某化工廠罐區(qū)SIS 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

朱云朋*

（唐山首信自動(dòng)化信息技術(shù)有限公司，河北唐山，063000）

某化工廠罐區(qū)SIS 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

朱云朋*

（唐山首信自動(dòng)化信息技術(shù)有限公司，河北唐山，063000）

當(dāng)前自動(dòng)化技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，安全儀表系統(tǒng)在工業(yè)控制中的優(yōu)勢(shì)也得到了越來越多工廠的認(rèn)可。某化工廠對(duì)本區(qū)域中構(gòu)成重大危險(xiǎn)源的儲(chǔ)罐區(qū)的液氨儲(chǔ)罐、氯甲烷儲(chǔ)罐、氯乙烷儲(chǔ)罐在DCS控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)安全儀表系統(tǒng)（SIS系統(tǒng)）；并由通訊接口接入DCS系統(tǒng)；本文主要介紹罐區(qū)SIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全控制的方法，并對(duì)SIS系統(tǒng)的概述、安全儀表的選型、安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)、原DCS與SIS系統(tǒng)通訊等幾個(gè)方向作了簡(jiǎn)要的分析。

DCS控制；安全儀表；SIS

引言

在危險(xiǎn)化工系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，除了生產(chǎn)控制DCS系統(tǒng)以外，還設(shè)有安全儀表系統(tǒng)SIS，其目的就是保證安全生產(chǎn)的穩(wěn)定進(jìn)行，以及當(dāng)危險(xiǎn)將要發(fā)生時(shí)提前進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，保證生產(chǎn)及生產(chǎn)設(shè)備安全，最大程度的避免危險(xiǎn)發(fā)生。

某化工廠儲(chǔ)罐區(qū)涉及的易燃危險(xiǎn)物質(zhì)有：氯甲烷、氯乙烷、氨、其中氯甲烷、氯乙烷、的火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲類；氨的火災(zāi)危險(xiǎn)性為乙類。除氨以外其余物質(zhì)均重于空氣，涉及這些物品的場(chǎng)所均為爆炸危險(xiǎn)域。表1為危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)表。

表1 危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)表

儲(chǔ)罐區(qū)液氨儲(chǔ)罐，氯甲烷儲(chǔ)罐，氯乙烷儲(chǔ)罐，乙醇儲(chǔ)罐在改造前只設(shè)置了DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)，安全性能比較低，為確保裝置的安全運(yùn)行，本次設(shè)計(jì)增設(shè)了SIS系統(tǒng)，SIS系統(tǒng)的可靠性較DCS系統(tǒng)要求高，其獨(dú)立于DCS系統(tǒng)，獨(dú)立完成安全保護(hù)功能，SIS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在緊急狀態(tài)下或事故狀態(tài)下對(duì)重大設(shè)備進(jìn)行關(guān)斷（停車）。

1 SIS系統(tǒng)概述

SIS系統(tǒng)采用HiaGuard的控制器其三重化配置，三重化的控制器為三個(gè)獨(dú)立的模塊，并同步運(yùn)行；I/O通道三重化配置，三重化的I/O通道物理上在一個(gè)模塊中。I/O模塊可單獨(dú)配置，也可冗余配置。不論對(duì)單個(gè)配置還是冗余配置，三重化的I/O通道均對(duì)應(yīng)同一個(gè)端子模塊，端子模塊不支持冗余。三重化的控制器之間采用安全通訊協(xié)議交換數(shù)據(jù)，每系控制器與本系的I/O模塊之間也采用安全通訊協(xié)議交換數(shù)據(jù)，以使安全回路滿足 IEC 61508 SIL3的標(biāo)準(zhǔn)要求。

HiaGuard的工作原理是：三重化的AI和DI模塊分別通過端子模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集，并將結(jié)果送給控制器。三重化的控制器交換輸入數(shù)據(jù)并分別進(jìn)行2oo3表決，然后使用表決后的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行運(yùn)算。三重化的控制器再次交換運(yùn)算結(jié)果，并再次分別進(jìn)行2oo3表決。表決結(jié)果被分別輸出到三重化的DO模塊。DO模塊三重化的通道再次進(jìn)行2oo3表決后，通過端子模塊輸出到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備。

