650kt/a乙烯裝置ESD系統設計綜述
石油化工屬流程工業,具有高溫,高壓,易燃,易爆等特征,在生產中具有極高的危險性,因此實現生產裝置的安全,穩定,高效運行不僅是提高效益的關鍵,而且對生產人員,生產設備,以及整個社區安全都十分重要.在新一輪乙烯改造中,揚子石化選用了國際先進的ESD(Emergency Shut down, 緊急停車)系統實現裝置的安全控制.
650kt/a乙烯擴建裝置ESD系統由兩個層次的方式構成:裂解爐區,壓縮區,急冷區和公用工程區實現聯鎖保護控制;冷區和熱區的塔系統控制除要求實現聯鎖控制外,還要求實現SIS(Safety Instrumented System)控制,以確保裝置在發生電力,循環水裝置或儀表系統等公共故障時火炬的排放量得到有效控制.原400kt/a乙烯裝置采用的是Honeywell公司的LM(邏輯管理器)系統對裝置進行聯鎖控制,因本輪改造經費所限該部分沒有改為安全性更好的ESD系統.
一 乙烯ESD系統的設計原則
1. 系統部分的設計原則
(1)為確保裝置安全,穩定,可靠地運行,提高系統的運算速度,在擴建的新區設計中采用兩套ESD系統分別控制兩個重要的區域,一套用于控制裂解爐區,急冷區,壓縮區,加氫區和公用工程區,另一套用于冷區和熱區.
(2)中央控制室(CCR)在原有控制室內進行擴容,DCS在原有系統的基礎上進行擴容,US操作站與原系統保持統一.ESD系統主機安裝在新機柜(NRR)間,裝在DCS輔操臺上的按鈕,開關,報警燈的控制采用遠程控制站(RXM)控制,遠程控制站設在CCR,CCR和NRR之間的通信由三冗余的光纜構成.
(3)為提高程序的掃描速率,ESD系統內部未設計第一事故報警程序,區分第一事故的設備選用美國Ronan公司的分體式報警器,報警器的燈屏部分安裝在輔助操作臺上,作為操作人員的一種人機界面,控制部分安裝在機柜間.
(4)本著安全高于控制的原則,所有關鍵聯鎖檢測點采用先進ESD系統,再通過SMM(安全管理器模件)與DCS中的UCN(萬能控制網絡)通信,實現在US(通用操作站)上的數據顯示.
(5)新區和老區分別設計SOE(事故順序記錄儀)站,兩套ESD系統共設有4個SOE站,各站間用以太網(Enternet)相連.
(6)重要的I/O點全部選用熱備冗余方式,輸入卡全部選用光電隔離型,非SIL(Safety Interity Level)級的輸出卡選用繼電器隔離或光電隔離型,避免現場干擾
信號的影響.
(7)交流電源采用雙路方式供給電源模件,一路電源經UPS(不間斷電源)供給ESD電源主模件,另一路市電電源供給ESD備用電源模件. 24V DC電源因其容量很大,分兩部分供給,一部分供給現場儀表和繼電器報警燈屏以及按鈕開關的工作電源,采用美國Acopian公司的冗余電源供給;另一部分供給現場電磁閥工作的電源,由配電所的直流電源裝置供給. 控制電磁閥的電源總線要選用鎧裝電纜,額定功率不能超出其總功率的50%,以避免電纜故障而造成大面積停車,在乙烯老區曾發生過因聯鎖電源電纜漏電而導致裂解爐全線停車的事故.
2. 現場儀表的設計原則
(1)SIS控制部分采用了SIL3級標準(SIL為美國ISA-S84.01標準要求的安全等級),SIL3級ESD部分的檢測儀表一律采用2oo3(3選2表決)的方式檢測.如塔壓和循環水的測量都采用3臺變送器同時測量,電網電壓采用3個電壓檢測器同時測量,壓縮機軸位移采用3個探頭和趨近器同時監測等.3個檢測點的信號分別送入3個不同的三重化輸入模塊(TMR),由主處理器執行3選2表決運算.
(2)控制裂解爐,透平泵的聯鎖和其他一些常規聯鎖則采用單臺檢測儀表,信號被送入TMR型輸入模塊.
(3)SIL3級緊急停車部分用于控制切斷閥門的電磁閥一律采用2個串聯方式設置,以防止某一個電磁閥失效而造成聯鎖動作失效;切斷閥上應設置閥位變送器,將閥位的準確狀態及時反饋給控制室.
(4)輸入ESD的測量儀表均獨立設置,不與控制回路合用,無需分配器分配.
