ABB PLUTO安全PLC在乙炔氨自控聯(lián)鎖裝置ESD系統(tǒng)中的應(yīng)用

師海雄

(重慶浦仁達科技有限公司，重慶 400020)

一 概述

隨著石油化工裝置的日趨大型化，工藝過程的不斷復(fù)雜化，生產(chǎn)過程中發(fā)生危險的可能性也呈增大趨勢，加之人們對產(chǎn)品的質(zhì)量、設(shè)備、人身、環(huán)境的保護等因素的要求使得獨立于控制系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖顯得十分必要，這種專用的安全保護系統(tǒng)就是——ESD緊急停車系統(tǒng)(Emergency Shutdown Device)。ESD適用于高溫、高壓、易燃、易爆等場合，可以對生產(chǎn)裝置可能發(fā)生的危險或不采取措施將繼續(xù)惡化的狀態(tài)進行及時響應(yīng)和保護，使生產(chǎn)裝置進入一個預(yù)定義的安全停車工況，從而使危險降低到可以接受的最低程度，以保證人員、設(shè)備、生產(chǎn)裝置和環(huán)境的安全。在講究高效安全生產(chǎn)的石油化工行業(yè)，如今投入ESD系統(tǒng)已是眾多企業(yè)的選擇，并成為保證生產(chǎn)可靠性與安全性，提高經(jīng)濟效益的必要手段之一。

重慶方鑫精細化工有限公司乙炔氨自控聯(lián)鎖裝置工程項目屬改造項目。作為一個典型的精細化工裝置，反應(yīng)溫度壓力高、易燃易爆且中間產(chǎn)物含劇毒易揮發(fā)，此外整個項目工藝流程復(fù)雜，中間環(huán)節(jié)眾多，任何一個環(huán)節(jié)出錯均會導(dǎo)致其他環(huán)節(jié)不能正常工作，甚至前功盡棄，因此要實現(xiàn)整個裝置的安全穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)，這就要求必須配置先進的、高可靠的設(shè)備，配置能充分滿足石油化工裝置及機組的緊急停車和安全聯(lián)鎖的ESD系統(tǒng)。基于此考慮，其選用了 ABB PLUTO安全PLC。Pluto是一種可編程的安全系統(tǒng)，用于防止控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障而引起的安全功能喪失，因此系統(tǒng)設(shè)置了整體冗余和監(jiān)控。和普通的PLC不同的是Pluto采用了2個微處理器，同時對每個安全功能進行控制和監(jiān)控，以保證正確的運行。系統(tǒng)的每個輸入都單獨連接到每個處理器，各自有獨立的內(nèi)存并執(zhí)行各自的程序。處理器通過連續(xù)的對結(jié)果進行比較，來確保數(shù)據(jù)的完整性。每個安全輸出都連接到兩個處理器，在應(yīng)用程序中，兩個處理器都要檢查邏輯條件是否滿足，否則不能置位。

二 ESD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點

1.重慶方鑫精細化工有限公司乙炔氨自控聯(lián)鎖裝置工程項目，ESD系統(tǒng)采用了ABB PLUTO安全PLC，其處理器是為了完成特定的任務(wù)而進行組態(tài)和編程。通過高性能的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)及分散處理單元、過程I/O、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、人機接口和過程控制軟件等來完成裝置的監(jiān)視、保護和控制。PLUTO硬件安全、可靠、先進。系統(tǒng)應(yīng)易于組態(tài)，易于使用，易于擴展。

ESD裝置可以ModBus RTU或OPC的方式完成與DCS系統(tǒng)的通訊。

2.該系統(tǒng)將在生產(chǎn)裝置內(nèi)經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，并接上輸入輸出信號后即可滿足本裝置的過程控制與聯(lián)鎖保護、參數(shù)報警、數(shù)據(jù)記錄與歸檔等功能要求，并能安全可靠地運行。

3.系統(tǒng)基本組成

1)ESD系統(tǒng)應(yīng)為操作員及工程師提供用于監(jiān)控、操作、組態(tài)及維護的良好人機接口設(shè)備——操作站及工程師站，且操作簡單方便。對不同級別的操作人員(操作員，工長，系統(tǒng)工程師等)的操作權(quán)限采用密碼或其它方式加以限制。

