提高安全儀表系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)穩(wěn)定性探索

張 成 張 寧

(安徽晉煤中能化工股份有限公司 安徽臨泉236400)

隨著化工設(shè)備裝置及生產(chǎn)能力的大型化，由事故導(dǎo)致的危害對(duì)諸多方面造成的嚴(yán)重后果日益引起人們的關(guān)注。盡管可以通過執(zhí)行嚴(yán)格的規(guī)章制度、正確的操作方法、定期的檢修以及日常的維護(hù)等方式來減少或避免事故的發(fā)生，但僅通過以上方式來杜絕事故已是完全不可能，這就要求在自動(dòng)化水平方面不斷提高，在過程自動(dòng)控制和安全控制方面能夠互補(bǔ)應(yīng)用，并從軟件、硬件對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，以杜絕事故的發(fā)生，保證生產(chǎn)裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 過程自動(dòng)控制與安全控制的關(guān)聯(lián)性

越是高科技的設(shè)備，其自動(dòng)化控制水平越強(qiáng)，操作所需要的人力也越少，但同時(shí)所存在的危險(xiǎn)性也較高。為避免在同一系統(tǒng)下控制功能同時(shí)失效而帶來的風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備的安全性，在儀表控制系統(tǒng)方面一般采用DCS加SIS的雙重控制。安徽晉煤中能化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱中能公司)航天爐裝置控制系統(tǒng)是其典型的應(yīng)用。DCS和SIS雖然都是對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，但按照IEC61508和IEC61511標(biāo)準(zhǔn)，安全儀表系統(tǒng)SIS和集散控制系統(tǒng)DCS是2種不同類別的系統(tǒng)，兩者互為補(bǔ)充和聯(lián)系，主要差異如下所述。

1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不同

(1)DCS系統(tǒng)只需達(dá)到使用國家及地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，滿足用戶提出的要求即可。

(2)安全儀表系統(tǒng)SIS是嚴(yán)格按照IEC61508標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造的，產(chǎn)品應(yīng)用也必須遵循IEC61511提出的要求，有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 產(chǎn)品認(rèn)證不同

(1)DCS系統(tǒng)只需取得通用的認(rèn)證即可。

(2)安全儀表系統(tǒng)SIS需要通過第三方權(quán)威認(rèn)證，比如TUV認(rèn)證，以便滿足國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全及可靠性的要求。

1.3 產(chǎn)品應(yīng)用方面定位不同

(1)DCS系統(tǒng)主要用于生產(chǎn)的過程控制，滿足和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中需要的各種控制功能，如：串級(jí)控制、雙重控制、模糊控制、分程控制、比值控制等一些先進(jìn)的控制方案都需要在DCS內(nèi)部組態(tài)完成，其控制可減少操作人員的工作量，同時(shí)可選擇合適的控制方案對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝置的節(jié)能降耗和增效。

(2)安全儀表系統(tǒng)SIS用于生產(chǎn)過程中的安全防護(hù)，其核心是用于設(shè)備的安全保護(hù)，要求具有較高的可靠性和實(shí)用性，其采樣周期短、動(dòng)作快，主要用于重要的聯(lián)鎖。

1.4 工作特性不同

(1)DCS系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程控制，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)大量的工藝變量，根據(jù)預(yù)定的控制策略來控制最后的執(zhí)行元件。此種控制在階躍起干擾作用下，當(dāng)出現(xiàn)發(fā)散振蕩等過渡過程的無自衡變化時(shí)，需要操作人員進(jìn)行人工干預(yù)。

(2)安全儀表系統(tǒng)SIS可以看作是一個(gè)“靜態(tài)”的系統(tǒng)，正常工況下，它是靜止的，不會(huì)發(fā)出控制輸出命令，一旦達(dá)到設(shè)備所接受的臨界點(diǎn)或超過臨界點(diǎn)時(shí)，安全儀表系統(tǒng)SIS會(huì)快速響應(yīng)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，處理后控制執(zhí)行元件，使整個(gè)裝置處于所要求的安全狀態(tài)。這個(gè)過程沒有人工的操作干預(yù)，其響應(yīng)處理速度優(yōu)于DCS系統(tǒng)，一般在幾十毫秒到幾百毫秒。

1.5 硬件配置方面

安全儀表系統(tǒng)SIS硬件配置遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于DCS系統(tǒng)，且自診斷能力較強(qiáng)，其控制器雖都為冗余配置，但又各有不同，DCS控制器1主1備，當(dāng)主控制器出現(xiàn)問題時(shí)，會(huì)立即切換到備用控制器上。安全儀表系統(tǒng)SIS由于掃秒速率較快，2臺(tái)控制器同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)其中1臺(tái)控制器出現(xiàn)問題時(shí)，不需要進(jìn)行切換。

2 實(shí)際生產(chǎn)中穩(wěn)定性的應(yīng)用情況

2008年，航天爐粉煤加壓氣化裝置在中能公司點(diǎn)火成功，在4年的運(yùn)行過程中，在控制方面進(jìn)行了部分改進(jìn)，使其更為完善，提高了生產(chǎn)的穩(wěn)定性，現(xiàn)結(jié)合DCS與ESD來進(jìn)行描述。

