HIMA 系列ESD系統(tǒng)在西氣東輸中衛(wèi)壓氣站的應(yīng)用分析

曹永樂 劉海靜(中國石油西氣東輸管道公司， 上海 200000)

HIMA 系列ESD系統(tǒng)在西氣東輸中衛(wèi)壓氣站的應(yīng)用分析

曹永樂 劉海靜(中國石油西氣東輸管道公司， 上海 200000)

HIMA公司系列產(chǎn)品在安全控制領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，西氣東輸中衛(wèi)壓氣站西一線使用HIMA F30系列控制器作為ESD系統(tǒng)，其高可靠性和高安全性保障中衛(wèi)壓氣站安全平穩(wěn)高效運(yùn)行已十幾年，基于HIMA系統(tǒng)在中衛(wèi)壓氣站的應(yīng)用，詳細(xì)闡述了HIMA系統(tǒng)架構(gòu)、軟硬件組成、數(shù)據(jù)通訊過程以及系統(tǒng)運(yùn)行操作，并對生產(chǎn)運(yùn)行中存在的問題進(jìn)行分析，最后進(jìn)行總結(jié)，HIMA系統(tǒng)在安全控制領(lǐng)域具有一定優(yōu)勢。

西氣東輸；中衛(wèi)壓氣站；SCADA系統(tǒng)；HIMA；ESD系統(tǒng)

0 引言

德國HIMA公司的HIMatrix系列自動化控制產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域很廣，在鋼鐵、電力、制藥、煉油、化工、石油、海上油氣開采、天然氣管道等都有涉及，被廣泛用作緊急停車系統(tǒng)(ESD)、火氣保護(hù)系統(tǒng)(F&G)、高壓保護(hù)系統(tǒng)(HIPPS)、燃燒爐控制系統(tǒng)(BMS)、油氣長輸管道監(jiān)測(SCADA)等，屬于故障安全型系統(tǒng)，即當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)隨機(jī)的、公共的故障，或者系統(tǒng)自身出現(xiàn)故障時，該系統(tǒng)不會出現(xiàn)安全功能的喪失或誤動作，也不會引發(fā)人員傷亡、物料泄露以致污染環(huán)境、損壞設(shè)備的情況發(fā)生，在安全控制領(lǐng)域中居于引導(dǎo)地位[1]。

1 中衛(wèi)壓氣站HIMA系統(tǒng)架構(gòu)

西氣東輸一線、冀寧線、淮武線、江都-如東線等多數(shù)管線站場中均選用HIMA系列控制器作為ESD系統(tǒng)，包括F30和F60兩種系統(tǒng)，用于聯(lián)鎖保護(hù)和緊急停站邏輯控制。中衛(wèi)壓氣站有西一線、西二線、西三線、中貴線四條管線經(jīng)過，設(shè)有四套獨(dú)立ESD系統(tǒng)，各ESD系統(tǒng)之間即可單獨(dú)運(yùn)行，又可同時聯(lián)鎖運(yùn)行，其中西一線ESD系統(tǒng)選用的是HIMA F30控制器，遠(yuǎn)程I/O模塊型號為F3 DIO 20/8 01，控制器與遠(yuǎn)程I/O間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)傳輸。 HIMA系統(tǒng)供電方式為24V直流電源，ESD機(jī)柜單獨(dú)設(shè)置UPS蓄電池，僅為HIMA ESD系統(tǒng)供電，保證外電及站控UPS掉電后，ESD系統(tǒng)能夠持續(xù)供電運(yùn)行30分鐘以上。

2 HIMA ESD系統(tǒng)硬件

圖1 中衛(wèi)壓氣站HIMA ESD 系統(tǒng)架構(gòu)