2)本工程設(shè)置了1個操作員站(工業(yè)級計算機，同時兼做工程師站用)，1個獨立的輔助操作臺。工程師站用于系統(tǒng)開發(fā)與維護、參數(shù)設(shè)置等功能。輔助操作臺用于ESD系統(tǒng)聯(lián)鎖停車功能。作為報表與事件記錄輸出設(shè)備，本裝置的控制室內(nèi)設(shè)置1臺激光打印機，完成報表、歷史記錄、故障診斷信息輸出等功能。(見圖1)。

3)本工程設(shè)置ESD系統(tǒng)機柜1個，用于控制器及I/O卡件等功能模件的安裝及信號信號調(diào)理器等元件的安裝。

ESD系統(tǒng)控制器通過智能型、冗余型過程I/O卡件、連接端子以及必要的信號調(diào)理設(shè)備，完成離散的數(shù)據(jù)采集與控制功能。控制器與智能I/O卡件之間通過專門的I/O總線通訊，其通訊速率均不應(yīng)低于5MBPS。所有系統(tǒng)卡件均支持DIN導(dǎo)軌安裝方式，且均安裝在系統(tǒng)機柜內(nèi)。

圖1 ESD系統(tǒng)配置圖

4.工藝簡介和系統(tǒng)規(guī)模

重慶方鑫精細化工乙炔氨自控聯(lián)鎖裝置工程項目根據(jù)工藝劃分為四個單元，一單元是電石在發(fā)生器內(nèi)水解生成的乙炔氣經(jīng)洗泥器洗滌冷卻至70℃左右，經(jīng)正、逆水封后，進入乙炔氣柜;二單于是乙炔氣經(jīng)管道進入冷卻塔，冷卻降溫后的乙炔氣經(jīng)水環(huán)壓縮機加壓后進入二級串聯(lián)的清凈塔，利用次氯酸鈉的強氧化性質(zhì)，除去硫化氫、磷化氫等雜質(zhì);三單元是經(jīng)清凈后的乙炔氣進入中和塔被堿液所中和，然后送往轉(zhuǎn)化合成工序;四單元是乙炔氣進入反映釜與送入反應(yīng)釜內(nèi)的氨氣進行反應(yīng)。

整個項目中共有3個乙炔氣柜，2臺乙炔輸送泵，7臺壓縮機，9個反應(yīng)釜，9個液氨貯罐，3個冷卻塔。本項目ESD系統(tǒng)主要作用在這些工段，乙炔氣柜出口設(shè)DN200氣動緊急切斷閥3臺;反應(yīng)釜進口設(shè)DN50氣動緊急切斷閥9臺;液氨貯罐進口設(shè)DN65氣動緊急切斷閥9臺;ESD系統(tǒng)設(shè)輔助操作臺1套，用于在外界環(huán)境(乙炔氣體泄漏或火災(zāi))對管道運行帶來危害時，操作人員可以手動操作切斷整個系統(tǒng)運行或部分工段設(shè)備運行，確保安全。

系統(tǒng)具體配置如下：

1)ESD點位統(tǒng)計

數(shù)量DI DO AI AO壓力報警設(shè)定器9 9乙炔反應(yīng)釜攪拌檢測9 9反應(yīng)釜溫度報警設(shè)定器9 9反應(yīng)釜壓力報警設(shè)定器9 9乙炔氨儲罐溫度報警設(shè)定器9 9環(huán)境溫度報警設(shè)定3 3乙炔輸送泵電源接觸器2 2壓縮機斷電接觸器9 9乙炔輸送泵狀態(tài)2 2 2壓縮機停車狀態(tài)9 9 9反應(yīng)釜進料切斷閥9 9釜底切斷閥(反應(yīng)釜出口)9 9冷凝器出口切斷閥3 3乙炔柜出口切斷閥2 2乙炔氨氣柜進料切斷閥3 3氨蒸發(fā)器進口切斷閥1 1急停1進料停止1溫度高報警1壓力高報警1聯(lián)鎖指示1聯(lián)鎖復(fù)位1

2)ESD配置清單

?

3)ESD系統(tǒng)IO卡件配置

?

