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控制系统与联锁系统的工程设计引言在国家工业建设快速发展，能源供应日趋严峻、环保问题逐被关注的形势下，流程工业生产的节能、降耗、减排，以及安全等问题，越来越被人们更加重视起来。对于化工自控设计专业来说，这些问题都涉及到如何提高工厂自动化水平、如何搞好生产过程控制系统与安全联锁系统的工程设计问题。室领导安排给室年青人员讲讲这方面的有关问题，特别是结合合成氨装置的复杂控制系统(包括先进控制系统)、安全联锁系统设计问题作些介绍。根据室里 安排意见，在控制系统设计方面，我先介绍流程工业中自动控制系统设计与先进控制系统应用现状，然后介绍国外大型合成氨装置先进控制系统应用情况。在安全联锁系统设计方面，介绍下安全联锁系统设计的设计原则、基本设计要求、SIS配置要求，以及合成氨装置联锁系统逻辑框图设计的有关问题。对于上述介绍中涉及到的一些新技术，如先进控制系统、管控一体化系统、信息管理系统等，由于缺少实用经验，一知半解，认识肤浅，只能给大家起个抛砖引玉作用，期望大家今后结合工程多加探讨，抓住机会积极实践，为我公司自控设计技术的发展而努力。第一部分 控制系统设计化工装置中的自动控制系统有的起到生产过程物料平衡，有的起到生产安全保护，有的直接关系生产装置的节能、降耗、保质、增产问题。工程设计中，研讨、制订自控系统的设计方案及控制策略，使自控系统能发挥精确、有效、可靠、稳定控制作用，是自控工程设计一项重要任务。化工装置自控工程设计，按照化工行业自控设计规范的设计分工，先由工艺专业向自控专业提交工艺流程图(PFD)、主要控制系统说明、物料平衡表等设计条件，再由自控专业制订控制方案、确定控制系统有关配置，完成工艺控制图(PCD)。然后在系统专业发表的初步P&ID的基础上完成自控系统的结构设计。并据此完成仪表回路图、复杂控制系统原理图、DCS监控数据表等设计文件。目前，由于绝大多数工程设计项目的工艺流程是套用现有流程，也就不再绘制PCD，即使流程与控制系统有变化，也只在P&ID上面作修改即可。在这种情况下，虽然节省很多人工时，但对老流程的控制系统设计是否需要改进，对新流程控制系统的控制方案与控制策略是否体现新形势要求等问题则缺少研究。然而随着工业建设形势的发展，前述的一些研究工作是不可忽视的。1 当前国内流程工业中自动控制系统设计状况流程工业中的典型行业是化工、石化、石油等行业，目前，这些行业设计的自动控制系统基本上都属于以反馈控制为基础的经典控制论范畴，采用PID控制规律。随着现代控制论问世，先进控制系统中的多变量预测控制策略在流程工业中得到应用。相对于经典控制论而言，现代控制论的特点是用状态方程式的一阶微分方程来描述控制对象，运用力学等数学成果建立多输入输出的系统，解决反馈控制的稳定性、时间响应特性以及频率响应特性等问题。经典控制与现代控制比较经典控制 现代控制 传递函数 状态方程式、解析时间域只针对系统的输入输出解析 除输入输出外，还考虑内部状态解析单输入、单输出 多输入、多输出时间不变线性系统 时变系统，非线性系统简单单一的控制对象 更复杂多样的控制对象1.1 先进控制含义在动态环境中，基于模型借助计算机的充分计算能力，为工厂获得最大利润而实施的运行和技术策略。这种策略实施后，系统运行在最佳工况，实现所谓“卡边生产”。先进控制能够适应复杂动态特性、时间滞后、多变量、不可测变量、变量受约束等情况，在操作条件变化时仍然有良好的控制效果。1.2 先进控制策略的类型多变量预测控制自适应控制推理控制专家控制模糊推理控制神经元网络等多变量预测控制是比较适合流程工业应用的一种控制策略，也是流程工业中应用锝最多的一种控制策略。