源經(jīng)UPS(不間斷電源)供給ESD電源主模件,另一路市電電源供給ESD備用電源模件. 24V DC電源因其容量很大,分兩部分供給,一部分供給現(xiàn)場儀表和繼電器報警燈屏以及按鈕開關(guān)的工作電源,采用美國Acopian公司的冗余電源供給;另一部分供給現(xiàn)場電磁閥工作的電源,由配電所的直流電源裝置供給. 控制電磁閥的電源總線要選用鎧裝電纜,額定功率不能超出其總功率的50%,以避免電纜故障而造成大面積停車,在乙烯老區(qū)曾發(fā)生過因聯(lián)鎖電源電纜漏電而導(dǎo)致裂解爐全線停車的事故.
2. 現(xiàn)場儀表的設(shè)計原則
(1)SIS控制部分采用了SIL3級標(biāo)準(zhǔn)(SIL為美國ISA-S84.01標(biāo)準(zhǔn)要求的安全等級),SIL3級ESD部分的檢測儀表一律采用2oo3(3選2表決)的方式檢測.如塔壓和循環(huán)水的測量都采用3臺變送器同時測量,電網(wǎng)電壓采用3個電壓檢測器同時測量,壓縮機軸位移采用3個探頭和趨近器同時監(jiān)測等.3個檢測點的信號分別送入3個不同的三重化輸入模塊(TMR),由主處理器執(zhí)行3選2表決運算.
(2)控制裂解爐,透平泵的聯(lián)鎖和其他一些常規(guī)聯(lián)鎖則采用單臺檢測儀表,信號被送入TMR型輸入模塊.
(3)SIL3級緊急停車部分用于控制切斷閥門的電磁閥一律采用2個串聯(lián)方式設(shè)置,以防止某一個電磁閥失效而造成聯(lián)鎖動作失效;切斷閥上應(yīng)設(shè)置閥位變送器,將閥位的準(zhǔn)確狀態(tài)及時反饋給控制室.
(4)輸入ESD的測量儀表均獨立設(shè)置,不與控制回路合用,無需分配器分配.
(5)所有重要的切斷閥要求獨立設(shè)置,切斷閥均采用密封等級高的球閥,閥位開關(guān)信號由限位開關(guān)發(fā)出并傳送入DCS指示.
(6)對于塔系統(tǒng)控制加熱源的切斷閥,根據(jù)TEC(日本東洋工程公司)的計算采用調(diào)節(jié)閥與切斷閥合一的方法,如圖1所示方案1.此方案要求閥的密封等級在5級(Class 5)以上,采用上述設(shè)計經(jīng)過TEC計算,符合SIL3級要求.而如果采用方案2,將調(diào)節(jié)閥和切斷閥分開設(shè)置,不加閥位變送器,則只能達到SIL1級標(biāo)準(zhǔn),故方案2不予采用.TMR表示ESD系統(tǒng)內(nèi)三重化輸出模塊,其輸出信號與電磁閥相接,控制電磁閥的動作;與電磁閥相連的帶有雙斜線的管線是控制閥門動作的氣源管線.
二 ESD系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點
1. 基本結(jié)構(gòu)
根據(jù)乙烯工藝SIL3級的要求,選用的ESD系統(tǒng)必須具有TüV的AK6級認證(TüV認證是德國萊茵技術(shù)認證機構(gòu),該機構(gòu)專門對電子產(chǎn)品的安全性進行認證,對安全型控制系統(tǒng)的認證具有最高權(quán)威性,TüV的AK6級標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)于IEC和ISA安全標(biāo)準(zhǔn)的3級).經(jīng)過技術(shù)交流和商務(wù)投標(biāo),最后美國Triconex公司的TRICON系統(tǒng)中標(biāo).該公司是較早生產(chǎn)ESD的專業(yè)公司,主要生產(chǎn)表決型安全系統(tǒng),該系統(tǒng)中所有軟硬件都通過了TüV的AK6級認證. TRICON系統(tǒng)是一套從主處理器到輸入,輸出模件完全三重化的容錯控制系
統(tǒng)。
每個I/O模件內(nèi)有3個獨立的分電路.輸入模件的每個分電路讀入過程數(shù)據(jù)
并將此信息送至各主處理器.3個主處理器可利用其專有的高速三重化總線
(TRIBus)進行相互間的通信.每掃描一次,3個主處理器通過三重化總線與其相
鄰兩個主處理器進行通信,達到同步;同時三重化總線可對數(shù)字輸入數(shù)據(jù)進行表
決,對輸出數(shù)據(jù)進行比較,并將模擬輸入數(shù)據(jù)進行復(fù)制并送到每個處理器,主處
理器執(zhí)行各種控制算法,并將運算輸出值送到各輸出模件.除表決輸入數(shù)據(jù)外,
TRICON還表決輸出數(shù)據(jù).輸出數(shù)據(jù)的表決是在輸出模件中完成的,這樣可使其
盡可能與現(xiàn)場靠近,并對三總線表決與驅(qū)動現(xiàn)場的最終輸出間可能發(fā)生的任何錯
誤進行檢測和補償.系統(tǒng)對每個I/O模件都有熱備模件支持,在操作中如工作模
件發(fā)生故障,能立即投入控制.熱備模件還可起到在線修復(fù)系統(tǒng)的作用.