(5)所有重要的切斷閥要求獨立設置,切斷閥均采用密封等級高的球閥,閥位開關信號由限位開關發出并傳送入DCS指示.
(6)對于塔系統控制加熱源的切斷閥,根據TEC(日本東洋工程公司)的計算采用調節閥與切斷閥合一的方法,如圖1所示方案1.此方案要求閥的密封等級在5級(Class 5)以上,采用上述設計經過TEC計算,符合SIL3級要求.而如果采用方案2,將調節閥和切斷閥分開設置,不加閥位變送器,則只能達到SIL1級標準,故方案2不予采用.TMR表示ESD系統內三重化輸出模塊,其輸出信號與電磁閥相接,控制電磁閥的動作;與電磁閥相連的帶有雙斜線的管線是控制閥門動作的氣源管線.
二 ESD系統的基本結構和技術特點
1. 基本結構
根據乙烯工藝SIL3級的要求,選用的ESD系統必須具有TüV的AK6級認證(TüV認證是德國萊茵技術認證機構,該機構專門對電子產品的安全性進行認證,對安全型控制系統的認證具有最高權威性,TüV的AK6級標準對應于IEC和ISA安全標準的3級).經過技術交流和商務投標,最后美國Triconex公司的TRICON系統中標.該公司是較早生產ESD的專業公司,主要生產表決型安全系統,該系統中所有軟硬件都通過了TüV的AK6級認證. TRICON系統是一套從主處理器到輸入,輸出模件完全三重化的容錯控制系
統。
每個I/O模件內有3個獨立的分電路.輸入模件的每個分電路讀入過程數據
并將此信息送至各主處理器.3個主處理器可利用其專有的高速三重化總線
(TRIBus)進行相互間的通信.每掃描一次,3個主處理器通過三重化總線與其相
鄰兩個主處理器進行通信,達到同步;同時三重化總線可對數字輸入數據進行表
決,對輸出數據進行比較,并將模擬輸入數據進行復制并送到每個處理器,主處
理器執行各種控制算法,并將運算輸出值送到各輸出模件.除表決輸入數據外,
TRICON還表決輸出數據.輸出數據的表決是在輸出模件中完成的,這樣可使其
盡可能與現場靠近,并對三總線表決與驅動現場的最終輸出間可能發生的任何錯
誤進行檢測和補償.系統對每個I/O模件都有熱備模件支持,在操作中如工作模
件發生故障,能立即投入控制.熱備模件還可起到在線修復系統的作用.
2. 主處理器的組成和硬件性能
(1)主處理器結構
(2)主處理器性能
TRICON系統有3個主處理器(MP),用來控制系統的3個隔離的分電路,主
處理器(3006)內含一個主CPU,一個通信CPU,一個I/O通信CPU。
每個MP內有一個專用的I/O通信(IOP),管理MP和I/O模件間的數據交換;
另一個通信CPU(IOC)管理MP和通信模件間的數據交換.在每個輸入模件采集
數據的同時,新的輸入數據通過I/O總線相應分電路傳送到MP,存入輸入表,
通過專用TRIBus傳送到相鄰主處理器中,在傳送的同時進行硬件表決出一個正
確的輸入值作為MP的輸入,送到應用程序中(DI點采取三取二的方式,AI點采
取取中值的方式).CPU記錄下識別到的錯誤,在掃描的末期用容錯程序進行錯
誤分析以判斷是否為卡件故障.
(3)電源,通信總線及性能
卡件電源由位于機架最左邊的冗余電源模塊通過機架背面的冗余電
源Bus供應.機架背面共有3種總線:TRIBus,I/O Bus,通信Bus,此3種總線
的性能如表2所示.TRIBus同一個機架MP與I/O卡和通信卡件間的通信通過背
板上的三重化總線完成,不同機架間的數據交換通過機架左上角的三重化I/O電
纜完成.
3. 通信卡件及I/O卡件的性能特點
因乙烯裝置ESD系統的I/O點數達6000多點,應用的卡件種類較多,下面
作具體介紹.
(1)DI卡(3503E,3564)
TRICON V9系統有兩種DI卡:TMR(三重冗余)卡和單點卡.
3503E為TMR卡,有3個輸入分電路,分別處理輸入到模件上的全部數據,
各路之間完全隔離,并在TRICON系統和現場全部采用光電隔離.3503E DI 卡
完全不間斷地診斷每個分電路,如發現任何故障即點亮卡上的FAULT,同時將本
機架和主機架電源模塊上的FAULT燈點亮.FAULT燈亮只說明某一個分電路有
故障,并不說明模件失效,模件的容錯功能使之能帶著某種故障繼續正常工作.
