基于HiaGuard 的蠟油加氫裝置安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高金宇，張玉廣

（河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州450046）

0 引言

蠟油加氫裝置是石油化工裝置的重要一員。所有石化裝置都具有高溫、高壓、易燃、易爆、工藝復(fù)雜且連續(xù)性強(qiáng)、安全要求高等特點(diǎn)，蠟油加氫裝置也不例外。為了最大限度地降低裝置惡性事故發(fā)生的概率，減少計(jì)劃外停車(chē)，避免重大人身傷害及重大經(jīng)濟(jì)損失的事故發(fā)生，一套安全可靠，動(dòng)作及時(shí)的SIS 系統(tǒng)必不可少。

安全儀表系統(tǒng)(SIS)是一種獨(dú)立于生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)（DCS）的用于大型裝置的安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，其對(duì)裝置設(shè)備的安全保護(hù)貫穿于生產(chǎn)過(guò)程的所有階段。無(wú)論是生產(chǎn)裝置本身出現(xiàn)故障引發(fā)的危險(xiǎn)，還是人為因素導(dǎo)致的危險(xiǎn)以及一些不可抗拒因素引發(fā)的危險(xiǎn)，SIS 都能夠立即作出正確反應(yīng)并給出相應(yīng)的邏輯信號(hào)，使生產(chǎn)裝置安全聯(lián)鎖或停車(chē)，阻止危險(xiǎn)的發(fā)生和事故的擴(kuò)散，使危害減少到最小。

1 蠟油加氫裝置聯(lián)鎖保護(hù)

本文中所述的蠟油加氫裝置包含的主要設(shè)備有3臺(tái)加熱爐、1 套空氣預(yù)熱系統(tǒng)、2 臺(tái)反應(yīng)進(jìn)料泵、1 座汽提塔、1 座分餾塔和2 臺(tái)循環(huán)氫壓縮機(jī)。蠟油加氫裝置采用DCS 系統(tǒng)對(duì)常規(guī)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和顯示，需要參與聯(lián)鎖保護(hù)的信號(hào)則通過(guò)SIS 系統(tǒng)進(jìn)行采集。當(dāng)蠟油加氫裝置運(yùn)行正常時(shí)，DCS 系統(tǒng)和SIS 系統(tǒng)各自獨(dú)立工作，互不影響；當(dāng)蠟油加氫裝置運(yùn)行異常時(shí)，DCS 系統(tǒng)首先發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒操作員及時(shí)進(jìn)行操作調(diào)整，使報(bào)警參數(shù)回到正常值。若操作員的操作調(diào)整無(wú)效，報(bào)警參數(shù)繼續(xù)向聯(lián)鎖值方向變化，直至達(dá)到聯(lián)鎖值，則SIS 系統(tǒng)啟動(dòng)，使蠟油加氫裝置聯(lián)鎖停車(chē)，確保裝置安全。

1.1 加熱爐聯(lián)鎖保護(hù)

當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，聯(lián)鎖停加熱爐：加熱爐頂壓力高，加熱爐頂溫度高，加熱爐主火嘴燃料氣壓力低，加熱爐長(zhǎng)明燈壓力低，現(xiàn)場(chǎng)或控制室急停按鈕按下。此時(shí)，關(guān)閉主燃料氣切斷閥和風(fēng)道擋板，同時(shí)打開(kāi)放空閥。若是因?yàn)榧訜釥t長(zhǎng)明燈壓力低觸發(fā)聯(lián)鎖停爐，還要關(guān)閉長(zhǎng)明燈切斷閥。

1.2 空氣預(yù)熱系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)

蠟油加氫裝置空氣預(yù)熱系統(tǒng)主要包含空氣預(yù)熱器、引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，聯(lián)鎖停空氣預(yù)熱系統(tǒng)：空氣預(yù)熱器入口煙氣溫度高，引風(fēng)機(jī)入口煙氣溫度高。此時(shí)，打開(kāi)煙囪擋板，關(guān)閉煙道擋板，停鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)。

1.3 反應(yīng)進(jìn)料泵聯(lián)鎖保護(hù)