2. 主處理器的組成和硬件性能
(1)主處理器結(jié)構(gòu)
(2)主處理器性能
TRICON系統(tǒng)有3個主處理器(MP),用來控制系統(tǒng)的3個隔離的分電路,主
處理器(3006)內(nèi)含一個主CPU,一個通信CPU,一個I/O通信CPU。
每個MP內(nèi)有一個專用的I/O通信(IOP),管理MP和I/O模件間的數(shù)據(jù)交換;
另一個通信CPU(IOC)管理MP和通信模件間的數(shù)據(jù)交換.在每個輸入模件采集
數(shù)據(jù)的同時,新的輸入數(shù)據(jù)通過I/O總線相應(yīng)分電路傳送到MP,存入輸入表,
通過專用TRIBus傳送到相鄰主處理器中,在傳送的同時進行硬件表決出一個正
確的輸入值作為MP的輸入,送到應(yīng)用程序中(DI點采取三取二的方式,AI點采
取取中值的方式).CPU記錄下識別到的錯誤,在掃描的末期用容錯程序進行錯
誤分析以判斷是否為卡件故障.
(3)電源,通信總線及性能
卡件電源由位于機架最左邊的冗余電源模塊通過機架背面的冗余電
源Bus供應(yīng).機架背面共有3種總線:TRIBus,I/O Bus,通信Bus,此3種總線
的性能如表2所示.TRIBus同一個機架MP與I/O卡和通信卡件間的通信通過背
板上的三重化總線完成,不同機架間的數(shù)據(jù)交換通過機架左上角的三重化I/O電
纜完成.
3. 通信卡件及I/O卡件的性能特點
因乙烯裝置ESD系統(tǒng)的I/O點數(shù)達6000多點,應(yīng)用的卡件種類較多,下面
作具體介紹.
(1)DI卡(3503E,3564)
TRICON V9系統(tǒng)有兩種DI卡:TMR(三重冗余)卡和單點卡.
3503E為TMR卡,有3個輸入分電路,分別處理輸入到模件上的全部數(shù)據(jù),
各路之間完全隔離,并在TRICON系統(tǒng)和現(xiàn)場全部采用光電隔離.3503E DI 卡
完全不間斷地診斷每個分電路,如發(fā)現(xiàn)任何故障即點亮卡上的FAULT,同時將本
機架和主機架電源模塊上的FAULT燈點亮.FAULT燈亮只說明某一個分電路有
故障,并不說明模件失效,模件的容錯功能使之能帶著某種故障繼續(xù)正常工作.
3503E能夠自測試STACK ON(ON粘住測試),即在輸入回路中將一個開
關(guān)閉合,通過光電隔離回路讀入一個OFF值.測試時,卡件內(nèi)置的微處理器讀入
OFF值前的最后數(shù)據(jù)值在通信處理器中保持.
3564為單點卡,它只有一個輸入電路,輸入到模件中的數(shù)據(jù)分成3路分別送
入3個MP中,具有STACK ON及STACK OFF的檢測功能,如發(fā)現(xiàn)錯誤,
在500ms后將輸入數(shù)據(jù)置為安全狀態(tài),由于TRICON是設(shè)計成故障安全型,安全
狀態(tài)為OFF.
(2)DO卡(3664,3604E,3636R)
所有DO卡均有3路完全隔離的輸出分電路,3604E及3636R利用具有
TRICON專利的四方表決器進行表決.3664雙通道輸出卡在兩個輸出間進行表決,
如一致輸出結(jié)果至現(xiàn)場,不一致則輸出安全狀態(tài)為OFF.
所有輸出卡具有OVD(Output Voter Diagnostic)檢測功能,即DO卡定期發(fā)出
一個反狀態(tài)信號以檢測輸出分電路是否故障,時間保證在2ms內(nèi),一般為500ms,
不會影響現(xiàn)場控制.
所有輸出卡均具有STACK ON及STACK OFF功能,如發(fā)現(xiàn)STACK
OFF故障,由于是故障安全型設(shè)計,DO卡輸出保持故障狀態(tài),熱備卡不切換.
3636R為繼電器型輸出卡.
(3)通信卡(4329,4409)
NCM(網(wǎng)絡(luò)通信模件)網(wǎng)卡(4329)支持的通信協(xié)議如表3所示.
SMM卡(4409)是專門針對Honeywell TDC 3000而設(shè)計,使TRCION系統(tǒng)作
為UCN網(wǎng)絡(luò)的一個子站與DCS系統(tǒng)進行通信.功能如下:
(a)傳送所有I/O點至DCS;
(b)將所有TRICON系統(tǒng)報警信號傳送至DCS;
(c)與DCS進行所有Alias的讀/寫;
(d)在DCS上對TRICON系統(tǒng)進行診斷;
(e)在TDC-3000上對TRICON系統(tǒng)進行寫保護;
(f)與DCS時間同步;
(g)在DCS上作SOE ;
(h)可作熱備通信.
