（测试计量技术及仪器专业论文）基于plc的加氢精制装置esd系统研究.pdf

摘要 摘要 紧急停车系统( e s d ) 是一种安全联锁系统( s i s ) 。在石化企业的装置中， 充满了有毒、易燃易爆的物质，易发生危险，因此设计一套紧急停车系统来保 护装置及人员的安全十分必要。本文针对石化企业中的柴油加氢装置，在了解 其工艺及设备特点的基础上，研究设计了一套紧急停车系统，对系统硬件选型 及组态、网络组态、冗余控制的实现、上位机与p l c 通信的实现、a c c e s s 数据 库的建立及人机监控界面( h m i ) 的设计做了详细的介绍，主要工作有： ( 1 ) 在分析了加氢精制装置设备间的联锁关系后，针对新氢压缩机、循环 氢压缩机、原料油泵、加热炉等重要设备设计了紧急停车联锁逻辑，保护这些 设备的安全。 ( 2 ) 通过比较不同e s d 的结构，本文选用2 块西门子公司的c p u 3 1 5 2 d p 作为系统的核心控制器，组成一个双重冗余e s d 系统，其c p u 、e t 2 0 0 m 远程 i o 站及p r o f i b u s 网络均为冗余结构，提高了系统的可靠性。 ( 3 ) 本文硬件设计的主要内容有依据设备及紧急停车联锁逻辑的要求进行 i o 点的估算及依据经验公式进行存储量的估算，硬件选用西门子s 7 3 0 0 系列的 模块化p l c ，搭建了系统模型( 硬件组态) 、建立了p l c 之间基于i s o o n t c p 协议的以太网连接及p l c 与p c 机之间基于t c p 协议的以太网连接。 ( 4 ) 本文用s t e p7 软件实现了p l c 之间的冗余控制，用普通网卡通过 w i n s o c k 接口实现了上位机与p l c 的以太网通信。 ( 5 ) 利用v i s u a lb a s i c6 0 开发了a c c e s s 数据库，存储p l c 的采集数据， 并通过a d o 控件访问存储数据。用d e l p h i7 设计了人机监控界面，并通过d e l p h i 7 的a d o 控件访问a c c e s s 数据库，实现了在线监控系统运行参数及趋势、查询 历史数据及报警记录。 关键词：紧急停车；p l c ；通信；a c c e s sd e l p h i7 a b s t r a c t a b s t r a c t e m e r g e n c ys h u t d o w ns y s t e m ( e s d ) i sak i n do fs a f e t yi n s t r u m e n t e ds y s t e m ( s i s ) i nt h ee q u i p m e n t so fp e t r o c h e m i c a lc o r p o r a t i o n , t h e ya r ef i l l e d 谢t l lp o i s o n o u s ， i n f l a m m a b l ea n de x p l o s i v ed a n g e r o u sm a t e r i a l s i t sp r o n et og od a n g e r o u s ，s oi ti s v e r yu r g e n tt od e s i g na ne m e r g e n c ys h u t d o w ns y s t e mt op r o t e c te q u i p m e n t sa n d w o r k e r s i nt h i sp a p e r ，a ne m e r g e n c ys h u t d o w ns y s t e mw a sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d a i ma td i e s e lo i l 、析t 1 1h y d r o g e ne q u i p m e n ts u c ha s f r e s hh y d r o g e nc o m p r e s s o r , r e c y c l eh y d r o g e nc o m p r e s s o r ，f e e ds t o c kp u m pa n dh e m i n gf u r n a c e ，a f t e rr e a l i z i n gi t s p r o c e s s e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fe q u i p m e n t s a n dt h ec h o i c eo fh a r d w a r ea n d c o n f i g u r a t i o n , n e t w o r kc o n f i g u r a t i o n ，t h er e a l i z a t i o no fr e d