ABB PLUTO安全PLC在乙炔氨自控聯(lián)鎖裝置ESD系統(tǒng)中的應(yīng)用

師海雄

(重慶浦仁達(dá)科技有限公司，重慶 400020)

一 概述

隨著石油化工裝置的日趨大型化，工藝過(guò)程的不斷復(fù)雜化，生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生危險(xiǎn)的可能性也呈增大趨勢(shì)，加之人們對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、設(shè)備、人身、環(huán)境的保護(hù)等因素的要求使得獨(dú)立于控制系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖顯得十分必要，這種專用的安全保護(hù)系統(tǒng)就是——ESD緊急停車(chē)系統(tǒng)(Emergency Shutdown Device)。ESD適用于高溫、高壓、易燃、易爆等場(chǎng)合，可以對(duì)生產(chǎn)裝置可能發(fā)生的危險(xiǎn)或不采取措施將繼續(xù)惡化的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)和保護(hù)，使生產(chǎn)裝置進(jìn)入一個(gè)預(yù)定義的安全停車(chē)工況，從而使危險(xiǎn)降低到可以接受的最低程度，以保證人員、設(shè)備、生產(chǎn)裝置和環(huán)境的安全。在講究高效安全生產(chǎn)的石油化工行業(yè)，如今投入ESD系統(tǒng)已是眾多企業(yè)的選擇，并成為保證生產(chǎn)可靠性與安全性，提高經(jīng)濟(jì)效益的必要手段之一。

重慶方鑫精細(xì)化工有限公司乙炔氨自控聯(lián)鎖裝置工程項(xiàng)目屬改造項(xiàng)目。作為一個(gè)典型的精細(xì)化工裝置，反應(yīng)溫度壓力高、易燃易爆且中間產(chǎn)物含劇毒易揮發(fā)，此外整個(gè)項(xiàng)目工藝流程復(fù)雜，中間環(huán)節(jié)眾多，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)均會(huì)導(dǎo)致其他環(huán)節(jié)不能正常工作，甚至前功盡棄，因此要實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的安全穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)，這就要求必須配置先進(jìn)的、高可靠的設(shè)備，配置能充分滿足石油化工裝置及機(jī)組的緊急停車(chē)和安全聯(lián)鎖的ESD系統(tǒng)?；诖丝紤]，其選用了 ABB PLUTO安全PLC。Pluto是一種可編程的安全系統(tǒng)，用于防止控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障而引起的安全功能喪失，因此系統(tǒng)設(shè)置了整體冗余和監(jiān)控。和普通的PLC不同的是Pluto采用了2個(gè)微處理器，同時(shí)對(duì)每個(gè)安全功能進(jìn)行控制和監(jiān)控，以保證正確的運(yùn)行。系統(tǒng)的每個(gè)輸入都單獨(dú)連接到每個(gè)處理器，各自有獨(dú)立的內(nèi)存并執(zhí)行各自的程序。處理器通過(guò)連續(xù)的對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較，來(lái)確保數(shù)據(jù)的完整性。每個(gè)安全輸出都連接到兩個(gè)處理器，在應(yīng)用程序中，兩個(gè)處理器都要檢查邏輯條件是否滿足，否則不能置位。

二 ESD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.重慶方鑫精細(xì)化工有限公司乙炔氨自控聯(lián)鎖裝置工程項(xiàng)目，ESD系統(tǒng)采用了ABB PLUTO安全PLC，其處理器是為了完成特定的任務(wù)而進(jìn)行組態(tài)和編程。通過(guò)高性能的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)及分散處理單元、過(guò)程I/O、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、人機(jī)接口和過(guò)程控制軟件等來(lái)完成裝置的監(jiān)視、保護(hù)和控制。PLUTO硬件安全、可靠、先進(jìn)。系統(tǒng)應(yīng)易于組態(tài)，易于使用，易于擴(kuò)展。

ESD裝置可以ModBus RTU或OPC的方式完成與DCS系統(tǒng)的通訊。

2.該系統(tǒng)將在生產(chǎn)裝置內(nèi)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，并接上輸入輸出信號(hào)后即可滿足本裝置的過(guò)程控制與聯(lián)鎖保護(hù)、參數(shù)報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄與歸檔等功能要求，并能安全可靠地運(yùn)行。