1.3 多变量预测控制 预测控制是一种基于模型的计算机算法。它利用预测模型来预估过程未来的输出状态与设定值之间的偏差，采用滚动式的最优化策略计算当前的控制输入。 预测控制是先进过程控制技术中最有代表性的一种策略，因为它对数学模型要求不高，能直接处理具有纯滞后的对象，有良好的跟踪性能等优点。(1) 多变量预测控制的基本原理 基本原理是模型预测、滚动优化、反馈校正，它需要过程的动态模型。 模型预测基于预测模型，预测模型可以是状态方程、传递函数、线性稳定对象的阶跃响应与脉冲响应非参数模型等。 预测控制的最主要特征是在线优化，在线优化是即在过程的每一时刻计算出相对于该时刻的优化性能指标来实施控制，滚动优化即优化功能是反复进行的。 反馈校正用来弥补预测模型控制的不足。由于预测模型只是对对象动态特性的粗略描述，实际系统中存在非线性、事变、模型失配、干扰等，这些因素造成的影响只有采用反馈校正来克服。(2) 多变量预测控制的基本算法 预测控制的基本算法包括5个方面： 预测模型：描述系统动态行为的基础模型 参考轨线：避免过程急剧变化，要求输出按期望的平缓曲线达到设定值 在线校正方式：克服预估值不可能与实际值相符的问题 控制输入的优化方式：时域优化在线“滚动”实现方式：输入一组优化值1.4 先进控制在石化、石油行业应用情况近十来年国内石化、石油行业在新建工程项目以及技术改造项目上应用先进控制技术的实例很多，其应用业绩在国内处于领先水平。到2008年底的不完全统计，中石化已在20多家炼化企业的100多套重点生产装置上实施先进控制技术，中石油在38套生产装置上实施先进控制技术。实施先进控制技术的炼油装置有常减压、重油催化裂化、蜡油催化裂化、连续重整、芳烃抽提、延迟焦化、加氢裂化、气体分馏 环丁砜抽提 油品调和等，实施先进控制技术的石化装置有乙烯裂解、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈、轻烃分离、丁二烯、苯乙烯、二甲苯分离、对二甲苯、氯乙烯，以及甲醇、丁辛醇、合成氨、聚甲醛、有机硅、纯碱等化工装置。2 先进控制在合成氨装置上的应用美国原凯洛格公司于上世纪80年代在合成氨装置上开发的先进控制技术，在美国及世界上其它地方的一些合成氨装置上得到应用，并取得了较好的经济效益。前几年通过技术交流，我公司得到一些简单资料，现将凯洛格合成氨装置的先进控制系统(简称APC)介绍如下：2.1 APC控制策略凯洛格合成氨装置的APC是多变量预测控制。APC的作用是，减小关键过程参数的变化，减少外界扰动对过程操作的影响，执行较好的操作与管理，提高经济效益。APC控制策略是H2O/C 控制；H/N 控制；残余甲烷；合成塔温度控制；驰放气控制；原料气潜氢控制。2.2 APC的效能改进生产操作与管理：减少外部条件造成的偏差；减少装置内部相互干扰；减少气体成分变化造成的偏差；改进原料气利用效率；实现工厂信息管理。2.3 经济效益：产量增加12%；能量有效率提高12%。采用APC的投资在半年内可收回。2.4 APC的构成硬件：DCS(采用有先进控制功能的DCS，不需要上位机)；质谱仪(9流路以上)。软件：多变量预测控制软件；实时计算软件；实时数据库软件；流程图操作员接口软件；质谱仪和DSC接口软件。3 实施先进控制系统的几种方案在新建工程项目中采用先进控制系统要满足的基本条件是，一是工艺操作需要，二是采用的控制方案要有数学模型或控制算式，三是要得到业主的自支持。采用先进控制系统要经过设计方案制订、先进控制软件组态、对象特性测试、系统调试等环节，需要设计、DCS厂商、先进控制技术专利方、业主等单位共同完成。