u n d a n c yc o n t r o la n d c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh o s tc o m p u t e ra n dp l c ，e s t a b l i s h m e n to ft h ea c c e s s d a t a b a s ea n dd e s i g no fh m lw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h em a i nw o r ki n c l u d e s ： ( 1 ) a f t e ra n a l y z i n gt h e i n t e r l o c kr e l a t i o n s h i pa m o n gt h ee q u i p m e n t sa m o n g d i e s e lo i lw i t l lh y d r o g e ne q u i p m e n t e m e r g e n c ys h u t d o w ni n t e r l o c kl o g i cw e r e d e s i g n e di n t h i sp a p e r ，t op r o t e c tf r e s hh y d r o g e nc o m p r e s s o r , r e c y c l eh y d r o g e n c o m p r e s s o r ，f e e ds t o c kp u m pa n dh e a t i n gf u r n a c e ( 2 ) c o m p a r e d 谢t l lt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r e so fe s d i nt h i sp a p e r ，t w om o d u l e so f s i e m e n s c p u 315 2 d pw e r ec h o s e na st h ek e yc o n t r o l l e ro ft h es y s t e m ，a n d c o n s t i t u t e dar e d u n d a n c ye s ds y s t e m ，i t sc p u ，e t 2 0 0 mr e m o t ei os t a t i o na n d p r o f i b u sn e t w o r kw e r er e d u n d a n c ys t r u c t u r e ，p r o m o t e dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ( 3 ) t h ed e s i g no fh a r d w a r ei n t h i sp a p e ri n c l u d e s ：c a l c u l a t e di oa c c o r d i n gt o t h ee q u i p m e n t sa n dt h ed e m a n do fe m e r g e n c ys h u t d o w ni n t e r l o c k l o g i ca n d c a l c u l a t e dm e m o r ya c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c ef o r m u l a ；s e l e c t e ds i e m e n s s 7 3 0 0 m o d u l ep l ct ob u i l dm o d e lo fs y s t e m ( h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ) a n dt h ee t h e r n e t c o n n e c t i o nb e t w e e nt w op l cb a s e do ni s o o n - t c pp r o t o c o la n dt h ee t h e m e t c o n n e c t i o nb e t w e e np l ca n dp cb a s e do nt c p p r o t o c 0 1 ( 4 ) u s i n gs t e p7s o f t w a r e ，r e d u n d a n c yc o n t r o lb e t w e e np l cw a sr e a l i z e d e t h e m e tc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh o s tc o m p u t e ra n dp l ct h r o u g hw i n s o c k p o r tw a s r e a l i z e db yc o m m o nn e t w o r kc a r d i i l ! ! 