江西二期管網(wǎng)ESD系統(tǒng)應(yīng)用淺析

倪秀云，謝歡歡，趙宏霞，詹華英，魏 蘭

江西省天然氣投資有限公司，江西南昌 330012

江西二期管網(wǎng)ESD系統(tǒng)應(yīng)用淺析

倪秀云，謝歡歡，趙宏霞，詹華英，魏 蘭

江西省天然氣投資有限公司，江西南昌 330012

ESD系統(tǒng)作為長輸管道過程中站場的緊急保護(hù)系統(tǒng)在保障長輸管道平穩(wěn)運(yùn)行方面有不可替代的作用，它是場站運(yùn)行的最后一道屏障，是減小事故災(zāi)害，完成現(xiàn)場應(yīng)急處置的重要手段。基于此，本文就江西二期管網(wǎng)ESD系統(tǒng)基本架構(gòu)和軟件邏輯進(jìn)行說明，結(jié)合我公司ESD系統(tǒng)實(shí)際中出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，最后就如何保持ESD系統(tǒng)的安全完整性提出自己的幾點(diǎn)看法。

ESD系統(tǒng)；障分析；安全完整性

1 ESD系統(tǒng)概述

1.1 ESD系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)的必要性

ESD系統(tǒng)按照安全獨(dú)立原則要求，其安全級(jí)別需符合相應(yīng)規(guī)范要求。據(jù)有關(guān)資料，當(dāng)人在危險(xiǎn)時(shí)刻的判斷和操作往往是滯后的、不可靠的，當(dāng)操作人員面臨生命危險(xiǎn)時(shí)，要在60s內(nèi)作出反應(yīng)，錯(cuò)誤決策的概率高達(dá)99.9%。因此設(shè)置獨(dú)立于控制系統(tǒng)的安全連鎖是十分必要的。

1.2 江西二期管網(wǎng)ESD系統(tǒng)的作用

江西二期管網(wǎng)ESD系統(tǒng)作用：當(dāng)場站運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)大面積天然氣泄漏、火災(zāi)爆炸和嚴(yán)重自然災(zāi)害時(shí)，實(shí)現(xiàn)全站的緊急切斷和放空。主要包括：進(jìn)出站氣液聯(lián)動(dòng)閥的關(guān)斷、燃料氣撬進(jìn)氣電動(dòng)閥的關(guān)閉、相關(guān)緊急切斷閥SSV的關(guān)斷、進(jìn)出站SBDV電動(dòng)放空閥的打開。最終實(shí)現(xiàn)全站緊急關(guān)斷后放空，使得緊急事故狀態(tài)下，管線內(nèi)無天然氣，確保場站安全。

1.3 江西二期管網(wǎng)ESD系統(tǒng)主要控制信號(hào)

ESD機(jī)柜接入信號(hào)包括，ESD緊急切斷按鈕；進(jìn)、出站氣液聯(lián)動(dòng)閥1101開閥命令、關(guān)閥命令、ESD程序關(guān)閥命令，氣液聯(lián)動(dòng)閥開到位狀態(tài)、關(guān)到位狀態(tài)、遠(yuǎn)程控制狀態(tài)；電動(dòng)放空閥、電動(dòng)燃料氣撬關(guān)斷閥在氣液聯(lián)動(dòng)閥信號(hào)的基礎(chǔ)上增加故障狀態(tài)顯示信號(hào)；此外報(bào)警輸出信號(hào)為保證可靠性也在ESD機(jī)柜中體現(xiàn)；火焰探測信號(hào)、可燃?xì)怏w探測高高報(bào)警信號(hào)同樣為保證信號(hào)輸入端可靠性也在ESD機(jī)柜中體現(xiàn)。

以上信號(hào)根據(jù)信號(hào)類型不同分別輸入不同的I/O模塊中，包括AI模擬量輸入、AO模擬量輸出、DI數(shù)字量輸入、DO數(shù)字量輸出。

2 ESD觸發(fā)邏輯說明

為保證ESD系統(tǒng)的高安全可靠性，在保證硬件設(shè)施質(zhì)量的前提下，ESD邏輯軟件編程質(zhì)量的好壞也是保證ESD系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

