SIS與DCS集成的化工裝置安全控制系統(tǒng)應(yīng)用

水生洲(內(nèi)蒙古東景生物環(huán)?？萍加邢薰荆瑑?nèi)蒙古 烏海 016000)

0 引言

近些年我國化工行業(yè)發(fā)展速度不斷提高，化工企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品也呈現(xiàn)出多樣化特征，在日常生產(chǎn)過程中也開始利用各種生產(chǎn)技術(shù)工藝，提高了我國化工企業(yè)生產(chǎn)過程的連續(xù)化和自動(dòng)化。在化工企業(yè)日常生產(chǎn)過程中需要利用各種化學(xué)物質(zhì)，需要根據(jù)特定比例開展化學(xué)物質(zhì)合成制備工作，同時(shí)需要在高溫和高壓環(huán)境中完成相關(guān)工作，因此增加了生產(chǎn)工作的危險(xiǎn)性。文章綜合分析了SIS與DCS集成的化工裝置安全控制系統(tǒng)，提高化工生產(chǎn)過程的安全性，實(shí)現(xiàn)化工行業(yè)健康發(fā)展。

1 概述SIS技術(shù)系統(tǒng)和DCS技術(shù)系統(tǒng)

1.1 SIS技術(shù)系統(tǒng)

SIS安全儀表技術(shù)系統(tǒng)主要包括邏輯控制器和現(xiàn)場(chǎng)傳感器以及執(zhí)行器等，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，SIS技術(shù)系統(tǒng)還可以發(fā)揮火災(zāi)報(bào)警技術(shù)系統(tǒng)和緊急停車技術(shù)系統(tǒng)等功能，化工企業(yè)可利用SIS技術(shù)系統(tǒng)發(fā)出信息預(yù)警生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生的故障，并且根據(jù)設(shè)定程序開展控制干預(yù)，避免化工企業(yè)生產(chǎn)安全隱患的進(jìn)一步擴(kuò)大，降低經(jīng)濟(jì)損失度，保障化工企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)設(shè)備系統(tǒng)和生產(chǎn)人員的安全性[1]。

在現(xiàn)代化化工企業(yè)生產(chǎn)過程中，可以利用SIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)應(yīng)急處置工作，在化工企業(yè)組織中利用安全控制技術(shù)系統(tǒng)，可以安全有序的開展化工企業(yè)日常生活和經(jīng)營活動(dòng)。在運(yùn)行過程中，SIS技術(shù)系統(tǒng)和DCS過程控制技術(shù)系統(tǒng)處于相互分離的狀態(tài)，相互聯(lián)系和相互配合二者的技術(shù)應(yīng)用功能，有利于提供現(xiàn)代化企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)的有序性和安全性。

1.2 DCS技術(shù)系統(tǒng)

在化工行業(yè)化工裝置自動(dòng)化控制過程中，DCS技術(shù)系統(tǒng)和SIS技術(shù)系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用，DCS系統(tǒng)通過連接通信網(wǎng)絡(luò)，可以集成多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有效監(jiān)視和管控化工生產(chǎn)工藝過程，有利于提高化工裝置控制水平，可以提高化工生產(chǎn)過程的環(huán)保性和智能化。通過利用DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，工作人員可以遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)管控閥門，減少整體操作時(shí)間，同時(shí)可以提高操作過程的規(guī)范，避免操作風(fēng)險(xiǎn)影響到化工生產(chǎn)。