望! ! ! ! ! 兰! 一一一 ( 5 ) u s i n gv i s u a lb a s i c6 0s o f t w a r e ，a c c e s sd a t a b a s ew a sd e v e l o p e d p l c s c o l l e c t i o nd a t aw a ss t o r e da n dt h e s ed a t at h r o u g ha d o w a sc a l l e d0 1 1 m a n m a c h i n e i n t e r f a c eo fm o n i t o r i n gw a sd e s i g n e db yd e l p h i7s o f t w a r e ，a n da c c e s sd a t a b a s ew a s v i s i t e db va d oo fd e l p h i7 ，o n l i n em o n i t o r i n gr u np a r a m e t e r s a n dt e n d e n c y ， h i s t o r i c a ld a t aq u e r ya n da l a r m e dr e c o r dq u e r yw e r er e a l i z e d k e yw o r d s ：e s d ；p l c ；c o m m u n i c a t i o n ；a c c e s s ；d e l p h i7 i v 目录 目录 第1 章引言1 1 1选题的背景及意义1 1 2国内外e s d 研究现状和发展动态。1 1 3本论文的主要工作4 第2 章柴油加氢精制的工艺流程及其e s d 系统结构设计5 2 1柴油加氢精制主要工艺流程5 2 2 柴油加氢精制装置e s d 的紧急停车联锁逻辑的设计6 2 ：3柴油加氢精制装置e s d 结构设计1 1 2 3 1安全完整性等级( s i l ) 1 1 2 3 2e s d 系统结构简介1 1 2 3 3e s d 系统的总体结构设计1 4 第3 章柴油加氢精制装置e s d 系统的硬件设计1 6 3 1e s d 系统的硬件选型1 6 3 1 1i o 及存储量的估算。1 6 3 1 2p l c 的硬件选型1 7 3 1 3e t 2 0 0 m 远程i o 站的硬件选型1 9 3 2 e s d 系统的组态一2 0 3 2 1硬件组态2 0 3 2 2网络组态2 4 第4 章柴油加氢精制装置e s d 系统的软件设计2 5 4 1 冗余控制的实现2 5 4 2 通信功能的实现2 8 4 2 1上位机与p l c 间以太网通信的实现方式一2 8 4 2 2w i n s o c k 简介2 9 4 2 3e t h e m e t 通信的实现31 第5 章柴油加氢精制装置e s d 监控设计3 7 v 目录 5 1 开发环境3 7 5 2a c c e s s 数据库3 8 5 2 1a c c e s s 数据库的建立3 8 5 2 2a c c e s s 数据库的实现4 0 5 3e s d 监控系统的设计4 2 5 3 1 d e l p h i 简介4 2 5 3 2 监控界面的设计4 4 第6 章结论与展望5 3 致谢5 5 参考文献5 6 附录程序6 0 攻读学位期间的研究成果7 2 v l 第1 章引言 第1 章引言 1 1 选题的背景及意义 2 0 世纪中期以来工业企业越来越向大规模集约化和连续性的方向发展，尤 其是在石油化工、发电、冶金、轨道交通等行业【l 】。大规模的连续生产极大提高 了各方面资源的利用率，工艺流程中设备较多、工艺关联性强、部分关键设备 的价格高昂，一旦这些关键设备发生故障，可能造成巨大的经济损失和人员的 伤亡。在当今社会，人们的安全生产意识不断的加强，安全生产成为人们关注 的焦点，于是大规模及超大规模生产系统的安全保护变的越来越迫切和必须。 在以往的工业自控系统中，一般采用d c s 系统或独立的可编程序逻辑控制 器来实现安全联锁保护。但是对于大规模的，特别是可靠性要求高的工业过程， 必须将安全保护控制与d c s 系统分开设置，避免安全保护功能与d c s 系统同时 失效，同时保证安全保护系统达到相应的安全度等级。 紧急停车系统( e s d - - e m e r g e n c ys h u t d o w ns y s t e m ) 也称安全仪表系统( s i s s a 矗t yi n s t r u m e n t e ds y s t e m ) 、安全停车系统( s s d - - s a f e t ys h u t d o w ns y s t e m ) 、 安全联锁系统( s i s h s a f e t yi n t e r l o c ks y a e m ) 和安全保护系统( s p s s a f e 付 p r o t e c t e ds y s t e m ) ，是仪表实现安全功能的系统【2 1 。 