GE三重冗余安全表決系統(tǒng)（GMR）在河北建滔焦化有限公司粗苯加氫系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　GE智能設(shè)備（上海）有限公司沈陽分公司 林東

　　摘要:本文通過對(duì)建滔（河北）焦化有限公司5萬噸/年焦化粗苯加氫精制裝置保護(hù)系統(tǒng)的介紹，向讀者描述了GE 智能平臺(tái)三重冗余安全表決系統(tǒng)（GMR）產(chǎn)品在焦化粗苯加氫精制裝置保護(hù)系統(tǒng)中成功應(yīng)用的一套完整的解決方案。

　　關(guān)鍵字：GE 三重冗余安全表決系統(tǒng)（GMR）苯加氫 化工

　　應(yīng)用背景：

建滔（河北）焦化有限公司——化工行業(yè)——該公司為建滔化工集團(tuán)全資擁有的子公司，于2003年7月開始籌建，總投資超過7億元人民幣。 建滔（河北）焦化有限公司主要從事焦炭生產(chǎn)，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力為搗固焦100萬噸、焦油36000噸、粗苯12000噸。

苯、甲苯、二甲苯（簡(jiǎn)稱BTX）等同屬于芳香烴，是重要的基本有機(jī)化工原料，由芳烴衍生的下游產(chǎn)品，廣泛用于三大合成材料（合成塑料、合成纖維和合成橡膠）和有機(jī)原料及各種中間體的制造。純苯、甲苯和二甲苯大量用于生產(chǎn)精細(xì)化工中間體、有機(jī)原料，以及農(nóng)藥和溶劑等方面。焦化粗苯主要含苯、甲苯、二甲苯等芳香烴，另外還有一些不飽和化合物、含硫化合物、含氧化合物及氮化合物等雜質(zhì)。粗苯精制就是以粗苯為原料，經(jīng)化學(xué)和物理等方法將上述雜質(zhì)去除，以便得到可作原料使用的高純度苯。近年來，國內(nèi)許多企業(yè)的焦化項(xiàng)目紛紛上馬，焦化粗苯的產(chǎn)量迅速增加，為粗苯加氫精制提供了豐富的原料。

　　客戶需求

建滔（河北）焦化有限公司采用先進(jìn)的加氫精制法來進(jìn)行粗苯的深加工生產(chǎn)，既Koppers加氫/Morphylane萃取蒸餾法，設(shè)計(jì)加工量5萬噸/年。該工藝屬國際先進(jìn)水平，三廢少，污染少，催化劑、萃取劑均可再生。但需要注意的是，粗苯加氫精制工藝中的加氫反應(yīng)溫度為3500℃，壓力為3.5Mpa。因溫度和壓力較高，要注意安全防范工作。因此粗苯加氫精制裝置不僅需要快速、可靠的過程控制系統(tǒng)，也需要高效、安全、可靠的緊急停車安全保護(hù)系統(tǒng)（ESD系統(tǒng)）來確保生產(chǎn)裝置穩(wěn)定的、安全的運(yùn)行。

此外，為了便于運(yùn)行管理，用戶需要采用的緊急停車安全保護(hù)系統(tǒng)（ESD系統(tǒng)）具有與過程控制系統(tǒng)（DCS）具有通訊功能。將緊急停車安全保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及一些工藝參數(shù)在過程控制系統(tǒng)中顯示。

　　解決方案

根據(jù)粗苯加氫精制裝置緊急停車安全保護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)和需要，并且考慮到用戶提出的在保證系統(tǒng)安全性、先進(jìn)性、可靠性和完整性的要求。GE智能平臺(tái)為用戶提供了一套成熟可靠的基于GE GMR（Genius M odular Redundancy）三重化安全表決的自動(dòng)化控制系統(tǒng)平臺(tái)，并由鞍山市新泰科自動(dòng)化設(shè)備有限公司負(fù)責(zé)為最終用戶進(jìn)行系統(tǒng)集成與調(diào)試。

