M etso DNA系統在堿回收爐安全系統的應用

徐峰

(山東太陽紙業股份有限公司，山東兗州，272100)

·堿回收爐·

M etso DNA系統在堿回收爐安全系統的應用

徐峰

(山東太陽紙業股份有限公司，山東兗州，272100)

針對堿回收爐爐膛安全監控系統 (FSSS)的特點，從系統的邏輯設計、網絡結構、軟硬件的設計等方面詳細介紹了Metso DNA系統在某公司4#堿回收爐的應用。現場運行表明，該系統不但運行穩定、可靠性高、操作方便、維護量少，而且提高了設備的運行效率，具有很好的示范性和推廣價值。

堿回收爐;Metso DNA;FSSS;設計

堿回收爐爐膛安全監控系統 (Furnace Safety Supervision System，簡稱FSSS)，也可稱作燃燒器管理系統 (Burner Management System，簡稱BMS)，是堿回收爐重要的安全監控系統之一。FSSS通常包括燃燒器控制系統 (BCS或BMS)和燃料安全系統 (FSS)。為了保證堿回收爐的安全系統可靠工作，FSSS有很高的獨立性要求，包括采取獨立的邏輯控制、獨立的輸入和輸出系統及獨立的電源，在功能上和物理上獨立于其他的鍋爐控制系統。觸發主燃料跳閘 (MFT)和鍋爐跳閘 (BT)的信號必須采用硬接線，而不能通過總線通信傳輸。這個由硬接線實現的鍋爐跳閘功能應確保機組能在任何緊急工況下切斷所有風和燃料供應，包括風機、黑液快關閥、重油快關閥等。

在控制邏輯的設計上，應充分考慮:①單一設備元件的故障不應導致強制性的MFT或BT;②邏輯系統故障不應阻止合理的操作員干預;③控制邏輯能夠防止非授權的更改;④機關設備在運行時不可對其邏輯進行修改;⑤系統響應時間盡可能短，防止對應用回路產生不利影響;⑥對干擾影響采取的保護措施應防止產生誤動作;⑦提供診斷功能用于監控處理器的邏輯功能。同時控制系統還應評估各類設備元件的故障模式，對下述故障進行評估并提供解決方案:電源的中斷、漂移、短時波動、恢復、瞬變過程和部分失去;存儲損壞或丟失;輸入和輸出故障;信號不能讀或未讀出;無法處理偏差;處理器故障;繼電器線圈故障;繼電器接點故障;時鐘故障。

為了便于運行人員迅速查找事故發生的原因，FSSS還需要提供MBT和BT以及所有輔機跳閘首出原因 (First Out)的判斷邏輯。

除了對燃燒器控制和管理，FSSS另一個重要的組成部分是燃料的安全系統，即FSS。FSS主要防止由于爐膛內燃料和空氣的混合物產生不安全的工況，必要時切除系統，并避免鍋爐受壓部件過熱。

在實現方法上，FSS可以采用通用型處理部件，也可以采用安全可靠性更高的故障安全型控制器和IO模件。故障安全控制器和I/O模件的價格高，因此在小鍋爐上則采用通用型處理模件構成的FSS系統。在能源過程控制應用中，Metso DNA系統可以根據故障安全型控制器相關的國際標準 (如IEC61508等)設計成安全性控制系統，使DCS系統在冗余的控制器均故障的情況下，還能采取有效措施來確保安全停爐。在這種特殊應用中，由于控制器和I/O模件都是DCS的相同硬件，FSS的安全型控制系統也是DCS系統的一部分，可與DCS實行無縫連接。

本文以某公司1000 t/d堿回收爐為例，介紹使用Metso公司的通用型處理器和I/O模件來實現堿回收爐安全系統的功能和方法。

1 M etso DNA控制系統的硬件設計

1.1 MetsoACN控制器的選用

MetsoACN是 Metso Application and Control Node的簡寫，也就是通常所說的CPU(Central Process U－nit)，是整個控制系統的核心。控制器的穩定運行是整個控制系統正常運行的保證，考慮到堿回收爐安全系統的重要性，選用的MetsoACN控制器為冗余方式。在這套系統中采用Metso公司冗余配置的Metso－ACN C20控制器，不僅功能強大，而且穩定性好，滿足堿回收爐安全性要求。

