國(guó)產(chǎn)安全儀表系統(tǒng)在聚酯裝置中的應(yīng)用

霍再雄

(中石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 211400)

根據(jù)原中國(guó)國(guó)家安全監(jiān)管總局2009年下發(fā)的116號(hào)文件“國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于公布首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝目錄的通知”，聚酯生產(chǎn)工藝被列為首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝之一。根據(jù)原國(guó)家安監(jiān)總局2014年下發(fā)的116號(hào)文件“國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見(jiàn)”，為了加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)(SIS)管理，某單位在役聚酯裝置增設(shè)獨(dú)立于DCS的SIS，在原有的安全聯(lián)鎖功能基礎(chǔ)上，為風(fēng)險(xiǎn)較高的工藝過(guò)程增設(shè)監(jiān)測(cè)和聯(lián)鎖保護(hù)，在獨(dú)立的SIS中完成。該系統(tǒng)可大幅降低裝置發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)和后果的嚴(yán)重程度，使裝置得到更好的安全聯(lián)鎖保護(hù)[1]，并使裝置達(dá)到國(guó)家對(duì)危險(xiǎn)化工工藝監(jiān)管的相關(guān)規(guī)定要求。

針對(duì)聚酯裝置中風(fēng)險(xiǎn)較高的工藝流程，安裝新的測(cè)量?jī)x表，將信號(hào)送入SIS進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)在原有聯(lián)鎖回路氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣路中增加電磁閥，并將電磁閥接入SIS，當(dāng)工藝參數(shù)達(dá)到聯(lián)鎖值時(shí)，如DCS聯(lián)鎖回路失效，此時(shí)SIS聯(lián)鎖電磁閥關(guān)閉，從而切斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣路，執(zhí)行機(jī)構(gòu)切換到故障安全狀態(tài)，最終讓工藝參數(shù)回歸到安全狀態(tài)。

以乙二醇蒸發(fā)器為例，使用液相高溫導(dǎo)熱油氫化三聯(lián)苯加熱乙二醇使其氣化，該過(guò)程存在溫度聯(lián)鎖回路失效時(shí)導(dǎo)致蒸發(fā)器超壓的安全風(fēng)險(xiǎn)。該項(xiàng)目在乙二醇蒸發(fā)器上增設(shè)了壓力變送器，在現(xiàn)有的溫度控制閥的定位器和模頭之間增設(shè)電磁閥，當(dāng)設(shè)備壓力高高報(bào)警時(shí)通過(guò)SIS聯(lián)鎖電磁閥關(guān)閉對(duì)應(yīng)的一次溫度控制閥。

1 國(guó)產(chǎn)SIS簡(jiǎn)介

1.1 概 述

HiaGuard是和利時(shí)集團(tuán)公司針對(duì)流程工業(yè)而開(kāi)發(fā)的安全儀表系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)了TüV Rheinland Industrie Service GmbH認(rèn)證[2]，滿足IEC 61508[3]/IEC 61511[4]中定義的SC3系統(tǒng)能力等級(jí)和SIL3安全完整性等級(jí)[5]要求。對(duì)照IEC 61508/IEC 61511/IEC 50156-1中要求，HiaGuard系統(tǒng)可用于要求安全完整性等級(jí)不高于SIL3的安全相關(guān)應(yīng)用。

1.2 系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由工程師站、操作員站、系統(tǒng)歷史站、通信控制器及網(wǎng)絡(luò)等組成，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)安全功能，能確保獨(dú)立單元或裝置具有一定的安全度。每個(gè)采集站內(nèi)的主控模塊和各I/O模塊通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)連接，各控制站、歷史站、通信模塊、工程師站和操作員站等通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)成完整的安全儀表系統(tǒng)。HiaGuard系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)安全回路數(shù)據(jù)流[6-8]如圖2所示。

圖1 HiaGuard系統(tǒng)架構(gòu)示意

圖2 系統(tǒng)安全回路數(shù)據(jù)流示意

1.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

綜合HiaGuard系統(tǒng)原理、技術(shù)性能及安全性等，其特點(diǎn)[9]如下：

1)完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

2)安全相關(guān)部分和非安全相關(guān)部分采用物理隔離。

3)完全的三重化架構(gòu)。

4)多層表決機(jī)制可確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕⑶铱杀ＷC故障的精確定位。