2 SIS與DCS集成技術(shù)原理

在超聲波液位檢測(cè)工程中，可以利用共振法、回波法以及頻差法等，其中脈沖回波法利用率比較高，其在管壁內(nèi)環(huán)繞和反射超聲波，介質(zhì)氣泡和壓力等因素不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。外貼式超聲波液位開關(guān)和探頭可以產(chǎn)生高頻超聲波脈沖，可以穿越容器壁，在容器壁和液體中傳播脈沖之后可以被反射，通過檢查和計(jì)算這種反射特性，可以確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)部位容器中是否存在液體，同時(shí)可以檢測(cè)報(bào)警液位。向DCS系統(tǒng)中傳輸液位開關(guān)輸出繼電器信號(hào)，可以連鎖控制液位?；て髽I(yè)在灌區(qū)生產(chǎn)過程中利用DCS系統(tǒng)開展控制工作，綜合儲(chǔ)罐壓力和液位等設(shè)置申報(bào)報(bào)警和連鎖系統(tǒng)。因?yàn)楣鄥^(qū)涉及危險(xiǎn)化學(xué)品，因此需要辨識(shí)和計(jì)算灌區(qū)危險(xiǎn)化學(xué)品的重大危險(xiǎn)源。為了提高灌區(qū)生產(chǎn)的安全性，避免發(fā)生安全事故，需要安裝安全儀表系統(tǒng)，在正常生產(chǎn)狀態(tài)中，SIS系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)中，如果發(fā)生安全事故系統(tǒng)能夠發(fā)出瞬間準(zhǔn)確動(dòng)作，落實(shí)緊急切斷和連鎖控制，停止生產(chǎn)運(yùn)行，同時(shí)可以自動(dòng)導(dǎo)入到預(yù)定的安全狀態(tài)當(dāng)中，保障工業(yè)生產(chǎn)的安全性[2]。SIS系統(tǒng)中包括現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行器等，可以納入到故障安全性設(shè)計(jì)系統(tǒng)中。SIS系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)之間屬于獨(dú)立的關(guān)系，PLC系統(tǒng)經(jīng)過SIL認(rèn)證之后可以開展聯(lián)鎖控制工作，可以和DCS實(shí)施通訊，但是DCS系統(tǒng)無法向SIS系統(tǒng)中輸入數(shù)據(jù)。為了避免二者信號(hào)接線發(fā)生問題，可以獨(dú)立配置SIS系統(tǒng)的控制機(jī)柜和工程師站以及操作員站以及通信網(wǎng)絡(luò)等，針對(duì)SIS系統(tǒng)中利用的軟件和硬件等必須要利用正式版本，同時(shí)要具備國家強(qiáng)制認(rèn)證，避免使用試驗(yàn)產(chǎn)品。

3 SIS與DCS集成的現(xiàn)狀

3.1 MODBUS通信協(xié)議

MODBUS基層是SIS與DCS集成，通過控制器實(shí)現(xiàn)硬鏈接，實(shí)現(xiàn)SIS與DCS系統(tǒng)的通信集成，以鏈接為基礎(chǔ)，可以快速向DCS系統(tǒng)中上傳SIS數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)這集成目標(biāo)需要利用MODBUS協(xié)議，電子控制器的通用語言就是MODBUS協(xié)議，利用這一協(xié)議的規(guī)定，可以滿足控制器的通訊需求。MODBUS協(xié)議明確定義了控制器，在通信過程中這一控制器可以自動(dòng)化的識(shí)別通信信息結(jié)構(gòu)，并且提出的要求比較低。在通信過程中，利用MODBUS協(xié)議可以設(shè)置認(rèn)證機(jī)制，利用控制器可以控制指令接收和發(fā)送過程，不僅可以識(shí)別異常數(shù)據(jù)，還可以保障通信的正常性。此外，MODBUS協(xié)議中規(guī)定信息域格局和通信格式，在人機(jī)界面中維持通信的正常性。因?yàn)榧赏ㄐ疟容^特殊，因此在系統(tǒng)運(yùn)行中通常是從SIS向DCS中傳遞數(shù)據(jù)流，而硬件性能直接影響到數(shù)據(jù)傳輸效率和安全性。在SIS與DCS集成狀態(tài)下，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控兩個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)[3]。

3.2 OPC通信

DCS工業(yè)控制系統(tǒng)包括多種控制設(shè)備和子系統(tǒng)等，不同設(shè)備利用不同的驅(qū)動(dòng)程序，升級(jí)硬件之后還需要更新程序。不同控制設(shè)備在不同的運(yùn)行環(huán)境中工作，即使在同一個(gè)系統(tǒng)中，不同軟件也會(huì)產(chǎn)生工作沖突，因此需要設(shè)計(jì)統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)，否則不利于發(fā)揮出DCS控制系統(tǒng)的功能。

OPC屬于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)和儀器儀表以及過程控制系統(tǒng)等都可以使用OPC標(biāo)準(zhǔn)。OPC具有標(biāo)準(zhǔn)集合，可以在設(shè)備過程控制系統(tǒng)和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中利用。OPC標(biāo)準(zhǔn)可以提供標(biāo)準(zhǔn)接口，方便各個(gè)控制器在平臺(tái)上交流和傳遞信息。

