基于ProSafe-RS的安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

臧 勇，李秀榮，任茂文

（宿遷學(xué)院 機(jī)電工程系，宿遷 223800）

近年來，石化產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，為國民經(jīng)濟(jì)做出巨大的貢獻(xiàn)；但是由于該產(chǎn)業(yè)固有的高危險(xiǎn)性以及人為因素的影響，各類大小事故不斷發(fā)生，給國家、人民群眾和企業(yè)帶來巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

我國非常重視各行業(yè)的安全生產(chǎn)，尤其對于石化行業(yè)更是嚴(yán)格苛刻，不斷出臺更加嚴(yán)格的法律法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為了保證生產(chǎn)過程中重大設(shè)備的安全，國家安監(jiān)局下達(dá)文件，要求生產(chǎn)企業(yè)在重大危險(xiǎn)源設(shè)備中必須安裝獨(dú)立于DCS并且安全等級高于DCS的安全儀表控制系統(tǒng)。安全儀表系統(tǒng)主要為生產(chǎn)系統(tǒng)中的報(bào)警和聯(lián)鎖部分，發(fā)生危險(xiǎn)時自動發(fā)出報(bào)警實(shí)施聯(lián)鎖動作或停機(jī)控制，安全儀表系統(tǒng)的加入大大提高了生產(chǎn)的安全等級[1]。

1 系統(tǒng)總體方案和配置

1.1 系統(tǒng)要求及控制方案

本項(xiàng)目中的氯化工藝屬于安監(jiān)局列出的15種重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝。根據(jù)相關(guān)文件要求，該工藝必須采用自動控制系統(tǒng)，工廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)用DCS對工藝參數(shù)的檢測控制和聯(lián)鎖報(bào)警。但DCS系統(tǒng)安全級別達(dá)不到SIL3級別，為保證生產(chǎn)安全，需要有獨(dú)立于DCS的緊急停車控制系統(tǒng)，即安全儀表控制系統(tǒng)（SIS）。

SIS系統(tǒng)是靜態(tài)的，不需要人為干預(yù)[2]。實(shí)時在線監(jiān)測裝置的安全性，當(dāng)生產(chǎn)裝置出現(xiàn)緊急情況時，發(fā)出保護(hù)聯(lián)鎖信號，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)，避免危險(xiǎn)擴(kuò)散，造成重大損失。

氯乙酸生產(chǎn)工段包含12個氯化釜和2個結(jié)晶釜，每臺釜上有2臺O型氣動切斷閥，1臺由DCS控制，另一臺則由SIS系統(tǒng)獨(dú)立控制；每個反應(yīng)釜旁邊都有一臺氯氣氣體檢測儀用于檢測是否發(fā)生泄漏。正常生產(chǎn)時，O型氣動切斷閥都是打開的，由DCS控制的切斷閥可由操作人員控制開關(guān)，而SIS系統(tǒng)控制的切斷閥由SIS系統(tǒng)控制。

根據(jù)規(guī)范要求和實(shí)際情況，確定SIS系統(tǒng)的控制方案為

（1）當(dāng)一個氯化釜內(nèi)的壓力達(dá)到高限報(bào)警狀態(tài)，關(guān)閉對應(yīng)反應(yīng)釜的SIS系統(tǒng)控制的O型切斷閥，并停止氯壓機(jī)組；

（2）氯化廠房內(nèi)的12臺有毒氣體檢測儀，當(dāng)其中1臺檢測儀報(bào)警時，聯(lián)鎖動作將氯氣總閥切斷，并停止氯壓機(jī)組；

（3）當(dāng)結(jié)晶釜的2臺檢測儀中的1臺報(bào)警時，聯(lián)鎖動作將氯氣總閥切斷，并停止氯壓機(jī)組；

（4）緊急停車按鈕、重要的信號報(bào)警安裝在系統(tǒng)的輔助操作臺上，當(dāng)按下緊急停車按鈕，氯氣總閥和O型氣動切斷閥全都關(guān)閉，并停止氯壓機(jī)組。

1.2 SIS系統(tǒng)配置

SIS系統(tǒng)選用日本橫河電機(jī)中國公司的ProSafe-RS系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過SIL3認(rèn)證，并符合IEC 61508和IEC 61511功能安全管理（FSM）標(biāo)準(zhǔn)，具有完整的裝置聯(lián)鎖保護(hù)功能、系統(tǒng)自診斷和SOE功能[3-4]。系統(tǒng)配置為1個控制柜，1個工程師站、1個操作員站和1臺打印機(jī)，系統(tǒng)配置示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)配置示意圖Fig.1 Schematic diagram of system configuration