在加氢精制装置中充满了氢气，加热炉中反应物具有高温、高压的特点， 装置存在爆炸的风险，危险性大，对安全控制系统的可靠性要求高。因此为了 保护系统的安全，有必要设计一套安全保护系统。 在加氢精制生产过程中，存在多种因素导致工艺参数异常，当被控参数越 限( 安全许可的范围) 时，这时不仅影响产品的质量和产量，还可能导致生产 事故的发生，造成设备的损坏甚至危及人身安全。为了确保加氢精制的安全生 产，当工艺参数异常时，必须对异常做出相应处理，以免发生事故。而e s d 系 统能够很好的实现安全保护功能，确保生产的安全，尽可能的降低危险，保证 了人员、设备、生产的安全。e s d 对加氢精制的安全生产具有极为重大的意义。 1 2 国内外e s d 研究现状和发展动态 e s d 系统具有高度容错性，性能可靠，响应迅速，而且组态方便、快捷灵活 1 第1 章引言 【3 】。2 0 世纪7 0 年代初期，工业发达的欧美国家开始对工业过程设计“e m e r g e n c y s h u td o w ns y s t e m ”( e s d ) 紧急停车系统，用于在工艺过程某些参数异常时由 控制系统命令工艺过程紧急地安全地停止生产，以避免可能造成巨大财产损失 和人员伤亡的事故发生【1 1 。 从早期的e s d 至今，e s d 已经有了很大的发展，早期通过常规仪表，利用继 电器控制实现紧急停车的联锁逻辑，晶体管技术发展得越来越成熟，使得利用 p l c ( 可编程控制器) 来实现成为可制1 1 。2 0 世纪8 0 年代，已有多家企业成功地 将p l c 应用于e s d 中，并取得了良好的控制效果。 世界各大仪表公司如：美国t p i c o n e 公司、美国工业控制公司( i c s ) ，a b 公司、h i m a 公司、s i e m e n s 公司、i c s 、i n c 公司等纷纷推出自己的e s d f 3 1 。目 前，这些e s d 被许多大型企业广泛地应用在石油、化工、冶金、电力系统等工业 领域。 在国外已经成功应用的大公司有：a g i p 、a m o c o 、d n o c 、洲c o 、a r c o 、 b a a 、b h p 、b l u t i s hg a s 、b i fp l c 、b p 、c o n o c o 、c h e v r o n 、e s s o 、 g r a c e 、c h e m i c a l s 、h a m i l t o nb r o s 、i c i 、k n p c 等【3 1 。 近年来，我国在e s d 应用方面进展也十分迅速。目前在石油化工企业已经投 入使用的有上海金山、广州、茂名、大庆、高桥、辽阳、洛阳、抚顺等石化公 司【3 】o 目前国内应用较广泛的e s d 系统主要有如下几种【l 】： 1 、美国t r i c o n e x 公司采用t m r ( 三重化) 冗余容错技术的t r i c o n ( 大 规模系统) 、t r i d e n t ( 小规模系统) 。 t r i d e n t 也是三重冗余系统，主处理器和i o 卡是直接安装在带输入端子的 底板上，其三重化冗余的i o 总线是通过背板间的连接辅件和三重化i o 电缆来完 成的，t r i d e n t 匕l 较适合于输入输出点少于1 0 0 0 点的小型系统，i o 卡件可以从 1 1 5 任意灵活组合，少到一二十个点，大到一千个点都可以很方便地组到 t d e n t 系统中。 2 、美国h o n e y w e l l 公司的f s c 系统( 双重冗余) 。h o n e y w e l l 公司的f s c ( f a i l s a f ec o n t r 0 1 ) 系统时用于安全控制的高可靠性、高集成化的双重冗余的控制系统， 作为t d c 3 0 0 0d c s 系统的一个部分，它的安全性功能为装置运行提供人员、装 置设备和环境的综合性的保护。 f c s 系统由中央部件和输入输出接口组成，它可以连续不断地对自身的硬件 2 第1 章引言 设备进行检测，而且也可以识别出现场回路和现场仪表故障，可以给工艺操作 人员准确的信息，以帮助有关人员做出正确的处理。同时也为系统维护工程师 提供了相当有用的信息。 3 、美国i c s 公司的i c st r i p l e x 系统。i c st r i p l e x 系统也是一个三重化冗余 容错的控制系统，它提出了h i f t 和s i f t 的概念，即硬件容错运行( h a r d w a r e i m p l e m e n t f a u l tt o l e r a n c e ) 和软件容错运行( s o f t w a r ei m p l e m e n tf a u l t t o l e r a n c e ) 。