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石油化工乙烯ESD控制系统的设计与分析本文由tonyxiong77992贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 石油化工属流程工业,具有高温,高压,易燃,易爆等特征,在生产中具有极高的危险性,因此实现生产装置的安 全,稳定,高效运行不仅是提高效益的关键,而且对生产人员,生产设备,以及整个社区安全都十分重要.在新一 轮乙烯改造中,扬子石化选用了国际先进的 ESD(Emergency Shut down, 紧急停车)系统实现装置的安全控 制.650kt/a 乙烯扩建装置 ESD 系统由两个层次的方式构成:裂解炉区,压缩区,急冷区和公用工程区实现联锁 保护控制;冷区和热区的塔系统控制除要求实现联锁控制外,还要求实现 SI(Safety Instrumented System)控 制,以确保装置在发生 电力,循环水装置或仪表系统等公共故障时火炬的排放量得到有效控制.原 400kt/a 乙烯装置采用的是 Honeywell 公司的 LM(逻辑管理器)系统对装置进行联锁控制,因本轮改造经费所限该部分没有改为安全性 更好的 ESD 系统. 一 乙烯 ESD 系统的设计原则 1. 系统部分的设计原则 (1)为确保装置安全,稳定,可靠地运行,提高系统的运算速度,在扩建的新区设计中采用两套 ESD 系统分别控 制两个重要的区域,一套用于控制裂解炉区, 急冷区,压缩区,加氢区和公用工程区,另一套用于冷区和热区. (2)中央控制室(CCR)在原有控制室内进行扩容,DCS 在原有系统的基础上进行扩容,US 操作站与原系统保 持统一.ESD 系统主机安装在新机柜(NRR)间,装在 DCS 辅操台上的按钮,开关,报警灯的控制采用远程控制 站(RXM)控制,远程控制站设在 CCR,CCR 和 NRR 之间的通信由三冗余的光缆构成. (3)为提高程序的扫描速率,ESD 系统内部未设计第一事故报警程序,区分第一事故的设备选用美国 Ronan 公司的分体式报警器,报警器的灯屏部分安装在辅助操作台上,作为操作人员的一种人机界面,控制部分安装 在机柜间. (4)本着安全高于控制的原则,所有关键联锁检测点采用先进 ESD 系统,再 通过 SMM(安全管理器模件)与 DCS 中的 UCN(万能控制网络)通信,实现在 US(通用操作站)上的数据显示. (5)新区和老区分别设计 SOE(事故顺序记录仪)站,两套 ESD 系统共设有 4 个 SOE 站,各站间用以太网 (Enternet)相连. (6)重要的 I/O 点全部选用热备冗余方式,输入卡全部选用光电隔离型,非 SIL(Safety Interity Level)级的输出 卡选用继电器隔离或光电隔离型,避免现场干扰信号的影响. (7)交流电源采用双路方式供给电源模件,一路电源经 UPS(不间断电源)供给 ESD 电源主模件,另一路市电电 源供给 ESD 备用电源模件. 24V DC 电源因其容量很大,分两部分供给,一部分供给现场仪表和继电器,报警灯屏以及按钮开关的 工作电源,采用美国 Acopian 公司的冗余电源供给;另一部分供给现场电磁阀工作的电源,由配电所的直流电 源装置供给. 控制电磁阀的电源总线要选用铠装电缆,额定功率不能超出其总功率的 50%,以避免电缆故障 而造成大面积停车,在乙烯老区曾发生过因联锁电源电缆漏电而导致裂解炉全线停车的事故. 2. 现场仪表的设计原则 (1)SIS 控制部分采用了 SIL3 级标准(SIL 为美国 ISA-S84.01 标准要求的安全等级),SIL3 级 ESD 部分的检 测仪表一律采用 2oo3(3 选 2 表决)的方式检测.