3.系統(tǒng)基本組成

1)ESD系統(tǒng)應(yīng)為操作員及工程師提供用于監(jiān)控、操作、組態(tài)及維護(hù)的良好人機(jī)接口設(shè)備——操作站及工程師站，且操作簡(jiǎn)單方便。對(duì)不同級(jí)別的操作人員(操作員，工長(zhǎng)，系統(tǒng)工程師等)的操作權(quán)限采用密碼或其它方式加以限制。

2)本工程設(shè)置了1個(gè)操作員站(工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)，同時(shí)兼做工程師站用)，1個(gè)獨(dú)立的輔助操作臺(tái)。工程師站用于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與維護(hù)、參數(shù)設(shè)置等功能。輔助操作臺(tái)用于ESD系統(tǒng)聯(lián)鎖停車(chē)功能。作為報(bào)表與事件記錄輸出設(shè)備，本裝置的控制室內(nèi)設(shè)置1臺(tái)激光打印機(jī)，完成報(bào)表、歷史記錄、故障診斷信息輸出等功能。(見(jiàn)圖1)。

3)本工程設(shè)置ESD系統(tǒng)機(jī)柜1個(gè)，用于控制器及I/O卡件等功能模件的安裝及信號(hào)信號(hào)調(diào)理器等元件的安裝。

ESD系統(tǒng)控制器通過(guò)智能型、冗余型過(guò)程I/O卡件、連接端子以及必要的信號(hào)調(diào)理設(shè)備，完成離散的數(shù)據(jù)采集與控制功能?？刂破髋c智能I/O卡件之間通過(guò)專門(mén)的I/O總線通訊，其通訊速率均不應(yīng)低于5MBPS。所有系統(tǒng)卡件均支持DIN導(dǎo)軌安裝方式，且均安裝在系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)。

圖1 ESD系統(tǒng)配置圖

4.工藝簡(jiǎn)介和系統(tǒng)規(guī)模

重慶方鑫精細(xì)化工乙炔氨自控聯(lián)鎖裝置工程項(xiàng)目根據(jù)工藝劃分為四個(gè)單元，一單元是電石在發(fā)生器內(nèi)水解生成的乙炔氣經(jīng)洗泥器洗滌冷卻至70℃左右，經(jīng)正、逆水封后，進(jìn)入乙炔氣柜;二單于是乙炔氣經(jīng)管道進(jìn)入冷卻塔，冷卻降溫后的乙炔氣經(jīng)水環(huán)壓縮機(jī)加壓后進(jìn)入二級(jí)串聯(lián)的清凈塔，利用次氯酸鈉的強(qiáng)氧化性質(zhì)，除去硫化氫、磷化氫等雜質(zhì);三單元是經(jīng)清凈后的乙炔氣進(jìn)入中和塔被堿液所中和，然后送往轉(zhuǎn)化合成工序;四單元是乙炔氣進(jìn)入反映釜與送入反應(yīng)釜內(nèi)的氨氣進(jìn)行反應(yīng)。

整個(gè)項(xiàng)目中共有3個(gè)乙炔氣柜，2臺(tái)乙炔輸送泵，7臺(tái)壓縮機(jī)，9個(gè)反應(yīng)釜，9個(gè)液氨貯罐，3個(gè)冷卻塔。本項(xiàng)目ESD系統(tǒng)主要作用在這些工段，乙炔氣柜出口設(shè)DN200氣動(dòng)緊急切斷閥3臺(tái);反應(yīng)釜進(jìn)口設(shè)DN50氣動(dòng)緊急切斷閥9臺(tái);液氨貯罐進(jìn)口設(shè)DN65氣動(dòng)緊急切斷閥9臺(tái);ESD系統(tǒng)設(shè)輔助操作臺(tái)1套，用于在外界環(huán)境(乙炔氣體泄漏或火災(zāi))對(duì)管道運(yùn)行帶來(lái)危害時(shí)，操作人員可以手動(dòng)操作切斷整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行或部分工段設(shè)備運(yùn)行，確保安全。