三重化运行的优势是在强大的诊断功能下，可以及时的发现硬件 或软件的故障，从而将有故障的硬件通道或软件的计算结果剔除出执行的程序， 但不影响健康的硬件软件继续执行程序，同时发出故障报警并支持在线维护。 4 、德国h i m a 公司的h 4 1 q h 5 l q 。h i m a 公司最近推出的h 4 1 q h 5 1 q ，其c p u 采用四重化结构( q m r ) ，系统中央处理单元有四个微处理器构成，四个微处 理器同时工作，每两个微处理器安装在一块c p u 卡上，中央处理器共有两块c p u 卡，一块c p u 卡就构成二取一结构。两个c p u 卡同时工作，就形成了四取二的结 构，某一个信号进入系统后，分为a b 两个通道，分别引进两个独立的c p u 卡， 系统以四取二的结构运行，当一个c p u 发生故障时，就由单独的一个无故障的 c p u 工作，是二取一的结构，所以是一个高可靠的系统。 从各装置使用情况看，e s d 大多用于大机组联锁或工艺联锁中，普遍反应良 好，尤其在保障生产安全高效，避免工业灾难，减少工业事故损失方面起到关 键作用【3 1 。 近年来，紧急停车系统( e s d ) 在我国才得到广泛的推广，由于我国e s d 技术 发展时间短，存在着许多值得深入研究的问题。国内紧急停车系统的研究、开 发技术水平仍处于初级阶段，自主研究、开发能力还较弱。目前国内基本上是 将国外紧急停车系统的成熟技术直接应用到现有的实际生产中，部分地进行改 进与开发【4 1 。 在国外，紧急停车系统的开发及应用相对国内早得多，其软件与硬件均较 成熟，研发了各种各具特色的紧急停车系统。目前的紧急停车系统多采用冗余 结构。现在的紧急停车系统基本上都朝着多冗余的方向发展，以适应连续工业 生产高可靠性及高安全性的发展需求。 3 第1 章引言 1 3 本论文的主要工作 本文以柴油加氢精制装置为背景，设计了一套e s d 系统，实现装置的安全 联锁保护。论文对e s d 的设计进行了详细的论述，论文主要分为五部分： 1 、绪论：介绍了课题背景及意义，e s d 国内外的发展动态及发展趋势及本 文的主要工作； 2 、e s d 系统结构设计：详细介绍了柴油加氢精制工艺流程及紧急停车逻辑 的设计，对e s d 的控制结构设计进行了详细的说明； 3 、e s d 系统的硬件设计：详细介绍了柴油加氢精制e s d 系统的选型、硬 件组态及网络组态； 4 、e s d 系统的软件设计：详细介绍了e s d 系统软冗余控制的实现及与上 位机以太网通信的实现； 5 、e s d 监控系统的设计：对监控的开发环境进行了简单的介绍，并给出 了详细的a c c e s s 数据库的开发方法及采用d e l p h i7 0 实现监视实时数据趋势， 查询历史数据等内容。 6 、结论与展望：总结了本文的不足之处并提出了改进意见。 4 第2 章柴油加氢精制的工艺流程及其e s d 系统结构设计 第2 章柴油加氢精制的工艺流程及其e s d 系统结构设计 2 1柴油加氢精制主要工艺流程1 5 1 柴油加氢精制的工艺流程图如图2 1 所示。 图2 1 柴油加氢精制工艺流程 卜一原料缓冲罐：2 一原料油泵；3 一换热器；4 一加热炉；5 一反应器：6 一冷却器；7 一高压分离器； 8 一分液器；9 _ 一氐压分离器；l o 一分馏塔；11 一冷凝冷却器；1 2 一油水分离器；1 3 一新氧压缩机； l4 一循环氧压缩机 l 一软化水；i i 一原料油；l i i 一新氢；一污水；v 一循环氢；燃料气；v i i 一汽油；一过热 蒸汽；i x 一柴油 原料油( 焦化汽、催化柴油等) 先经过滤器滤除杂质后，进入原料缓冲罐1 ， 经原料油泵2 加压后进入换热器3 中，换热后进入加热炉4 中，在炉出口与加 氢生成油换热后来的循环氢及经新氢压缩机加压的新氢混合，进入加氢精制反 应器5 中，以反应器入口温度3 3 0 - - - 4 1 0 范围内调整加热炉的供热。 自反应器底部出来的反应产物先经混合氢换热，再经生成产物换热后，经 冷却器6 冷却后进入高压分离器7 ，在进入冷却器6 时，需注入软化水，以清洗 加氢反应时生成的氨和硫化氢，防止生成的多硫化铵或其他铵盐堵塞设备，含 铵盐的污水排出系统。 5 第2 章柴油加氢精制的工艺流程及其e s d 系统结构设计 高压分离器分出的循环氢大部分进入分液器8 ，进一步分离携带的油滴后， 进入循环氢压缩机1 4 ，并在临氢系统中循环，另一部分循环氢作为燃料气排出 装置。加氢过程消耗的氢气由新氢压缩机1 3 补充。 加氢生成油分离出循环氢后经减压进入低压分离器9 中，放出的燃料气排 出装置，在底部分出的油品经与加氢生成油换热后进入分馏塔1 0 ，塔底吹入过 热水蒸汽，以保证柴油的闪点和腐蚀合格，塔顶油气经冷凝冷却器1 1 冷凝冷却 后，进入油水分离器1 2 ，分出的汽油一部分回流控制塔顶温度，其余送出装置。 塔底精制柴油经与进塔油换热并经冷却后，送出装置。 