(4)遠程機架通信卡(RXM)
在同一個TRICON系統(tǒng)中,如果相鄰兩個機架距離太遠時,可利用三重化遠程機架通信卡進行通信.
(5)TRICON V9系統(tǒng)容量
TRICON V9系統(tǒng)由一個主機架和最多14個擴展機架或14個遠程擴展機架組成.最大系統(tǒng)是15個機架,可支持總數(shù)為118個I/O模件(控制點總數(shù)由各模件型號決定);并可通過通信卡與上位操作站,Modbus主機,Foxboro與Honeywell的DCS等設(shè)備通信. TRICON V9系統(tǒng)還具有在線修改程序的功能,在修改過程中能保證系統(tǒng)控制不間斷,并具有I/O點的強制功能,能根據(jù)現(xiàn)場改變變量值.
三 系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
1. 系統(tǒng)配置
乙烯裝置的控制區(qū)域有裂解爐區(qū),急冷區(qū),壓縮區(qū),熱區(qū),冷區(qū),汽油加氫區(qū),包含設(shè)備有4臺100kt/a裂解爐,壓縮機,反應(yīng)器,精餾塔等,接入ESD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型有DI,DO,AI.由于I/O點眾多,數(shù)據(jù)類型復(fù)雜,為確保系統(tǒng)的可靠性和運算速度,設(shè)計上應(yīng)用兩套TRICON V9系統(tǒng)構(gòu)成整個裝置的ESD控制.考慮到控制機柜間和中央控制室距離比較遠(相距800m),如將所有的操作開關(guān)及燈屏信號用信號電纜接入控制室,勢必增大投資費用,為此充分利用了TRICON V9系統(tǒng)的遠程擴展功能,將在中央控制室的操作信號接入遠程機架,再利用光纖將其與在遠方的主機架連接,實現(xiàn)遠程通信.因為遠程機架的連接也是三重化的,并且每個機架都采用了雙路光纖進行通信,所以保證了信號的可靠性,并大大縮短了施工時間.另外,整個ESD大部分槽位都有熱備卡,這樣,可確保系統(tǒng)的可靠性。
除以上用于I/O點處理的卡件外,每個系統(tǒng)另配有一塊SMM卡和NCM卡.通過Hub將SYS1,SYS2,工程師站,SOE站組成一個小型以太網(wǎng)絡(luò)用于系統(tǒng)的維護和狀態(tài)監(jiān)測,SYS1,SYS2分別設(shè)為NODE1和NODE2,TCP/IP地址分別為192.168.1.1和192.168.1.2. 通過SMM卡使ESD系統(tǒng)與DCS通信,DCS系統(tǒng)把ESD作為VCN網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點設(shè)備,SMM的通信速率達10Mb/s,是TRICON系統(tǒng)中3種通信方式中通信速度最快,通信容量最大的一種,設(shè)置的站號分別為41,43,用戶可方便地在DCS操作站上檢查各個I/O點狀態(tài)以及TRICON系統(tǒng)卡件的狀態(tài),以提高操作的穩(wěn)定性,有利于及時發(fā)現(xiàn)故障.
2. 軟件編制
乙烯ESD編程軟件是Tristation 1131,利用1131可進行系統(tǒng)組態(tài),系統(tǒng)診斷及應(yīng)用軟件編制.此軟件在Windows NT操作系統(tǒng)下運行,它有3種編程語言:功能塊圖,梯形圖,結(jié)構(gòu)語言.其中功能塊圖直接,易讀.1131除自身帶有大量常用的功能塊外,還允許用戶根據(jù)需要編制功能塊,方便重復(fù)使用.在乙烯裝置中是利用功能塊圖進行編程,SYS1和SYS2的應(yīng)用程序分別為Program1.PT2和Program2.PT2.在Program1.PT2中編寫了2oo3表決功能塊,模擬量輸入處理,偏差報警等功能塊,并輸出至用戶功能庫ETHYLENE.LT2,在Program2.PT2中調(diào)用.在兩個程序中均設(shè)3個SOE塊,所有DI點和內(nèi)存點都可用SOE記錄下來,方便故障分析.Program1.PT2和Program2.PT2的掃描時間分別為90ms,120ms.
3. 現(xiàn)場儀表部分的ESD實現(xiàn)
(1)根據(jù)TEC的要求,SIL3級的聯(lián)鎖切斷閥采用調(diào)節(jié)閥與切斷閥合二為一的方法,ESD的控制信號控制電磁閥的動作,DCS控制閥門的開度.閥門定位器采用具有位置檢測功能的Fisher DVC6000系列,閥位信號通過Moore公司的SPART檢測出來.SPART是一種Hart信號檢測器,它從智能閥門定位器中讀出HART信號,然后轉(zhuǎn)換為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)化信號輸出到DCS顯示;DCS系統(tǒng)再將此信號與該點的OP(輸出信號)比較,當(dāng)偏差大于*1%時系統(tǒng)發(fā)出報警。
(2)電磁閥工作電壓選用24V DC,為避免電纜的壓降造成電磁閥出現(xiàn)工作電壓過低的情況,現(xiàn)場電磁閥采用ASCO公司低功耗型.此種電磁閥功耗僅為1.4W,適合遠距離使用.所有電磁閥均采用單控型,正常情況下得電勵磁,故障時失電動作.