如塔压和循环水的测量都采用 3 台变送器同时测量,电网电压 采用 3 个电压检测器同时测量,压缩机轴位移采用 3 个探头和趋近器同时监测等.3 个检测点的信号分别送入 3 个不同的三重化输入模块(TMR),由主处理器执行 3 选 2 表决运算. (2)控制裂解炉,透平泵的联锁和其他一些常规联锁则采用单台检测仪表,信号被送入 TMR 型输入模块. (3)SIL3 级紧急停车部分用于控制切断阀门的电磁阀一律采用 2 个串联方式设置,以防止某一个电磁阀失效 而造成联锁动作失效;切断阀上应设置阀位变送器,将阀位的准确状态及时反馈给控制室. (4)输入 ESD 的测量仪表均独立设置,不与控制回路合用,无需分配器分配. (5)所有重要的切断阀要求独立设置,切断阀均采用密封等级高的球阀,阀位开关信号由限位开关发出并传送 入 DCS 指示. (6)对于塔系统控制加热源的切断阀,根据 TEC(日本东洋工程公司)的计算采用调节阀与切断阀合一的方法, 如图 1 所示方案 1.此方案要求阀的密封等级在 5 级(Class 5)以上,采用上述设计经过 TEC 计算,符合 SIL3 级要求.而如果采用方案 2,将调节阀和切断阀分开设置,不加阀位变送器,则只能达到 SIL1 级标准,故方案 2 不予采用.TMR 表示 ESD 系统内三重化输出模块,其输出信号与电磁阀相接,控制电磁阀的动作;与电磁阀相 连的带有双斜线的管线是控制阀 门动作的气源管线. 二 ESD 系统的基本结构和技术特点 1. 基本结构 根据乙烯工艺 SIL3 级的要求,选用的 ESD 系统必须具有 TV 的 AK6 级认证(TV 认证是德国莱茵技 术认证机构,该机构专门对电子产品的安全性进行认证,对安全型控制系统的认证具有最高权威性,TV 的 AK6 级标准对应于 IEC 和 ISA 安全标准的 3 级).经过技术交流和商务投标,最后美国 Triconex 公司的 TRICON 系统中标.该公司是较早生产 ESD 的专业公司,主要生产表决型安全系统,该系统中所有软硬件都通 过了 TV 的 AK6 级认证. TRICON 系统是一套从主处理器到输入,输出模件完全三重化的容错控制系统。 每个 I/O 模件内有 3 个独立的分电路.输入模件的每个分电路读入过程数据并将此信息送至各主处理 器.3 个主处理器可利用其专有的高速三重化总线 (TRIBus)进行相互间的通信.每扫描一次,3 个主处理器通 过三重化总线与其相邻两个主处理器进行通信,达到同步;同时三重化总线可对数字输入数据进行表决,对输 出数据进行比较,并将模拟输入数据进行复制并送到每个处理器,主处理器执行各种控制算法,并将运算输出 值送到各输出模件.除表决输入数据外, TRICON 还表决输出数据.输出数据的表决是在输出模件中完成的, 这样可使其尽可能与现场靠近,并对三总线表决与驱动现场的最终输出间可能发生的任何错误进行检测和 补偿.系统对每个 I/O 模件都有热备模件支持,在操作中如工作模件发生故障,能立即投入控制.热备模件还可 起到在线修复系统的作用. 2. 主处理器的组成和硬件性能 (1)主处理器结构 (2)主处理器性能 TRICON 系统有 3 个主处理器(MP),用来控制系统的 3 个隔离的分电路,主处理器(3006)内含一个主 CPU,一个通信 CPU,一个 I/O 通信 CPU。 每个 MP 内有一个专用的 I/O 通信(IOP),管理 MP 和 I/O 模件间的 数据交换;另一个通信 CPU(IOC)管理 MP 和通信模件间的数据交换.在每个输入模件采集数据的同时,新的 输入数据通过 I/O 总线相应分电路传送到 MP,存入输入表,通过专用 TRIBus 传送到相邻主处理器中,在传送 的同时进行硬件表决出一个正确的输入值作为 MP 的输入,送到应用程序中(DI 点采取三取二的方式,AI 点采 取取中值的方式).CPU 记录下识别到的错误,在扫描的末期用容错程序进行错误分析以判断是否为卡件故障. (3)电源,通信总线及性能 卡件电源由位于机架最左边的冗余电源模块通过机架背面的冗余电源 Bus 供应.机架背面共有 3 种总 线:TRIBus,I/O Bus,通信 Bus,此 3 种总线的性能如表 2 所示.TRIBus 同一个机架 MP 与 I/O 卡和通信卡件间 的通信通过背板上的三重化总线完成,不同机架间的数据交换通过机架左上角的三重化 I/O 电缆完成. 3. 