SIS安全儀表系統(tǒng)在大型乙烯裝置上的應用

天津大學 申琳

1 引言

中國石化股份公司天津分公司100萬噸／年乙烯及配套項目中的乙烯裝置是石化企業(yè)的龍頭裝置，具有規(guī)模大、流程長、工藝復雜、高溫高壓、超低溫、易燃易爆等多種特征。乙烯裝置的生產(chǎn)控制復雜，可靠性及安全性要求高。確保乙烯裝置的安全、穩(wěn)定、連續(xù)、高負荷、高效運行是提高石化企業(yè)經(jīng)濟效益的關(guān)鍵之一。本項目SIS系統(tǒng)采用美國TRICONEX系統(tǒng)。

2 S IS系統(tǒng)設置

本項目采用中央控制室（Centre Control Room——CCR）和現(xiàn)場機柜室（Field Rack Room——FRR）分離設置的方式。乙烯裝置設置兩個現(xiàn)場機柜室FRR1和FRR2，儀表信號通過電纜連接到現(xiàn)場機柜室，從現(xiàn)場機柜室到中央控制室的信號傳輸采用雙冗余光纜。操作管理人員在中央控制室完成生產(chǎn)裝置的控制、監(jiān)測、報警及報表等操作。SIS系統(tǒng)按照故障安全型設計。根據(jù)工藝操作要求，對原因輸入設置旁路開關(guān)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 乙烯裝置SIS系統(tǒng)原理圖

圖2 SIS系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

3 S IS系統(tǒng)硬件組成

乙烯裝置分為兩個現(xiàn)場機柜間，F(xiàn)RR-1 配備三套系統(tǒng)，主處理器9塊，主機架14個，AI卡24塊，DI卡23塊，DO卡37塊，繼電器511個，機柜21面，電源模塊20個，交換機5臺，工程師站2臺。現(xiàn)場機柜間FRR-2 配備三套系統(tǒng)，主處理器9塊，主機架13個，AI卡17塊，DI卡23塊，DO卡35塊，繼電器424個，機柜20面，電源模塊26個，交換機5臺，工程師站2臺。中央控制室CCR2內(nèi)的設備包括：遠程擴展機架6個，DI卡8塊，DO卡8塊，機柜6面，網(wǎng)絡柜2面，工程師站2臺。具體網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）主處理器模塊型號3008，為32 Bit 微處理器，主頻50MHz，內(nèi)存16M Ram，采用浮點處理器，I/O 及通訊處理器，容錯內(nèi)部總線（Tribus)，硬件表決和比較線路，有事件順序紀錄SOE功能，其硬件具有廣泛的自診斷和在線更換能力。

（2）模擬量輸入模塊（AI）型號為3700A，擁有三重化A/D轉(zhuǎn)換器，自校驗和內(nèi)置參考電壓，滿量程精度0.15%，無單點故障，通道之間光電隔離，可在線更換。

（3）模擬量輸出模塊（AO），每個通道都有三重化的D/A轉(zhuǎn)換器，2oo3 表抉電路會選取一個正確的DAC輸出，3個DAC周期性輪換，每個輸出通道都進行反饋檢測，內(nèi)置參考電壓進行自動電壓校正，滿量程精度0.15% ，無單點故障，可在線更換。

（4）數(shù)字量輸入模塊（DI）型號為3503E，每個輸入點的三條電路都會周期檢測 “Stuck-ON” 故障，線路狀態(tài)送往主處理器進行報警顯示。

（5）數(shù)字量輸出模塊（DO），對每一個輸出進行容錯的硬件表決，采用獲得專利的四方輸出電路，無單點故障，實現(xiàn)現(xiàn)場回路故障檢測和潛在故障檢測，輸出通道間完全隔離，可在線更換。

（6）增強型智能通訊模塊 (EICM)，擁有4個獨立的RS-232/485串行通訊接口，通過MODBUS協(xié)議與DCS通訊。網(wǎng)絡通訊模塊 (NCM)，具有2個IEEE 802.3l的10/100 Mbps以太網(wǎng)端口。 通訊模塊(TCM)，為TCM 4351－RJ-45 網(wǎng)絡端口，四個RS-232/RS-485串口，每一個都可組態(tài)成工程師站，Modbus主/從站。2個10/100 Mbps以太網(wǎng)端口1個RS-232調(diào)試端口。