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

該系統(tǒng)包括工程師站、SOE站、輔操臺和控制機(jī)柜?？刂乒竦恼媸荢IS控制系統(tǒng)，包括CPU NODE和I/O NODE以及交換機(jī)；控制柜背面放置冗余電源、安全柵、安全繼電器和接線端子等。輔助操作臺上有1個緊急停車按鈕ESW-1000、1個報(bào)警蜂鳴器BEEP和1個報(bào)警指示燈ESL-1000。

2.2 SIS控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，現(xiàn)場儀表變送器將采集到的模擬量信號通過安全柵接入SIS控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場閥門的狀態(tài)反饋信號則通過倍加福繼電器隔離輸入到數(shù)字量輸入卡件，切斷閥的控制信號由數(shù)字量輸出卡件輸出，通過安全繼電器隔離，控制電磁閥的開斷。

圖2 SIS系統(tǒng)控制單元連接示意圖Fig.2 Connecting schematic diagram of SIS system control unit

系統(tǒng)控制器NODE選擇SSC50D型號，它是一個具有冗余電源和冗余CPU的安全控制單元，由于一個NODE的卡件槽位不夠，需要通過ESB Bus再連接一個NODE，擴(kuò)展NODE選擇SNB10D型號，其具有雙冗余電源和8個卡件槽位。模擬量輸入模塊選擇16路AI輸入卡件SAI143，數(shù)字量輸入選擇16路DI輸入卡件SDV144，數(shù)字量輸出選擇16路DO輸入卡件SDV541。

控制系統(tǒng)CPU具有2個通訊口Bus1和Bus2，采用Vnet/IP通訊協(xié)議，可以保證一路出現(xiàn)通訊故障時，操作站還能夠正常讀取數(shù)據(jù)。通訊口通過網(wǎng)線分別連接到2臺交換機(jī)，然后再連接到工程師站和操作員站上面的Vnet/IP通訊卡。

該項(xiàng)目總共有 AI：26 個，DI：27 個，DO：15 個。根據(jù)I/O數(shù)量以及通道需冗余配置，該系統(tǒng)需要再擴(kuò)展一個 NODE，擴(kuò)展 NODE沒有 CPU，它通過ESB通信卡件和通訊電纜和CPU NODE進(jìn)行通訊[5]。實(shí)際I/O點(diǎn)數(shù)和卡件I/O點(diǎn)數(shù)的對比如表1所示。

表1 SIS輸入輸出點(diǎn)數(shù)匯總Tab.1 SIS input and output points summary

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件組態(tài)

硬件組態(tài)是SIS軟件編程最基礎(chǔ)的部分，包括I/O卡件在NODE中的分布位置，以及I/O點(diǎn)的分配地址等。將該項(xiàng)目中所需的I/O卡件按設(shè)計(jì)位置組態(tài)到機(jī)架編輯界面中相應(yīng)的槽位上；然后將SIS系統(tǒng)中需要的所有I/O點(diǎn)按照數(shù)據(jù)類型分配到相應(yīng)的卡件通道中。

3.2 系統(tǒng)的程序組態(tài)

ProSafe-RS是實(shí)現(xiàn)程序邏輯控制的核心?，F(xiàn)場模擬量的讀取采用功能模塊ANLG_S，該模塊可以將安全柵輸出的4～20 mA信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的模擬量實(shí)際值。SH、SL分別表示模擬量測量的最大值和最小值；HH是模擬量的上限報(bào)警值，PH是模擬量的預(yù)報(bào)警值；IN為模擬量實(shí)際輸入通道號。每一個模塊都有一個固定唯一位號，例如氯化釜R1001A的釜內(nèi)壓力為PI1002A。

SIS系統(tǒng)通過控制氣動閥上的電磁閥來完成聯(lián)鎖動作實(shí)現(xiàn)對進(jìn)釜氯氣的緊急切斷，閥門必須設(shè)計(jì)成故障安全型。

程序中核心模塊為MOB_21開關(guān)儀表模塊，該模塊可用于手動或自動控制閥/泵等數(shù)字量的操作。SW為手操允許開關(guān)，在該端口加入一個操作面板，可以選擇自動模式還是手動模式。AINP是全開輸入反饋，AINM是全關(guān)輸入反饋，IOP表示信號輸入狀態(tài)，PSWD為手動控制操作密碼。模塊輸出包括：開/關(guān)操作輸出 OUT，IOP開路報(bào)警 NANP，OOP開路報(bào)警NANM，PERR報(bào)警NPER。