(3)在ASCO電磁閥和Fisher智能定位器相配合使用時,應(yīng)注意電磁閥的CV(流通能力)值必須大于0.49,否則閥門定位器會引起振蕩,從而使調(diào)節(jié)閥振蕩.
(4)用壓力變送器代替壓力開關(guān),有利于信號在DCS上顯示,同時防止壓力開關(guān)出現(xiàn)動作不靈的弊病.
4. ESD系統(tǒng)的設(shè)計特點
(1)SIL3級聯(lián)鎖輸出控制電磁閥的信號線上不加隔離繼電器,有利于回路進行StAck On檢測;
(2)非SIL3級聯(lián)鎖回路及其他與電氣配電室相關(guān)的用于機泵開/停控制的信號用中間繼電器隔離,其勵磁方式設(shè)計成故障安全型;
(3)輸出模塊設(shè)置成故障安全型,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時輸出保持原值不動;
(4)為盡量降低系統(tǒng)的故障率,采用MTL5073溫度變送器型安全柵,將溫度信號變換為4～20mA信號,既滿足本質(zhì)安全控制的要求,又實現(xiàn)了信號的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換.
四 ESD系統(tǒng)需考慮的問題
乙烯擴建裝置建成投產(chǎn)以來,ESD系統(tǒng)運行十分穩(wěn)定.分離塔系統(tǒng)實現(xiàn)了SIS控制,裝置的安全可靠性得到大大提高;但發(fā)生停車的概率提高了,停車的面積也擴大了,這也就降低了系統(tǒng)的可用性,這是一對矛盾.在專利商的要求下,SIS系統(tǒng)已經(jīng)投用,由于此種技術(shù)在國內(nèi)尚屬首次使用,如何處理好可靠性與可用性之間的關(guān)系,還要作深入的探討,研究.其中存在的問題歸納起來有以下幾點:
(1)在老區(qū)CW(循環(huán)水)故障時,有無必要停新區(qū) 在新區(qū)CW故障時,有無必要停老區(qū) 從布局和結(jié)構(gòu)上考慮老區(qū)和新區(qū)是相對獨立的,能否實現(xiàn)互不影響
(2)在CW故障時,原料泵是否有必要全停 若原料泵實現(xiàn)人工停,是否有時間 是否會造成危害 這值得探討;
(3)B閥自動關(guān)閉后,閉鎖的時間多長為合適以上幾點必須在生產(chǎn)過程中摸索,總結(jié),以使裝置的安全可靠性和可用性都達到最合理的水平,實現(xiàn)裝置運行的最優(yōu)化.
五 結(jié)語
乙烯裝置ESD系統(tǒng)的設(shè)計是一項十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程,從專業(yè)上來看牽涉到工藝,電氣,儀表,設(shè)備等專業(yè),從設(shè)計上來看牽涉到外商,國內(nèi)的多家設(shè)計院,從設(shè)備上來看牽涉到國內(nèi)外多家供應(yīng)商,各家單位必須遵循的最主要原則就是要建立統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),使用有成熟經(jīng)驗的產(chǎn)品,確保系統(tǒng)安全可靠;在系統(tǒng)設(shè)計中要充分吸取以往工作中的經(jīng)驗和教訓(xùn),結(jié)合工藝特點,并將此深刻地融化到設(shè)計中去,對于SIS系統(tǒng)的使用狀況還要在投用后進行及時完善.
650kt/a乙烯擴建裝置ESD系統(tǒng)由兩個層次的方式構(gòu)成:裂解爐區(qū),壓縮區(qū),急冷區(qū)和公用工程區(qū)實現(xiàn)聯(lián)鎖保護控制;冷區(qū)和熱區(qū)的塔系統(tǒng)控制除要求實現(xiàn)聯(lián)鎖控制外,還要求實現(xiàn)SIS(Safety Instrumented System)控制,以確保裝置在發(fā)生電力,循環(huán)水裝置或儀表系統(tǒng)等公共故障時火炬的排放量得到有效控制.原400kt/a乙烯裝置采用的是Honeywell公司的LM(邏輯管理器)系統(tǒng)對裝置進行聯(lián)鎖控制,因本輪改造經(jīng)費所限該部分沒有改為安全性更好的ESD系統(tǒng).
一 乙烯ESD系統(tǒng)的設(shè)計原則
1. 系統(tǒng)部分的設(shè)計原則
(1)為確保裝置安全,穩(wěn)定,可靠地運行,提高系統(tǒng)的運算速度,在擴建的新區(qū)設(shè)計中采用兩套ESD系統(tǒng)分別控制兩個重要的區(qū)域,一套用于控制裂解爐區(qū),急冷區(qū),壓縮區(qū),加氫區(qū)和公用工程區(qū),另一套用于冷區(qū)和熱區(qū).