系統(tǒng)具體配置如下：

1)ESD點(diǎn)位統(tǒng)計(jì)

數(shù)量DI DO AI AO壓力報(bào)警設(shè)定器9 9乙炔反應(yīng)釜攪拌檢測(cè)9 9反應(yīng)釜溫度報(bào)警設(shè)定器9 9反應(yīng)釜壓力報(bào)警設(shè)定器9 9乙炔氨儲(chǔ)罐溫度報(bào)警設(shè)定器9 9環(huán)境溫度報(bào)警設(shè)定3 3乙炔輸送泵電源接觸器2 2壓縮機(jī)斷電接觸器9 9乙炔輸送泵狀態(tài)2 2 2壓縮機(jī)停車(chē)狀態(tài)9 9 9反應(yīng)釜進(jìn)料切斷閥9 9釜底切斷閥(反應(yīng)釜出口)9 9冷凝器出口切斷閥3 3乙炔柜出口切斷閥2 2乙炔氨氣柜進(jìn)料切斷閥3 3氨蒸發(fā)器進(jìn)口切斷閥1 1急停1進(jìn)料停止1溫度高報(bào)警1壓力高報(bào)警1聯(lián)鎖指示1聯(lián)鎖復(fù)位1

2)ESD配置清單

?

3)ESD系統(tǒng)IO卡件配置

?

4)ESD配置說(shuō)明

所有IO點(diǎn)數(shù)按照至少20%的比例留有余量。

本安全聯(lián)鎖自控系統(tǒng)在安全聯(lián)鎖部分采用具有SIL2以上本質(zhì)安全認(rèn)證的安全控制器，可在聯(lián)鎖狀態(tài)時(shí)按照預(yù)先設(shè)定的聯(lián)鎖邏輯，緊急停止(或啟動(dòng))關(guān)鍵設(shè)備，以達(dá)到安全控制的目的。

選用ABB PlutoB安全PLC控制系統(tǒng)，PlutoB是一種可編程的安全系統(tǒng)，并通過(guò)了嚴(yán)格的本質(zhì)安全認(rèn)證(SIL3)，用于防止控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障而引起的安全功能喪失，因此系統(tǒng)設(shè)置了整體冗余和監(jiān)控，和普通的PLC系統(tǒng)不同的是Pluto采用了兩個(gè)微處理器，同時(shí)對(duì)每個(gè)安全功能進(jìn)行控制和監(jiān)控，以確保正常的運(yùn)行。系統(tǒng)的每個(gè)輸入都單獨(dú)連接到每個(gè)處理器，各自有獨(dú)立的內(nèi)存并執(zhí)行各自的程序。處理器通過(guò)連續(xù)的對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較，來(lái)確保數(shù)據(jù)的完整性。系統(tǒng)的輸出均為故障安全型。每個(gè)安全輸出都連接到兩個(gè)處理器，在應(yīng)用程序中，兩個(gè)處理器都要檢查邏輯條件是否滿足，否則不能置位。

系統(tǒng)最終形成3個(gè)I/O機(jī)柜，配置3臺(tái)操作員站及單獨(dú)的ESD輔操臺(tái)。系統(tǒng)配置為網(wǎng)絡(luò)冗余、控制冗余、電源冗余。ESD系統(tǒng)按照SIL2等級(jí)設(shè)計(jì)，配置浪涌保護(hù)器、溫變、報(bào)警設(shè)定器、安全柵等符合化工相關(guān)規(guī)范要求的安全措施。

5.控制功能

過(guò)程控制器接受過(guò)程變量的輸入信號(hào)，然后對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，存放到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中顯示或計(jì)算，傳送輸出信號(hào)至最終控制元件。

(1)系統(tǒng)對(duì)模擬量提供線性化、補(bǔ)償、累計(jì)、開(kāi)方和報(bào)警功能;系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)量提供報(bào)警和狀態(tài)變化的檢測(cè)。