1.2 I/O的硬件設計

出于對整個系統安全性考慮，在I/O點的布局設計上也是分散的，把相同條件的輸入點分布到不同的DI卡件上，即使有一個DI卡件故障，不會對整個控制系統造成任何影響。假如把同一邏輯條件集中放置在一塊卡件上，只要這塊卡件故障，就會因I/O卡件故障導致整個系統故障停機。把3臺測量汽包水位的液位變送器模擬量信號設計到3塊AI卡件上，這樣即使一塊卡件故障，只會造成一個測量液位變送器的信號丟失。在邏輯條件中采用3個液位變送器測量值的中間值作為控制的輸出或鍋爐主連鎖的條件，即使一個液位信號變為0或最大值，3個液位的輸出取中間值，計算后的液位仍然是正常的，因此不會因一個變送器故障造成系統安全功能的喪失而導致停機。為此對于爐膛壓力信號、圓盤閥的開到位信號等邏輯條件均采用了這種布置方式。

1.3 連鎖輸出控制

設計2套MFT/BT動作回路控制相關設備，一套由控制器邏輯實現 (軟邏輯回路)，接受DCS的DO接點輸出;另一套接受來自主控臺的一對跳閘按鈕的接點輸出，并由繼電器組合邏輯實現 (硬邏輯回路)。其中一對按鈕的兩對干接點兩兩串聯后，分別接至兩只跳閘出口繼電器的跳閘閉合線圈，DCS在不同的開關量輸出卡件上提供兩路獨立的跳閘輸出，輸出接點分別接至兩只跳閘輸出繼電器的跳閘閉合線圈。

1.4 電源供電

為保證系統供電的穩定性，采用兩路獨立的交流電源供電。Metso公司的供電方式是采用兩套“后備式”的UPS給BMS系統供電，當一路電源故障時自動切換到另一路，以保證任何一路電源故障均不會造成系統的任一部分失電。

1.5 現場儀表的選用

對于參與BMS系統的儀表要求比常規儀表的檔次高，一般至少高一檔次 (如果普通儀表選用合資產品，參與BMS系統的儀表就選用進口產品)，并且在同一工藝測點采用多臺儀表統一安裝，同時測量，從硬件上來確保BMS系統運行穩定。

2 M etso DNA系統的網絡結構設計

工業以太網技術是在原有以太網技術的基礎上發展起來的，具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等優勢，由于它支持幾乎所有流行的網絡協議，所以在商業系統中廣泛應用。轉入工業自動化以后，其應用主要是解決管理層、生產指揮層和控制層的任務。由于惡劣的工業環境，使得工業控制網絡比商用網絡提出了更高的可靠性要求，采用工業以太網的冗余技術是當今工業控制的必然選擇。

對于工業以太網的設計，應考慮以下注意事項。

(1)應考慮工業以太網類型必須與已有的控制平臺匹配。由于控制平臺所采用的DCS控制系統是基于Modbus/TCP協議的工業以太網通信模塊，Modbus/TCP工業以太網由于具有簡單、高效的特點，并且在考慮初始投資和充分利用現有資源上有明顯優勢。因此，系統中采用基于 Modbus/TCP協議的10M/100M自適應工業以太網絡。

(2)為保證通信網絡的可靠性，根據現場的實際情況對控制網絡設備要進行合理的冗余。①電源可靠性:為保證網絡設備的電源能正常，所有交換機的電源均采由UPS供電。②設備冗余:配置2臺MOXA 408A系列交換機，同時每臺交換機均采用冗余電源配置，在每臺DCS控制器上設置兩塊通信以太網卡，在每臺監控計算機中均配置2塊以太網卡。③通信介質冗余:采用工業冗余環網協議使得每個設備間的通信均存在冗余通路。通過上述冗余技術最終實現了基于Modbus/TCP協議的雙重冗余環型10M/100M自適應工業以太網網絡。