(2)中央控制室(CCR)在原有控制室內(nèi)進行擴容,DCS在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行擴容,US操作站與原系統(tǒng)保持統(tǒng)一.ESD系統(tǒng)主機安裝在新機柜(NRR)間,裝在DCS輔操臺上的按鈕,開關(guān),報警燈的控制采用遠程控制站(RXM)控制,遠程控制站設(shè)在CCR,CCR和NRR之間的通信由三冗余的光纜構(gòu)成.
(3)為提高程序的掃描速率,ESD系統(tǒng)內(nèi)部未設(shè)計第一事故報警程序,區(qū)分第一事故的設(shè)備選用美國Ronan公司的分體式報警器,報警器的燈屏部分安裝在輔助操作臺上,作為操作人員的一種人機界面,控制部分安裝在機柜間.
(4)本著安全高于控制的原則,所有關(guān)鍵聯(lián)鎖檢測點采用先進ESD系統(tǒng),再通過SMM(安全管理器模件)與DCS中的UCN(萬能控制網(wǎng)絡(luò))通信,實現(xiàn)在US(通用操作站)上的數(shù)據(jù)顯示.
(5)新區(qū)和老區(qū)分別設(shè)計SOE(事故順序記錄儀)站,兩套ESD系統(tǒng)共設(shè)有4個SOE站,各站間用以太網(wǎng)(Enternet)相連.
(6)重要的I/O點全部選用熱備冗余方式,輸入卡全部選用光電隔離型,非SIL(Safety Interity Level)級的輸出卡選用繼電器隔離或光電隔離型,避免現(xiàn)場干擾
信號的影響.
(7)交流電源采用雙路方式供給電源模件,一路電源經(jīng)UPS(不間斷電源)供給ESD電源主模件,另一路市電電源供給ESD備用電源模件. 24V DC電源因其容量很大,分兩部分供給,一部分供給現(xiàn)場儀表和繼電器報警燈屏以及按鈕開關(guān)的工作電源,采用美國Acopian公司的冗余電源供給;另一部分供給現(xiàn)場電磁閥工作的電源,由配電所的直流電源裝置供給. 控制電磁閥的電源總線要選用鎧裝電纜,額定功率不能超出其總功率的50%,以避免電纜故障而造成大面積停車,在乙烯老區(qū)曾發(fā)生過因聯(lián)鎖電源電纜漏電而導(dǎo)致裂解爐全線停車的事故.
2. 現(xiàn)場儀表的設(shè)計原則
(1)SIS控制部分采用了SIL3級標(biāo)準(zhǔn)(SIL為美國ISA-S84.01標(biāo)準(zhǔn)要求的安全等級),SIL3級ESD部分的檢測儀表一律采用2oo3(3選2表決)的方式檢測.如塔壓和循環(huán)水的測量都采用3臺變送器同時測量,電網(wǎng)電壓采用3個電壓檢測器同時測量,壓縮機軸位移采用3個探頭和趨近器同時監(jiān)測等.3個檢測點的信號分別送入3個不同的三重化輸入模塊(TMR),由主處理器執(zhí)行3選2表決運算.
(2)控制裂解爐,透平泵的聯(lián)鎖和其他一些常規(guī)聯(lián)鎖則采用單臺檢測儀表,信號被送入TMR型輸入模塊.
(3)SIL3級緊急停車部分用于控制切斷閥門的電磁閥一律采用2個串聯(lián)方式設(shè)置,以防止某一個電磁閥失效而造成聯(lián)鎖動作失效;切斷閥上應(yīng)設(shè)置閥位變送器,將閥位的準(zhǔn)確狀態(tài)及時反饋給控制室.
(4)輸入ESD的測量儀表均獨立設(shè)置,不與控制回路合用,無需分配器分配.
(5)所有重要的切斷閥要求獨立設(shè)置,切斷閥均采用密封等級高的球閥,閥位開關(guān)信號由限位開關(guān)發(fā)出并傳送入DCS指示.
(6)對于塔系統(tǒng)控制加熱源的切斷閥,根據(jù)TEC(日本東洋工程公司)的計算采用調(diào)節(jié)閥與切斷閥合一的方法,如圖1所示方案1.此方案要求閥的密封等級在5級(Class 5)以上,采用上述設(shè)計經(jīng)過TEC計算,符合SIL3級要求.而如果采用方案2,將調(diào)節(jié)閥和切斷閥分開設(shè)置,不加閥位變送器,則只能達到SIL1級標(biāo)準(zhǔn),故方案2不予采用.TMR表示ESD系統(tǒng)內(nèi)三重化輸出模塊,其輸出信號與電磁閥相接,控制電磁閥的動作;與電磁閥相連的帶有雙斜線的管線是控制閥門動作的氣源管線.