(2)系統(tǒng)能夠完成調(diào)節(jié)控制、連鎖邏輯、手動(dòng)操作，由標(biāo)準(zhǔn)算法或用戶程序組合而成的自動(dòng)順序。

(3)調(diào)節(jié)控制功能至少包括各種PID算法(反饋、前饋、開(kāi)關(guān)、比率、超前/滯后等)、標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算(加、減、乘、除、復(fù)合運(yùn)算等)、基本的控制功能(開(kāi)關(guān)、限幅、高/地選擇等)、自適應(yīng)控制功能。

(4)連鎖控制功能包括用于調(diào)節(jié)控制的布爾邏輯和用于開(kāi)關(guān)控制的梯形邏輯。

(5)順序控制功能可以執(zhí)行啟動(dòng)/停止順序、批量處理或任何預(yù)先定義的程序步驟。

6.畫(huà)面功能

HMI畫(huà)面為操作員了解生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)提供了顯示窗口，并能支持以下幾類畫(huà)面。

(1)總貌畫(huà)面：顯示系統(tǒng)各設(shè)備、裝置、區(qū)域的運(yùn)行狀態(tài)以及全部參數(shù)變量的狀態(tài)，測(cè)量值、設(shè)定值、控制方式(手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài))，高低報(bào)警等信息。從各顯示塊可以調(diào)出其他畫(huà)面。

(2)分組畫(huà)面：以模擬儀表的表盤(pán)形式按事先設(shè)定的分組，同時(shí)顯示幾個(gè)回路的信息：如過(guò)程參數(shù)變量的測(cè)量值，調(diào)節(jié)器的設(shè)定值、輸出值、控制方式等。變量值每秒更新一次，分組可任意進(jìn)行，操作員可從分組畫(huà)面調(diào)出任一變量(模擬量或離散量)的詳細(xì)信息。對(duì)模擬回路可以手動(dòng)改變?cè)O(shè)定值、輸出值、控制方式等;對(duì)離散量可以手動(dòng)操作設(shè)備的開(kāi)啟和停止，畫(huà)面顯示出指令狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài)。

(3)單點(diǎn)畫(huà)面(調(diào)整畫(huà)面)：顯示一個(gè)參數(shù)，控制點(diǎn)的全部信息以及實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)。從調(diào)整畫(huà)面也可以直接對(duì)模擬回路進(jìn)行設(shè)定、調(diào)整操作。

(4)趨勢(shì)畫(huà)面：系統(tǒng)具有顯示高速公路上任何數(shù)據(jù)點(diǎn)趨勢(shì)的能力，并在同一坐標(biāo)軸上顯示至少四個(gè)變量的趨勢(shì)記錄曲線，有可供用戶自由選擇的參數(shù)變量，不同顏色和不同的時(shí)間間隔，也可以對(duì)數(shù)據(jù)軸進(jìn)行任意放大顯示。

(5)報(bào)警畫(huà)面：顯示當(dāng)前所有正在進(jìn)行的過(guò)程參數(shù)報(bào)警和系統(tǒng)硬件故障報(bào)警，并按報(bào)警的時(shí)間順序從最新發(fā)生的報(bào)警開(kāi)始排起，報(bào)警優(yōu)先級(jí)別和狀態(tài)用不同的顏色來(lái)區(qū)別，未經(jīng)確認(rèn)的報(bào)警處于閃爍狀態(tài)。

報(bào)警內(nèi)容包括：報(bào)警時(shí)間;過(guò)程變量名;過(guò)程變量說(shuō)明;過(guò)程變量的當(dāng)前值;報(bào)警設(shè)定值;過(guò)程變量的工程單位;報(bào)警優(yōu)先級(jí)別。

(6)流程畫(huà)面：生產(chǎn)裝置的圖片、工藝流程圖、設(shè)備簡(jiǎn)圖、單線圖等都可以在HMI上顯示出來(lái)，每個(gè)畫(huà)面都括字母數(shù)字字符和圖形符號(hào)，通常采用可變化的顏色、圖形、閃爍表示過(guò)程變量的不同狀態(tài)，所有過(guò)程變量的數(shù)值和狀態(tài)每秒動(dòng)態(tài)刷新，操作員在此畫(huà)面對(duì)有關(guān)過(guò)程變量實(shí)施操作和調(diào)整。