4 軟件組成

4.1 軟件系統(tǒng)

采用TriStation 1131，經(jīng)過TüV 認證的編程軟件，進行工程師站和系統(tǒng)維護，運行環(huán)境 IBM PC，W indow s NT，符合IEC 1131-3 標準的編程語言：FBD，邏輯梯形圖，結(jié)構(gòu)文本，可同時運行256個獨立程序，具有完善的邏輯功能模塊和離線模擬測試功能，在線監(jiān)測，在線程序修改、下裝對所有模塊（I/O 和通訊模塊）提供詳細的診斷。邏輯圖式樣如圖3所示。

圖3 邏輯圖

4.2 時鐘同步方案

時鐘同步采用GPS時鐘源，與DCS和CCS系統(tǒng)共享，將工程師站與GPS時鐘服務器相連做為網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，SIS系統(tǒng)采用工程師站的時鐘，這樣保證了全廠系統(tǒng)時鐘的統(tǒng)一。

5 S IS系統(tǒng)實際應用

SIS安全儀表系統(tǒng)的配置，必須綜合考慮現(xiàn)場檢測器、邏輯解算器和執(zhí)行機構(gòu)三方面內(nèi)容。并不是簡單地僅僅考慮緊急停車安全聯(lián)鎖系統(tǒng)SIS及其相關(guān)卡板是否取得SIL-3級認證。乙烯裝置SIS進行設計時，采用的標準為IEC61508。本裝置典型的SIL3級回路配置如下：

5.1 邏輯解算器(Logic solver)部分

采用SIS系統(tǒng)來實現(xiàn)聯(lián)鎖保護功能，該系統(tǒng)須獲得滿足IEC要求的 SIL3級認證，并確保采用的系統(tǒng)每塊卡板亦有相應的證書。系統(tǒng)采用雙路供電。系統(tǒng)配置為三重冗余TMR，即：三冗余CPU、三冗余系統(tǒng)內(nèi)部通訊、三冗余輸入卡和輸出卡等。整套SIS系統(tǒng)通過專用通訊卡與DCS控制網(wǎng)聯(lián)接，但獨立于DCS控制網(wǎng)。DCS操作站只能讀取SIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，不可對其進行操作。SIS系統(tǒng)設置獨立的工程師站，實現(xiàn)編程和事件報警記錄、打印等功能。系統(tǒng)具備在線修改、在線下載、卡件在線插拔等功能。采用三個表決通道的主CPU系統(tǒng)，3取2表決輸出，容錯模式為3－2－0，即一個容錯，一旦一個表決通道的元件發(fā)生故障，轉(zhuǎn)為2取1表決模式。輸入卡板：對所有聯(lián)鎖輸入信號，其卡板為三重化形式。輸出卡板：停車回路輸出全部用三重化卡板，SIL3級回路輸出直接驅(qū)動電磁閥。輸出至報警燈點，選用普通繼電器卡板。遠程擴展卡板，全部選用三重化卡板，

為了使故障影響最小化，同一聯(lián)鎖單元或相關(guān)設備聯(lián)鎖點盡可能分配在同一卡板上。對3取2輸入表決聯(lián)鎖，三個輸入點分配在不同輸入卡板內(nèi)。原則上ESD系統(tǒng)輸入卡板接受正常狀態(tài)閉合觸點，輸出卡板為常帶電輸出方式，聯(lián)鎖時斷開。

5.2 現(xiàn)場檢測器

現(xiàn)場壓力變送器采用三個，取壓根部閥需單獨設置，信號接至SIS系統(tǒng)內(nèi)進行模擬量三取二表決，保證取樣信號的可靠性如圖4所示?，F(xiàn)場相關(guān)一次儀表亦采用三個檢測元件，以實現(xiàn)三取二表決如流量計，溫度計等。

