ESD按鈕檢測回路設計探討

中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

1.引言

石油、天然氣是人類生活中常用的工業(yè)生產(chǎn)原料和化石燃料能源，它們在生產(chǎn)和輸送時具有易燃、易爆、有毒等危險因素[1]，因此，國內(nèi)外的石油、天然氣項目，經(jīng)過安全評估后，經(jīng)常會使用安全儀表系統(tǒng)(Safety Instrumented System，簡稱SIS)來實現(xiàn)安全儀表功能，即利用安全儀表系統(tǒng)中的測量儀表、邏輯控制器、最終元件及相關軟件等，來防止、減少危險事件發(fā)生或保持過程安全狀態(tài)，實現(xiàn)的安全保護或安全控制[2]。

緊急停車系統(tǒng)(Emergency Shut Down，簡稱ESD)是安全儀表系統(tǒng)中一個重要的子系統(tǒng)，ESD 按鈕則是ESD 系統(tǒng)中最小的、最常見的一個儀表設備，用于在事故或危險已經(jīng)發(fā)生或即將發(fā)生時，人為觸發(fā)ESD 系統(tǒng)的保護程序以緩解危害擴大、減少損失。然而在實際運行中，ESD 按鈕由于配置不合理，是發(fā)生誤動作較多的設備之一，ESD 按鈕的誤動作將造成區(qū)域停車或全站停車，或者要求實現(xiàn)安全功能時根本無法停車，這就為管道的正常運行帶來很多損失和隱患。

ESD 按鈕的配置

目前，ESD 按鈕有常開接點、常閉接點兩種，普通ESD 按鈕對于斷開或短路原因是人為觸發(fā)還是誤觸發(fā)，系統(tǒng)無法進行區(qū)分，只要回路斷開或短路均會觸發(fā)ESD，誤觸發(fā)原因可能包括ESD 按鈕進水老化、回路接線不禁錮、回路浪涌損壞、24 V 電源故障、地面沉降拉脫接線線頭、小動物咬斷線纜等。

國家標準GB/T50770-2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設計規(guī)范》要求：重要的輸入回路宜設置線路開路和短路故障檢測，輸入回路的開路和短路故障，宜在安全儀表系統(tǒng)中報警和記錄[2]。

國內(nèi)行業(yè)標準SY/T6966-2013《輸油氣管道工程安全儀表系統(tǒng)設計規(guī)范》要求：安全儀表系統(tǒng)的開關量檢測元件應為常閉或帶診斷功能的接點，ESD 按鈕應具有防誤觸、保持和復位功能[3]。

為了規(guī)范ESD 按鈕的配置，減少誤動作的發(fā)生，ESD 按鈕回路需要增加相應回路檢測功能，確保不進行誤觸發(fā)。首先要求ESD 按鈕為帶回路診斷功能的ESD 按鈕，其次，安全儀表系統(tǒng)的PLC 機柜內(nèi)I/O模塊應具有信號通道的回路檢測及保護功能，對每個控制回路具有診斷功能(這里不單指I/O 模塊的自診斷功能，還包括執(zhí)行對元件的回路診斷，例如ESD 按鈕)，利用模塊的回路診斷功能，在現(xiàn)場ESD 按鈕處并入一個電阻和串入一個電阻，診斷電阻的阻值可以根據(jù)SIS 系統(tǒng)I/O 模塊的技術指標要求進行調(diào)整，通過測量回路中電流的大小，根據(jù)系統(tǒng)軟件編制相應的報警程序，當回路異常時應自動產(chǎn)生報警提醒運行人員[4][5][6][7]。

2.診斷電阻的配置

1) 常開觸點ESD 按鈕

對于帶有2 個診斷電阻的常開觸點ESD 按鈕，ESD 按鈕接SIS 系統(tǒng)DI 模塊的等效電路見圖1，圖中虛線框表示1 個ESD 按鈕(含2 個診斷電阻)。

Figure 1.Circuit diagram of diagnostic resistance for normally open ESD push-button圖1.常開觸點ESD 按鈕診斷電阻設置圖

下面以德國黑馬公司SIL3 等級的DI 輸入模塊為例進行回路電流計算，ESD 按鈕正常情況下，ESD按鈕觸點不閉合，回路通過10 KΩ 并聯(lián)電阻和1KΩ串聯(lián)電阻聯(lián)通，DI 模塊的回路電壓為24 VDC，模塊最大輸入阻抗為2 KΩ，回路中為診斷電流。