(3)對于緊急發生的硬件問題，如電源故障和網絡中斷時，最好的辦法就是通過繼電器輸出報警，用于現場進行故障診斷。管理人員使用繼電器輸出來控制I/O啟動故障報警。此外，選用的交換機應該具備高可靠性，支持雙電源輸入，一個用于主電源輸入，另一個作為備份電源 (如電池電源)。當主電源發生故障時，電池可提供足夠的電力保障，讓設計的網關發出報警信號通知管理人員。另一種常見的硬件問題是以太網鏈路中斷。通常由于線纜和連接器的質量，甚至是以太網交換機的問題，都可能會導致網絡中斷。讓設計的網關盡快通知管理員，避免影響整個系統運行。Metso DNA安全系統就是采用雙冗余以太網環形網絡，提高整個系統的穩定性和可維護性，構建后的網絡結構如圖1所示。

從圖1可以看出，通信系統的可靠性通過冗余技術得以保證，若系統其中一個通信通道中設備出現任何的故障，可以迅速切換至另一個通信通道，不會因一塊通信卡故障造成整個系統停機，很好地保障了車間的正常生產。

圖1 Metso DNA安全系統網絡結構圖

3 安全系統邏輯圖的設計

根據工藝方面提供的安全連鎖的邏輯描述、帶控制點的工藝流程圖，嚴格按照安全儀表系統邏輯設計基本原則，設計安全系統的簡易連鎖邏輯圖。要想做好安全系統邏輯圖的設計，必須做到工藝描述、P＆ID圖、儀表清單等資料綜合利用，詳細設計時應注意如下事項:①充分了解工藝要求和工藝原理，仔細研讀工藝方面提供的安全連鎖邏輯描述，參考其他類似工程項目的資料，結合自己實際的工作經驗，完成邏輯圖設計的基礎性工作;②充分利用帶控制點的P＆ID圖，了解整個工藝的前后因果關系。P＆ID圖本身就是一套很好的參考資料，各個控制點、設備的大體位置、管道的走向及相互之間的關系都在圖紙上標注的比較清楚，有助于對整個控制流程的理解和邏輯的設計;③整理出詳細的設備和儀表回路清單，仔細核對每一個回路，確保邏輯設計的順利進行。在進行儀表邏輯設計時，重要的就是整理出所有設備和回路清單，然后根據PI圖核對設備和控制點，將每個設備及回路的相關控制點在清單中按設備和回路標識清楚，控制點清單與PI圖不符的地方、控制點分配不合理的地方、根據以往工程經驗及廠家資料應有的但測點清單中沒有的點，都應該及時向設計院或工藝負責人反映，將問題及時消除。④邏輯圖是一種嚴格的工程語言，是編寫控制程序的依據。一定要本著嚴謹的態度，測點名、測點描述及控制關系連線應根據工藝要求嚴格標注，嚴禁重復或缺失。

圖2 堿回收爐儀表系統主連鎖邏輯圖

在具體制作詳細的邏輯圖時，還需注意:①輸入邏輯信號:安全儀表系統的輸入信號大部分為開關量信號，當檢測元件故障時，其輸出的連鎖保護臨界條件的開關量信號應是可變化的，甚至與檢測到連鎖保護臨界條件成立時的輸出信號一致，這樣就會減少隱性故障的存在。顯然，常開觸點 (NO)是很難做到這一點的，檢測元件的常閉 (NC)輸出信號便成了安全儀表系統的首選輸入信號。一般情況下，按下列原則設計:安全臨界檢測元件的開關量輸出信號為常閉 (NC)信號;緊急停車按鈕應為常閉 (NC)輸入信號;檢測元件的屏蔽、維護按鈕為常開 (NO)信號;連鎖保護復位按鈕為常開(NO)信號。②邏輯輸出信號:安全系統的輸出至執行元件 (電磁閥或電氣設備)之間的環節盡可能少。為了提高輸出開關量觸點的容量，或為了實現與電氣設備的隔離，習慣做法是在安全系統輸出卡件后加繼電器等，需要明確的是在安全系統輸出卡件滿足要求的情況下，應盡可能減少中間環節。如果執行元件為電磁閥，安全儀表系統輸出至電磁閥的開關量信號一般應為常閉 (NC)信號，使得電磁閥處于常帶電 (勵磁)狀態，保證故障時電磁閥失電 (非勵磁)，相應安全保護動作執行，使受控設備處于安全狀態。邏輯設計時輸入輸出信號常開、常閉的選擇應以減少故障、特別是減少隱性故障到最小為原則，應根據具體情況做出安全分析，合理確定輸入輸出的邏輯信號類型，不應一概而論。③安全系統邏輯設計:合理使用冗余檢測元件的運算邏輯，如檢測元件三重冗余配置的“3取2”、檢測元件二重冗余配置的“2取l”或“2取2”等邏輯形式，以滿足所要求的可靠性和可用性。根據以上注意事項，以堿回收爐主連鎖為例編寫的邏輯圖如圖2所示。