加氢精制装置有两台新氢压缩机( 一主一备) 、_ 台循环氢压缩机、一台原 料油泵、一台进料加热炉及一台加氢精制反应器等核心设备，这些设备造价高， 一旦发生故障，将造成巨大的经济损失。加氢精制装置的安全性等级为s i l 2 级 ( i e c 6 15 0 8 ) 。 2 2 柴油加氢精制装置e s l ) 的紧急停车联锁逻辑的设计 当加氢精制装置的设备超压、超温、超负荷时，e s d 系统实现紧急停车， 保护设备安全，避免发生生产故障。当装置在可能发生危险需要紧急停车时， 手动按下紧急放空按钮或紧急停车按钮，新氢压缩机、循环氢压缩机、原料油 泵、加热炉全部联锁停车；当新氢压缩机、循环氢压缩机停机时，原料油泵、 加热炉联锁停车；当原料泵油停止时，加热炉联锁停车。 除了新氢压缩机、循环氢压缩机、原料油泵、加热炉需联锁停车外，还设 有机组部分的紧急联锁停车，以确保机组安全运行。当机组的冷却、温度、润 滑、振动等参数超出各自的极限值范围时，为避免生产故障造成对设备的损坏， 机组需要联锁停车。这就是本套e s d 要完成的主要任务。 加氢精制装置e s d 的控制对象主要有三台压缩机及装置中原料油泵、加热 炉及机组。其中有两台新氢压缩机，新氢压缩机k 1 0 11 ( 主) 、新氢压缩机k 1 0 1 2 ( 备) ：一台循环氢压缩机k 2 0 1 。装置中新氢压缩机、循环氢压缩机、原料油泵、 加热炉、机组、阀等设备之间存在着联锁关系。 下面就各控制对象及设备间的相互关系，研究装置的联锁停车逻辑。 l 、新氢压缩机k 1 0 1 _ l 新氢压缩机是为柴油加氢精制装置提供动力的生产设备。主要由压缩机主 6 第2 章柴油加氢精制的工艺流程及其e s d 系统结构设计 机、电机、缓冲器、冷却器、油站、水站、盘车器、现场监测仪表以及进出口 管道、阀门等组成。 新氢压缩机的负荷通过四个电磁阀控制，当紧急停车按钮按下或紧急放空 阀打开，四个电磁阀失电，新氢压缩机停机。 轴承温度高容易导致润滑油碳化，使轴承失效，因此将轴承温度超高选为 紧急停车的联锁条件。同样，润滑油温度超高也将导致润滑油失效，因此将润 滑油温度超高选为紧急停车的联锁条件。加氢装置的冷却辅助设备用于降低装 置温度，以确保生产的安全稳定。冷却水流量超低将不能有效地冷却工艺原料 及产品，易导致生产事故，因此将冷却水流量超低选为紧急停车的联锁条件。 注油器故障时，润滑辅助系统将发生故障，无法为设备提供润滑，导致生产事 故，因此，将注油器电机故障和注油器油箱流量低选为紧急停车的联锁条件。 新氢压缩机k 1 0 11 的联锁停车逻辑设计如图2 2 所示。为了确保润滑油压 力联锁的可靠性，减少误动作停机的可能性，设计了三取二的联锁方式1 4 j ， 图2 2 新氢压缩机k 10 11 紧急停车联锁逻辑 7 第2 章柴油加氢精制的下艺流程及其e s d 系统结构设计 2 、新氢压缩机k 1 0 1 2 当新氢压缩机k 1 0 1 _ 1 发生故障时，新氢压缩机k 1 0 1 2 代替新氢压缩机 k 1 0 1 - 1 工作，其紧急停车联锁逻辑与新氢压缩机k 1 0 1 1 相似，如图2 3 所示。 l鉴! 望! ；! 垫堕卜叫竖! q ! 。至塞塾i l _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ = = ；_ _ _ - - - _ _ _ _ _ i _ - - - _ _ - _ - _ _ _ j _ _ _ _ 。- _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - i _ - _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ 一 图2 3 新氢压缩机k 1 0 12 紧急停车联锁逻辑 3 、循环氢压缩机k 2 0 1 循环氢压缩机主要由定子( 机壳、隔板、密封、平衡盘密封、端盖) 、转子 ( 轴、叶轮、隔套、平衡盘、轴套、半联轴器) 及支撑轴承、推力轴承、轴端 密封等组成。 其附属设备包括润滑油站、汽封冷却器、高位油箱及随机带的润滑油管线、 气体管线等组成。 当循环氢压缩机具备开机条件时，循环氢压缩机启动，其启动条件如图2 4 所示。 8 第2 章柴油加氢精制的_ t 艺流程及其e s d 系统结构设计 l隔离气压力正常卜_ _ 叫 允许启动润浯油泵 i 图2 4 循环氢压缩机k 2 0 1 启动条件 当紧急放空按钮按下或紧急停车按钮按下时，循环氢压缩机停机。当循环 氢压缩机轴振动超高及轴位移超高时，易损坏压缩机，造成事故，因此将其作 为紧急联锁停车条件。辅助设备汽轮机转速、轴承温度超高及排气压力超低时， 都会损坏设备，因此将其选为紧急停车的联锁条件。循环氢压缩机k 2 0 1 的紧急 停车联锁逻辑如图2 5 所示。 ；一- 图2 5 循环氢压缩机k 2 0 1 紧急停车联锁逻辑 9 第2 章柴油加氢精制的：i ：艺流程及其e s d 系统结构设计 4 、原料油泵 当手动按下紧急放空按钮或紧急停车按钮时，原料油泵紧急停车。 原料油泵发生故障时，应停主电机，防止反应器内氢气浓度高而引发爆炸。 