GE智能平臺(tái)開發(fā)的GMR三重化安全表決系統(tǒng)是面向ESD、火災(zāi)和氣體保護(hù)應(yīng)用開發(fā)了一套三重化的冗余控制系統(tǒng)解決方案。它由90-70系統(tǒng)和GE智能平臺(tái)特有的Genius I/O輸入輸出模塊以及VersaMax I/O輸入輸出模塊構(gòu)成。這個(gè)方案是可配置成不同規(guī)模，它允許用戶根據(jù)希望得到的流程風(fēng)險(xiǎn)降低的程度來改變系統(tǒng)的冗余級(jí)別。

GMR三重化安全表決系統(tǒng)除了典型的TMR系統(tǒng)所具備的特點(diǎn)：容錯(cuò)、綜合診斷、遠(yuǎn)程I/O、在線模塊修理以及高可靠性和高可用性之外，GMR系統(tǒng)還具有下列優(yōu)點(diǎn)：

　　·應(yīng)用靈活性；可以根據(jù)指定的應(yīng)用要求進(jìn)行逐點(diǎn)組態(tài)冗余配置的硬件系統(tǒng)，從而節(jié)省開支。

　　·Genius I/O加速系統(tǒng)構(gòu)成，加快開車進(jìn)程；無須進(jìn)行長距離拉線以節(jié)省時(shí)間和投資。

　　·電子保險(xiǎn)絲；瞬間短路被電子化清除；降低了平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）。

　　·故障識(shí)別到點(diǎn)級(jí)；進(jìn)一步降低了平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）。

　　·與多種“即插即用”通訊裝置兼容。

　　·GE GMR（Genius Modular Redundancy）三重化安全表決解決方案可大致分為以下三個(gè)部分。

　　·三重冗余Genius通訊網(wǎng)絡(luò)。

　　·三重冗余表決控制器及其冗余表決I/O子站

　　·上位機(jī)操作員站（HMI）兼SOE工作站和工程師維護(hù)工作站。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以參見圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.三重冗余Genius通訊網(wǎng)絡(luò)

Genius通訊網(wǎng)絡(luò)是GE智能平臺(tái)開發(fā)并引入到工業(yè)控制領(lǐng)域的一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線。Genius總線是一個(gè)對(duì)等的、令牌網(wǎng)絡(luò)，一條網(wǎng)絡(luò)最多可以有32個(gè)站點(diǎn)。該網(wǎng)絡(luò)具有很高的網(wǎng)絡(luò)吞吐率；具有良好的時(shí)實(shí)性。Genius網(wǎng)絡(luò)采用頻移鍵控調(diào)制技術(shù)（FSK），可以有效的防止工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾。

在系統(tǒng)中，三重冗余Genius用于連接三重冗余表決控制器和各個(gè)I/O輸入、輸出表決模塊組。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中負(fù)責(zé)冗余表決控制器以及I/O站之間的數(shù)據(jù)同步和交換。

2.三重冗余表決控制器及其冗余表決I/O子站

GMR三重冗余表決控制器采用GE智能平臺(tái)系列90-70可編程系列專用控制器；冗余表決I/O子站分別采用Genius Block輸入輸出模塊以及VersaMax I/O輸入輸出模塊構(gòu)成。

2.1表決控制器

系列90-70可編程控制器是GE智能平臺(tái)控制器系列中先進(jìn)的產(chǎn)品。采用了新的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，系統(tǒng)配置和安裝簡(jiǎn)易，機(jī)架總線采用開放的VME總線結(jié)構(gòu)，可與第三廠家VME產(chǎn)品兼容。CPU模塊具有一系列不同性能規(guī)格的型號(hào)，以滿足各種大規(guī)模，復(fù)雜的高速控制要求。此系統(tǒng)中采用了GMR系統(tǒng)專用控制器產(chǎn)品。

此方案中，GMR三重化冗余控制器采用三個(gè)獨(dú)立的CPU，可組態(tài)為3-2-1-0或3-2-0的工作模式，以滿足用戶不同應(yīng)用的需要。系統(tǒng)通過3選2的表決來提供高可靠性和無誤差的操作。此外，GMR三重化冗余控制器物理上無耦合設(shè)計(jì)和分離式結(jié)構(gòu)電路保護(hù)可以從本質(zhì)上消除共模失效的潛在可能性。

