ESD的事件順序記錄在大型合成氨尿素項目中的應用

付榮申

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

國外某大型合成氨尿素項目主裝置為0.67 Mt/a合成氨和1.07 Mt/a尿素，并配套有熱電站、生產水系統、氨罐、包裝儲運等輔助裝置，屬于大型化工項目，聯鎖保護系統較為復雜。根據危險與可操作性分析方法(HAZOP)和安全完整性等級(SIL)的定級報告，該項目中部分聯鎖回路被確定為SIL2及以上等級，因此這部分回路的安全聯鎖需要在緊急停車系統(ESD)中完成[1-2]。本文結合事件順序記錄(SER)在該大型合成氨尿素項目ESD中的實際應用，對SER的概念、變量篩選、變量分組以及時鐘同步等問題進行了研究，希望為類似項目的設計提供參考。

1 緊急停車系統

根據該項目的特點，結合ESD負荷計算[3-4]，在合成氨裝置、尿素裝置和熱電站分別設計了獨立的ESD，即該項目共采用3套獨立的ESD，3套系統間通過冗余的工業以太網進行連接，既可以單獨運行，又可以聯網運行；其中合成氨ESD完成合成氨主裝置和氨罐的ESD聯鎖，尿素ESD和熱電站ESD則各自完成其裝置內的ESD聯鎖。ESD整體結構如圖1所示。

圖1 國外某合成氨尿素項目ESD結構示意

2 事件順序記錄

3套ESD分別配置有單獨的SER站，并配套專用的SER軟件，用于記錄故障停車發生的時間和類型[5]。SER的目的是幫助分析事件的發生順序，特別是停車事故的分析。通常SER能以毫秒級的分辨率獲取事件信息，能非常精確地反映事件情況，為事故分析提供有力的證據。

SER是一種帶同步時間戳的開關量事件，即SER模塊不僅需要采集開關量的狀態，還要同步記錄開關量狀態變位發生的時刻；并把采集到的開關量狀態和變位發生的時刻一并發送給主控制器處理后，再保存于ESD的SER站中。通常SER模塊僅能記錄某分鐘內的毫秒值，待上報控制器后，由控制器將毫秒值與本地事件合成，得到準確的事件。

2.1 SER分辨率

SER的輸入輸出變量全部為開關量信號，它以高分辨率分辨各個信號狀態變化的先后次序，幫助在事故情況下分辨故障的原因并找出首發故障[6]。開關量事件分辨率是指以2個連續的變位信號接入同一個開關量通道時，IO采集模塊對變位信號的最小濾波時間。

為了獲得毫秒級的分辨率，SER配有專用的硬件支持，以滿足相關標準的要求，不同標準下的SER分辨率見表1所列。

表1 不同標準下的SER分辨率[7]

2.2 變量的篩選

SER站的輸入輸出變量全部為開關量信號，但并不是所有的ESD變量都有作為SER變量的必要。在SER組態的先期，應合理地篩選SER變量，使其數量精簡，從而可減少系統的運行負荷，提高SER的響應速度。

該項目ESD的輸入輸出變量共計490多個，其中篩選了289個作為SER變量，包括聯鎖的觸發條件變量、聯鎖的輸出動作變量、與其他系統往來的硬接線變量等，保證了SER查找事故的必要數據；而時間計時器、通道狀態、開車條件、到DCS的指示報警變量、去輔助操作臺的報警燈等，均未加入SER變量中，方便了用戶的使用。

2.3 變量分組

設置SER變量分組主要是為了幫助快速查詢事件產生的原因、執行動作的先后順序等，但以上查詢不是同時用到。如查詢某個事件產生的原因，只需查詢相關輸入變量的先后順序；查詢某一串執行動作的選后順序，只需排列出相關輸出變量的先后順序。因此，如果事先不對SER變量進行分組，SER記錄可能是輸入變量、輸出變量、中間變量的混合記錄，不利于事件的查找和分析。

此外，有時1套ESD將同時容納多套相對獨立的裝置或功能分區的邏輯，也需要對SER變量進行分組。需要說明的是，很多系統的SER變量在定義時就需要分組，因此在該項目組態初期，就對SER變量提前進行了分組。

首先根據系統內的不同功能區域進行分組，如并行的幾個生產系列、相對獨立的幾臺機組的控制等。即使這些生產系列或機組控制分布在不同的ESD控制器中，由于這幾套ESD控制器可能共用1套SER服務器，因此SER變量的分組也是必要的。該項目中把SER變量按照裝置及聯鎖功能的不同進行了分組，例如氨罐進出口閥門的ESD聯鎖，分組為氨罐ESD組；一段爐進出口風機的ESD聯鎖，分組為一段爐組。

對于有嚴格時序控制的聯鎖，順序步序號也是分析事件過程的重要參數，應單獨分組。例如合成氨裝置緊急停車聯鎖，其步序號也進行了必要的分組，方便后期分析是哪一步觸發了聯鎖跳車。

2.4 時鐘同步

為保證同一裝置不同系統間歷史趨勢、SER數據時間的一致，需要在系統間做時鐘同步[8]。比如SER記錄中的變量觸發時間是從控制器中帶來的時間標簽(time stamp)，它以控制器時鐘為基準；而SER站的時鐘可能是當前工程師站PC機的時鐘，兩者未必一致；同樣，它與操作員站的時鐘也不一定相同。因此，只有在時間基準相同的前提下，才可以對模擬量的趨勢記錄和SER事件記錄進行比較、判斷，時鐘同步方法有很多，比如GPS受時、NPT受時、DCS糾偏受時等，有時需要幾種受時方法同時配合使用，時鐘同步系統結構如圖2所示。

圖2 時鐘同步系統結構示意

在該項目中，DCS配置了時鐘同步服務器和時鐘信號分配器，DCS控制節點、操作節點和二級時鐘服務器的時鐘將與一級服務器同步。ESD和其他第三方系統采用Modbus通信方式與DCS之間進行時鐘同步，DCS每天通過Modbus向所有與DCS通信的第三方包發送1個同步脈沖信號完成時鐘同步，該項目時鐘同步系統可達到1 ms級控制站的時間同步精度。

2.5 SER的測試

在調試過程中，可以人為改變開關量信號的邏輯值，然后在SER程序中查看記錄是否正確[9]，也可將同一個開關量的變位信號同時接入相同主控器管轄下的不同SER模塊，計算各模塊之間記錄事件時刻的最大與最小時刻之差。

3 結束語

綜上所述，該項目在合成氨裝置、尿素裝置和熱電站裝置分別設計了ESD的SER站，采用高分辨率的SER卡件，精確地反映了事件發生的情況；對SER輸入變量進行篩選和分組，提高了SER的響應速度，也方便了用戶的使用；通過合理的時鐘同步方案，確保了SER數據時間的一致。上述SER方案的設計與實施，有利于裝置緊急停車后對停車原因的分析和問題的排查。ESD中的 SER作為重要的非正常停車事故的分析工具，越來越多地被應用于現代化工項目中。