3503E能夠自測試STACK ON(ON粘住測試),即在輸入回路中將一個開
關閉合,通過光電隔離回路讀入一個OFF值.測試時,卡件內置的微處理器讀入
OFF值前的最后數據值在通信處理器中保持.
3564為單點卡,它只有一個輸入電路,輸入到模件中的數據分成3路分別送
入3個MP中,具有STACK ON及STACK OFF的檢測功能,如發現錯誤,
在500ms后將輸入數據置為安全狀態,由于TRICON是設計成故障安全型,安全
狀態為OFF.
(2)DO卡(3664,3604E,3636R)
所有DO卡均有3路完全隔離的輸出分電路,3604E及3636R利用具有
TRICON專利的四方表決器進行表決.3664雙通道輸出卡在兩個輸出間進行表決,
如一致輸出結果至現場,不一致則輸出安全狀態為OFF.
所有輸出卡具有OVD(Output Voter Diagnostic)檢測功能,即DO卡定期發出
一個反狀態信號以檢測輸出分電路是否故障,時間保證在2ms內,一般為500ms,
不會影響現場控制.
所有輸出卡均具有STACK ON及STACK OFF功能,如發現STACK
OFF故障,由于是故障安全型設計,DO卡輸出保持故障狀態,熱備卡不切換.
3636R為繼電器型輸出卡.
(3)通信卡(4329,4409)
NCM(網絡通信模件)網卡(4329)支持的通信協議如表3所示.
SMM卡(4409)是專門針對Honeywell TDC 3000而設計,使TRCION系統作
為UCN網絡的一個子站與DCS系統進行通信.功能如下:
(a)傳送所有I/O點至DCS;
(b)將所有TRICON系統報警信號傳送至DCS;
(c)與DCS進行所有Alias的讀/寫;
(d)在DCS上對TRICON系統進行診斷;
(e)在TDC-3000上對TRICON系統進行寫保護;
(f)與DCS時間同步;
(g)在DCS上作SOE ;
(h)可作熱備通信.
(4)遠程機架通信卡(RXM)
在同一個TRICON系統中,如果相鄰兩個機架距離太遠時,可利用三重化遠程機架通信卡進行通信.
(5)TRICON V9系統容量
TRICON V9系統由一個主機架和最多14個擴展機架或14個遠程擴展機架組成.最大系統是15個機架,可支持總數為118個I/O模件(控制點總數由各模件型號決定);并可通過通信卡與上位操作站,Modbus主機,Foxboro與Honeywell的DCS等設備通信. TRICON V9系統還具有在線修改程序的功能,在修改過程中能保證系統控制不間斷,并具有I/O點的強制功能,能根據現場改變變量值.
三 系統配置及網絡結構
1. 系統配置
乙烯裝置的控制區域有裂解爐區,急冷區,壓縮區,熱區,冷區,汽油加氫區,包含設備有4臺100kt/a裂解爐,壓縮機,反應器,精餾塔等,接入ESD系統的數據類型有DI,DO,AI.由于I/O點眾多,數據類型復雜,為確保系統的可靠性和運算速度,設計上應用兩套TRICON V9系統構成整個裝置的ESD控制.考慮到控制機柜間和中央控制室距離比較遠(相距800m),如將所有的操作開關及燈屏信號用信號電纜接入控制室,勢必增大投資費用,為此充分利用了TRICON V9系統的遠程擴展功能,將在中央控制室的操作信號接入遠程機架,再利用光纖將其與在遠方的主機架連接,實現遠程通信.因為遠程機架的連接也是三重化的,并且每個機架都采用了雙路光纖進行通信,所以保證了信號的可靠性,并大大縮短了施工時間.另外,整個ESD大部分槽位都有熱備卡,這樣,可確保系統的可靠性。
除以上用于I/O點處理的卡件外,每個系統另配有一塊SMM卡和NCM卡.通過Hub將SYS1,SYS2,工程師站,SOE站組成一個小型以太網絡用于系統的維護和狀態監測,SYS1,SYS2分別設為NODE1和NODE2,TCP/IP地址分別為192.168.1.1和192.168.1.2. 通過SMM卡使ESD系統與DCS通信,DCS系統把ESD作為VCN網絡上的一個節點設備,SMM的通信速率達10Mb/s,是TRICON系統中3種通信方式中通信速度最快,通信容量最大的一種,設置的站號分別為41,43,用戶可方便地在DCS操作站上檢查各個I/O點狀態以及TRICON系統卡件的狀態,以提高操作的穩定性,有利于及時發現故障.