5)傳統(tǒng)“2oo3”表決中的診斷功能不能直接參與控制輸出導(dǎo)向安全，帶診斷的“2oo3”表決可在診斷到嚴(yán)重危險(xiǎn)故障時(shí)直接導(dǎo)向安全。

6)采用大量的診斷措施，部分高于SIL3要求。

7)通道級(jí)的失效僅會(huì)導(dǎo)致失效通道的降級(jí)運(yùn)行，但不會(huì)影響其他通道；單個(gè)模塊最多可容忍32個(gè)通道級(jí)故障。

8)為了避免線路故障導(dǎo)致的危險(xiǎn)失效，設(shè)計(jì)了豐富的線路監(jiān)測(cè)功能。

9)支持與HollySys MACS系統(tǒng)的無(wú)縫集成，共用HMI界面，支持通過(guò)Modbus與第三方的基本過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成。

10)易于安裝維護(hù)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 主要設(shè)計(jì)原則

該SIS主要的設(shè)計(jì)原則[9]包括以下幾個(gè)方面：

1)SIS和DCS的儀表信號(hào)從現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)始就完全分開(kāi)，安全儀表與監(jiān)控儀表不共用。新增的測(cè)量?jī)x表利用原有就地顯示儀表的安裝接口安裝或?qū)⒐艿啦鹱吆箝_(kāi)孔安裝后再回裝等辦法，避免現(xiàn)場(chǎng)高安全風(fēng)險(xiǎn)的在線開(kāi)孔安裝。電磁閥安裝時(shí)利用工具將控制閥開(kāi)度固定后割開(kāi)氣源管安裝實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)的“零擾動(dòng)”。

圖3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

2)與SIS有關(guān)的儀表由SIS機(jī)柜供電，使SIS相關(guān)儀表系統(tǒng)的供電相對(duì)集中獨(dú)立。

3)SIS不與DCS之間進(jìn)行通信，不與辦公網(wǎng)絡(luò)連接，有效降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

4)SIS通過(guò)時(shí)鐘同步服務(wù)器與DCS進(jìn)行時(shí)鐘同步，解決了2套系統(tǒng)時(shí)鐘不一致的問(wèn)題。

5)原DCS所具有的軟聯(lián)鎖和硬聯(lián)鎖均保持不變，實(shí)現(xiàn)了DCS與SIS的“雙保險(xiǎn)”。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從經(jīng)費(fèi)角度考慮，該公司3個(gè)聚酯單元共用1套SIS，系統(tǒng)配置2臺(tái)操作站，其中1臺(tái)兼工程師站，1個(gè)系統(tǒng)柜，1個(gè)擴(kuò)展柜，系統(tǒng)網(wǎng)采用冗余工業(yè)高速以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 軟 件

HighGuard系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示，核心為控制站主控系統(tǒng)軟件Safe-AutoThink，該軟件是基于Windows平臺(tái)的編程工具，主要用于控制器算法編程，是聯(lián)鎖邏輯方案的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是硬件配置和軟件編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包。

圖4 HighGuard系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意

3.3 控制方案

3.3.1輔操臺(tái)設(shè)計(jì)

輔操臺(tái)設(shè)有3個(gè)急停按鈕，依次為A單元、B單元、C單元急停按鈕。按鈕設(shè)有防護(hù)罩，按下按鈕將會(huì)使SIS中對(duì)應(yīng)單元的所有閥門恢復(fù)到安全狀態(tài)。按鈕按下后不會(huì)自動(dòng)復(fù)位，需按照按鈕上所標(biāo)的方向(順時(shí)針)旋轉(zhuǎn)才會(huì)復(fù)位。輔操臺(tái)設(shè)有1個(gè)蜂鳴器，在系統(tǒng)有聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)發(fā)出聲響。輔操臺(tái)還設(shè)有聯(lián)鎖指示燈、報(bào)警指示燈、正常指示燈、聯(lián)鎖解除總開(kāi)關(guān)、試燈按鈕、報(bào)警確認(rèn)按鈕。其中： 聯(lián)鎖解除總開(kāi)關(guān)，旋到“允許”位置時(shí)，流程中單個(gè)聯(lián)鎖回路才能解除聯(lián)鎖；試燈按鈕用于測(cè)試聯(lián)鎖指示燈、報(bào)警指示燈、正常指示燈及蜂鳴器是否正常，防止故障時(shí)不亮或不響誤導(dǎo)操作人員造成生產(chǎn)事故。輔操臺(tái)還設(shè)有報(bào)警確認(rèn)按鈕，用于確認(rèn)報(bào)警。