儲(chǔ)罐區(qū)新加SIS系統(tǒng)為獨(dú)立的控制系統(tǒng)，設(shè)置為故障安全型，安全完整性等級(jí)為SIL2級(jí)。SIS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表冗余設(shè)置，采用“或”邏輯結(jié)構(gòu)，冗余設(shè)置的任何一個(gè)儀表檢測(cè)到有超限信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)都執(zhí)行安全聯(lián)鎖。控制閥的電磁閥采用冗余配置，采用“或”邏輯結(jié)構(gòu)，冗余設(shè)置電磁閥任何一個(gè)接到動(dòng)作信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)都執(zhí)行安全聯(lián)鎖。

2 安全儀表類型

根據(jù)本項(xiàng)目的特點(diǎn)，選擇技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、精度適當(dāng)、價(jià)格合理，技術(shù)支持良好的儀表和控制系統(tǒng)。本次改造新增所有遠(yuǎn)傳儀表全部按照隔爆儀表設(shè)計(jì)，防爆等級(jí)不低于ExdⅡBT4。

對(duì)液氨儲(chǔ)罐、氯甲烷儲(chǔ)罐增設(shè)了冗余液位測(cè)量，現(xiàn)有液位計(jì)為遠(yuǎn)傳磁翻板，新增隔膜式差壓液位計(jì)。用不同測(cè)量原理完成儲(chǔ)罐重要參數(shù)--液位的測(cè)量。對(duì)液氨儲(chǔ)罐和液氨備用儲(chǔ)罐進(jìn)料切斷閥由原來的電動(dòng)切斷閥改為了冗余配置的雙電磁閥控制的氣動(dòng)切斷球閥，保證了執(zhí)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)作迅速和準(zhǔn)確。對(duì)氯甲烷儲(chǔ)罐和氯甲烷備用儲(chǔ)罐進(jìn)料氣動(dòng)切斷閥增設(shè)了雙電磁頭控制。

3 安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)

在DCS系統(tǒng)中，通常采用冗余技術(shù)來獲得系統(tǒng)可用性，安全儀表系統(tǒng)也不例外，本設(shè)計(jì)中增設(shè)了冗余液位測(cè)量，增加冗余雙電磁閥控制的氣動(dòng)切斷球閥，增加儲(chǔ)罐超溫、氨泄漏聯(lián)鎖啟動(dòng)噴淋系統(tǒng)對(duì)液氨儲(chǔ)罐和液氨備用儲(chǔ)罐進(jìn)料切斷閥由原來的電動(dòng)切斷閥改為了冗余配置的雙電磁閥控制的氣動(dòng)切斷球閥，保證了執(zhí)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)作迅速和準(zhǔn)確。對(duì)氯甲烷儲(chǔ)罐和氯甲烷備用儲(chǔ)罐進(jìn)料氣動(dòng)切斷閥增設(shè)了雙電磁頭控制，圖1為DCS系統(tǒng)液位聯(lián)鎖圖。

圖1 DCS系統(tǒng)液位聯(lián)鎖圖

根據(jù)圖1中所示在V14105A和V14105B液氨罐中分別實(shí)現(xiàn)冗余液位測(cè)量，液位測(cè)量采用兩種不同的測(cè)量方式，依據(jù)SIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范測(cè)量?jī)x表一種采用遠(yuǎn)傳磁翻板液位計(jì)，另外一種采用隔膜式差壓液位計(jì)。輸入信號(hào)先進(jìn)入SIS系統(tǒng)中，在SIS系統(tǒng)中設(shè)置聯(lián)鎖當(dāng)任一個(gè)液位高于報(bào)警值后，都會(huì)發(fā)出關(guān)閉進(jìn)料泵并切斷切斷閥命令，其輸出采用硬線串聯(lián)在DCS控制回路中，正常情況輸出結(jié)果是靜止的，保持為通路，出現(xiàn)事故狀態(tài)后發(fā)出斷開命令，實(shí)現(xiàn)關(guān)閉進(jìn)料泵和切斷進(jìn)料切斷閥。同時(shí)把V14105A和V14105B液氨液位通過通訊傳給西門子冗余S7-400系列DCS系統(tǒng)，圖3中在DCS系統(tǒng)中也有自己聯(lián)鎖控制的切斷閥，同時(shí)控制SIS系統(tǒng)中切斷閥?？梢詫?shí)現(xiàn)聯(lián)鎖雙重保護(hù)，氯乙烷儲(chǔ)罐和氯甲烷儲(chǔ)罐也做相同配置。