2. 軟件編制
乙烯ESD編程軟件是Tristation 1131,利用1131可進行系統組態,系統診斷及應用軟件編制.此軟件在Windows NT操作系統下運行,它有3種編程語言:功能塊圖,梯形圖,結構語言.其中功能塊圖直接,易讀.1131除自身帶有大量常用的功能塊外,還允許用戶根據需要編制功能塊,方便重復使用.在乙烯裝置中是利用功能塊圖進行編程,SYS1和SYS2的應用程序分別為Program1.PT2和Program2.PT2.在Program1.PT2中編寫了2oo3表決功能塊,模擬量輸入處理,偏差報警等功能塊,并輸出至用戶功能庫ETHYLENE.LT2,在Program2.PT2中調用.在兩個程序中均設3個SOE塊,所有DI點和內存點都可用SOE記錄下來,方便故障分析.Program1.PT2和Program2.PT2的掃描時間分別為90ms,120ms.
3. 現場儀表部分的ESD實現
(1)根據TEC的要求,SIL3級的聯鎖切斷閥采用調節閥與切斷閥合二為一的方法,ESD的控制信號控制電磁閥的動作,DCS控制閥門的開度.閥門定位器采用具有位置檢測功能的Fisher DVC6000系列,閥位信號通過Moore公司的SPART檢測出來.SPART是一種Hart信號檢測器,它從智能閥門定位器中讀出HART信號,然后轉換為4～20mA標準化信號輸出到DCS顯示;DCS系統再將此信號與該點的OP(輸出信號)比較,當偏差大于*1%時系統發出報警。
(2)電磁閥工作電壓選用24V DC,為避免電纜的壓降造成電磁閥出現工作電壓過低的情況,現場電磁閥采用ASCO公司低功耗型.此種電磁閥功耗僅為1.4W,適合遠距離使用.所有電磁閥均采用單控型,正常情況下得電勵磁,故障時失電動作.
(3)在ASCO電磁閥和Fisher智能定位器相配合使用時,應注意電磁閥的CV(流通能力)值必須大于0.49,否則閥門定位器會引起振蕩,從而使調節閥振蕩.
(4)用壓力變送器代替壓力開關,有利于信號在DCS上顯示,同時防止壓力開關出現動作不靈的弊病.
4. ESD系統的設計特點
(1)SIL3級聯鎖輸出控制電磁閥的信號線上不加隔離繼電器,有利于回路進行StAck On檢測;
(2)非SIL3級聯鎖回路及其他與電氣配電室相關的用于機泵開/停控制的信號用中間繼電器隔離,其勵磁方式設計成故障安全型;
(3)輸出模塊設置成故障安全型,當系統出現故障時輸出保持原值不動;
(4)為盡量降低系統的故障率,采用MTL5073溫度變送器型安全柵,將溫度信號變換為4～20mA信號,既滿足本質安全控制的要求,又實現了信號的標準化轉換.
四 ESD系統需考慮的問題
乙烯擴建裝置建成投產以來,ESD系統運行十分穩定.分離塔系統實現了SIS控制,裝置的安全可靠性得到大大提高;但發生停車的概率提高了,停車的面積也擴大了,這也就降低了系統的可用性,這是一對矛盾.在專利商的要求下,SIS系統已經投用,由于此種技術在國內尚屬首次使用,如何處理好可靠性與可用性之間的關系,還要作深入的探討,研究.其中存在的問題歸納起來有以下幾點:
(1)在老區CW(循環水)故障時,有無必要停新區 在新區CW故障時,有無必要停老區 從布局和結構上考慮老區和新區是相對獨立的,能否實現互不影響
(2)在CW故障時,原料泵是否有必要全停 若原料泵實現人工停,是否有時間 是否會造成危害 這值得探討;
(3)B閥自動關閉后,閉鎖的時間多長為合適以上幾點必須在生產過程中摸索,總結,以使裝置的安全可靠性和可用性都達到最合理的水平,實現裝置運行的最優化.
五 結語
乙烯裝置ESD系統的設計是一項十分復雜的系統工程,從專業上來看牽涉到工藝,電氣,儀表,設備等專業,從設計上來看牽涉到外商,國內的多家設計院,從設備上來看牽涉到國內外多家供應商,各家單位必須遵循的最主要原則就是要建立統一的設計標準,使用有成熟經驗的產品,確保系統安全可靠;在系統設計中要充分吸取以往工作中的經驗和教訓,結合工藝特點,并將此深刻地融化到設計中去,對于SIS系統的使用狀況還要在投用后進行及時完善.