基于上述，采用先进控制系统可考虑以下几种方案：(1) 对于引进技术的工程项目可成套购买先进控制系统软件国外大型工程公司(包括工艺专利商、过程控制软件公司)一般都对合成氨、尿素、甲醇、以及石化装置等开发出来先进控制系统软件。可利用引进专利技术的机会，将先进控制系统软件成套购买进来。对于引进技术的工程项目，设计人员要作好准备工作，在了解了该项目具有先进控制技术后，要对业主进行宣传介绍，争取得到业主的同意。(2) 与国内科研部门合作共同开发先进控制系统软件 国内过程控制科研部门(包括大专院校)对许多典型的化工、石化工艺装置也都开发有先进控制技术，如上述的合成氨、尿素、甲醇、以及石化装置等。在设计部门与业主确定要采用先进控制技术后，可与有关科研部门合作实施。(3) 分步实施典型、独立、具有通用控制模型或控制算式的控制系统过程控制中的一些经典复杂控制控制系统，如前馈控制系统、纯滞后补偿控制系统、均匀控制系统、含计算单元的控制系统(如质量流量控制系统、精馏塔内回流控制系统、精馏塔进料热焓控制系统)等，这些控制系统都有通用的数学模型或控制算式，采用时不需要重新建摸或推导计算公式。数学模型中的对象静态放大系数k、对象时间常数t、对象纯滞后时间，可在试车中采用飞升曲线法(阶升响应曲线法)测得。DCS采用上述控制系统后，在应用软件组态时先用功能模块把系统建立起来，在试车中测得k、t、，然后逐步完善、调整系统，直至正常投运。(参见附件)对于新建工程项目，无论采用那种实施方案，都要在项目设计前期阶段由设计部门与业主研究确定，并在设计前期阶段的设计文件(如可研报告、初步设计设计)中反映出来。4 提高DCS应用水平所谓提高DCS应用水平，可以理解为，根据工艺过程控制、操作需要，以及企业信息管理要求，充分发挥DCS的功能，充分利用DCS的开放性、可扩展性、可集成性，除实施上述先进过程策略外，还可在DCS监控网络层挂接管理系统，采用多功能控制系统，构建企业信息管理系统或企业管控自动化系统等。4.1 挂接设备管理、生产管理系统生产装置大型化以后，生产设备的维护和管理、生产状态与调度管理就显得特别重要，在DCS网络上挂接智能设备管理系统、生产管理系统是必要的，也是可行的。(1) 智能设备管理系统设备管理系统（AMS）的功能包括智能仪表设备组态、状态监测及诊断、校验管理和自动文档记录管理等。该系统自动读取所有HART智能设备中的有效数据，数据信号从DCS的I/O接口上采集。自动完成数据的存储和管理，即使用标准化数据库，对智能设备进行标准化组态。其诊断功能是对设定的重要数据可发出异常状态报警信号，其预测维护管理功能是根据仪表运行时间和诊断信息，预测维护的时间、内容和计划。 智能设备管理系统在国内很多DCS厂商和计算机软件公司都有成套技术出售。(2) 生产管理系统工厂生产管理系统也称为制造执行系统（Manufacturing Execution System-MES）是工厂计划层和工厂操作控制层之间的执行层，主要功能是负责生产管理和调度执行。MES是将物料、设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源集成能实施诸如质量控制、文档管理、生产调度等功能的生产管理系统。MES是各种生产管理功能模块的集合，其主要功能模块有：工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文挡控制、产品跟踪和产品清单管理、性能分析和数据采集。目前国内还还没有成熟的MES软件产品，当要采用MES时，需要业主与计算机软件公司共同开发。