2.1 激冷水流量調(diào)節(jié)的改造

由于激冷水流量通過激冷水泵加壓輸送以建立氣化爐液位，保證氣化爐的安全。該激冷水流量通過變送器測(cè)量后送往控制站，經(jīng)安全柵輸出分為2路：①第1路輸入到ESD進(jìn)行控制，當(dāng)其達(dá)到所設(shè)定的低限值時(shí)，經(jīng)邏輯運(yùn)算后，信號(hào)送往氣化爐大聯(lián)鎖邏輯，執(zhí)行停車，避免由于氣化爐斷水而發(fā)生重大事故。②第2路輸出信號(hào)送往DCS模擬量輸入卡件，通過閉環(huán)控制由激冷水流量調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)激冷水流量；當(dāng)流量高于所設(shè)定的高限時(shí)，2臺(tái)激冷水泵只有1臺(tái)運(yùn)行；當(dāng)?shù)陀谒O(shè)定的低限時(shí)，DCS發(fā)出報(bào)警信號(hào)，1臺(tái)泵進(jìn)行聯(lián)鎖控制啟動(dòng)，由于測(cè)量的介質(zhì)較臟，且只有1臺(tái)變送器，一旦所測(cè)量信號(hào)中的一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，ESD將執(zhí)行大聯(lián)鎖造成停車，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。

改進(jìn)措施：①在文丘里流量計(jì)的正、負(fù)壓室的取壓根部各取3個(gè)點(diǎn)，共用3個(gè)測(cè)量變送器進(jìn)行流量測(cè)量，為了避免流量計(jì)取壓根部堵塞和減小測(cè)量的誤差，增加沖洗水對(duì)流量計(jì)取壓根部進(jìn)行沖洗。②將3只流量計(jì)的信號(hào)分別通過3臺(tái)安全柵分配器進(jìn)行輸出，輸出后，第1路的3個(gè)激冷水流量信號(hào)A，B和C分別進(jìn)入ESD柜內(nèi)，3個(gè)信號(hào)分別設(shè)定其低限跳車值，輸入信號(hào)進(jìn)入三選二邏輯運(yùn)算，表決后的值再送往氣化爐大聯(lián)鎖邏輯，聯(lián)鎖觸發(fā)后，部分信號(hào)通過DCS系統(tǒng)來進(jìn)行控制動(dòng)作。第2路信號(hào)分別送入DCS柜內(nèi)，3個(gè)信號(hào)分別通過高高值和低低值的設(shè)定輸出，通過三選二邏輯運(yùn)算后，控制激冷水泵的啟停；另外，其所測(cè)量的值直接通過運(yùn)算取中間值，對(duì)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)控制。經(jīng)上述方案改進(jìn)后，把DCS和ESD互為結(jié)合，大大減小了因流量指示偏差或其環(huán)節(jié)信號(hào)出現(xiàn)問題而造成的停車事故概率，保障了生產(chǎn)裝置穩(wěn)定運(yùn)行。

改進(jìn)后ESD邏輯運(yùn)算示意如圖1所示。

圖1 改進(jìn)后ESD邏輯運(yùn)算示意

2.2 粉煤流量計(jì)供電電源及聯(lián)鎖的改進(jìn)

(1)儀表硬件的準(zhǔn)確測(cè)量是保證生產(chǎn)裝置穩(wěn)定安全運(yùn)行的可靠保證，粉煤流量計(jì)是其中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，而粉煤流量計(jì)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定是重中之重。每套航天爐共裝有6只粉煤流量計(jì)，二樓3只不僅參加粉煤流量調(diào)節(jié)，還參與氧煤比計(jì)算；八樓3只進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，又參與ESD大聯(lián)鎖停車控制。中能公司采用了德國SWR流量計(jì)，220 V交流電配電，氣化DCS為2路UPS配電。原供電情況：二樓3只粉煤流量計(jì)為1#A路、2#B路和3#A路，八樓3只為1#A路、2#B路和3#A路。當(dāng)UPS故障時(shí)，無論哪路UPS故障，粉煤流量計(jì)數(shù)據(jù)都會(huì)受到影響，曾因粉煤流量計(jì)跳電源而造成停車事故，根據(jù)實(shí)際需求，改進(jìn)后粉煤流量計(jì)電源自動(dòng)切換示意見圖2。改進(jìn)后，無論哪路輸入故障，都會(huì)有輸出，保證了粉煤流量計(jì)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。

圖2 改進(jìn)后粉煤流量計(jì)電源自動(dòng)切換示意

(2)由于粉煤管線所輸送煤的介質(zhì)為二氧化碳，當(dāng)粉煤內(nèi)帶有草片或者有大顆粒的粉煤時(shí)，粉煤管線內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)間歇性斷流現(xiàn)象。由于八樓的粉煤流量計(jì)參與密度和速度聯(lián)鎖停車，其聯(lián)鎖為一選一，3條粉煤管線無論是哪條流量出現(xiàn)問題就會(huì)造成跳車。后經(jīng)分析討論與驗(yàn)證，為保證裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，將ESD上所在的聯(lián)鎖改為三選二控制，其粉煤切斷閥的聯(lián)鎖順控，仍由DCS和ESD共同控制完成。改進(jìn)后，避免了因粉煤流量計(jì)不準(zhǔn)或斷流而造成的停車。2012年，首次突破了航天爐連續(xù)運(yùn)行189 d的記錄。

3 結(jié)語

在化工生產(chǎn)中，安全儀表系統(tǒng)是非常特殊的控制系統(tǒng)，隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表的精度等級(jí)也在大大提高，可靠性和穩(wěn)定性也大大增強(qiáng)，而要保證生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，集散控制系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)必須互相結(jié)合。