為了與過程控制的DCS系統(tǒng)進(jìn)行通訊，每個(gè)表決控制器上都預(yù)留了Modbus RTU 從站通訊接口，用來實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)與ESD系統(tǒng)的通訊。其中DCS系統(tǒng)作為Modbus RTU通訊的主站，ESD系統(tǒng)作為Modbus RTU通訊的從站。

2.2冗余表決I/O子站

為了使方案更加合理，同時(shí)也節(jié)省用戶的投資。此方案中冗余表決I/O子站采用GE智能平臺(tái)兩種不同系列的I/O產(chǎn)品，即Genius I/O產(chǎn)品和VersaMax I/O輸入輸出模塊。

其中離散量輸入輸出（DI/DO）I/O模塊表決組采用Genius I/O產(chǎn)品；模擬量輸入（AI）I/O模塊表決組、模擬量輸出（AO）I/O模塊冗余輸出組采用VersaMax I/O輸出輸出模塊。

Genius I/O提供了一整套離散、模擬和繼電器，回路可以從6至32個(gè)。Genius I/O 模塊不僅僅是與外設(shè)的接口，它們還是智能化的、耐用的獨(dú)立的模塊，比傳統(tǒng)的I/O更加實(shí)用。許多模塊的I/O配置可以進(jìn)行定制，因此效率極高。Genius I/O 憑借其模塊化的設(shè)計(jì)和先進(jìn)的診錯(cuò)技術(shù)，大大節(jié)省了初期和系統(tǒng)停工期的成本。

VersaMax®PLC將先進(jìn)的VersaMax I/O以及功能強(qiáng)大的CPU相結(jié)合，更易于使用、價(jià)格合理、性能卓越。VersaMax提供了廣泛的I/O模塊，組態(tài)更加靈活。通訊模塊能將VersaMax與Profibus網(wǎng)絡(luò)（或其它工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線）相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3.上位機(jī)操作員站（HMI）兼SOE工作站和工程師維護(hù)工作站

此系統(tǒng)中設(shè)立了一臺(tái)機(jī)操作員站HMI（兼SOE工作站）和一臺(tái)工程師維護(hù)工作站。

操作員站上安裝并運(yùn)行Proficy HMI/SCADA–CIMPLICITY軟件，該軟件軟件包括工業(yè)上領(lǐng)先的Proficy分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和開放性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，此結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)借助Microsoft的靈活的客戶／服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，以及功能強(qiáng)大的為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成而設(shè)計(jì)的各種標(biāo)準(zhǔn)。為用戶帶來的好處就是該產(chǎn)品非常易于使用，同時(shí)又適合于實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視，可以將它配置成從單個(gè)節(jié)點(diǎn)到多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)形成不同的規(guī)模，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

Proficy HMI/SCADA–CIMPLICITY軟件能夠應(yīng)用在各種不同類型的工業(yè)生產(chǎn)過程中，諸如汽車，航天，石油與天然氣，化工，石化，食品加工，飲料，制藥，紙漿與造紙，管線，金屬，水與廢水處理，交通以及其它行業(yè)。

工程師站上除安裝了Proficy HMI/SCADA–CIMPLICITY軟件，還安裝了控制器編程組態(tài)軟件：Proficy Logic Developer-PLC。用來開發(fā)和維護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。

系統(tǒng)的HMI應(yīng)用軟件界面如圖2、圖3所示。

圖2 操作員站系統(tǒng)的主畫面

圖3 系統(tǒng)連鎖控制畫面

實(shí)施結(jié)果

通過與GE的合作，建滔（河北）焦化有限公司5萬噸/年焦化粗苯加氫精制裝置保護(hù)系統(tǒng)，按照原工程進(jìn)度表，通過鞍山市新泰科自動(dòng)化設(shè)備有限公司3個(gè)月的集成，于2008年9月竣工并順利投產(chǎn)。三重冗余安全表決系統(tǒng)（GMR）控制系統(tǒng)投運(yùn)以來，保證了該廠焦化粗苯加氫精制裝置的安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，給用戶帶來更大的收益。同時(shí)GE將以其先進(jìn)的技術(shù)，卓越的知名度，良好的口碑為更多控制行業(yè)提供更快、更強(qiáng)、更安全的控制系統(tǒng)，不斷促進(jìn)中國過程控制水平提高。

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