650kt/a乙烯擴建裝置ESD系統由兩個層次的方式構成:裂解爐區,壓縮區,急冷區和公用工程區實現聯鎖保護控制;冷區和熱區的塔系統控制除要求實現聯鎖控制外,還要求實現SIS(Safety Instrumented System)控制,以確保裝置在發生電力,循環水裝置或儀表系統等公共故障時火炬的排放量得到有效控制.原400kt/a乙烯裝置采用的是Honeywell公司的LM(邏輯管理器)系統對裝置進行聯鎖控制,因本輪改造經費所限該部分沒有改為安全性更好的ESD系統.
一 乙烯ESD系統的設計原則
1. 系統部分的設計原則
(1)為確保裝置安全,穩定,可靠地運行,提高系統的運算速度,在擴建的新區設計中采用兩套ESD系統分別控制兩個重要的區域,一套用于控制裂解爐區,急冷區,壓縮區,加氫區和公用工程區,另一套用于冷區和熱區.
(2)中央控制室(CCR)在原有控制室內進行擴容,DCS在原有系統的基礎上進行擴容,US操作站與原系統保持統一.ESD系統主機安裝在新機柜(NRR)間,裝在DCS輔操臺上的按鈕,開關,報警燈的控制采用遠程控制站(RXM)控制,遠程控制站設在CCR,CCR和NRR之間的通信由三冗余的光纜構成.
(3)為提高程序的掃描速率,ESD系統內部未設計第一事故報警程序,區分第一事故的設備選用美國Ronan公司的分體式報警器,報警器的燈屏部分安裝在輔助操作臺上,作為操作人員的一種人機界面,控制部分安裝在機柜間.
(4)本著安全高于控制的原則,所有關鍵聯鎖檢測點采用先進ESD系統,再通過SMM(安全管理器模件)與DCS中的UCN(萬能控制網絡)通信,實現在US(通用操作站)上的數據顯示.
(5)新區和老區分別設計SOE(事故順序記錄儀)站,兩套ESD系統共設有4個SOE站,各站間用以太網(Enternet)相連.
(6)重要的I/O點全部選用熱備冗余方式,輸入卡全部選用光電隔離型,非SIL(Safety Interity Level)級的輸出卡選用繼電器隔離或光電隔離型,避免現場干擾
信號的影響.
(7)交流電源采用雙路方式供給電源模件,一路電源經UPS(不間斷電源)供給ESD電源主模件,另一路市電電源供給ESD備用電源模件. 24V DC電源因其容量很大,分兩部分供給,一部分供給現場儀表和繼電器報警燈屏以及按鈕開關的工作電源,采用美國Acopian公司的冗余電源供給;另一部分供給現場電磁閥工作的電源,由配電所的直流電源裝置供給. 控制電磁閥的電源總線要選用鎧裝電纜,額定功率不能超出其總功率的50%,以避免電纜故障而造成大面積停車,在乙烯老區曾發生過因聯鎖電源電纜漏電而導致裂解爐全線停車的事故.
2. 現場儀表的設計原則
(1)SIS控制部分采用了SIL3級標準(SIL為美國ISA-S84.01標準要求的安全等級),SIL3級ESD部分的檢測儀表一律采用2oo3(3選2表決)的方式檢測.如塔壓和循環水的測量都采用3臺變送器同時測量,電網電壓采用3個電壓檢測器同時測量,壓縮機軸位移采用3個探頭和趨近器同時監測等.3個檢測點的信號分別送入3個不同的三重化輸入模塊(TMR),由主處理器執行3選2表決運算.
(2)控制裂解爐,透平泵的聯鎖和其他一些常規聯鎖則采用單臺檢測儀表,信號被送入TMR型輸入模塊.
(3)SIL3級緊急停車部分用于控制切斷閥門的電磁閥一律采用2個串聯方式設置,以防止某一個電磁閥失效而造成聯鎖動作失效;切斷閥上應設置閥位變送器,將閥位的準確狀態及時反饋給控制室.
(4)輸入ESD的測量儀表均獨立設置,不與控制回路合用,無需分配器分配.
(5)所有重要的切斷閥要求獨立設置,切斷閥均采用密封等級高的球閥,閥位開關信號由限位開關發出并傳送入DCS指示.