二 ESD系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點
1. 基本結(jié)構(gòu)
根據(jù)乙烯工藝SIL3級的要求,選用的ESD系統(tǒng)必須具有TüV的AK6級認證(TüV認證是德國萊茵技術(shù)認證機構(gòu),該機構(gòu)專門對電子產(chǎn)品的安全性進行認證,對安全型控制系統(tǒng)的認證具有最高權(quán)威性,TüV的AK6級標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)于IEC和ISA安全標(biāo)準(zhǔn)的3級).經(jīng)過技術(shù)交流和商務(wù)投標(biāo),最后美國Triconex公司的TRICON系統(tǒng)中標(biāo).該公司是較早生產(chǎn)ESD的專業(yè)公司,主要生產(chǎn)表決型安全系統(tǒng),該系統(tǒng)中所有軟硬件都通過了TüV的AK6級認證. TRICON系統(tǒng)是一套從主處理器到輸入,輸出模件完全三重化的容錯控制系
統(tǒng)。
每個I/O模件內(nèi)有3個獨立的分電路.輸入模件的每個分電路讀入過程數(shù)據(jù)
并將此信息送至各主處理器.3個主處理器可利用其專有的高速三重化總線
(TRIBus)進行相互間的通信.每掃描一次,3個主處理器通過三重化總線與其相
鄰兩個主處理器進行通信,達到同步;同時三重化總線可對數(shù)字輸入數(shù)據(jù)進行表
決,對輸出數(shù)據(jù)進行比較,并將模擬輸入數(shù)據(jù)進行復(fù)制并送到每個處理器,主處
理器執(zhí)行各種控制算法,并將運算輸出值送到各輸出模件.除表決輸入數(shù)據(jù)外,
TRICON還表決輸出數(shù)據(jù).輸出數(shù)據(jù)的表決是在輸出模件中完成的,這樣可使其
盡可能與現(xiàn)場靠近,并對三總線表決與驅(qū)動現(xiàn)場的最終輸出間可能發(fā)生的任何錯
誤進行檢測和補償.系統(tǒng)對每個I/O模件都有熱備模件支持,在操作中如工作模
件發(fā)生故障,能立即投入控制.熱備模件還可起到在線修復(fù)系統(tǒng)的作用.
2. 主處理器的組成和硬件性能
(1)主處理器結(jié)構(gòu)
(2)主處理器性能
TRICON系統(tǒng)有3個主處理器(MP),用來控制系統(tǒng)的3個隔離的分電路,主
處理器(3006)內(nèi)含一個主CPU,一個通信CPU,一個I/O通信CPU。
每個MP內(nèi)有一個專用的I/O通信(IOP),管理MP和I/O模件間的數(shù)據(jù)交換;
另一個通信CPU(IOC)管理MP和通信模件間的數(shù)據(jù)交換.在每個輸入模件采集
數(shù)據(jù)的同時,新的輸入數(shù)據(jù)通過I/O總線相應(yīng)分電路傳送到MP,存入輸入表,
通過專用TRIBus傳送到相鄰主處理器中,在傳送的同時進行硬件表決出一個正
確的輸入值作為MP的輸入,送到應(yīng)用程序中(DI點采取三取二的方式,AI點采
取取中值的方式).CPU記錄下識別到的錯誤,在掃描的末期用容錯程序進行錯
誤分析以判斷是否為卡件故障.
(3)電源,通信總線及性能
卡件電源由位于機架最左邊的冗余電源模塊通過機架背面的冗余電
源Bus供應(yīng).機架背面共有3種總線:TRIBus,I/O Bus,通信Bus,此3種總線
的性能如表2所示.TRIBus同一個機架MP與I/O卡和通信卡件間的通信通過背
板上的三重化總線完成,不同機架間的數(shù)據(jù)交換通過機架左上角的三重化I/O電
纜完成.
3. 通信卡件及I/O卡件的性能特點
因乙烯裝置ESD系統(tǒng)的I/O點數(shù)達6000多點,應(yīng)用的卡件種類較多,下面
作具體介紹.
(1)DI卡(3503E,3564)
TRICON V9系統(tǒng)有兩種DI卡:TMR(三重冗余)卡和單點卡.
3503E為TMR卡,有3個輸入分電路,分別處理輸入到模件上的全部數(shù)據(jù),
各路之間完全隔離,并在TRICON系統(tǒng)和現(xiàn)場全部采用光電隔離.3503E DI 卡
完全不間斷地診斷每個分電路,如發(fā)現(xiàn)任何故障即點亮卡上的FAULT,同時將本
機架和主機架電源模塊上的FAULT燈點亮.FAULT燈亮只說明某一個分電路有
故障,并不說明模件失效,模件的容錯功能使之能帶著某種故障繼續(xù)正常工作.
3503E能夠自測試STACK ON(ON粘住測試),即在輸入回路中將一個開
關(guān)閉合,通過光電隔離回路讀入一個OFF值.測試時,卡件內(nèi)置的微處理器讀入
OFF值前的最后數(shù)據(jù)值在通信處理器中保持.
3564為單點卡,它只有一個輸入電路,輸入到模件中的數(shù)據(jù)分成3路分別送
入3個MP中,具有STACK ON及STACK OFF的檢測功能,如發(fā)現(xiàn)錯誤,
在500ms后將輸入數(shù)據(jù)置為安全狀態(tài),由于TRICON是設(shè)計成故障安全型,安全
狀態(tài)為OFF.
(2)DO卡(3664,3604E,3636R)
所有DO卡均有3路完全隔離的輸出分電路,3604E及3636R利用具有
TRICON專利的四方表決器進行表決.3664雙通道輸出卡在兩個輸出間進行表決,
如一致輸出結(jié)果至現(xiàn)場,不一致則輸出安全狀態(tài)為OFF.