4.2 采用多功能过程控制系统(PCS)过程控制系统(Process Control System-PCS)是将DCS、SIS、GDS三系统的现场仪表及I/O卡件按需要各自独立设置，将DCS的控制器、SIS的逻辑运算器、GDS的报警设备在满足各自配置规范的条件下集成和无缝连接在一起控制系统的。PCS可执行过程监控、生产安全联锁、气体检测报警功能，实施生产与安全一体化控制。PCS实现集成和无缝连接技术，避免DCS、SIS、GDS三系统之间通信连接、硬接线连接所造成的故障，提高了系统安全运行的可靠性，方便了操作，也节省设备投资。目前DCS市场上已有将DCS、SIS集成、无缝连接在一起的产品，GDS也有与DCS集成、无缝连接的结构特性，这些行情为采用PCS创造了有利条件。4.3 建立企业控制与管理综合自动化系统企业综合管控自动化系统(也称企业CIMS) 由DCS过程控制技术、计算机信息管理技术等集成构建，它将信息技术、现代管理技术、制造技术结合起来，应用于企业产品的生命周期的各个阶段，形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变的全局优化的高质量、高效益、高柔性的智能生产控制、管理系统。(1) 综合管控自动化系统作用实现生产装置的控制、优化、调度一体化，对保证生产安全、提高产品质量、降低整体综合能耗起重大作用；实现对全厂主要设备运行状况、备品情况、检修要求等进行动态管理，为科学安排检修计划，延长大修周期，减少大修开支提供决策依据；物料平衡与生产决策系统对生产管理人员进行决策分析提供有力的支持；能对经营管理业务和生产过程信息进行有效集成，完全实现对生产、采购、销售、人力资源、财务、库存、质量和生产等全过程的管理控制。过程优化的含义：通过采集现场数据，对过程操作状况作出在线评价和分析，不断更新模型参数，不断修正约束条件，根据原料、产品、辅助设备费用等信息寻求过程的最佳操作条件并付诸实施，使生产过程始终处于最优工况附近。过程优化与先进控制的关系：先进控制和过程优化是改进生产操作和取得更大经济效益的重要保证。先进控制采用动态回路级模型，过程优化采用稳态单元级或流程级模型。过程优化与先进控制是给定与执行的关系，即稳态优化得到最佳操作条件作为给定值传送先进控制系统，再由先进控制系统实施过程控制。(2) 综合管控自动化系统体系架构CIMS通常由两个网络、一个数据平台、三个层次、四个系统构成，即CIMS的两个网络是过程控制网和管理信息网；CIMS的数据平台由实时数据库和关系数据库构成；CIMS的三个管控功能层次即生产操作控制层、生产运行管理层、生产经营管理层；CIMS的四个系统即生产过程控制系统、生产运行管理系统、生产经营管理系统以及综合信息管理系统。建立CIMS工作将由工程项目业主、DCS工程设计方、信息管理系统工程设计方共同完成，DCS工程设计方除承担DCS系统工程设计外，一般情况下要承担CIMS的设计前期工作，如CIMS的总体设计，包括DCS的总体监控方案、企业信息管理系统管理方案、DCS的投资概算、管理系统的投资估算等。管理系统工程方应负责管理系统硬、软件提供，包括计算机网络、数据采集系统、服务器与工作站、外设以及全套管理程序。第二部分 联锁系统设计化工装置的联锁系统分为工艺联锁系统和安全联锁系统两类。安全联锁系统是指发生故障时对设备、人身危害大，应按照国标或行标规范设计锁系统，即按规范要求配置传感器、逻辑运算器、最终单元以及接口单元(包括过程接口、通信接口、人机接口)。1 仪表安全、防爆有关知识1.1 仪表生命周期从工艺概念设计阶段开始到所有仪表设备(包括DCS等)功能停止使用的全部时间。