從外觀上看，F(xiàn)30控制器有4個10/100Base T以太網(wǎng)口，HIMatrix F3 DIO 20/8 01遠(yuǎn)程I/O模塊有2個10/100Base T以太網(wǎng)口，它們具備同樣的功能，接口方式為RJ45，支持安全以太網(wǎng)和OPC-SERVER協(xié)議，通過該以太網(wǎng)口可以對F30 系統(tǒng)進(jìn)行編程和測試，F(xiàn)30控制器和每個遠(yuǎn)程I/O模塊各只有一個IP地址，可以通過軟件對其IP地址和System ID(SRS)進(jìn)行更改。

此外，F(xiàn)30控制器還有3個FB(Fieldbus)串口(FB1、FB2 和FB3)，用于現(xiàn)場總線通信，為9針D型連接頭。其中FB3口(支持RS485)使用前需向廠家申請授權(quán)；而FB1和FB2口為可選，這兩口使用前需要返廠增加硬件插件，并且還需要向廠家申請授權(quán)才可使用，目前中衛(wèi)壓氣站僅使用到FB3口。

F3 DIO 20/8 01遠(yuǎn)程I/O模塊與F30控制器模塊類似，具有多主機(jī)通訊能力，能與多個HIMatrix控制器同時通訊。在硬件I/O通道上，兩者都具有8個數(shù)字量輸出通道和20個數(shù)字量輸入通道，用于數(shù)據(jù)采集和控制現(xiàn)場設(shè)備[2]。

(1)數(shù)字量輸入(安全相關(guān))。每個數(shù)字量輸入對應(yīng)一個狀態(tài)指示燈，當(dāng)有輸入時指示燈亮黃色。 DI通道輸入高電平為15V-30VDC，電流≥2mA@15VDC，輸入低電平最高為5VDC，電流最大為1．5mA(1mA@5V)，支持無源信號和有源信號兩種接線方式，中衛(wèi)壓氣站接線方式屬無源接法，見圖2。

(2)數(shù)字量輸出(安全相關(guān))。每個數(shù)字量輸出同樣對應(yīng)一個狀態(tài)指示燈，有輸出時指示燈為黃色。通道輸出電壓約≥(L+)減去2V；在環(huán)境溫度高達(dá)50℃時，第4通道和第8通道支持最大2A的負(fù)載；在環(huán)境溫度高達(dá)60℃時，第4通道和第8通道支持最大1A的負(fù)載，其它6個通道支持最大0．5A的負(fù)載。如果出現(xiàn)過載，一個或所有輸出將被切斷，當(dāng)過載被移除后，輸出將自動重新接通，另外，短路可被檢測到。

圖2 無源信號

3 HIMA ESD系統(tǒng)軟件

對HIMatrix ESD系統(tǒng)進(jìn)行編程調(diào)試，使用私有編程軟件ELOP II Factory，該軟件受HIMA硬件狗(Hardlock)保護(hù)，沒有硬件狗將無法啟動軟件。西氣東輸目前使用的是支持USB口的硬件狗，啟動ELOP II Factory軟件前，還需要先安裝好硬件狗驅(qū)動，再將HIMA硬件狗插到電腦的USB口，然后運(yùn)行ELOP II Factory軟件，進(jìn)入HIMA的編程環(huán)境。

ELOP II Factory包 含 兩 個 窗 口：①Project Management(工程管理)：用來創(chuàng)建所有用戶程序，以及歸檔和恢復(fù)工程，具有符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的多種基本功能塊供選擇；提供在線測試Online-Test功能，用來監(jiān)視當(dāng)前應(yīng)用程序在運(yùn)行時，邏輯中所有變量和信號的值。②Hardware Management(硬件管理)：用來定義所有明確的硬件數(shù)據(jù)以及建立通訊連接。Hardware Management只在一個工程創(chuàng)建或打開后才出現(xiàn)。