通信卡件及 I/O 卡件的性能特点 因乙烯装置 ESD 系统的 I/O 点数达 6000 多点,应用的卡件种类较多,下面 作具体介绍. (1)DI 卡(3503E,3564) TRICON V9 系统有两种 DI 卡:TMR(三重冗余)卡和单点卡. 3503E 为 TMR 卡,有 3 个输入分电路,分别处理输入到模件上的全部数据, 各路之间完全隔离,并在 TRICON 系统和现场全部采用光电隔离.3503E DI 卡 完全不间断地诊断每 个分电路,如发现任何故障即点亮卡上的 FAULT,同时将本机架和主机架电源模块上的 FAULT 灯点 亮.FAULT 灯亮只说明某一个分电路有故障,并不说明模件失效,模件的容错功能使之能带着某种故障继续正 常工作.3503E 能够自测试 STACK ON(ON 粘住测试),即在输入回路中将一个开关闭合,通过光电隔离回路 读入一个 OFF 值.测试时,卡件内置的微处理器读入 OFF 值前的最后数据值在通信处理器中保持. 3564 为单 点卡,它只有一个输入电路,输入到模件中的数据分成 3 路分别送入 3 个 MP 中,具有 STACK ON 及 STACK OFF 的检测功能,如发现错误, 在 500ms 后将输入数据置为安全状态,由于 TRICON 是设计成故障安全型, 安全 状态为 OFF. (2)DO 卡(3664,3604E,3636R) 所有 DO 卡均有 3 路完全隔离的输出分电路,3604E 及 3636R 利用具有 TRICON 专利的四方表决器 进行表决.3664 双通道输出卡在两个输出间进行表决,如一致输出结果至现场,不一致则输出安全状态为 OFF. 所有输出卡具有 OVD(Output Voter Diagnostic)检测功能,即 DO 卡定期发出一个反状态信号以检测 输出分电路是否故障,时间保证在 2ms 内,一般为 500ms,不会影响现场控制. 所有输出卡均具有 STACK ON 及 STACK OFF 功能,如发现 STACK OFF 故障,由于是故障安全型设计,DO 卡输出保持故障状态,热备卡不 切换. 3636R 为继电器型输出卡. (3)通信卡(4329,4409) NCM(网络通信模件)网卡(4329)支持的通信协议如表 3 所示. SMM 卡(4409)是专门针对 Honeywell TDC 3000 而设计,使 TRCION 系统作 为 UCN 网络的一个子站与 DCS 系统进行通信.功能如下: (a)传送所有 I/O 点至 DCS; (b)将所有 TRICON 系统报警信号传送至 DCS; (c)与 DCS 进行所有 Alias 的读/写; (d)在 DCS 上对 TRICON 系统进行诊断; (e)在 TDC-3000 上对 TRICON 系统进行写保护; (f)与 DCS 时间同步; (g)在 DCS 上作 SOE ; (h)可作热备通信. (4)远程机架通信卡(RXM) 在同一个 TRICON 系统中,如果相邻两个机架距离太远时,可利用三重化远程机架通信卡进行通信. (5)TRICON V9 系统容量 TRICON V9 系统由一个主机架和最多 14 个扩展机架或 14 个远程扩展机架组成.最大系统是 15 个 机架,可支持总数为 118 个 I/O 模件(控制点总数由各模件型号决定);并可通过通信卡与上位操作站,Modbus 主机,Foxboro 与 Honeywell 的 DCS 等设备通信. TRICON V9 系统还具有在线修改程序的功能,在修改过程 中能保证系统控制不间断,并具有 I/O 点的强制功能,能根据现场改变变量值. 三 系统配置及网络结构 1. 系统配置 乙烯装置的控制区域有裂解炉区,急冷区,压缩区,热区,冷区,汽油加氢区,包含设备有 4 台 100kt/a 裂解 炉,压缩机,反应器,精馏塔等,接入 ESD 系统的数据类型有 DI,DO,AI.由于 I/O 点众多,数据 类型复杂,为确保 系统的可靠性和运算速度,设计上应用两套 TRICON V9 系统构成整个装置的 ESD 控制.