反應(yīng)進(jìn)料泵是往反應(yīng)器中輸送反應(yīng)原料的動(dòng)力裝置，當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，聯(lián)鎖停反應(yīng)進(jìn)料泵：混氫流量低，現(xiàn)場(chǎng)或控制室緊急停車(chē)按鈕按下。此時(shí)，停止進(jìn)料泵并關(guān)閉反應(yīng)進(jìn)料切斷閥。

1.4 汽提塔聯(lián)鎖保護(hù)

汽提塔聯(lián)鎖保護(hù)分為汽提塔火災(zāi)隔斷閥聯(lián)鎖保護(hù)和汽提塔回流罐火災(zāi)隔斷聯(lián)鎖保護(hù)兩個(gè)部分。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)或控制室汽提塔火災(zāi)隔斷緊急停車(chē)按鈕按下時(shí)，啟動(dòng)汽提塔火災(zāi)隔斷閥聯(lián)鎖保護(hù)程序，停汽提塔底重沸爐泵并關(guān)閉汽提塔底火災(zāi)隔斷閥。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)或控制室汽提塔回流罐火災(zāi)隔斷緊急停車(chē)按鈕按下時(shí)，啟動(dòng)汽提塔回流罐火災(zāi)隔斷聯(lián)鎖保護(hù)程序，停汽提塔回流泵并關(guān)閉汽提塔回流罐底火災(zāi)隔斷閥。

1.5 分餾塔聯(lián)鎖保護(hù)

分餾塔聯(lián)鎖保護(hù)分為分餾塔火災(zāi)隔斷聯(lián)鎖保護(hù)和分餾塔回流罐火災(zāi)隔斷聯(lián)鎖保護(hù)兩個(gè)部分。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)或控制室分餾塔火災(zāi)隔斷緊急停車(chē)按鈕按下時(shí)，啟動(dòng)分餾塔火災(zāi)隔斷聯(lián)鎖保護(hù)程序，停分餾塔重沸爐泵和重整進(jìn)料泵并關(guān)閉分餾塔底火災(zāi)隔斷閥。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)或控制室分餾塔回流罐火災(zāi)隔斷緊急停車(chē)按鈕按下時(shí)，啟動(dòng)分餾塔回流罐火災(zāi)隔斷聯(lián)鎖保護(hù)程序，停分餾塔回流泵和輕石腦油泵并關(guān)閉分餾塔回流罐底火災(zāi)隔斷閥。

1.6 循環(huán)氫壓縮機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)

循環(huán)氫壓縮機(jī)是為蠟油加氫裝置提供氫氣的關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，安全要求高。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，聯(lián)鎖停循環(huán)氫壓縮機(jī)：控制室緊急停車(chē)按鈕按下，循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐液位高，帶動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)定子溫度高，潤(rùn)滑油總管壓力低。除此之外，循環(huán)氫壓縮機(jī)的啟動(dòng)也有嚴(yán)格的條件限制，只有當(dāng)盤(pán)車(chē)開(kāi)關(guān)閉合、潤(rùn)滑油溫度大于等于10℃、潤(rùn)滑油壓力大于等于0.25MPa 并且控制室的允許啟動(dòng)按鈕按下時(shí)，循環(huán)氫壓縮機(jī)才能啟動(dòng)運(yùn)行。

2 HiaGuard系統(tǒng)介紹

HiaGuard 是和利時(shí)集團(tuán)面向工業(yè)自動(dòng)化安全應(yīng)用開(kāi)發(fā)的一套安全儀表系統(tǒng)（SIS）。該系統(tǒng)通過(guò)TUV Rheinland Industrie Service GmbH 認(rèn)證，滿足IEC 61508/IEC 61511 中定義的SC3 系統(tǒng)能力等級(jí)和SIL3安全完整性等級(jí)。HiaGuard 系統(tǒng)采用2oo3D 架構(gòu)，適用的應(yīng)用包括緊急停車(chē)系統(tǒng)、火氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、燃燒爐管理系統(tǒng)、緊急跳閘系統(tǒng)、過(guò)程停車(chē)系統(tǒng)以及關(guān)鍵過(guò)程控制。