(6)對于塔系統控制加熱源的切斷閥,根據TEC(日本東洋工程公司)的計算采用調節閥與切斷閥合一的方法,如圖1所示方案1.此方案要求閥的密封等級在5級(Class 5)以上,采用上述設計經過TEC計算,符合SIL3級要求.而如果采用方案2,將調節閥和切斷閥分開設置,不加閥位變送器,則只能達到SIL1級標準,故方案2不予采用.TMR表示ESD系統內三重化輸出模塊,其輸出信號與電磁閥相接,控制電磁閥的動作;與電磁閥相連的帶有雙斜線的管線是控制閥門動作的氣源管線.
二 ESD系統的基本結構和技術特點
1. 基本結構
根據乙烯工藝SIL3級的要求,選用的ESD系統必須具有TüV的AK6級認證(TüV認證是德國萊茵技術認證機構,該機構專門對電子產品的安全性進行認證,對安全型控制系統的認證具有最高權威性,TüV的AK6級標準對應于IEC和ISA安全標準的3級).經過技術交流和商務投標,最后美國Triconex公司的TRICON系統中標.該公司是較早生產ESD的專業公司,主要生產表決型安全系統,該系統中所有軟硬件都通過了TüV的AK6級認證. TRICON系統是一套從主處理器到輸入,輸出模件完全三重化的容錯控制系
統。
每個I/O模件內有3個獨立的分電路.輸入模件的每個分電路讀入過程數據
并將此信息送至各主處理器.3個主處理器可利用其專有的高速三重化總線
(TRIBus)進行相互間的通信.每掃描一次,3個主處理器通過三重化總線與其相
鄰兩個主處理器進行通信,達到同步;同時三重化總線可對數字輸入數據進行表
決,對輸出數據進行比較,并將模擬輸入數據進行復制并送到每個處理器,主處
理器執行各種控制算法,并將運算輸出值送到各輸出模件.除表決輸入數據外,
TRICON還表決輸出數據.輸出數據的表決是在輸出模件中完成的,這樣可使其
盡可能與現場靠近,并對三總線表決與驅動現場的最終輸出間可能發生的任何錯
誤進行檢測和補償.系統對每個I/O模件都有熱備模件支持,在操作中如工作模
件發生故障,能立即投入控制.熱備模件還可起到在線修復系統的作用.
2. 主處理器的組成和硬件性能
(1)主處理器結構
(2)主處理器性能
TRICON系統有3個主處理器(MP),用來控制系統的3個隔離的分電路,主
處理器(3006)內含一個主CPU,一個通信CPU,一個I/O通信CPU。
每個MP內有一個專用的I/O通信(IOP),管理MP和I/O模件間的數據交換;
另一個通信CPU(IOC)管理MP和通信模件間的數據交換.在每個輸入模件采集
數據的同時,新的輸入數據通過I/O總線相應分電路傳送到MP,存入輸入表,
通過專用TRIBus傳送到相鄰主處理器中,在傳送的同時進行硬件表決出一個正
確的輸入值作為MP的輸入,送到應用程序中(DI點采取三取二的方式,AI點采
取取中值的方式).CPU記錄下識別到的錯誤,在掃描的末期用容錯程序進行錯
誤分析以判斷是否為卡件故障.
(3)電源,通信總線及性能
卡件電源由位于機架最左邊的冗余電源模塊通過機架背面的冗余電
源Bus供應.機架背面共有3種總線:TRIBus,I/O Bus,通信Bus,此3種總線
的性能如表2所示.TRIBus同一個機架MP與I/O卡和通信卡件間的通信通過背
板上的三重化總線完成,不同機架間的數據交換通過機架左上角的三重化I/O電
纜完成.
3. 通信卡件及I/O卡件的性能特點
因乙烯裝置ESD系統的I/O點數達6000多點,應用的卡件種類較多,下面
作具體介紹.
(1)DI卡(3503E,3564)
TRICON V9系統有兩種DI卡:TMR(三重冗余)卡和單點卡.
3503E為TMR卡,有3個輸入分電路,分別處理輸入到模件上的全部數據,
各路之間完全隔離,并在TRICON系統和現場全部采用光電隔離.3503E DI 卡
完全不間斷地診斷每個分電路,如發現任何故障即點亮卡上的FAULT,同時將本
機架和主機架電源模塊上的FAULT燈點亮.FAULT燈亮只說明某一個分電路有
故障,并不說明模件失效,模件的容錯功能使之能帶著某種故障繼續正常工作.