對系統(tǒng)的應(yīng)用程序進(jìn)行修改時，支持在線下裝功能，根據(jù)IEC61508的要求，當(dāng)應(yīng)用程序被修改并且編譯下裝之后，為保證重新編譯后的應(yīng)用軟件的可靠性，必須對整個系統(tǒng)進(jìn)行100%的回路測試，利用ELOP II Factory的反向編譯功能，可以確保編譯過程100%的正確，由于軟件不支持程序上載功能，程序備份就顯得尤為重要，但也一定程度上確保了系統(tǒng)的安全性[3]。

4 HIMA ESD系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊

HIMatrix控制器擁有Modbus、profibus、OPC等不同通訊方式，使HIMA系統(tǒng)成為完全開放式的自動化系統(tǒng)。中衛(wèi)壓氣站SCADA系統(tǒng)中與HIMA進(jìn)行通訊的設(shè)備僅為Modicon Quantum PLC，使用基于主從模式的Modbus RTU通訊協(xié)議，接口類型為RS485接口，PLC做Modbus Master(主)，HIMA做Modbus Slave(從)，既有數(shù)據(jù)從HIMA傳送到PLC，也有數(shù)據(jù)從PLC傳送到HIMA。在 HIMA與PLC通信功能中，首先判斷 HIMA 遠(yuǎn)程 IO 模塊通信是否正常，如果不正常，那么HIMA將不會傳送數(shù)據(jù)至PLC系統(tǒng)，ESD觸發(fā)邏輯中也有對通信狀態(tài)的判斷。

遠(yuǎn)程IO模塊與F30控制器之間的通信為Peer to Peer(點(diǎn)對點(diǎn)通信)，通過采集通信狀態(tài)變量，評估模塊的通信狀態(tài)。I/O通道數(shù)據(jù)主要包括：①關(guān)鍵閥門狀態(tài)及命令，如進(jìn)出站閥、越站閥、ESD放空閥；②重要報警狀態(tài)，如壓縮機(jī)廠房火焰探測器、可燃?xì)怏w探測器；③壓縮機(jī)緊急停機(jī)命令[4]。

5 HIMA ESD系統(tǒng)操作

5.1 ESD系統(tǒng)投用

①確認(rèn)站場所有的ESD按鈕在正常位置，站控HMI 無中心ESD命令報警；②ESD系統(tǒng)啟動前需要檢查模板電源線、網(wǎng)線連接狀態(tài)，保證系統(tǒng)連接正常；③ESD系統(tǒng)投用前，應(yīng)將所有的DO輸出回路斷開；④將ESD模板的供電斷路器閉合，確認(rèn)模板指示燈、IO通道指示燈狀態(tài)正常，再將DO輸出回路閉合。

5.2 ESD 控制系統(tǒng)停用

①確認(rèn)無DO輸出命令，斷開ESD系統(tǒng)斷路器；②若有DO常輸出命令，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行隔離或旁路后，斷開供電斷路器，確保現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行正常。

5.3 ESD 觸發(fā)條件

①ESD按鈕按下，包括西一線單站ESD按鈕和全站ESD按鈕；②中心ESD命令，包括西一線單站ESD命令和全站ESD命令；③壓縮機(jī)廠房火焰探測器2個及以上同時報警；④壓縮機(jī)廠房可燃?xì)怏w探測器2個及以上同時高高報警，觸發(fā)機(jī)組ESD動作。

5.4 ESD執(zhí)行過程

①關(guān)閉進(jìn)出站閥門，同時打開越站閥門；②緊急停運(yùn)壓縮機(jī)組；③進(jìn)出站閥門全部關(guān)閉到位后，打開ESD放空閥；④放空閥全部開到位后，ESD執(zhí)行過程完畢。

5.5 ESD恢復(fù)

①硬件復(fù)位：當(dāng)ESD動作執(zhí)行完成后，對被按下的ESD按鈕旋出進(jìn)行復(fù)位；②軟件復(fù)位：在HMI操作員工作站點(diǎn)擊“站控綜合復(fù)位”命令，或接受到中心復(fù)位命令，確認(rèn)站控HMI無ESD報警。