其紧急停车联锁逻辑如图2 6 所示： 图2 6 原料油泵紧急停车联锁逻辑 5 、加热炉 当手动按下紧急放空按钮或紧急停车按钮时，加热炉实现紧急停车。当新 氢机、循环氢压缩机、原料油泵停机时，加热炉联锁停车。混合氢流量低低时， 无法完成加氢精制反应；当燃料气压超低时，无法加热反应物到指定温度，使 加氢精制反应无法进行，因此将其选为紧急联锁停车的条件。加热炉紧急停车 联锁逻辑如图2 7 所示。 图2 7 加热炉紧急停车联锁逻辑 1 0 第2 章柴油加氢精制的t 艺流程及其e s d 系统结构设计 2 3 柴油加氢精制装置e s i ) 结构设计 2 3 1 安全完整性等级( s l l ) e s d 系统是安全保护系统中的一种，在设计柴油加氢精制装置的e s d 系统 时，必需要考虑装置的安全完整性等级，以确定e s d 系统的结构。 安全完整性级别( s a f e t yi n t e g r i t yl e v e l ，s i l ) 是指定性分析e s d 系统故障 对生产装置和周围的人员的伤害程度，根据i e c 6 1 5 0 8 标准划分为4 级1 6 j 。 联锁系统的安全评价相关标准最早源于美国职业安全与卫生署( o c c u p a t i o n s a f e t ya n dh e a l t ha d m i n i s t r a t i o n ，o s h a ) 于1 9 9 2 年2 月制定的o s h a l 9 1 0 1 1 9 规定【7 】。1 9 9 6 年，美国仪器仪表学会( i s a ) 针对过程安全系统制定了i s a $ 8 4 0 1 标准，并首次提出了将综合安全等级作为安全评定的依据。2 0 0 1 年，国际电工 学会i e c 制定了定量安全评定的标准i e c 6 1 5 0 8 。 i e c 6 1 5 0 8 标准对需求操作模式下联锁安全等级的定义如表2 1 所示。 表2 1i e c 6 1 5 0 8 标准规定的需求操作模式下联锁安全等级的定义 安全等级( s i l )要求故障概率风险降低目标 4 1 0 5 1 0 41 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 31 0 4 1 0 。31 0 0 0 - 1 0 0 0 0 2 1 0 。3 1 0 - 21 0 0 1 0 0 0 11 0 1 0 11 0 1 0 0 2 3 2 e s d 系统结构简介 按照冗余度分，e s d 系统可分为非冗余系统、双重冗余、三重冗余和四重冗 余等几种结构。 1 、非冗余系统：系统只有一个控制器，可靠性较低，一旦控制器发生故障， 系统就会瘫痪，易发生生产事故，用于可靠性要求低的场合。e s d 系统冗余度越 大，可靠性越高。 2 、双重冗余系统：双重冗余系统具备2 个控制器，一主一备，主控制器故 障时，备用控制器代替主控制器输出，其结构如图2 8 t 1 】所示。双重化p l c 类e s d ， 比较常用的一种模式是2 选1 并带自诊断系统，安全性能应符合i e c 6 1 5 0 8 标准中 第三级( s i l 3 ) 【引。 第2 章柴油加氢精制的t 艺流程及其e s d 系统结构设计 图2 8 双重冗余 3 、三重冗余系统：三重冗余系统具备3 个控制器，对输出进行三选二表决， 如图2 9 1 9 1 所示。常用的模式是3 选2 并带自诊断系统，安全性能符合i e c 6 15 0 8 标 准中第四级( s i l 4 ) i s 。 输入端子 看门狗 输入模块r 1 处理器1r | 输出模块 蕊矗姜基蜘籽 巫蛩应回则囊p 输入模块l i 处理器3l l 输出模块 看门狗 图2 9 三重冗余 1 2 第2 章柴油加氢精制的- t 艺流程及其e s d 系统结构设计 4 、四重模块冗余系统：又称双重化二取一带自诊断系统。系统中有两个控 制模块，每个控制模块各有两个c p u ，工作相互独立的。若一个控制模块中c p u 发生故障时，该c p u 停止工作，切换n 2 o 工作方式，另一个控制模块中二个c p u 投入运行，若这个控制模块另一个c p u 也发生故障，则系统停止运行。其结构如 图2 1 0 所示。 传 感 器 图2 1 0 四重模块冗余 按照冗余方式分，e s d 系统可分为硬件冗余系统( 简称“硬冗余”) 和软 件冗余系统( 简称“软冗余 ) 。 1 、硬件冗余：“硬冗余”是采用两套完全相同的控制系统组成冗余系统， “硬冗余”不需要软件进行专门的编程，c p u 的状态监视和控制权的转移是由 硬件来完成的，实现简单，但硬件投入多，成本高。 2 、软件冗余：“软冗余”是将两个c p u 模块插在同一个框架上，利用背板 通讯，进行冗余控制。“软冗余”中两个c p u 模块的状态监视和控制权的转移是 通过软件编程解决的，软件冗余编程相对比较复杂，工作量较大，但硬件投入 相对少，成本低。 e s d 的控制器是系统的核心部分。目前，在工业控制系统中有许多控制器， 但p l c 以其独特的优势被越来越多的企业所采用，成为主流控制器。