2.1 ESD邏輯迅速響應(yīng)的硬件設(shè)施

江西二期管網(wǎng)ESD系統(tǒng)主要采用了由Allen Bradley公司的RSLOGIX5000和HoneyWell公司的Safety Manager兩種系列PLC組成，都屬于市場上比較成熟的產(chǎn)品。ESD控制系統(tǒng)CPU的掃描周期一般在幾十毫秒，根據(jù)控制系統(tǒng)所掃描的控制點(diǎn)的數(shù)量，一般在50ms左右，所以ESD的響應(yīng)時(shí)間是極為迅速的。

2.2 ESD邏輯響應(yīng)的可靠性設(shè)計(jì)程序

ESD按鈕硬點(diǎn)接入I/O模塊，CPU將I/0模塊地址對(duì)應(yīng)其寄存器地址，程序通過掃描寄存器地址判斷ESD按鈕狀態(tài)，若按下程序往下執(zhí)行，到達(dá)TON（延時(shí)導(dǎo)通計(jì)時(shí)器指令），當(dāng)DN預(yù)置值達(dá)到累加值500ms時(shí)，EN使能位觸發(fā)。EN使能位觸發(fā)，ESD Timer[0].DN置位導(dǎo)通，OTE指令被使能，程序往下執(zhí)行。

在觸發(fā)ESD邏輯實(shí)際動(dòng)作前，程序進(jìn)行了PLC_ RUN、R1S1數(shù)據(jù)點(diǎn)的掃描。 PLC_RUN為GSV（獲取系統(tǒng)數(shù)值指令）監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)后確定主PLC運(yùn)行狀態(tài)正常的數(shù)據(jù)點(diǎn)，R1S1為GSV（獲取系統(tǒng)數(shù)值指令）監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)后確定模塊運(yùn)行狀態(tài)正常的數(shù)據(jù)點(diǎn)。因此，排除了因CPU或R1S1寄存器故障導(dǎo)致的程序誤觸發(fā)，保證了ESD觸發(fā)程序的可靠性。

3 ESD系統(tǒng)故障分析

3.1 ESD系統(tǒng)Allen-Bradley ControlLogix系列CPU完成上電后觸發(fā)ESD邏輯

江西二期管網(wǎng)維修隊(duì)對(duì)九江分輸站ESD系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)場工藝流程做好相應(yīng)防護(hù)措施后，對(duì)1#CPU（主用）、2#CPU（備用）下電，對(duì)2#CPU（備用）上電，當(dāng)CPU由wait變?yōu)閜ass啟動(dòng)成功瞬間，現(xiàn)場ESD程序觸發(fā)。

對(duì)ESD執(zhí)行程序進(jìn)行多次研讀，發(fā)現(xiàn)該場站ESD觸發(fā)程序缺少PLC_RUN_1的XIC判斷點(diǎn)。

由于HS_0001_1的判斷延時(shí)是0.5s，程序啟動(dòng)完成后CPU以ms級(jí)速度對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行掃描，當(dāng)掃描到HS_0001_1時(shí)，HS_0001的常閉狀態(tài)要0.5s后才執(zhí)行給HS_0001_1，因此CPU掃描HS_0001_1時(shí)為常開觸點(diǎn)，程序往下執(zhí)行ESD觸發(fā)程序。

3.2 ESD系統(tǒng)無外界干擾情況下自動(dòng)觸發(fā)ESD程序

江西二期管網(wǎng)贛州末站上位機(jī)報(bào)警顯示贛州接收站出現(xiàn)HS_0001按鈕被按下報(bào)警。查看上位機(jī)報(bào)警，發(fā)現(xiàn)2014年12月13日08時(shí)13分39秒出現(xiàn)按鈕HS_0001按下報(bào)警，08時(shí)13分49秒出現(xiàn)按鈕恢復(fù)報(bào)警。按鈕常閉觸點(diǎn)自行斷開時(shí)間為10s。由于贛州接收站程序延時(shí)設(shè)定5s，報(bào)警顯示ESD按鈕被按下10s，判斷ESD邏輯觸發(fā)。