7.報(bào)表功能

控制系統(tǒng)按照預(yù)先定義的格式打印報(bào)表，報(bào)表數(shù)據(jù)的收集和打印是按照用戶定義的時(shí)間間隔自動(dòng)進(jìn)行，報(bào)表打印通常采用事件驅(qū)動(dòng)方式或操作員命令方式，報(bào)表軟件自動(dòng)產(chǎn)生所有的標(biāo)題和表頭。

8.歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

控制系統(tǒng)對(duì)報(bào)警、連鎖、操作指令的變化等事件及其日期、時(shí)間作為歷史數(shù)據(jù)加以儲(chǔ)存。有足夠歷史數(shù)據(jù)的磁介質(zhì)存儲(chǔ)空間，并具有可擴(kuò)充至外部存儲(chǔ)設(shè)備和磁帶機(jī)、光盤(pán)等。當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失及磁介質(zhì)空間不足時(shí)有報(bào)警。

三 ESD系統(tǒng)的應(yīng)用

重慶方鑫精細(xì)化工乙炔氨自控聯(lián)鎖裝置ESD系統(tǒng)主要應(yīng)用如下：

1.自動(dòng)控制：本項(xiàng)目中ESD系統(tǒng)在正常情況下是對(duì)于一些關(guān)鍵的工藝及設(shè)備參數(shù)進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)，在正常情況下ESD是“靜止的”，不采取任何動(dòng)作。但是當(dāng)參數(shù)發(fā)生異常波動(dòng)或故障時(shí)(超溫、超壓)，它會(huì)按照已定的程序采取相應(yīng)的安全動(dòng)作，使裝置停在安全水平線上。

2.手動(dòng)控制

1)輔助操作臺(tái)面板上設(shè)置有1#--7#壓縮機(jī)急停按鈕，操作人員只需輕輕按下相應(yīng)急停按鈕，便可隨時(shí)停止對(duì)應(yīng)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

2)操作人員只需輕輕按下輔助操作臺(tái)上“乙炔輸送泵急停按鈕”，便可隨時(shí)停止乙炔輸送泵的運(yùn)行狀態(tài)。

3)操作人員在接到緊急停車(chē)指令或在被授權(quán)允許的情況發(fā)生時(shí)，可按下“聯(lián)鎖停車(chē)”按鈕，確保系統(tǒng)緊急停車(chē)停料。

4)一旦出現(xiàn)了超溫、超壓、停車(chē)、停料事件，在事件原因得到有效排除后，被授權(quán)的操作人員需要點(diǎn)動(dòng)“聯(lián)鎖復(fù)位按鈕”進(jìn)行確認(rèn)，才能使系統(tǒng)解除聯(lián)鎖，恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。相反，如果ESD控制系統(tǒng)未收到復(fù)位指令，它會(huì)認(rèn)為上一次出現(xiàn)的異常未得到消除，所以會(huì)繼續(xù)保持聯(lián)鎖停車(chē)停料動(dòng)作，保證整個(gè)系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。

四 結(jié)束語(yǔ)

ABB是一個(gè)提供高新技術(shù)的企業(yè)，它為世界各地的用戶提供用于自動(dòng)化控制的軟件、硬件和技術(shù)服務(wù)以及嵌入式計(jì)算。我們?yōu)橛脩籼峁┮粋€(gè)獨(dú)特的，靈活的，超可靠的技術(shù)基礎(chǔ)，使得他們?cè)诎茉础⑺幚?、消費(fèi)品、國(guó)防和防御，以及通訊等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域獲得持續(xù)的優(yōu)勢(shì)。而ABB公司所推出的PLUTO安全PLC不論是在性能或價(jià)格方面都體現(xiàn)了它的極大優(yōu)勢(shì)，尤其是在ESD系統(tǒng)中起到了安全保護(hù)的作用，投資少、操作靈活，具有推廣價(jià)值。