4 M etso DNA系統軟件設計

完成儀表系統連鎖邏輯設計后，就需要根據連鎖邏輯圖編寫相應的控制程序，把這些邏輯圖轉換為能被Metso DNA系統識別并發出控制指令的控制程序。以堿回收爐儀表系統主連鎖邏輯圖為例，簡單描述Metso DNA控制程序的編寫過程。首先打開DNAExplorer編程軟件，新建一個變量名42M－INTER1并雙擊打開，開始編寫控制程序的條件程序，因堿回收爐主連鎖的條件很多，只能以一次風流量為例介紹一下編程方法，從現場硬接線過來的流量信號經A/D、D/A轉換DCS定標后，如果數值小于4，就會在DCS畫面上顯示報警，同時觸發一脈沖信號經接口P30到主連鎖程序中，主連鎖程序判斷這個條件，執行下一步的控制程序，編寫后的一次風流量的條件程序如圖3所示。依次編寫完所有的條件程序后，就可以把所有的條件組合在一起編寫堿回收爐主連鎖的控制程序，編寫后的控制程序如圖4所示。完成所有編程后，需要對所編輯的程序執行一次“check”命令，正確無誤后，方可“download”到ACN中程序才能執行。為方便操作人員隨時監控現場設備的運行狀況，需要使用Metso DNA的DNAUse軟件編寫上位機監控畫面，編程方法和其他DCS系統基本一致，這里就不再一一贅述，編寫后的堿回收爐主連鎖監控畫面如圖5所示。

5 結論

圖3 Metso DNA堿回收爐主連鎖一次風流量條件控制程序圖

圖4 Metso DNA堿回收爐主連鎖控制程序圖

圖5 Metso DNA堿回收爐主連鎖監控畫面圖

堿回收爐爐膛安全監控系統 (FSSS)是堿回收爐安全運行必須配置的控制系統，是堿回收爐安全運行的保證，這套系統自2009年投入使用以來，運行穩定，無誤動作，沒有因系統問題造成停機、停產，很好地保證了車間的開機臺時，穩定了生產。

［1］ Song Xiaoning.Design Of Safety Instrument For Hydrogenated Unit［J］.PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION，2008，29 (11):64.

宋小寧.加氫裝置安全儀表系統設計［J］.自動化儀表，2008，29(11):64.

［2］ Ren Weibing.Application of DCSSystem in Furnace Safety Protection［C］.The Sixth Session of National Computer Application of Joint Symposium，2002.

任衛兵.DCS系統在鍋爐爐膛安全保護中的應用［C］.第六屆全國計算機應用聯合學術會議論文集，2002.

［3］ XU Hai－lan，CUIHuan－xin.Application of SRS Safety Related System in Large－Scale Recovery Boiler［J］.China Pulp＆Paper，2012，31(3):42.

許海藍，崔煥新.SRS安全控制系統在大型進口堿回收爐上的應用［J］.中國造紙，2012，31(3):42.

［4］ Zhang Huasha.Engineering Design of Safety Instrument System［J］.Automation in Petro－chemical Industry，2003(4):3.

張華莎.安全儀表系統邏輯設計淺談［J］.石油化工自動化，2 0 0 3(4):3.

Application of M etso DNA in Alkali Recovery Boiler Security System

XU Feng
(Shandong Sunpaper Industry Joint Stock Co.，Ltd.，Yanzhou，Shandong Province，272100)
(E－mail:sunpaper2005@163.com)

In accordance with the characteristics of security system FSSS in alkali recovery boiler，The application of Metso DNA system in the alkali recovery boiler in a company including logic design，network structure，software and hardware design of control loop was described in detail.The field operation indicated that the system featured stable operation，high reliability，easymaintenance and enhanced operationalefficiency of equipment.

alkali recovery boiler;metso DNA;FSSS;design

徐 峰先生，工程師;主要負責制漿堿回收項目DCS系統的安裝、調試和維護工作。

TS733+.9

A

0254－508X(2014)03－0051－05

2013－10－10(修改稿)