由于ESD 按鈕電纜的電阻一般在0.008～0.02 kΩ 之間，與DI 模塊的最大輸入阻抗(2 kΩ)相比太小。下面的計算不考慮電纜電阻。不會影響計算結果。

①回路診斷電流

回路診斷電流在1.2～2 mA 之內(nèi)，表示ESD 按鈕的DI 模塊回路正常。

② 觸發(fā)SIS 系統(tǒng)回路電流

當ESD 按鈕被按下時觸點閉合，SIS 系統(tǒng)的DI 回路越過并聯(lián)電阻，通過串聯(lián)電阻聯(lián)通，當回路電流在2 mA～12 mA 之內(nèi)，就觸發(fā)SIS 系統(tǒng)的停車保護程序，切斷區(qū)域或者全站的流程。

③無電流

電纜任何一處斷開，SIS 系統(tǒng)的DI 回路無電流，即DI 回路電流小于1.2 mA，SIS 系統(tǒng)立即進行報警，提醒操作人員檢查物理電路，這在SIS 系統(tǒng)中屬于顯性故障。此時SIS 系統(tǒng)并不啟動安全保護程序，由于ESD 按鈕的故障或者電纜的故障不會引起區(qū)域或者全站停車。

④ 短路電流

電纜任何一處短路，SIS 系統(tǒng)的DI 回路直接聯(lián)通。

SIS 系統(tǒng)的DI 回路電流最大，即DI 回路電流大于12 mA，SIS 系統(tǒng)立即進行報警，提醒操作人員檢查物理電路，這在SIS 系統(tǒng)中也屬于顯性故障。

2) 常閉觸點ESD 按鈕

帶2 個診斷電阻的常閉觸點ESD 按鈕接到SIS 系統(tǒng)DI 模塊的等效電路見圖2，圖中虛線框表示1個ESD 按鈕(含2 個診斷電阻)。

Figure 2.Circuit diagram of diagnostic resistance for normally closed ESD push-button圖2.常閉觸點ESD 按鈕診斷電阻設置圖

下面以德國黑馬公司SIL3 等級的SIS 系統(tǒng)DI 輸入模塊為例進行回路電流計算，ESD 按鈕正常情況下，ESD 按鈕觸點閉合，回路通過10 KΩ 并聯(lián)電阻和1KΩ串聯(lián)電阻聯(lián)通，DI 模塊的最大輸入阻抗為2 KΩ，回路中是診斷電流。

由于ESD 按鈕電纜的電阻一般在0.008～0.02 kΩ 之間，與DI 模塊的最大輸入阻抗(2 kΩ)相比太小。下面的計算不考慮電纜電阻。不會影響計算結果。

①回路診斷電流

ESD 按鈕正常情況下，ESD 按鈕觸點閉合，回路通過串聯(lián)電阻聯(lián)通，回路中是診斷電流.回路診斷電流在2 mA～12 mA 之內(nèi)，表示ESD 按鈕的DI 模塊回路正常。

② 觸發(fā)SIS 系統(tǒng)回路電流

當ESD按鈕被按下時觸點打開，SIS系統(tǒng)的DI回路越過并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻，當回路電流在1.2～2 mA之內(nèi)，就觸發(fā)SIS 系統(tǒng)的停車保護程序，切斷區(qū)域或者全站的流程。

③無電流

電纜任何一處斷開，SIS 系統(tǒng)的DI 回路無電流，即DI 回路電流小于1.2 mA，SIS 系統(tǒng)立即進行報警，提醒操作人員檢查物理電路，這在SIS 系統(tǒng)中屬于顯性故障。此時SIS 系統(tǒng)并不啟動安全保護程序，由于ESD 按鈕的故障或者電纜的故障不會引起區(qū)域或者全站停車。

④ 短路電流

電纜任何一處短路，SIS 系統(tǒng)的DI 回路直接聯(lián)通。

SIS 系統(tǒng)的DI 回路電流最大，即DI 回路電流大于24 mA，SIS 系統(tǒng)立即進行報警，提醒操作人員檢查物理電路，這在SIS 系統(tǒng)中也屬于顯性故障。