在SIS與DCS集成中利用OPC通信，可以有效規(guī)避上述問題，利用基于過程控制的OPC技術(shù)，保障系統(tǒng)和設(shè)備通信的暢通性，促使SIS系統(tǒng)及時(shí)向DCS系統(tǒng)傳遞數(shù)據(jù)。但是這種集成方式對(duì)硬件性能有嚴(yán)格的要求，需要同時(shí)配置高等級(jí)的服務(wù)器，高水平服務(wù)器依賴于進(jìn)口，因此增加了工作成本，增加了企業(yè)經(jīng)濟(jì)壓力，因此影響到推廣應(yīng)用。

3.3 SIS與DCS的無縫集成

在信息時(shí)代不斷發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)等技術(shù)，可逐漸發(fā)展應(yīng)用到集成SIS與DCS功能的電路板上，在化工企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行中可以提高硬件匹配度，維持通信的正常性。對(duì)比一般集成方式，利用無縫集成方式可以高度集成SIS與DCS，如圖1所示。但是二者保持獨(dú)立的邏輯，同時(shí)利用獨(dú)立的控制系統(tǒng)和安全程序，降低了彼此的干擾。為了優(yōu)化SIS與DCS集成效果，需要利用相同的控制網(wǎng)絡(luò)和組態(tài)工具，無需利用額外的接口和驅(qū)動(dòng)裝置即可優(yōu)化集成效果。配置相同的監(jiān)測(cè)設(shè)備和操作平臺(tái)，可以共享SIS與DCS的信息，無需利用額外組態(tài)即可實(shí)現(xiàn)工作目標(biāo)。對(duì)比其他集成方式，無縫集成方式可以降低整體工作成本，同時(shí)可以保障工作的便利性和安全性[4]。

圖1 SIS與DCS無縫集成應(yīng)用圖

4 SIS與DCS集成控制的工程設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)檢測(cè)輸入

輸入過程的檢測(cè)內(nèi)容包括AI和DI等信號(hào)，在二級(jí)安全系統(tǒng)中需要安裝獨(dú)立的檢測(cè)器，檢測(cè)器和過程系統(tǒng)之間可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行。因?yàn)樵O(shè)別和投資等方面的限制，一些生產(chǎn)項(xiàng)目需要共同檢測(cè)器，需要在機(jī)柜中分配不同系統(tǒng)的信號(hào)，需要利用以下方式。

4.1.1 信號(hào)轉(zhuǎn)接和輸出平臺(tái)為SIS

某氣化爐項(xiàng)目運(yùn)行中，需要在SIS與DCS系統(tǒng)中融入氣化爐進(jìn)料和加熱爐的檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)SIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以在系統(tǒng)中接入檢測(cè)信號(hào)，因?yàn)镾IS系統(tǒng)中具有較多的IO卡件，這些卡件利用硬接線，在撥通的接入卡中計(jì)入不同的信號(hào)，同時(shí)需要利用中間繼電器隔離處理SIS和電氣設(shè)備以及電磁閥的信號(hào)，避免不同的信號(hào)之間的相互干擾[5]。

4.1.2 分配一入二出信號(hào)

分配一入二出信號(hào)，需要在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室中安裝安全柵和隔離器以及報(bào)警器等設(shè)備，分配原來一路現(xiàn)場(chǎng)信息為兩路，并且分別向SIS與DCS系統(tǒng)中分別輸送兩路信號(hào)。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，在二級(jí)安全等級(jí)背景下不適合利用一入二出的信號(hào)分配方法，對(duì)比SIS轉(zhuǎn)接，一入二出信號(hào)分配方案更加便利。為了優(yōu)化SIS與DCS集成效果，利用一入二出信號(hào)分配方式，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)類型合理選擇信號(hào)分配器，并且在SIS機(jī)柜中安裝信號(hào)分配器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電需求。

4.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸出

執(zhí)行器機(jī)構(gòu)包括不同的工作方式，需要根據(jù)實(shí)際發(fā)展情況設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸出。在初期主要是利用繼電器共同操作SIS與DCS，后來發(fā)展出DCS操作工藝閥門和SIS控制閥門氣源電磁閥方案等，當(dāng)前利用SIS操作平臺(tái)可以操作DCSDN所有的閥門。