3.3.2主要模塊設(shè)計(jì)

1)過(guò)程監(jiān)視模塊。該系統(tǒng)為每個(gè)聚酯單元繪制1幅流程圖，用于顯示邏輯控制及工藝參數(shù)等，是主要的監(jiān)控畫面。流程圖上方報(bào)警欄顯示當(dāng)前報(bào)警，可同時(shí)顯示3個(gè)報(bào)警，操作員及以上權(quán)限雙擊報(bào)警欄對(duì)應(yīng)報(bào)警可確認(rèn)報(bào)警。流程圖中還設(shè)置了1個(gè)報(bào)警確認(rèn)按鈕及試燈按鈕，功能與輔操臺(tái)對(duì)應(yīng)按鈕一樣，在輔操臺(tái)對(duì)應(yīng)按鈕故障時(shí)可以通過(guò)點(diǎn)擊流程圖上對(duì)應(yīng)按鈕代替使用。流程圖中還設(shè)有聯(lián)鎖投切允許總開(kāi)關(guān)的狀態(tài)顯示，當(dāng)測(cè)量值達(dá)到聯(lián)鎖值(聯(lián)鎖投切開(kāi)關(guān)閉合，即投入)與操作臺(tái)急停按鈕按下兩個(gè)條件至少一個(gè)滿足時(shí)觸發(fā)聯(lián)鎖，聯(lián)鎖條件恢復(fù)正常后需點(diǎn)擊“軟復(fù)位”按鈕才能復(fù)位。流程中還設(shè)有單個(gè)回路的“軟急停”按鈕實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)情況下手動(dòng)緊急停車。

2)趨勢(shì)模塊。用于查看檢測(cè)點(diǎn)的走勢(shì)信息，便于用戶從時(shí)間縱向角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。1個(gè)趨勢(shì)頁(yè)面最多可以顯示8個(gè)檢測(cè)點(diǎn)趨勢(shì)，方便用戶做出測(cè)點(diǎn)信息的比較和分析。趨勢(shì)顯示有曲線和數(shù)字兩種方式，稱為“趨勢(shì)曲線顯示”和“趨勢(shì)數(shù)值顯示”，缺省為趨勢(shì)曲線顯示。

用戶可以自定義趨勢(shì)組，每個(gè)趨勢(shì)組可以同時(shí)包括模擬量和開(kāi)關(guān)量。趨勢(shì)曲線畫面總是保持最近的一部分歷史數(shù)據(jù)，并跟蹤顯示檢測(cè)點(diǎn)的當(dāng)前值和狀態(tài)，當(dāng)畫面填滿時(shí)，已顯示的曲線平移后繼續(xù)跟蹤，時(shí)間刻度和日期隨之改變。通過(guò)翻頁(yè)操作可查看測(cè)點(diǎn)在歷史站保存的與當(dāng)前使用數(shù)據(jù)庫(kù)版本一致的歷史庫(kù)中的點(diǎn)值。

3)事件順序記錄SOE模塊。SOE以ms級(jí)的分辨率記錄中斷型開(kāi)關(guān)量的變位信息，以便分辨事故的起始發(fā)生位置，并記錄事故發(fā)生后相關(guān)聯(lián)事件發(fā)生的先后順序。SOE記錄的主要內(nèi)容包括事件發(fā)生的時(shí)間、類型、位置等。在Safe-AutoThink軟件中，只有定義了具有SOE屬性即開(kāi)關(guān)量點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)SOE功能，對(duì)具有SOE屬性的幵關(guān)量點(diǎn)稱為SOE報(bào)警變量。根據(jù)開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)來(lái)源的不同將SOE報(bào)警變量劃分為測(cè)點(diǎn)變量和簡(jiǎn)單變量?jī)煞N類型。

4 結(jié)束語(yǔ)

該聚酯裝置國(guó)產(chǎn)化SIS已于2018年年底投入運(yùn)行，在行業(yè)內(nèi)具有較大的示范作用，系統(tǒng)的安裝實(shí)現(xiàn)了不停車實(shí)施安裝的先例。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，事實(shí)證明該SIS選型得當(dāng)，設(shè)計(jì)合理，國(guó)產(chǎn)SIS技術(shù)成熟，安全可靠，為裝置安全穩(wěn)定生產(chǎn)提供了有力的保障。