对于仪表设备生命周期内的主要活动，制造厂商、设计单位、用户等各担负不同的职责。1.2 安全完整性等级(SIL)安全仪表系统在规定的状态和规定的时间周期内，成功完成安全仪表功能的平均概率。安全完整性包括系统安全完整性和硬件安全完整性两部分。安全仪表功能的SIL等级，是在工程项目SIL等级评估的基础上确定的。1.3 电气设备的防爆形式电气设备防爆技术措施是基于设法排除爆炸三角形中的一个或多个要素，是产生爆炸的危险减少到一个可以接受的程度，到目前为止，我国接受的防爆型式如下：序号 防爆形式 代号 国家标准 技术措施 1 隔爆型 d GB3836.2 隔离存在的点火源 2 增安型 e GB3836.3 设法防止产生点火源 3 本质安全型 ia或ib GB3836.4 限制点火源能量 4 正压型 p GB3836.5 把危险物质与点火源隔开 5 油浸型 o GB3836.6 把危险物质与点火源隔开6 充砂型 q GB3836.7 防止点燃外部爆炸性气体环境7 n型 n GB3836.8 设法防止产生点火源8 浇封型 m GB3836.9 设法防止产生点火源9 粉尘防爆型 GB12476 用外壳和限制表面温度（和限能）保护1.4 防爆基础知识(1) 产生爆炸的三个条件 具有潜在爆炸危险的环境产生爆炸必须具备下列三个条件：A. 点燃源(点燃能量)点火花、热表面等；B. 爆炸性物质可燃性气体或粉尘；C. 助燃剂空气(氧气)当上列三个条件同时存在，且当爆炸性物质与空气的混合浓度处于爆炸极限范围内(即处于爆炸下限和爆炸上限之间)时，将不可避免地产生爆炸。为了有效地防止爆炸事故的发生，就要设法避免上述三个条件同时存在。(2) 爆炸物质分类在我国爆炸性物质分为三类：类：矿井甲烷；类：爆炸性气体混合物(含蒸气、薄雾)；类：爆炸性粉尘和纤维。在北美爆炸性物质分为三类：(即“Class”，常译为“级”)Class：爆炸性气体；Class：爆炸性粉尘；Class：钎维。(3) 危险区域划分 危险区域是根据潜在爆炸性环境可能的概率和持续时间划分的。IEC/CENELEC/中国可能出现：0区：连续出现或长期出现爆炸性气体混合物的环境1区：在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所；2区：在正常情况下，爆炸性气体混合物不可能出现，仅仅在不正常情况下，短时间存在的场所。北美：1区：在正常情况下，可能出现危险环境的场所；2区：在正常情况下，不可能出现危险环境的场所。(4) 爆炸性气体的引燃温度与与电气设备允许最高表面温度A. 爆炸性气体的引燃温度(AIT)按照标准实验方法，引燃爆炸性混合物的最低温度按照IEC标准的推荐，我国将爆炸性气体按引燃温度分为T1T6六个组别。北美对温度组别的划分与IEC基本一致，只是将温度组别划分的更细一些。中国/IEC/欧洲标准 引燃温度 t() 点燃特性T1 450t 难T2 300t450 T3 200t300 T4 135t200 T5 100t135 T6 85t100 易B. 电气设备允许最高表面温度温度组别 最高表面温度 适用危险气体引燃温度 t() 电气安全性能T1 450 450t 低T2 300 300t450 T3 200 200t300 T4 135 135t200 T5 100 100t135 T6 85 85t100 高2 联锁系统设计基本原则2.1 故障安全原则 正常工况时，安全仪表系统励磁(带电)不动作；非正常工况时，安全仪表系统非励磁(失电)动作，将过程转入安全状态。一般情况下，正常工况时现场传感器的发讯开关触点是闭合的(励磁)。