4 DCS與SIS系統(tǒng)通訊

DCS系統(tǒng)采用西門子冗余400CPU與SIS第三方設(shè)備進(jìn)行通訊。DCS側(cè)采用CP341模塊，采用MODBUS通訊協(xié)議，SIS系統(tǒng)作為DCS的從站。DCS與SIS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如下圖2所示，SIS系統(tǒng)MODBUS通訊協(xié)議設(shè)置如下表2所示。

表2 SIS系統(tǒng)MODBUS通訊協(xié)議設(shè)置

圖2 DCS系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

DCS側(cè)的硬件配置與之做相匹配的設(shè)置。DCS側(cè)編寫通信程序：本系統(tǒng)中以CP341作主站，MODBUS 用戶系統(tǒng)為從站。調(diào)用CP341 庫中的PCS7庫SND_341、RCV_341 功能塊。CP341通過發(fā)送塊P_SND_RK 或SND_341發(fā)送請(qǐng)求信息給MODBUS從站，在通過相應(yīng)的接受塊P_RCV_RK 或RCV_341 得到信息。其中，MODBUS 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)類型的交換是由 FC(功能碼)決定。參數(shù)LADDR設(shè)為硬件組態(tài)的輸入起始邏輯地址如圖3所示2992。創(chuàng)建發(fā)送數(shù)據(jù)塊DB497，如圖4所示：從站地址為1，功能碼為3，起始地址為0，讀60個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)。

圖3 CP341的邏輯地址

圖4 接收數(shù)據(jù)塊

5 結(jié)束語

本次改造是在原有DCS控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)儲(chǔ)罐區(qū)、氯氣房增設(shè)了安全儀表系統(tǒng)（SIS）設(shè)計(jì)，從而很好的實(shí)現(xiàn)雙重聯(lián)鎖保護(hù)、安全泄壓、緊急切斷、事故排放、反應(yīng)失控。為儲(chǔ)罐具有安全重大危險(xiǎn)源的相似工藝安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要參考。

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Design and Optimization of SIS Safety Instrument System in a Chemical Plant Tank Area

ZHU Yunpeng*
(Tangshan Capitel Automation Information Technology Co.,Ltd.,Hebei Tangshan,063000,China)

At present,automation technology has been widely used in all fields. The advantages of safety instrumented system in industrial control have also been approved by more and more factories. A chemical plant in the region constitute a major source of danger in the tank area of liquid ammonia storage tanks,methyl chloride storage tanks,chlorine storage tanks in the DCS control system based on the addition of safety instrumented system (SIS system); by the communication interface Access to the DCS system; This article describes the tank area SIS system to achieve safety control methods,and the SIS system overview,safety instrumentation selection,safety interlock design,the original DCS and SIS system communications in several directions made a brief analysis.

DCS control; safety instrument; SIS

TQ056

A

1672-9129(2017)06-0148-02

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.052

朱云朋. 某化工廠罐區(qū)SIS安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì),2017,6(6)： 148-149.

Cite：ZHU Yunpeng. Design and Optimization of SIS Safety Instrument System in a Chemical Plant Tank Area[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 148-149.

2017-01-22；

2017-03-05。

朱云朋(1984-)，本科，從事PLC、DCS的編程調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)自控設(shè)備的維護(hù)及管理工作。

Email：407944271@qq.com