ESD的事件順序記錄在大型合成氨尿素項目中的應(yīng)用

付榮申

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

國外某大型合成氨尿素項目主裝置為0.67 Mt/a合成氨和1.07 Mt/a尿素，并配套有熱電站、生產(chǎn)水系統(tǒng)、氨罐、包裝儲運等輔助裝置，屬于大型化工項目，聯(lián)鎖保護系統(tǒng)較為復(fù)雜。根據(jù)危險與可操作性分析方法(HAZOP)和安全完整性等級(SIL)的定級報告，該項目中部分聯(lián)鎖回路被確定為SIL2及以上等級，因此這部分回路的安全聯(lián)鎖需要在緊急停車系統(tǒng)(ESD)中完成[1-2]。本文結(jié)合事件順序記錄(SER)在該大型合成氨尿素項目ESD中的實際應(yīng)用，對SER的概念、變量篩選、變量分組以及時鐘同步等問題進行了研究，希望為類似項目的設(shè)計提供參考。

1 緊急停車系統(tǒng)

根據(jù)該項目的特點，結(jié)合ESD負荷計算[3-4]，在合成氨裝置、尿素裝置和熱電站分別設(shè)計了獨立的ESD，即該項目共采用3套獨立的ESD，3套系統(tǒng)間通過冗余的工業(yè)以太網(wǎng)進行連接，既可以單獨運行，又可以聯(lián)網(wǎng)運行；其中合成氨ESD完成合成氨主裝置和氨罐的ESD聯(lián)鎖，尿素ESD和熱電站ESD則各自完成其裝置內(nèi)的ESD聯(lián)鎖。ESD整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 國外某合成氨尿素項目ESD結(jié)構(gòu)示意

2 事件順序記錄

3套ESD分別配置有單獨的SER站，并配套專用的SER軟件，用于記錄故障停車發(fā)生的時間和類型[5]。SER的目的是幫助分析事件的發(fā)生順序，特別是停車事故的分析。通常SER能以毫秒級的分辨率獲取事件信息，能非常精確地反映事件情況，為事故分析提供有力的證據(jù)。

SER是一種帶同步時間戳的開關(guān)量事件，即SER模塊不僅需要采集開關(guān)量的狀態(tài)，還要同步記錄開關(guān)量狀態(tài)變位發(fā)生的時刻；并把采集到的開關(guān)量狀態(tài)和變位發(fā)生的時刻一并發(fā)送給主控制器處理后，再保存于ESD的SER站中。通常SER模塊僅能記錄某分鐘內(nèi)的毫秒值，待上報控制器后，由控制器將毫秒值與本地事件合成，得到準確的事件。

2.1 SER分辨率

SER的輸入輸出變量全部為開關(guān)量信號，它以高分辨率分辨各個信號狀態(tài)變化的先后次序，幫助在事故情況下分辨故障的原因并找出首發(fā)故障[6]。開關(guān)量事件分辨率是指以2個連續(xù)的變位信號接入同一個開關(guān)量通道時，IO采集模塊對變位信號的最小濾波時間。

為了獲得毫秒級的分辨率，SER配有專用的硬件支持，以滿足相關(guān)標準的要求，不同標準下的SER分辨率見表1所列。

表1 不同標準下的SER分辨率[7]

2.2 變量的篩選

SER站的輸入輸出變量全部為開關(guān)量信號，但并不是所有的ESD變量都有作為SER變量的必要。在SER組態(tài)的先期，應(yīng)合理地篩選SER變量，使其數(shù)量精簡，從而可減少系統(tǒng)的運行負荷，提高SER的響應(yīng)速度。

該項目ESD的輸入輸出變量共計490多個，其中篩選了289個作為SER變量，包括聯(lián)鎖的觸發(fā)條件變量、聯(lián)鎖的輸出動作變量、與其他系統(tǒng)往來的硬接線變量等，保證了SER查找事故的必要數(shù)據(jù)；而時間計時器、通道狀態(tài)、開車條件、到DCS的指示報警變量、去輔助操作臺的報警燈等，均未加入SER變量中，方便了用戶的使用。