考虑到控制机柜间 和中央控制室距离比较远(相距 800m),如将所有的操作开关及灯屏信号用信号电缆接入控制室,势必增大投 资费用,为此充分利用了 TRICON V9 系统的远程扩展功能,将在中央控制室的操作信号接入远程机架,再利 用光纤将其与在远方的主机架连接,实现远程通信.因为远程机架的连接也是三重化的,并且每个机架都采用 了双路光纤进行通信,所以保证了信号的可靠性,并大大缩短了施工时间.另外,整个 ESD 大部分槽位都有热 备卡,这样,可确保系统的可靠性 。 除以上用于 I/O 点处理的卡件外,每个系统另配有一块 SMM 卡和 NCM 卡 . 通 过 Hub 将 SYS1,SYS2, 工 程 师 站 ,SOE 站 组 成 一 个 小 型 以 太 网 络 用 于 系 统 的 维 护 和 状 态 监 测,SYS1,SYS2 分别设为 NODE1 和 NODE2,TCP/IP 地址分别为 192.168.1.1 和 192.168.1.2. 通过 SMM 卡使 ESD 系统与 DCS 通信,DCS 系统把 ESD 作为 VCN 网络上的一个节点设备,SMM 的通信速率达 10Mb/s, 是 TRICON 系统中 3 种通信方式中通信速度最快,通信容量最大的一种,设置的站号分别为 41,43,用户可方 便地在 DCS 操作站上检查各个 I/O 点状态以及 TRICON 系统卡件的状态,以提高操作的稳定性,有利于及时 发现故障. 2. 软件编制 乙烯 ESD 编程软件是 Tristation 1131,利用 1131 可进行系统组态,系统诊断 及应用软件编制.此软件 在 Windows NT 操作系统下运行,它有 3 种编程语言: 功能块图,梯形图,结构语言.其中功能块图直接,易 读.1131 除自身带有大量 常用的功能块外,还允许用户根据需要编制功能块,方便重复使用.在乙烯装置中是 利 用 功 能 块 图 进 行 编 程 ,SYS1 和 SYS2 的 应 用 程 序 分 别 为 Program1.PT2 和 Program2.PT2. 在 Program1.PT2 中编写了 2oo3 表决功能块,模拟量输入处理, 偏差报警等功能块,并输出至用户功能库 ETHYLENE.LT2,在 Program2.PT2 中 调用.在两个程序中均设 3 个 SOE 块,所有 DI 点和内存点都可用 SOE 记录下来,Program1.PT2 和 Program2.PT2 的扫描时间分别为 90ms,120ms. 3. 现场仪表部分的 ESD 实现 (1)根据 TEC 的要求,SIL3 级的联锁切断阀采用调节阀与切断阀合二为一的方法,ESD 的控制信号控制电磁 阀的动作,DCS 控制阀门的开度.阀门定位器采用具有位置检测功能的 Fisher DVC6000 系列,阀位信号通过 Moore 公司的 SPART 检测出来.SPART 是一种 Hart 信号检测器,它从智能阀门定位器中读出 HART 信号, 然后转换为 420mA 标准化信号输出到 DCS 显示;DCS 系统再将此信号与该 点的 OP(输出信号)比较,当 偏差大于*1%时系统发出报警。 (2)电磁阀工作电压选用 24V DC,为避免电缆的压降造成电磁阀出现工作电压过低的情况,现场电磁阀采用 ASCO 公司低功耗型.此种电磁阀功耗仅为 1.4W, 适合远距离使用.所有电磁阀均采用单控型,正常情况下得 电励磁,故障时失电动作. (3)在 ASCO 电磁阀和 Fisher 智能定位器相配合使用时,应注意电磁阀的 CV(流通能力)值必须大于 0.49,否 则阀门定位器会引起振荡,从而使调节阀振荡. (4)用压力变送器代替压力开关,有利于信号在 DCS 上显示,同时防止压力开关出现动作不灵的弊病. 4. ESD 系统的设计特点 (1)SIL3 级联锁输出控制电磁阀的信号线上不加隔离继电器,有利于回路进行 StAck On 检测; (2)非 SIL3 级联锁回路及其他与电气配电室相关的用于机泵开/停控制的信号 用中间继电器隔离,其励