3503E能夠自測試STACK ON(ON粘住測試),即在輸入回路中將一個開
關閉合,通過光電隔離回路讀入一個OFF值.測試時,卡件內置的微處理器讀入
OFF值前的最后數據值在通信處理器中保持.
3564為單點卡,它只有一個輸入電路,輸入到模件中的數據分成3路分別送
入3個MP中,具有STACK ON及STACK OFF的檢測功能,如發現錯誤,
在500ms后將輸入數據置為安全狀態,由于TRICON是設計成故障安全型,安全
狀態為OFF.
(2)DO卡(3664,3604E,3636R)
所有DO卡均有3路完全隔離的輸出分電路,3604E及3636R利用具有
TRICON專利的四方表決器進行表決.3664雙通道輸出卡在兩個輸出間進行表決,
如一致輸出結果至現場,不一致則輸出安全狀態為OFF.
所有輸出卡具有OVD(Output Voter Diagnostic)檢測功能,即DO卡定期發出
一個反狀態信號以檢測輸出分電路是否故障,時間保證在2ms內,一般為500ms,
不會影響現場控制.
所有輸出卡均具有STACK ON及STACK OFF功能,如發現STACK
OFF故障,由于是故障安全型設計,DO卡輸出保持故障狀態,熱備卡不切換.
3636R為繼電器型輸出卡.
(3)通信卡(4329,4409)
NCM(網絡通信模件)網卡(4329)支持的通信協議如表3所示.
SMM卡(4409)是專門針對Honeywell TDC 3000而設計,使TRCION系統作
為UCN網絡的一個子站與DCS系統進行通信.功能如下:
(a)傳送所有I/O點至DCS;
(b)將所有TRICON系統報警信號傳送至DCS;
(c)與DCS進行所有Alias的讀/寫;
(d)在DCS上對TRICON系統進行診斷;
(e)在TDC-3000上對TRICON系統進行寫保護;
(f)與DCS時間同步;
(g)在DCS上作SOE ;
(h)可作熱備通信.
(4)遠程機架通信卡(RXM)
在同一個TRICON系統中,如果相鄰兩個機架距離太遠時,可利用三重化遠程機架通信卡進行通信.
(5)TRICON V9系統容量
TRICON V9系統由一個主機架和最多14個擴展機架或14個遠程擴展機架組成.最大系統是15個機架,可支持總數為118個I/O模件(控制點總數由各模件型號決定);并可通過通信卡與上位操作站,Modbus主機,Foxboro與Honeywell的DCS等設備通信. TRICON V9系統還具有在線修改程序的功能,在修改過程中能保證系統控制不間斷,并具有I/O點的強制功能,能根據現場改變變量值.
三 系統配置及網絡結構
1. 系統配置
乙烯裝置的控制區域有裂解爐區,急冷區,壓縮區,熱區,冷區,汽油加氫區,包含設備有4臺100kt/a裂解爐,壓縮機,反應器,精餾塔等,接入ESD系統的數據類型有DI,DO,AI.由于I/O點眾多,數據類型復雜,為確保系統的可靠性和運算速度,設計上應用兩套TRICON V9系統構成整個裝置的ESD控制.考慮到控制機柜間和中央控制室距離比較遠(相距800m),如將所有的操作開關及燈屏信號用信號電纜接入控制室,勢必增大投資費用,為此充分利用了TRICON V9系統的遠程擴展功能,將在中央控制室的操作信號接入遠程機架,再利用光纖將其與在遠方的主機架連接,實現遠程通信.因為遠程機架的連接也是三重化的,并且每個機架都采用了雙路光纖進行通信,所以保證了信號的可靠性,并大大縮短了施工時間.另外,整個ESD大部分槽位都有熱備卡,這樣,可確保系統的可靠性。
除以上用于I/O點處理的卡件外,每個系統另配有一塊SMM卡和NCM卡.通過Hub將SYS1,SYS2,工程師站,SOE站組成一個小型以太網絡用于系統的維護和狀態監測,SYS1,SYS2分別設為NODE1和NODE2,TCP/IP地址分別為192.168.1.1和192.168.1.2. 通過SMM卡使ESD系統與DCS通信,DCS系統把ESD作為VCN網絡上的一個節點設備,SMM的通信速率達10Mb/s,是TRICON系統中3種通信方式中通信速度最快,通信容量最大的一種,設置的站號分別為41,43,用戶可方便地在DCS操作站上檢查各個I/O點狀態以及TRICON系統卡件的狀態,以提高操作的穩定性,有利于及時發現故障.