2.3 變量分組

設(shè)置SER變量分組主要是為了幫助快速查詢事件產(chǎn)生的原因、執(zhí)行動作的先后順序等，但以上查詢不是同時用到。如查詢某個事件產(chǎn)生的原因，只需查詢相關(guān)輸入變量的先后順序；查詢某一串執(zhí)行動作的選后順序，只需排列出相關(guān)輸出變量的先后順序。因此，如果事先不對SER變量進行分組，SER記錄可能是輸入變量、輸出變量、中間變量的混合記錄，不利于事件的查找和分析。

此外，有時1套ESD將同時容納多套相對獨立的裝置或功能分區(qū)的邏輯，也需要對SER變量進行分組。需要說明的是，很多系統(tǒng)的SER變量在定義時就需要分組，因此在該項目組態(tài)初期，就對SER變量提前進行了分組。

首先根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的不同功能區(qū)域進行分組，如并行的幾個生產(chǎn)系列、相對獨立的幾臺機組的控制等。即使這些生產(chǎn)系列或機組控制分布在不同的ESD控制器中，由于這幾套ESD控制器可能共用1套SER服務(wù)器，因此SER變量的分組也是必要的。該項目中把SER變量按照裝置及聯(lián)鎖功能的不同進行了分組，例如氨罐進出口閥門的ESD聯(lián)鎖，分組為氨罐ESD組；一段爐進出口風機的ESD聯(lián)鎖，分組為一段爐組。

對于有嚴格時序控制的聯(lián)鎖，順序步序號也是分析事件過程的重要參數(shù)，應(yīng)單獨分組。例如合成氨裝置緊急停車聯(lián)鎖，其步序號也進行了必要的分組，方便后期分析是哪一步觸發(fā)了聯(lián)鎖跳車。

2.4 時鐘同步

為保證同一裝置不同系統(tǒng)間歷史趨勢、SER數(shù)據(jù)時間的一致，需要在系統(tǒng)間做時鐘同步[8]。比如SER記錄中的變量觸發(fā)時間是從控制器中帶來的時間標簽(time stamp)，它以控制器時鐘為基準；而SER站的時鐘可能是當前工程師站PC機的時鐘，兩者未必一致；同樣，它與操作員站的時鐘也不一定相同。因此，只有在時間基準相同的前提下，才可以對模擬量的趨勢記錄和SER事件記錄進行比較、判斷，時鐘同步方法有很多，比如GPS受時、NPT受時、DCS糾偏受時等，有時需要幾種受時方法同時配合使用，時鐘同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 時鐘同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

在該項目中，DCS配置了時鐘同步服務(wù)器和時鐘信號分配器，DCS控制節(jié)點、操作節(jié)點和二級時鐘服務(wù)器的時鐘將與一級服務(wù)器同步。ESD和其他第三方系統(tǒng)采用Modbus通信方式與DCS之間進行時鐘同步，DCS每天通過Modbus向所有與DCS通信的第三方包發(fā)送1個同步脈沖信號完成時鐘同步，該項目時鐘同步系統(tǒng)可達到1 ms級控制站的時間同步精度。

2.5 SER的測試

在調(diào)試過程中，可以人為改變開關(guān)量信號的邏輯值，然后在SER程序中查看記錄是否正確[9]，也可將同一個開關(guān)量的變位信號同時接入相同主控器管轄下的不同SER模塊，計算各模塊之間記錄事件時刻的最大與最小時刻之差。

3 結(jié)束語

綜上所述，該項目在合成氨裝置、尿素裝置和熱電站裝置分別設(shè)計了ESD的SER站，采用高分辨率的SER卡件，精確地反映了事件發(fā)生的情況；對SER輸入變量進行篩選和分組，提高了SER的響應(yīng)速度，也方便了用戶的使用；通過合理的時鐘同步方案，確保了SER數(shù)據(jù)時間的一致。上述SER方案的設(shè)計與實施，有利于裝置緊急停車后對停車原因的分析和問題的排查。ESD中的 SER作為重要的非正常停車事故的分析工具，越來越多地被應(yīng)用于現(xiàn)代化工項目中。