由于p l c 具 1 3 第2 章柴油加氢精制的工艺流程及其e s d 系统结构设计 有结构灵活、传输质量高速度快、适用范围广、成本低等优点，因此，本文选 用p l c 作为e s d 系统的控制器。 2 3 3e s i ) 系统的总体结构设计 根据加氢精制装置的安全度等级，结合各种e s d 系统的特点，本文设计了 以p l c 为核心处理器的双冗余紧急停车系统，通过“软冗余 实现c p u 的热 备冗余控制。整套e s d 系统具备高可靠性。 图2 1 1 为加氢精制装置e s d 系统的结构框图。系统包括：工程师站、操作 员站、双冗余p l c 控制站和远程i o 站及通信网络。本文所研究的紧急停车系 统，可实现装置自动安全联锁停车，对加氢精制装置的现场采集数据及运行状 态进行监控，完成对整个生产过程的控制和管理，较大的提高了加氢精制装置 的运行效率和可靠性。本文的e s d 系统采用了西门子公司s 7 3 0 0 系列的模块式 p l c ，易于扩展，具备较好的可移植性及高可靠性。 揉胙员站工程师站 图2 11 紧急停车系统结构图 本文所设计的系统可分为监控级、控制级和现场级以及通信网络。 1 、监控级：在控制系统中处于顶层包括操作员站和工程师站。由监控计算 机( p c 机) 构成，在软件v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 及a c c e s s 数据库基础上开发的 监控系统作为进行监控实时数据趋势和同常管理之用。在系统运行时，可由专 1 4 第2 章柴油加氢精制的工艺流程及其e s d 系统结构设计 门操作人员操作，监控整个加氢精制装置的运行状况并能进行报警提示。监控 计算机能够对控制系统做出快速的反应，能对数据进行处理和存储，能够长期 保存数据，具有优良方便的人机接口，以及丰富的数据库管理功能。 监控计算机实现的功能包括以下两个方面：数据库管理：完成加氢精制 装置设备运行期间的数据存储及查询；监控通信：与下层p l c 通信，负责从 p l c 中读取实时数据并进行分析。 2 、控制级：控制级是整个紧急停车系统的核心设备，是整个紧急停车系统 的控制机构。它包括机架、双冗余c p u 、通信模块。c p u 一方面采集现场信号， 并把采集到的信号进行处理并得到运行参数送入监控计算机；另一方面将联锁 停车控制命令传送到执行机构，使系统动作。 3 、现场级：指e t 2 0 0 m 远程i o 站采集数据，是整个系统最基层的部分。 采集现场实时信号，并通过通信网络传输到控制级的p l c 中。 4 、网络：监控级和控制级之间的通信是通过工业以太网实现的，通信协议 为t c p i p 协议。控制器具有d 型9 针通信接口，监控计算机安装有普通网卡， 可采用r j 4 5 通信接口实现上位机( 监控计算机) 和下位机( p l c ) 之间的以太 网通信。现场传感器、执行器等i o 信号进入e t 2 0 0 m 远程i o 站，并通过 p r o f i b u s d p 传送到p l c 。主c p u 和备用c p u 之间通过以太网进行数据同步 及控制权的切换。 1 5 第3 章柴油加氢精制装置e s d 系统的硬件设计 第3 章柴油加氢精制装置e s d 系统的硬件设计 3 1e s i ) 系统的硬件选型 在确定了p l c 系统结构后，对p l c 的选型非常重要。因为p l c 作为控制 级的核心处理器，它性能的好坏，将直接影响到控制系统能否快速、可靠的执 行控制命令来完成系统控制功能【4 】。本设计的e s d 系统可分为三部分，在控制 室的p l c 控制器、在现场的远程分布式i o 站( e t 2 0 0 m ) 及监控的操作员站 ( o s ) 、工程师站( e s ) 。下面对e s d 各部分硬件的选型进行说明。 3 1 1i o 及存储量的估算 1 、i o 点数的估算 在选择i o 模块之前，应根据系统紧急停车设备及联锁停车要求，估算出 e s d 系统的数字量i o 点数及模拟量i o 通道数，以及确定数字量和模拟量的信 号类型。为便于系统今后的升级，在统计出的i o 点数基础上，一般i o 点数应 留有1 5 2 0 的裕量f 1 0 1 。考虑裕量后的i o 点数即为i o 点数估算值，该估 算值是i o 站选型的主要依据。 依据加氢精制装置的设备及紧急联锁停车的逻辑，e s d 系统的i o 点数为： 9 5 个数字量输入信号，4 5 个数字量输出信号，6 6 个模拟量输入信号，2 个模拟 量输出信号。 考虑到应留有1 5 - 2 0 的裕量，取1 5 的裕量，其数字输入量d i 总数 应为9 5 x ( 1 + 0 1 5 ) = 1 0 9 2 5 点，取1 1 0 点；其数字输出量d o 总数应为4 5 ( 1 + 0 1 5 ) = 5 1 7 5 点，取5 2 点。模拟输入量舢总数应为6 6 x ( 1 + 0 1 5 ) = 7 5 9 ， 取7 6 点；模