HiaGuard 系統(tǒng)為機(jī)籠擴(kuò)展式結(jié)構(gòu)，機(jī)籠之間采用三重冗余的I/O BUS 相連，系統(tǒng)最少有一個(gè)主機(jī)籠，并根據(jù)I/O 點(diǎn)數(shù)的增加，最多可連接3 個(gè)擴(kuò)展機(jī)籠。一套HiaGuard 系統(tǒng)最多可配置37 塊I/O 模塊，最多可容納1184 個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)或者592 個(gè)模擬量信號(hào)。其中主機(jī)籠可容納2 個(gè)通訊模塊、3 個(gè)控制器模塊和7 個(gè)I/O 模塊，擴(kuò)展機(jī)籠可容納10 個(gè)I/O 模塊。SGM201 是Hia-Guard 系統(tǒng)的控制器，每套三重化的HiaGuard 系統(tǒng)包括三個(gè)獨(dú)立的控制器，每個(gè)控制器控制三重化系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)立通道，三重化的三系控制器之間同步運(yùn)行，控制器的降級(jí)方式為3-2-0。SGM210 是HiaGuard 系統(tǒng)的通訊模塊，用于實(shí)現(xiàn)SGM201 控制器與外界的數(shù)據(jù)交換。的通訊模塊，用于實(shí)現(xiàn)控制器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。支持冗余配置，冗余通訊模塊之間無(wú)擾切換，所有的通訊接口均支持熱插拔。通過(guò)以太網(wǎng)與工程師站通訊，進(jìn)行下裝工程組態(tài)程序，上報(bào)系統(tǒng)內(nèi)部信息。

HiaGuard 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要有工程總控軟件實(shí)現(xiàn)。該軟件主要包含圖形編輯器、Safe-AutoThink和操作員在線三部分。圖形編輯器是圖形畫(huà)面編輯軟件，運(yùn)行于工程師站。用戶可通過(guò)該工具生成在線操作的流程圖和界面模板。該軟件針對(duì)不同行業(yè)提供了豐富的符號(hào)庫(kù)，以方便用戶繪制美觀實(shí)用的界面。它還支持用戶自定義符號(hào)庫(kù)。Safe-AutoThink 是SIS（HiaGuard）控制器算法組態(tài)軟件，運(yùn)行于工程師站。該軟件集成了SIS（HiaGuard）控制器算法的編輯、管理、仿真、在線調(diào)試以及硬件配置功能，支持IEC61131-3 中規(guī)定的LD、FBD 兩種語(yǔ)言。操作員在線是監(jiān)視和控制軟件，運(yùn)行于操作員站。完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示、過(guò)程自動(dòng)控制、順序控制、高級(jí)控制、報(bào)警和日志的檢測(cè)、監(jiān)視、操作，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)、顯示、打印等處理。

3 蠟油加氫裝置SIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)配置

蠟油加氫裝置SIS 系統(tǒng)采用和利時(shí)集團(tuán)的Hia-Guard 系統(tǒng)，由1 面系統(tǒng)機(jī)柜和5 面擴(kuò)展機(jī)柜組成，所有機(jī)柜全部放置在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間，并配置1 臺(tái)工程師站和兩臺(tái)操作員站。其中，1 臺(tái)工程師站和1 臺(tái)操作員站放置在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間，另1 臺(tái)操作員站放置在中控室。現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間的工程師站和操作員站通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與SIS 系統(tǒng)的通訊，中控室的操作員站則通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)與SIS 系統(tǒng)的通訊。蠟油加氫裝置SIS 系統(tǒng)的配置如圖1 所示。

圖1 蠟油加氫裝置SIS系統(tǒng)配置

3.2 硬件配置

根據(jù)I/O 信號(hào)類(lèi)型和數(shù)量，并考慮各類(lèi)型信號(hào)至少20%的備用量，蠟油加氫裝置SIS 系統(tǒng)的主要硬件配置有AI/DI/DO 三種類(lèi)型。各種I/O 卡的輸入/輸出，通道間、電源間相互隔離，I/O 卡具備識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)接線斷路或短路并發(fā)出報(bào)警的功能，各種卡件相互獨(dú)立，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電氣隔離。