圖4 模擬量三取二表決

5.3 執(zhí)行器

SIL3級回路的輸出信號，因采用隔爆型儀表設計，采用獲得SIL-3級認證的卡板直接驅(qū)動現(xiàn)場電磁閥，且考慮中間環(huán)節(jié)最少化，不采用輸出繼電器，否則會因其無安全認證，造成系統(tǒng)安全等級下降。為實現(xiàn)可靠切斷物料，同時又節(jié)約投資，采用一臺現(xiàn)場聯(lián)鎖調(diào)節(jié)閥配置兩套串聯(lián)電磁閥的方式，電磁閥常勵磁常通，失電排氣，兩個串聯(lián)電磁閥以確保安全停車。停車條件滿足時，由SIS系統(tǒng)同時發(fā)出兩個DO聯(lián)鎖信號，以確保安全聯(lián)鎖閥門動作。為及時獲得該閥門的故障信息，通過采用HART 信號轉(zhuǎn)換器與智能定位器配合，將閥位運行和故障診斷的數(shù)字信號，通過HART信號轉(zhuǎn)換器傳送給DCS使必要的功能得以實現(xiàn)。閥位返回信號與DCS輸出控制信號進行比較，發(fā)出偏差報警，并同時獲得故障診斷信息。調(diào)節(jié)閥異常和故障診斷報警在DCS內(nèi)實現(xiàn)。

5.4 遠程I/O的應用

由于大型乙烯裝置一般均采用中心控制室的方式，操作監(jiān)控人員也大都集中在中控室（CCR）內(nèi)。因此，從安全性和操作便利的角度出發(fā)，會有大量的指示燈、聯(lián)鎖開關(guān)或旁路開關(guān)設置在中控室內(nèi)，而中控室一般距離放置控制器的現(xiàn)場機柜間（FRR）很遠，遠程I/O的方案會非常有利于實現(xiàn)此種要求。

其主要優(yōu)點為更好地提高系統(tǒng)的安全性和可用性，傳統(tǒng)做法需要很多線纜和接頭，不論是工程施工的難度，還是日常維護的環(huán)節(jié)，都大大增加了故障潛在點；同時，這么多連線和接頭也會增加停車的隱患；對于長距離傳輸帶來隱患，TRICONEX的遠程機架方式完全通過了TüV 6/SIL3安全等級認證；通過三組分散布置的鎧裝光纖即可實現(xiàn)傳統(tǒng)方法的眾多連接環(huán)節(jié)；進而大大提高了可靠性和可用性，如圖5所示。

遠程I/O機架的應用(Remote I/O)介紹：

圖5 遠程I/O原理圖

TRICON使用成對的RXM模件，通過光纖，讓本地機架與遠程機架連為一體，RX M模件是 I?/O BUS的復制器和光調(diào)制解調(diào)器，375KBaud，RXM模件必須插在RXM機架上，RXM模件分主RXM模件和遠程RXM模件，須成對使用

RXM模件三重冗余，三塊一起使用。通訊冗余方式3－2－1。

當系統(tǒng)I/O電纜長度大于30米時，則應使用RXM遠程擴展機架。

設置主RXM模件的主RXM機架必須在主機架30米以內(nèi)。

單模主RXM模件與遠程RXM模件之間采用單模光纖，通訊距離最遠達12km。

5.5 HART協(xié)議的采集功能

為采集現(xiàn)場儀表的HART協(xié)議信號，實現(xiàn)AMS系統(tǒng)對現(xiàn)場儀表設備的管理，包括各類相關(guān)信息、數(shù)據(jù)的獲取，以及故障診斷、在線修正、在線校驗等功能；其連接的現(xiàn)場儀表一般包括支持HART協(xié)議的變送器或閥門位置反饋器等，因SIS系統(tǒng)卡件不支持HART協(xié)議采集功能，本項目采用TRICONEX與MTL及P&F等國際公司合作開發(fā)得基于TRICON端子板并能實現(xiàn)HART協(xié)議信號通訊采集的終端接口，并進一步通過配套采集器卡件實現(xiàn)在AMSPC工作站的數(shù)據(jù)和信息管理功能。HART協(xié)議采集模件型號為MTL4842/4841，連接方式如圖6所示。

圖6 HART協(xié)議采集模件原理圖

6 結(jié)束語

乙烯裝置經(jīng)過一年多連續(xù)生產(chǎn)運行檢驗，SIS系統(tǒng)自現(xiàn)場驗收投用以來運行正常，對于機組、設備出現(xiàn)的故障儀表控制系統(tǒng)都能準確地檢測到事故苗頭，聯(lián)鎖邏輯及時準確啟動，起到了生產(chǎn)裝置的安全屏障作用。

[1] 陸德民.石油化工自動控制設計手冊（第三版）[M].北京:化學工業(yè)出版社,2000.789-797.

[2] 王松漢.乙烯裝置技術(shù)與運行. [M].北京:中國石化出版社,2009.10-34.