5.6 ESD控制系統(tǒng)屏蔽

①當(dāng)需要ESD控制系統(tǒng)全部功能臨時失效時，在站控機(jī)上點(diǎn)擊“ESD休眠”命令；②斷開F30控制器及F3遠(yuǎn)程I/O模塊輸出端子(無常輸出命令)，確保系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備隔離；③恢復(fù)ESD屏蔽時，在站控機(jī)上點(diǎn)擊“ESD休眠復(fù)位”命令，閉合DO輸出端子。

6 HIMA ESD系統(tǒng)運(yùn)行存在問題

①中衛(wèi)壓氣站HIMA ESD系統(tǒng)為單機(jī)運(yùn)行，無熱備冗余功能，若HIMA任一設(shè)備及環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，ESD系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)，存在一定運(yùn)行風(fēng)險及隱患；②HIMA系統(tǒng)時鐘無自動校時功能，而根據(jù)目前運(yùn)行情況來看，HIMA F30控制器及F3 DIO 20/8 01遠(yuǎn)程I/O模塊時鐘與服務(wù)器偏差在3分鐘/年以上，使得HIMatrix模塊診斷日志的記錄時間精確度受影響，不便于故障排查和事故事件調(diào)查。③HIMA ESD系統(tǒng)由UPS蓄電池單路供電，外電與UPS串聯(lián)，供電方式單一，存在較大風(fēng)險，并且給系統(tǒng)日常維護(hù)及蓄電池檢查帶來困難。

7 結(jié)語

中衛(wèi)壓氣站HIMA ESD系統(tǒng)從投運(yùn)近十幾年來看，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，故障率極低，未發(fā)生過由于設(shè)備本體原因?qū)е碌氖鹿适录行ПＵ狭酥行l(wèi)壓氣站生產(chǎn)安全平穩(wěn)，通過定期進(jìn)行ESD測試，進(jìn)一步提升了HIMA ESD系統(tǒng)的可靠性，從西氣東輸沿線HIMA系統(tǒng)運(yùn)行情況分析，HIMA F30控制系統(tǒng)完好率始終處于各控制系統(tǒng)前列，對于降低運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)效益起到一定作用，總而言之，HIMA ESD系統(tǒng)的高可靠性高安全性已得到一致認(rèn)可，在安全控制領(lǐng)域具有一定優(yōu)勢[5]。

[1]邱春,閆乃萍.HIMA ESD在高壓聚乙烯裝置中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表,2012,39(10):1371-1372.

[2]彭太種,王海峰,王多才,等.關(guān)于西氣東輸ESD系統(tǒng)報錯的探討和可行性優(yōu)化建議[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2011,24(11):28-30.

[3]何貫亞.HIMA安全儀表系統(tǒng)在45萬噸/年醋酸乙烯裝置中的應(yīng)用[J].廣州化工,2013,41(23):135-137.

[4]劉天虎,王海群,徐峰,等.西門子 PLC 與 HIMA H41Q 的Modbus RTU 冗余通信[J].化工自動化及儀表,2015,42(10):1150-1155.

[5]劉新光.黑馬HIMAX系統(tǒng)在汽油脫硫裝置的應(yīng)用[J].煉油與化工,2015,(4):44-45,46.

HIMA products are widely used in the field of safety control.HIMA F30 controller is used as the ESD system in the west-east gas pipeline zhongwei compressor station.Zhongwei compressor station has been running smoothly and efficiently more than and 10 years because of its high reliability and high security.Based on this,this paper describes the HIMA system architecture,hardware and software composition,data communication process and system operation. Then analyzing some problems in the production operation.Last,the paper points out the HIMA system has some advantages in the field of safety control.

west-east gas pipeline; zhongwei compressor station; SCADA system; HIMA; ESD system;

曹永樂，男，助理工程師。2008年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，獲學(xué)士學(xué)位。現(xiàn)在中國石油西氣東輸管道公司銀川管理處中衛(wèi)壓氣站，任儀表自動化專業(yè)。