AI 模塊選用HiaGuard 系統(tǒng)的16 路模擬量輸入模塊SGM410，采用TMR 架構(gòu)，冗余的三系包含在同一塊SGM410 中，通過(guò)歐式連接器與機(jī)籠底板相連，配合AI端子模塊SGM3410 實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)4～20mA 電流信號(hào)的采集功能，采集結(jié)果通過(guò)各系獨(dú)立的I/O Bus 送給各自對(duì)應(yīng)的控制器。SGM410 采用冗余電源供電，系統(tǒng)側(cè)與現(xiàn)場(chǎng)側(cè)隔離，支持熱插拔。支持軟件濾波，組態(tài)可選0～15（默認(rèn)值0）。模塊信號(hào)量程為4～20mA，可測(cè)量范圍為0～22mA。具有豐富的診斷功能，可診斷出電源、模塊自身和外部線纜等多種故障，并及時(shí)報(bào)警。

DI 模塊選用HiaGuard 系統(tǒng)的32 路開(kāi)關(guān)量輸入模塊SGM610，支持常開(kāi)或常閉干接點(diǎn)信號(hào)，采用TMR 架構(gòu)，冗余的三系包含在同一塊SGM610 中。SGM610 采用冗余電源供電，系統(tǒng)側(cè)與現(xiàn)場(chǎng)側(cè)隔離，支持熱插拔且具有SOE 功能。支持軟件濾波，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)干擾情況進(jìn)行設(shè)置。具有強(qiáng)大的防護(hù)功能，通道誤接±36V DC和220V AC 時(shí)不會(huì)損壞模塊。具有豐富的診斷功能，可診斷出電源、模塊自身和外部線纜等多種故障，并及時(shí)報(bào)警。

DO 模塊選用HiaGuard 系統(tǒng)的32 路開(kāi)關(guān)量輸出模塊SGM710，支持ESD、ETS、FGS、BMS 等組態(tài)應(yīng)用，采用TMR 架構(gòu)，冗余的三系包含在同一塊SGM710中。SGM710 采用冗余電源供電，系統(tǒng)側(cè)與現(xiàn)場(chǎng)側(cè)隔離，支持熱插拔功能。單通道可驅(qū)動(dòng)0.5A 以下負(fù)載，32 通道合計(jì)可驅(qū)動(dòng)8A 以下負(fù)載。具有豐富的診斷功能，可診斷出電源、模塊自身和外部線纜等多種故障，并及時(shí)報(bào)警。具體硬件配置見(jiàn)表1。

表1 蠟油加氫裝置SIS 系統(tǒng)硬件配置表

3.3 系統(tǒng)組態(tài)

蠟油加氫裝置SIS 系統(tǒng)組態(tài)包括硬件組態(tài)和軟件組態(tài)兩部分。軟件組態(tài)又包含了聯(lián)鎖邏輯實(shí)現(xiàn)、SOE功能實(shí)現(xiàn)和人機(jī)界面組態(tài)等。其中聯(lián)鎖邏輯實(shí)現(xiàn)和SOE 功能實(shí)現(xiàn)通過(guò)Safe-AutoThink 實(shí)現(xiàn)，人機(jī)界面組態(tài)通過(guò)圖形編輯器實(shí)現(xiàn)。根據(jù)采用IEC61508、IEC61511 的中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20438、GB/T21109 要求，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)來(lái)的信號(hào)以及輸出到現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)全部采用故障安全型進(jìn)行接線，系統(tǒng)組態(tài)亦按照故障安全型進(jìn)行組態(tài)，即要求正常工作狀態(tài)時(shí)，設(shè)備是帶電的，當(dāng)電源失去時(shí)(切斷、掉電)，SIS 系統(tǒng)動(dòng)作。

（1）硬件組態(tài)

硬件組態(tài)是SIS 系統(tǒng)最基礎(chǔ)的部分，它確定了控制器模塊的型號(hào)、I/O 模塊的分布和型號(hào)、I/O 地址的分配等。