所有輸出卡具有OVD(Output Voter Diagnostic)檢測功能,即DO卡定期發(fā)出
一個反狀態(tài)信號以檢測輸出分電路是否故障,時間保證在2ms內(nèi),一般為500ms,
不會影響現(xiàn)場控制.
所有輸出卡均具有STACK ON及STACK OFF功能,如發(fā)現(xiàn)STACK
OFF故障,由于是故障安全型設(shè)計,DO卡輸出保持故障狀態(tài),熱備卡不切換.
3636R為繼電器型輸出卡.
(3)通信卡(4329,4409)
NCM(網(wǎng)絡(luò)通信模件)網(wǎng)卡(4329)支持的通信協(xié)議如表3所示.
SMM卡(4409)是專門針對Honeywell TDC 3000而設(shè)計,使TRCION系統(tǒng)作
為UCN網(wǎng)絡(luò)的一個子站與DCS系統(tǒng)進行通信.功能如下:
(a)傳送所有I/O點至DCS;
(b)將所有TRICON系統(tǒng)報警信號傳送至DCS;
(c)與DCS進行所有Alias的讀/寫;
(d)在DCS上對TRICON系統(tǒng)進行診斷;
(e)在TDC-3000上對TRICON系統(tǒng)進行寫保護;
(f)與DCS時間同步;
(g)在DCS上作SOE ;
(h)可作熱備通信.
(4)遠程機架通信卡(RXM)
在同一個TRICON系統(tǒng)中,如果相鄰兩個機架距離太遠時,可利用三重化遠程機架通信卡進行通信.
(5)TRICON V9系統(tǒng)容量
TRICON V9系統(tǒng)由一個主機架和最多14個擴展機架或14個遠程擴展機架組成.最大系統(tǒng)是15個機架,可支持總數(shù)為118個I/O模件(控制點總數(shù)由各模件型號決定);并可通過通信卡與上位操作站,Modbus主機,Foxboro與Honeywell的DCS等設(shè)備通信. TRICON V9系統(tǒng)還具有在線修改程序的功能,在修改過程中能保證系統(tǒng)控制不間斷,并具有I/O點的強制功能,能根據(jù)現(xiàn)場改變變量值.
三 系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
1. 系統(tǒng)配置
乙烯裝置的控制區(qū)域有裂解爐區(qū),急冷區(qū),壓縮區(qū),熱區(qū),冷區(qū),汽油加氫區(qū),包含設(shè)備有4臺100kt/a裂解爐,壓縮機,反應(yīng)器,精餾塔等,接入ESD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型有DI,DO,AI.由于I/O點眾多,數(shù)據(jù)類型復(fù)雜,為確保系統(tǒng)的可靠性和運算速度,設(shè)計上應(yīng)用兩套TRICON V9系統(tǒng)構(gòu)成整個裝置的ESD控制.考慮到控制機柜間和中央控制室距離比較遠(相距800m),如將所有的操作開關(guān)及燈屏信號用信號電纜接入控制室,勢必增大投資費用,為此充分利用了TRICON V9系統(tǒng)的遠程擴展功能,將在中央控制室的操作信號接入遠程機架,再利用光纖將其與在遠方的主機架連接,實現(xiàn)遠程通信.因為遠程機架的連接也是三重化的,并且每個機架都采用了雙路光纖進行通信,所以保證了信號的可靠性,并大大縮短了施工時間.另外,整個ESD大部分槽位都有熱備卡,這樣,可確保系統(tǒng)的可靠性。
除以上用于I/O點處理的卡件外,每個系統(tǒng)另配有一塊SMM卡和NCM卡.通過Hub將SYS1,SYS2,工程師站,SOE站組成一個小型以太網(wǎng)絡(luò)用于系統(tǒng)的維護和狀態(tài)監(jiān)測,SYS1,SYS2分別設(shè)為NODE1和NODE2,TCP/IP地址分別為192.168.1.1和192.168.1.2. 通過SMM卡使ESD系統(tǒng)與DCS通信,DCS系統(tǒng)把ESD作為VCN網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點設(shè)備,SMM的通信速率達10Mb/s,是TRICON系統(tǒng)中3種通信方式中通信速度最快,通信容量最大的一種,設(shè)置的站號分別為41,43,用戶可方便地在DCS操作站上檢查各個I/O點狀態(tài)以及TRICON系統(tǒng)卡件的狀態(tài),以提高操作的穩(wěn)定性,有利于及時發(fā)現(xiàn)故障.
2. 軟件編制
乙烯ESD編程軟件是Tristation 1131,利用1131可進行系統(tǒng)組態(tài),系統(tǒng)診斷及應(yīng)用軟件編制.此軟件在Windows NT操作系統(tǒng)下運行,它有3種編程語言:功能塊圖,梯形圖,結(jié)構(gòu)語言.其中功能塊圖直接,易讀.1131除自身帶有大量常用的功能塊外,還允許用戶根據(jù)需要編制功能塊,方便重復(fù)使用.在乙烯裝置中是利用功能塊圖進行編程,SYS1和SYS2的應(yīng)用程序分別為Program1.PT2和Program2.PT2.在Program1.PT2中編寫了2oo3表決功能塊,模擬量輸入處理,偏差報警等功能塊,并輸出至用戶功能庫ETHYLENE.LT2,在Program2.PT2中調(diào)用.在兩個程序中均設(shè)3個SOE塊,所有DI點和內(nèi)存點都可用SOE記錄下來,方便故障分析.Program1.PT2和Program2.PT2的掃描時間分別為90ms,120ms.