4.3 SIS與DCS的集成通信

在化工企業(yè)生產(chǎn)過程中，利用DCS技術(shù)系統(tǒng)可以開展運(yùn)行過程中的控制工作，在實(shí)際使用過程中，可以保障DCS技術(shù)系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)可以提高信息響應(yīng)速度，但是當(dāng)前還無法全面滿足化工企業(yè)的應(yīng)用需求。針對(duì)硬件設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，如果DPU技術(shù)組件數(shù)據(jù)信息處理和運(yùn)算存儲(chǔ)技術(shù)能力產(chǎn)生缺陷，將會(huì)影響到技術(shù)設(shè)備運(yùn)行的可靠性，因?yàn)镮/O端口和線路比較差，或者在緊急布置狀態(tài)中，自身因素和外來因素都會(huì)產(chǎn)生干擾作用，因此影響到整體系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。因?yàn)榛て髽I(yè)樣要求安全生產(chǎn)控制工作，為了順利開展安全管控工作，需要做好SIS技術(shù)系統(tǒng)和DCS技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建設(shè)和運(yùn)行使用，但是在分別運(yùn)行狀態(tài)中，無法實(shí)現(xiàn)化工企業(yè)安全管理目標(biāo)，還會(huì)增加工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)成本。因此化工企業(yè)為了保障生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)安全管理效果，需要實(shí)現(xiàn)SIS與DCS技術(shù)系統(tǒng)通信集成工作，通過研究相關(guān)工作，促進(jìn)化工企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

5 SIS與DCS集成的化工裝置安全控制系統(tǒng)應(yīng)用

當(dāng)前很多化工企業(yè)在氨區(qū)存儲(chǔ)灌區(qū)利用SIS與DCS集成控制系統(tǒng)，在存儲(chǔ)氨產(chǎn)品的過程中主要是利用球罐體，這類控制系統(tǒng)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此很難控制生產(chǎn)過程，可能會(huì)發(fā)生安全事故。球罐體控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需要加強(qiáng)控制球罐體壓力，如果壓力值不符合設(shè)計(jì)值，DCS系統(tǒng)將會(huì)向SIS系統(tǒng)中傳輸采集的信息。SIS系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定程序自動(dòng)控制聯(lián)鎖裝置，有效控制罐體中的液氨，避免引發(fā)安全事故。因此實(shí)現(xiàn)SIS與DCS集成有利于提高系統(tǒng)安全性，有序開展生產(chǎn)作業(yè)。液氨水產(chǎn)品通常是存儲(chǔ)于罐體中，在上方實(shí)施氮?dú)饷芊猓苊庠趦?chǔ)罐中溢出氨氣。在生產(chǎn)作業(yè)中，將氨氣注入到罐體中，有利于保持罐體壓力，利用SIS與DCS集成可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制工作。如果壓力超過設(shè)定值，將會(huì)立即打開液氨水儲(chǔ)槽頂部的呼吸閥，即使沒有及時(shí)放散呼吸閥，持續(xù)性的增長罐體壓力在達(dá)到第二規(guī)定值后同樣也會(huì)觸發(fā)氨封閥，實(shí)現(xiàn)泄壓的目標(biāo)。

6 實(shí)現(xiàn)SIS系統(tǒng)功能

為了實(shí)現(xiàn)SIS系統(tǒng)的功能，選擇的儀表測(cè)量設(shè)備應(yīng)該具備較低的故障發(fā)生率，同時(shí)要具危險(xiǎn)診斷功能。在液氨球罐和濃氨水儲(chǔ)罐中安裝安全儀表系統(tǒng)，冗余配置液位測(cè)量和壓力測(cè)量，可以發(fā)揮出多選一的作用。發(fā)揮出緊急切斷功能，利用電磁閥作為切斷閥，并且利用常開點(diǎn)串聯(lián)冗余配置電磁切斷閥，并且通過恩利控制過程控制系統(tǒng)，即使發(fā)生故障也可以保障系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。此外在SIS運(yùn)行階段軟件持續(xù)性運(yùn)行，程序控制測(cè)點(diǎn)可以不斷交換數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確的檢測(cè)和干預(yù)連鎖數(shù)據(jù)，在安全生產(chǎn)過程中，提高SIS系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和時(shí)效性。

7 結(jié)語

在化工企業(yè)生產(chǎn)過程中利用SIS與DCS集成化工裝置安全控制系統(tǒng)，有利于自動(dòng)化控制化工生產(chǎn)安全，提高安全控制工作的便利性和高效性，實(shí)現(xiàn)化工企業(yè)生產(chǎn)的安全性，降低安全事故發(fā)生率，在最大程度上滿足化工產(chǎn)品需求。