2. 軟件編制
乙烯ESD編程軟件是Tristation 1131,利用1131可進行系統組態,系統診斷及應用軟件編制.此軟件在Windows NT操作系統下運行,它有3種編程語言:功能塊圖,梯形圖,結構語言.其中功能塊圖直接,易讀.1131除自身帶有大量常用的功能塊外,還允許用戶根據需要編制功能塊,方便重復使用.在乙烯裝置中是利用功能塊圖進行編程,SYS1和SYS2的應用程序分別為Program1.PT2和Program2.PT2.在Program1.PT2中編寫了2oo3表決功能塊,模擬量輸入處理,偏差報警等功能塊,并輸出至用戶功能庫ETHYLENE.LT2,在Program2.PT2中調用.在兩個程序中均設3個SOE塊,所有DI點和內存點都可用SOE記錄下來,方便故障分析.Program1.PT2和Program2.PT2的掃描時間分別為90ms,120ms.
3. 現場儀表部分的ESD實現
(1)根據TEC的要求,SIL3級的聯鎖切斷閥采用調節閥與切斷閥合二為一的方法,ESD的控制信號控制電磁閥的動作,DCS控制閥門的開度.閥門定位器采用具有位置檢測功能的Fisher DVC6000系列,閥位信號通過Moore公司的SPART檢測出來.SPART是一種Hart信號檢測器,它從智能閥門定位器中讀出HART信號,然后轉換為4～20mA標準化信號輸出到DCS顯示;DCS系統再將此信號與該點的OP(輸出信號)比較,當偏差大于*1%時系統發出報警。
(2)電磁閥工作電壓選用24V DC,為避免電纜的壓降造成電磁閥出現工作電壓過低的情況,現場電磁閥采用ASCO公司低功耗型.此種電磁閥功耗僅為1.4W,適合遠距離使用.所有電磁閥均采用單控型,正常情況下得電勵磁,故障時失電動作.
(3)在ASCO電磁閥和Fisher智能定位器相配合使用時,應注意電磁閥的CV(流通能力)值必須大于0.49,否則閥門定位器會引起振蕩,從而使調節閥振蕩.
(4)用壓力變送器代替壓力開關,有利于信號在DCS上顯示,同時防止壓力開關出現動作不靈的弊病.
4. ESD系統的設計特點
(1)SIL3級聯鎖輸出控制電磁閥的信號線上不加隔離繼電器,有利于回路進行StAck On檢測;
(2)非SIL3級聯鎖回路及其他與電氣配電室相關的用于機泵開/停控制的信號用中間繼電器隔離,其勵磁方式設計成故障安全型;
(3)輸出模塊設置成故障安全型,當系統出現故障時輸出保持原值不動;
(4)為盡量降低系統的故障率,采用MTL5073溫度變送器型安全柵,將溫度信號變換為4～20mA信號,既滿足本質安全控制的要求,又實現了信號的標準化轉換.
四 ESD系統需考慮的問題
乙烯擴建裝置建成投產以來,ESD系統運行十分穩定.分離塔系統實現了SIS控制,裝置的安全可靠性得到大大提高;但發生停車的概率提高了,停車的面積也擴大了,這也就降低了系統的可用性,這是一對矛盾.在專利商的要求下,SIS系統已經投用,由于此種技術在國內尚屬首次使用,如何處理好可靠性與可用性之間的關系,還要作深入的探討,研究.其中存在的問題歸納起來有以下幾點:
(1)在老區CW(循環水)故障時,有無必要停新區 在新區CW故障時,有無必要停老區 從布局和結構上考慮老區和新區是相對獨立的,能否實現互不影響
(2)在CW故障時,原料泵是否有必要全停 若原料泵實現人工停,是否有時間 是否會造成危害 這值得探討;
(3)B閥自動關閉后,閉鎖的時間多長為合適以上幾點必須在生產過程中摸索,總結,以使裝置的安全可靠性和可用性都達到最合理的水平,實現裝置運行的最優化.
五 結語
乙烯裝置ESD系統的設計是一項十分復雜的系統工程,從專業上來看牽涉到工藝,電氣,儀表,設備等專業,從設計上來看牽涉到外商,國內的多家設計院,從設備上來看牽涉到國內外多家供應商,各家單位必須遵循的最主要原則就是要建立統一的設計標準,使用有成熟經驗的產品,確保系統安全可靠;在系統設計中要充分吸取以往工作中的經驗和教訓,結合工藝特點,并將此深刻地融化到設計中去,對于SIS系統的使用狀況還要在投用后進行及時完善.
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