4)ESD配置說明

所有IO點數(shù)按照至少20%的比例留有余量。

本安全聯(lián)鎖自控系統(tǒng)在安全聯(lián)鎖部分采用具有SIL2以上本質(zhì)安全認證的安全控制器，可在聯(lián)鎖狀態(tài)時按照預(yù)先設(shè)定的聯(lián)鎖邏輯，緊急停止(或啟動)關(guān)鍵設(shè)備，以達到安全控制的目的。

選用ABB PlutoB安全PLC控制系統(tǒng)，PlutoB是一種可編程的安全系統(tǒng)，并通過了嚴格的本質(zhì)安全認證(SIL3)，用于防止控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障而引起的安全功能喪失，因此系統(tǒng)設(shè)置了整體冗余和監(jiān)控，和普通的PLC系統(tǒng)不同的是Pluto采用了兩個微處理器，同時對每個安全功能進行控制和監(jiān)控，以確保正常的運行。系統(tǒng)的每個輸入都單獨連接到每個處理器，各自有獨立的內(nèi)存并執(zhí)行各自的程序。處理器通過連續(xù)的對結(jié)果進行比較，來確保數(shù)據(jù)的完整性。系統(tǒng)的輸出均為故障安全型。每個安全輸出都連接到兩個處理器，在應(yīng)用程序中，兩個處理器都要檢查邏輯條件是否滿足，否則不能置位。

系統(tǒng)最終形成3個I/O機柜，配置3臺操作員站及單獨的ESD輔操臺。系統(tǒng)配置為網(wǎng)絡(luò)冗余、控制冗余、電源冗余。ESD系統(tǒng)按照SIL2等級設(shè)計，配置浪涌保護器、溫變、報警設(shè)定器、安全柵等符合化工相關(guān)規(guī)范要求的安全措施。

5.控制功能

過程控制器接受過程變量的輸入信號，然后對輸入信號進行處理，存放到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中顯示或計算，傳送輸出信號至最終控制元件。

(1)系統(tǒng)對模擬量提供線性化、補償、累計、開方和報警功能;系統(tǒng)對開關(guān)量提供報警和狀態(tài)變化的檢測。

(2)系統(tǒng)能夠完成調(diào)節(jié)控制、連鎖邏輯、手動操作，由標準算法或用戶程序組合而成的自動順序。

(3)調(diào)節(jié)控制功能至少包括各種PID算法(反饋、前饋、開關(guān)、比率、超前/滯后等)、標準計算(加、減、乘、除、復(fù)合運算等)、基本的控制功能(開關(guān)、限幅、高/地選擇等)、自適應(yīng)控制功能。

(4)連鎖控制功能包括用于調(diào)節(jié)控制的布爾邏輯和用于開關(guān)控制的梯形邏輯。

(5)順序控制功能可以執(zhí)行啟動/停止順序、批量處理或任何預(yù)先定義的程序步驟。

6.畫面功能

HMI畫面為操作員了解生產(chǎn)過程狀態(tài)提供了顯示窗口，并能支持以下幾類畫面。

(1)總貌畫面：顯示系統(tǒng)各設(shè)備、裝置、區(qū)域的運行狀態(tài)以及全部參數(shù)變量的狀態(tài)，測量值、設(shè)定值、控制方式(手動/自動狀態(tài))，高低報警等信息。從各顯示塊可以調(diào)出其他畫面。

(2)分組畫面：以模擬儀表的表盤形式按事先設(shè)定的分組，同時顯示幾個回路的信息：如過程參數(shù)變量的測量值，調(diào)節(jié)器的設(shè)定值、輸出值、控制方式等。變量值每秒更新一次，分組可任意進行，操作員可從分組畫面調(diào)出任一變量(模擬量或離散量)的詳細信息。對模擬回路可以手動改變設(shè)定值、輸出值、控制方式等;對離散量可以手動操作設(shè)備的開啟和停止，畫面顯示出指令狀態(tài)和實際狀態(tài)。

(3)單點畫面(調(diào)整畫面)：顯示一個參數(shù)，控制點的全部信息以及實時趨勢和歷史趨勢。從調(diào)整畫面也可以直接對模擬回路進行設(shè)定、調(diào)整操作。

(4)趨勢畫面：系統(tǒng)具有顯示高速公路上任何數(shù)據(jù)點趨勢的能力，并在同一坐標軸上顯示至少四個變量的趨勢記錄曲線，有可供用戶自由選擇的參數(shù)變量，不同顏色和不同的時間間隔，也可以對數(shù)據(jù)軸進行任意放大顯示。