3.檢測回路特點

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，不會引起誤觸發(fā)，符合安全儀表系統(tǒng)標準的要求。ESD 按鈕帶診斷電阻，在ESD 按鈕沒有被按下時，DI 回路一直有小電流，對ESD 按鈕DI 回路起到診斷的作用.一旦任何一個位置的電纜斷開，小電流就會消失，安全儀表系統(tǒng)就會診斷報警，提醒操作人員進行回路維護，此時并不觸發(fā)安全儀表系統(tǒng)的保護程序。

同時，可以看到的是，ESD 按鈕帶診斷電阻價格高，由于不同供貨商SIS 系統(tǒng)DI 回路的技術指標不同，在設計SIS 系統(tǒng)時需要考慮ESD 按鈕診斷電阻的大小。確保回路診斷電流、觸發(fā)SIS 系統(tǒng)回路電流符合DI 模塊的技術指標。對于不同的廠家提供的具備回路診斷功能的PLC 模塊，其要求的電阻值是不一樣的。

以下為各廠家針對不同類型的按鈕所需的電阻值見表1。

Table 1.Configuration table of ESD push-button diagnostic resistance from various manufacturers表1.各廠家ESD 按鈕診斷電阻配置表

4.阿美公司ESD 按鈕設計要求

目前來看，在阿美公司的標準體系中，并沒有標準對ESD 按鈕的檢測回路進行要求，僅對制造商要求按鈕必須具備如ATEX/IECEx 等機構的電氣設備防爆認證和對外殼、電壓等級等的使用認證，保證按鈕可以在爆炸危險場所安全使用。

5.國內(nèi)外ESD 按鈕設計現(xiàn)狀

近年來，隨著國內(nèi)油氣管道行業(yè)中安全儀表系統(tǒng)的不斷推廣應用，ESD 按鈕的誤觸發(fā)問題已經(jīng)引起了各管道工程設計單位和運行業(yè)主的重視。

目前，在2012 年以前投建的如西氣東輸一線、蘭鄭長、蘭成渝等油氣管道，現(xiàn)場ESD 按鈕回路均采用未配檢測電路的常閉(NC)單回路，IO 模塊也不具備回路診斷功能，對于斷開原因是人為觸發(fā)還是誤觸發(fā)，系統(tǒng)無法進行區(qū)分，只要回路斷開均會觸發(fā)緊急停車。

從2013 年開始，中國石油天然氣管道工程有限公司(管道設計院)在站場控制系統(tǒng)技術協(xié)議中要求ESD 按鈕必須配備檢測回路，其他幾家油氣管道行業(yè)設計單位也有相關要求。西氣東輸分公司、西部管道公司等管道運行業(yè)主同時對ESD 按鈕的誤觸發(fā)問題進行了關注和研究，尤其西氣東輸分公司壓縮機處對ESD 按鈕的檢測回路做了深入研究，并積累了一定的實踐經(jīng)驗。各管道運行業(yè)主相繼開展了對未配備檢測回路ESD 按鈕的改造工作，并要求在以后工程中必須使用帶檢測回路的ESD 按鈕，以避免ESD 按鈕誤動作問題。

目前，國外管道行業(yè)部分運行業(yè)主對ESD 按鈕帶檢測回路沒有明確要求，沙特阿拉伯地區(qū)由阿美公司批準的WOOD、WorleyParsons、KBR、SNC-Lavalin 等幾家本地GES+(General Engineering Service Plus)設計分包商對ESD 按鈕是否帶檢測回路均沒有要求；而泰國石油公司建設的泰國壓氣站工程使用了帶檢測回路的ESD 按鈕；中亞、中緬天然氣管道業(yè)主都要求使用帶檢測回路的ESD 按鈕[8]。

6.結束語

為了更好地降低ESD 按鈕因為模塊故障導致的誤觸發(fā)，建議將接入系統(tǒng)的IO 模塊設計成冗余結構，現(xiàn)場檢測信號進入3 個IO 模塊，通過2oo3 方式進行設置，當其中1 個模塊故障時，不觸發(fā)ESD，這樣既提高可用性，同時又保證了安全性[9][10]。

ESD 按鈕在大規(guī)模使用過程中，誤觸發(fā)事件發(fā)生的頻率較高，這給油氣管道的正常運行帶來很多問題，但由于它有著不可或缺的重要性[11][12][13]，所以如何減少ESD 按鈕的誤觸發(fā)事件是今后我們需要長期關注和持續(xù)研究的課題。