經(jīng)故障排查發(fā)現(xiàn)，按鈕HS_0001為常閉觸點(diǎn)，其由于長期運(yùn)行導(dǎo)致電阻值偏大，程序通過電平值判斷按鈕斷開即相當(dāng)于被按下，觸發(fā)程序。

安全儀表系統(tǒng)中，過程關(guān)斷不是有SIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的保護(hù)過程故障引起的跳閘成為謬誤跳閘也稱作噪擾跳閘或者假關(guān)斷，一般故障引起原因有，硬件故障、軟件故障、電氣故障、瞬變、接地干擾等引起。

因此ESD按鈕質(zhì)量保證也是ESD系統(tǒng)可靠性保證要素之一。

4 如何提高ESD系統(tǒng)安全完整性的建議

4.1 ESD系統(tǒng)帶故障診斷常開觸點(diǎn)的應(yīng)用

目前，越來越多的安全儀表標(biāo)準(zhǔn)提出對(duì)輸入回路進(jìn)行診斷的技術(shù)要求，這對(duì)ESD按鈕的選型具有很重要的指導(dǎo)意義。

優(yōu)點(diǎn)：帶有診斷電阻的ESD按鈕，將SIS系統(tǒng)安全回路的隱性故障轉(zhuǎn)化為顯性故障，提高了SIS系統(tǒng)的安全可用性，不會(huì)引起謬誤跳閘，符合安全儀表系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。ESD按鈕帶診斷電阻，在ESD按鈕沒有被按下時(shí)，DI回路的電阻大而回路電流小，DI回路一直有效電流，對(duì)ESD按鈕DI回路起到診斷的作用，一旦任何一個(gè)位置的電纜斷開，小電流就會(huì)消失，安全儀表系統(tǒng)就會(huì)診斷報(bào)警，提醒操作人員進(jìn)行回路維護(hù)，此時(shí)并不觸發(fā)安全儀表系統(tǒng)的保護(hù)程序。缺點(diǎn)：ESD按鈕帶診斷電阻價(jià)格高。由于不同供貨商SIS系統(tǒng)DI回路的技術(shù)指標(biāo)不同，在設(shè)計(jì)SIS系統(tǒng)時(shí)需要統(tǒng)籌考慮ESD按鈕診斷電阻的大小，確?；芈吩\斷電流、觸發(fā)SIS系統(tǒng)回路電流符合DI模塊的技術(shù)指標(biāo)。

4.2 安全儀表系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)的嚴(yán)格區(qū)分

ESD控制系統(tǒng)的安全響應(yīng)時(shí)間與系統(tǒng)所掃描的控制點(diǎn)數(shù)密切相關(guān)，因此為保證ESD系統(tǒng)的迅速響應(yīng)，除參與ESD系統(tǒng)邏輯判斷的信號(hào)點(diǎn)外，其他信號(hào)點(diǎn)一般接入過程控制系統(tǒng)而不接入ESD系統(tǒng)。

5 結(jié)論

ESD的應(yīng)用越來越多，作為安全儀表系統(tǒng)（SIS），ESD系統(tǒng)需要獨(dú)立于過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為保證ESD邏輯觸發(fā)的可靠性和安全完整性等級(jí)應(yīng)從硬件和軟件兩方面保證。既要有高質(zhì)量的硬件做支撐更要編寫出嚴(yán)謹(jǐn)、無誤的ESD觸發(fā)程序。

[1]李國興，柳巖.長輸天然氣管道的安全問題及其對(duì)策[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006（7）.

[2]柳慶新.石油天然氣管道安全管理存在問題及對(duì)策分析[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2007（5）.

[3]李文波，蘇國勝.國外長輸管道安全管理與技術(shù)綜述[J].安全、健康和環(huán)境，2005（1）.

TP3

A

1674-6708（2015）148-0066-02

倪秀云，畢業(yè)院校：中國石油大學(xué)，現(xiàn)主要從事江西天然氣二期管網(wǎng)自控通信設(shè)施的全面運(yùn)行管理工作