(5)報警畫面：顯示當(dāng)前所有正在進行的過程參數(shù)報警和系統(tǒng)硬件故障報警，并按報警的時間順序從最新發(fā)生的報警開始排起，報警優(yōu)先級別和狀態(tài)用不同的顏色來區(qū)別，未經(jīng)確認的報警處于閃爍狀態(tài)。

報警內(nèi)容包括：報警時間;過程變量名;過程變量說明;過程變量的當(dāng)前值;報警設(shè)定值;過程變量的工程單位;報警優(yōu)先級別。

(6)流程畫面：生產(chǎn)裝置的圖片、工藝流程圖、設(shè)備簡圖、單線圖等都可以在HMI上顯示出來，每個畫面都括字母數(shù)字字符和圖形符號，通常采用可變化的顏色、圖形、閃爍表示過程變量的不同狀態(tài)，所有過程變量的數(shù)值和狀態(tài)每秒動態(tài)刷新，操作員在此畫面對有關(guān)過程變量實施操作和調(diào)整。

7.報表功能

控制系統(tǒng)按照預(yù)先定義的格式打印報表，報表數(shù)據(jù)的收集和打印是按照用戶定義的時間間隔自動進行，報表打印通常采用事件驅(qū)動方式或操作員命令方式，報表軟件自動產(chǎn)生所有的標題和表頭。

8.歷史數(shù)據(jù)存儲功能

控制系統(tǒng)對報警、連鎖、操作指令的變化等事件及其日期、時間作為歷史數(shù)據(jù)加以儲存。有足夠歷史數(shù)據(jù)的磁介質(zhì)存儲空間，并具有可擴充至外部存儲設(shè)備和磁帶機、光盤等。當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失及磁介質(zhì)空間不足時有報警。

三 ESD系統(tǒng)的應(yīng)用

重慶方鑫精細化工乙炔氨自控聯(lián)鎖裝置ESD系統(tǒng)主要應(yīng)用如下：

1.自動控制：本項目中ESD系統(tǒng)在正常情況下是對于一些關(guān)鍵的工藝及設(shè)備參數(shù)進行連續(xù)的監(jiān)測，在正常情況下ESD是“靜止的”，不采取任何動作。但是當(dāng)參數(shù)發(fā)生異常波動或故障時(超溫、超壓)，它會按照已定的程序采取相應(yīng)的安全動作，使裝置停在安全水平線上。

2.手動控制

1)輔助操作臺面板上設(shè)置有1#--7#壓縮機急停按鈕，操作人員只需輕輕按下相應(yīng)急停按鈕，便可隨時停止對應(yīng)壓縮機的運行狀態(tài)。

2)操作人員只需輕輕按下輔助操作臺上“乙炔輸送泵急停按鈕”，便可隨時停止乙炔輸送泵的運行狀態(tài)。

3)操作人員在接到緊急停車指令或在被授權(quán)允許的情況發(fā)生時，可按下“聯(lián)鎖停車”按鈕，確保系統(tǒng)緊急停車停料。

4)一旦出現(xiàn)了超溫、超壓、停車、停料事件，在事件原因得到有效排除后，被授權(quán)的操作人員需要點動“聯(lián)鎖復(fù)位按鈕”進行確認，才能使系統(tǒng)解除聯(lián)鎖，恢復(fù)正常運行狀態(tài)。相反，如果ESD控制系統(tǒng)未收到復(fù)位指令，它會認為上一次出現(xiàn)的異常未得到消除，所以會繼續(xù)保持聯(lián)鎖停車停料動作，保證整個系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。

四 結(jié)束語

ABB是一個提供高新技術(shù)的企業(yè)，它為世界各地的用戶提供用于自動化控制的軟件、硬件和技術(shù)服務(wù)以及嵌入式計算。我們?yōu)橛脩籼峁┮粋€獨特的，靈活的，超可靠的技術(shù)基礎(chǔ)，使得他們在包括能源、水處理、消費品、國防和防御，以及通訊等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域獲得持續(xù)的優(yōu)勢。而ABB公司所推出的PLUTO安全PLC不論是在性能或價格方面都體現(xiàn)了它的極大優(yōu)勢，尤其是在ESD系統(tǒng)中起到了安全保護的作用，投資少、操作靈活，具有推廣價值。