①模塊組態(tài)：完成SIS 系統(tǒng)中使用到的控制器模塊、通訊模塊和I/O 模塊的型號(hào)選擇和位置分配。

②I/O 信號(hào)組態(tài)：對(duì)SIS 中需要的所有I/O 信號(hào)進(jìn)行地址分配，使每個(gè)I/O 信號(hào)對(duì)應(yīng)到具體哪個(gè)機(jī)籠的哪塊I/O 模塊的哪個(gè)通道。給每個(gè)I/O 信號(hào)定義通道后，系統(tǒng)自動(dòng)給每個(gè)I/O 信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)地址。這個(gè)地址在人機(jī)界面組態(tài)時(shí)可以直接使用。

蠟油加氫SIS 系統(tǒng)的硬件配置如圖2 所示。

圖2 蠟油加氫裝置SIS系統(tǒng)硬件配置

（2）軟件組態(tài)

①控制程序設(shè)計(jì)：Safe-AutoThink 是和利時(shí)公司專(zhuān)門(mén)為工業(yè)安全儀表系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)SIS）而自主研發(fā)的基于Windows 平臺(tái)的編程工具，主要用于控制器算法編程，是控制方案的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是硬件配置和軟件編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包。該軟件運(yùn)行于工程師站，支持用戶進(jìn)行硬件模塊配置以及使用IEC 語(yǔ)言（功能塊（FBD）、梯形圖（LD））進(jìn)行控制邏輯組態(tài)。

蠟油加氫裝置SIS 系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯采用功能塊語(yǔ)言（FBD）編寫(xiě)，這種語(yǔ)言用線連接功能塊形成回路，功能塊之間通過(guò)連接線傳遞二進(jìn)制和其他類(lèi)型的數(shù)據(jù)，這種圖形化的編程語(yǔ)言的特點(diǎn)是直接明了，通俗易懂。蠟油加氫裝置SIS 系統(tǒng)控制程序主要包括FB（用戶自定義功能塊）、AIA（AI 信號(hào)處理）、LOGIC（聯(lián)鎖邏輯）等幾部分，如圖3 所示。

②人機(jī)界面設(shè)計(jì)：人機(jī)界面組態(tài)由圖形編輯器實(shí)現(xiàn)。該軟件編制容易、靈活、功能強(qiáng)。針對(duì)不同行業(yè)提供了豐富的符號(hào)庫(kù)，以方便用戶繪制美觀實(shí)用的界面。同時(shí)，它還支持用戶自定義符號(hào)庫(kù)。在蠟油加氫SIS 系統(tǒng)中，人機(jī)界面包括聯(lián)鎖邏輯畫(huà)面、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控畫(huà)面及用戶管理窗口等，如圖4 所示。

圖3 蠟油加氫裝置SIS系統(tǒng)控制程序

圖4 蠟油加氫裝置SIS系統(tǒng)人機(jī)界面

3.4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試是蠟油加氫裝置SIS 系統(tǒng)組態(tài)最后的關(guān)鍵階段。在調(diào)試過(guò)程中檢驗(yàn)聯(lián)鎖邏輯程序、報(bào)警提示、操作方便性等，是對(duì)系統(tǒng)的綜合測(cè)試。測(cè)試總體分兩個(gè)階段：先離線仿真測(cè)試，再在線測(cè)試。離線仿真測(cè)試是Safe-AutoThink 軟件在仿真運(yùn)行情況下通過(guò)給強(qiáng)制信號(hào)的方式來(lái)檢驗(yàn)聯(lián)鎖邏輯是否正確，人機(jī)界面動(dòng)態(tài)連接是否正確，報(bào)警功能是否完善等。

在線測(cè)試除了要完成離線測(cè)試的各項(xiàng)工作外，還要重點(diǎn)檢查邏輯程序的輸入和輸出能否滿足現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備的需要。在完成程序的全面測(cè)試后，將程序下裝到控制器中，最終投入運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

在注重安全環(huán)保的今天，安全儀表系統(tǒng)必將要求全面應(yīng)用到蠟油加氫等石油石化裝置。其安全穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)，可以有效的保證裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。