2.2 传感器设置原则(1) 传感器独立设置原则 对于SIL2级安全仪表功能，现场传感器宜独立于基本过程控制系统。对于SIL3级安全仪表功能，现场传感器应独立于基本过程控制系统。(2) 传感器冗余设置原则 对于SIL1级安全仪表功能，可采用单一现场传感器。对于SIL2级安全仪表功能，宜采用冗余现场传感器。对于SIL3级安全仪表功能，应采用冗余现场传感器。当系统要求高安全性时，宜采用二取一方式，采用二个现场传感器。当系统要求高可用性时，宜采用二取二方式，采用二个现场传感器。当系统的安全性和可用性均需保障时，宜采用三取二方式，采用三个现场传感器。2.3 逻辑运算器独立设置原则 对于SIL1级安全仪表功能，逻辑运算器宜与基本控制系统分开；对于SIL2级安全仪表功能，逻辑运算器应与基本控制系统分开；对于SIL3级安全仪表功能，逻辑运算器必须与基本控制系统分开。2.4 辅助开关设置原则 (1) 紧急停车开关 紧急停车开关应独立于逻辑控制器，采用硬手动开关，安装在辅助操作台上面。 (2) 维护旁路开关传感器宜设置维护旁路开关，此开关可为软开关。 (3) 输出旁路开关(联锁切除开关) 输出旁路开关可分为联锁系统旁路开关和联锁回路旁路开关两种。联锁系统旁路开关可根据联锁系统大小和该系统操作维护需要设置，宜为硬手动开关，安装在辅助操作台上面。联锁回路旁路开关为每个联锁回路设置的输出旁路开关，宜为软开关。 (4) 复位开关重要的联锁系统要设置联锁复位开关，如全厂联锁系统、工序联锁系统等。2.5 与其它控制装置接线原则 当需要从DCS或其它辅助单元输送联锁信号到SIS系统时，应采用硬接线连接。2.7 输出信号隔离原则 联锁系统输出最终单元或至电气专业的接点信号，应采用继电器或隔离器隔离。3 联锁系统设计基本要求3.1 过程危险与风险评估 在有条件的情况下，要根据相应国标要求对工程项目进行过程危险与风险评估，以正确识别和控制过程及相关设备引起的危险。3.2 安全完整性等级(SIL)评估在有条件的情况下，要根据国标要求对工程项目进行SIL等级评估及审查，确定安全仪表功能的SIL等级。3.3 确定SIS配置方案根据确定的SIL等级仪表功能要求，确定传感器、逻辑运算器、最终元件、接口单元等的配置，独立配置与冗余配置要具体化。3.4 确定主要辅助开关设置方案全厂紧急停车开关、现场旁路维修开关等硬手动开关要根据工艺专业意见设置。硬手动复位开关、旁路开关(联锁功能切除开关)仅设置在复杂联锁系统中。3.5 要确保联锁系统设计文件的完整性与准确性 把好联锁系统设计文件的质量关。4 合成氨装置的安全联锁系统4.1 联锁系统分类合成氨装置的安全联锁系统分为三类，第一类是全厂联锁系统，第二类是工序联锁系统，第三类是局部联锁系统。三类联锁系统均按化工行业安全联锁系统规范设计。(1) 全厂联锁系统 包括一段炉燃烧系统、水/碳系统、汽包液为位等引起的全厂联锁。(2) 工序联锁系统 A. 转化工序联锁系统 B. 甲烷化工序炉联锁系统 C. 氨合成工序联锁系统(3) 局部联锁系统 A. 转化工序的主要联锁系统一段炉顶部烧嘴燃料气压力低联锁系统辅锅烧嘴燃料气压力低联锁系统引风机故障联锁系统鼓风机故障联锁系统一段炉风门挡板联锁系统B. 脱碳工序主要联锁系统低变气分离器液位高联锁系统低变气分离器液位低联锁系统贫液流量低联锁系统半贫液流量高联锁系统二氧化碳吸收塔液位联锁系统D 合成工序液氨排放槽压力二氧化碳吸收塔液位联锁系统5 联锁系统设计文件编制5.1 联锁系统设计文件类型配合系统专业完成联锁系统在P&ID上绘制工作； 完成联锁系统因果表；(可利用工艺专业提供的联锁系统因果表) 完成联锁系统逻辑图，对于多层次、逻辑关系复杂的联锁系统