3. 現(xiàn)場儀表部分的ESD實現(xiàn)
(1)根據(jù)TEC的要求,SIL3級的聯(lián)鎖切斷閥采用調(diào)節(jié)閥與切斷閥合二為一的方法,ESD的控制信號控制電磁閥的動作,DCS控制閥門的開度.閥門定位器采用具有位置檢測功能的Fisher DVC6000系列,閥位信號通過Moore公司的SPART檢測出來.SPART是一種Hart信號檢測器,它從智能閥門定位器中讀出HART信號,然后轉(zhuǎn)換為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)化信號輸出到DCS顯示;DCS系統(tǒng)再將此信號與該點的OP(輸出信號)比較,當(dāng)偏差大于*1%時系統(tǒng)發(fā)出報警。
(2)電磁閥工作電壓選用24V DC,為避免電纜的壓降造成電磁閥出現(xiàn)工作電壓過低的情況,現(xiàn)場電磁閥采用ASCO公司低功耗型.此種電磁閥功耗僅為1.4W,適合遠距離使用.所有電磁閥均采用單控型,正常情況下得電勵磁,故障時失電動作.
(3)在ASCO電磁閥和Fisher智能定位器相配合使用時,應(yīng)注意電磁閥的CV(流通能力)值必須大于0.49,否則閥門定位器會引起振蕩,從而使調(diào)節(jié)閥振蕩.
(4)用壓力變送器代替壓力開關(guān),有利于信號在DCS上顯示,同時防止壓力開關(guān)出現(xiàn)動作不靈的弊病.
4. ESD系統(tǒng)的設(shè)計特點
(1)SIL3級聯(lián)鎖輸出控制電磁閥的信號線上不加隔離繼電器,有利于回路進行StAck On檢測;
(2)非SIL3級聯(lián)鎖回路及其他與電氣配電室相關(guān)的用于機泵開/停控制的信號用中間繼電器隔離,其勵磁方式設(shè)計成故障安全型;
(3)輸出模塊設(shè)置成故障安全型,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時輸出保持原值不動;
(4)為盡量降低系統(tǒng)的故障率,采用MTL5073溫度變送器型安全柵,將溫度信號變換為4～20mA信號,既滿足本質(zhì)安全控制的要求,又實現(xiàn)了信號的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換.
四 ESD系統(tǒng)需考慮的問題
乙烯擴建裝置建成投產(chǎn)以來,ESD系統(tǒng)運行十分穩(wěn)定.分離塔系統(tǒng)實現(xiàn)了SIS控制,裝置的安全可靠性得到大大提高;但發(fā)生停車的概率提高了,停車的面積也擴大了,這也就降低了系統(tǒng)的可用性,這是一對矛盾.在專利商的要求下,SIS系統(tǒng)已經(jīng)投用,由于此種技術(shù)在國內(nèi)尚屬首次使用,如何處理好可靠性與可用性之間的關(guān)系,還要作深入的探討,研究.其中存在的問題歸納起來有以下幾點:
(1)在老區(qū)CW(循環(huán)水)故障時,有無必要停新區(qū) 在新區(qū)CW故障時,有無必要停老區(qū) 從布局和結(jié)構(gòu)上考慮老區(qū)和新區(qū)是相對獨立的,能否實現(xiàn)互不影響
(2)在CW故障時,原料泵是否有必要全停 若原料泵實現(xiàn)人工停,是否有時間 是否會造成危害 這值得探討;
(3)B閥自動關(guān)閉后,閉鎖的時間多長為合適以上幾點必須在生產(chǎn)過程中摸索,總結(jié),以使裝置的安全可靠性和可用性都達到最合理的水平,實現(xiàn)裝置運行的最優(yōu)化.
五 結(jié)語
乙烯裝置ESD系統(tǒng)的設(shè)計是一項十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程,從專業(yè)上來看牽涉到工藝,電氣,儀表,設(shè)備等專業(yè),從設(shè)計上來看牽涉到外商,國內(nèi)的多家設(shè)計院,從設(shè)備上來看牽涉到國內(nèi)外多家供應(yīng)商,各家單位必須遵循的最主要原則就是要建立統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),使用有成熟經(jīng)驗的產(chǎn)品,確保系統(tǒng)安全可靠;在系統(tǒng)設(shè)計中要充分吸取以往工作中的經(jīng)驗和教訓(xùn),結(jié)合工藝特點,并將此深刻地融化到設(shè)計中去,對于SIS系統(tǒng)的使用狀況還要在投用后進行及時完善.
文章版權(quán)歸西部工控xbgk所有，未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載。
服務(wù)咨詢