當(dāng)壓力高高限報(bào)警時，PI1002.NHTR由TRUE狀態(tài)變?yōu)镕ALSE狀態(tài)，當(dāng)按下緊急停車按鈕時，ESW1000.V也是由TRUE狀態(tài)變?yōu)镕ALSE狀態(tài)。當(dāng)任意情況發(fā)生后，通過與門和非門，RS觸發(fā)器的復(fù)位段為 TRUE，MOB_21的輸入端 IN為 FALSE，開關(guān)儀表輸出也為FALSE，從而可以關(guān)閉對應(yīng)的切斷閥。當(dāng)聯(lián)鎖條件解除之后，MOB_RS可以方便快速地將關(guān)閉的閥門打開。

3.3 系統(tǒng)顯示界面設(shè)計(jì)

ProSafe-RS沒有界面顯示，需要和CS3000結(jié)合起來，通過CS3000繪出監(jiān)控畫面。監(jiān)控畫面包括系統(tǒng)流程圖、數(shù)據(jù)監(jiān)控、氯化釜閥門聯(lián)鎖圖、有毒氣體檢測聯(lián)鎖圖、氯氣進(jìn)料總閥聯(lián)鎖圖。雙擊一個按鈕可以打開對應(yīng)的流程畫面。

氯乙酸系統(tǒng)流程圖如圖3所示，包括12個釜內(nèi)壓力值PI1002A～PI1002L，12個氯化廠房里的氯氣氣體檢測值GI1001A～GI1001L，2個結(jié)晶釜附近的氯氣氣體檢測值GI1002A～GI1002B，12個反應(yīng)釜切斷閥KV1001A～KV1001L，以及進(jìn)氣總閥KV1000的工作狀態(tài)和復(fù)位按鈕。

當(dāng)壓力或氣體濃度達(dá)到報(bào)警值、閥門出現(xiàn)故障時，方框變色并閃爍，雙擊位號可以查看模擬量的報(bào)警狀態(tài)。

4 系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試

當(dāng)系統(tǒng)的硬件安裝完成、軟件組態(tài)成功后，電腦設(shè)置正確的IP地址，和控制器建立起通信，將程序下載到控制器中。

模擬量調(diào)試時，先用手持信號發(fā)生器模擬現(xiàn)場信號接入安全柵輸入端，測試每一個模擬量輸入通道的軟硬件設(shè)計(jì)是否正確；將現(xiàn)場變送器傳輸?shù)男盘柦尤胱兯推鳌?/p>

圖3 氯乙酸系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of chloroacetic acid system

閥門的調(diào)試可將其模式切換到手動模式，然后手動打開或關(guān)閉一個閥門，觀察對應(yīng)的切斷閥是否打開或關(guān)閉，其狀態(tài)反饋是否正確。經(jīng)過測試，閥門的控制準(zhǔn)確無誤，界面閥門狀態(tài)顯示與現(xiàn)場閥門狀態(tài)一致。

邏輯聯(lián)鎖的測試，首先將閥門的控制模式調(diào)為自動模式，將所有閥門都打開，按下緊急停車按鈕或用信號發(fā)生器模擬壓力、濃度的高高限狀態(tài)，觀察系統(tǒng)是否能夠完成聯(lián)鎖動作。根據(jù)測試結(jié)果，系統(tǒng)可以及時準(zhǔn)確地執(zhí)行聯(lián)鎖動作，關(guān)閉閥門發(fā)出報(bào)警信號。

5 結(jié)語

隨著國內(nèi)化工行業(yè)規(guī)模越來越大，重大危險(xiǎn)源越來越多，政府對企業(yè)的安全生產(chǎn)提出了更高要求。因此國家安監(jiān)局下發(fā)文件要求重大危險(xiǎn)源必須安裝獨(dú)立、安全級別高的緊急停車系統(tǒng)。本文利用ProSafe-RS系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一款高效、功能齊全、響應(yīng)快速的SIS系統(tǒng)。該系統(tǒng)完全達(dá)到了用戶提出的各項(xiàng)功能，通過了安監(jiān)局專家組的現(xiàn)場驗(yàn)收。該系統(tǒng)在氯乙酸生產(chǎn)過程中，運(yùn)行狀態(tài)良好，極大地提高了安全聯(lián)鎖的可靠性，有效防止員工的誤操作，及時發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)源，為企業(yè)的安全生產(chǎn)提供了保障，確保裝置安全運(yùn)行。

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