軟邏輯解決快開風門開工過程中的隱患

任志光

（洛陽三隆安裝檢修有限公司，河南 洛陽 471012）

0 引言

近年來，為了提高石油化工企業的加熱爐熱效率，一般采用預熱空氣回收預熱的方法，將空氣由鼓風機送入空氣預熱器預熱，預熱后的空氣送入加熱爐上裝設的燃燒器內，供燃料燃燒使用。一旦鼓風機發生故障，而燃料油或瓦斯仍然不斷噴入爐中，有可能引起爆炸的危險[1]。目前，一般采用快開風門解決此隱患，當鼓風機突然故障停運時，通過聯鎖控制系統（例如：SIS系統）控制，將強制送風切換為自然通風來排除這種爆炸事故的危險，并保證加熱爐繼續運行[2]。目前，二聯合S Zorb裝置以及四聯合瀝青裝置加熱爐均采用這種方法來避免鼓風機故障或停運導致的爆炸隱患。

1 快開風門邏輯及操作存在的問題

1.1 快開風門邏輯的工作原理

為了滿足鼓風機故障停用時迅速打開快開風門，通常設計為當鼓風機故障或出口壓力低低時，加熱爐所有快開風門打開。如圖1所示為四聯合瀝青裝置加熱爐快開風門聯鎖設計邏輯，該邏輯為典型的空氣預熱回收快開風門邏輯，實現了加熱爐在鼓風機故障時，強制通風向自然通風過程安全轉換的需求——加熱爐所有快開風門打開[3]。

圖1 四聯合瀝青裝置加熱爐快開風門聯鎖設計邏輯Fig.1 Interlocking design logic of quick opening damper of heating furnace in four joint asphalt plant

圖2 快開風門氣路結構圖Fig.2 Air circuit structure of quick opening damper

1.2 快開風門設備的工作原理

快開風門氣路結構圖如圖2所示。假設整個聯鎖邏輯為故障安全型，快開風門的工作原理如下：

1）電磁閥失電時，電磁閥由其彈簧控制，即：電磁閥排放口E與電磁閥輸出口A聯通，氣缸負責關的部分與大氣聯通，泄壓，在氣缸彈簧的作用下，快開風門打開。

2）電磁閥帶電時，電磁閥由帶電線圈控制，即：電磁閥進氣口P與電磁閥輸出口A聯通，氣缸負責關的部分與氣源聯通，沖壓，快開風門關閉。

3）儀表風停風時，由于快開風門為故障開類型，所以儀表風停用時，在氣缸彈簧的作用下，快開風門打開。

1.3 設計邏輯存在的隱患

在裝置開工加熱爐點爐過程中，包含自然通風向強制通風狀態轉換的步驟，即：鼓風機打開，調整風量后關閉所有快開風門，以使加熱爐用風完全為鼓風機提供。按設計邏輯操作應為：點擊“復位按鈕”即可，但點擊“復位按鈕”后，所有快開風門同時迅速關閉，此時加熱爐所有風量由鼓風機風量加上自然通風風量瞬間變為只有鼓風機的風量，需迅速調整鼓風機出口風量以滿足燃燒需要。如調整不及時，輕則由于風量不夠導致燃料不能充分燃燒，進而導致CO含量瞬間偏高，重則導致所有燃燒器熄火，進而導致加熱爐處于燜爐狀態，此時燃料油或瓦斯仍然不斷噴入爐中，有可能引起爆炸的危險。所以，所有快開風門同時關閉是一件非常危險的操作。

1.4 實際操作中存在的隱患

二聯合S Zorb裝置、四聯合瀝青裝置操作人員開工過程中意識到邏輯設計本身存在的這個問題，并未按照設計邏輯進行操作。實際操作如下：

1）停掉現場所有快開風門的儀表供風，以保證室內點擊“復位按鈕”后現場快開風門不會同時關閉。

2）點擊“復位按鈕”，觀察現場快開風門，應該均不動作，處于打開狀態。

3）依次恢復快開風門儀表風，使快開風門關閉，同時與內操確認，內操同時負責調整風量以保證加熱爐正常運行。

該操作避免了快開風門同時關閉帶來的爆炸隱患，但由于該操作屬于一個非常規的操作，本身也存在一定安全隱患以及勞動強度的增加：

a）快開風門停儀表風操作過程相對較專業，并非直接關閉儀表風球閥這么簡單。如果只關閉氣源球閥，快開風門系統內儀表風依然殘存壓力，點擊“復位按鈕”，所有風門在殘存的氣源壓力下，依然存在可能全部關閉進而帶來爆炸的隱患。正確操作為：關閉氣源球閥后，通過排放過濾減壓閥或拆除汽缸相應風線接頭，將快開風門本身儀表風系統的氣源壓力卸掉，才能保證快開風門在復位后不會關閉。這一系列的操作對于操作人員來說相對較復雜，所以現場操作均由儀表人員操作。如果現場操作不當，可能會存在損壞過濾減壓閥或者存在帶壓拆除風線接頭，導致人身傷害的隱患。

b）該操作需要外操人員和儀表人員在現場操作，且該操作存在于點爐開工階段，加熱爐以及其他裝置設備工作狀態并不穩定，現場泄漏、著火甚至爆炸出現的幾率高于平時，現場操作無疑增加了這些異常情況對人員的傷害幾率。

c）該操作增加了勞動強度，該操作至少需要兩名內操（一人監視SIS，一人監視DCS）、一名外操（確認現場快開風門開關情況）、兩名儀表人員（兩人作業制度要求）來完成作業。

d）該操作延長了自然通風向強制通風切換的時間，切換時需要的準備工作如下：工藝人員需先聯系儀表人員，儀表人員開具作業許可證、現場就位，室內外溝通確認、停儀表風，室內外再次溝通確認停風狀態等，從決定切換到快開風門達到可以關閉的條件至少需要1 h。

2 解決思路及實現方法

2.1 解決思路

圖3 四聯合原加熱爐快開風門的氣路原理圖Fig.3 Schematic diagram of gas path of quick opening air valve of four combined heating furnace

表1 觸發器功能塊真值表Table 1 Trigger function block truth table

隨著自動化控制系統的廣泛應用，如果在滿足鼓風機故障時快開風門迅速打開的安全要求下，能通過室內軟邏輯實現快開風門的開關，可解決現場停儀表風帶來的安全隱患與勞動強度增加的問題。

2.2 建立模型

四聯合瀝青裝置在DCS系統改造之前，加熱爐快開風門是通過現場氣動控制箱與室內PLC系統共同完成自然通風向強制通風切換過程的，只需在鼓風機正常開啟，室內點擊復位按鈕后，現場操作氣動控制箱按鈕即可，整個切換過程無需現場停儀表風。以此為模型，通過軟邏輯對其進行轉換，可實現不停儀表風進而完成自然通風向強制通風轉換的過程。

2.2.1 模型工作原理

如圖3所示為四聯合原加熱爐快開風門的氣路原理圖，其工作原理如下：

室內產生聯鎖信號，開線圈帶電，快開風門打開，無論按哪個按鈕，快開風門均不會關閉。

1）開線圈失電時，導致快開風門開的氣缸泄壓，但由于氣缸為雙作用氣缸，負責風門關的氣缸并沒有進氣，不按任何按鈕的話，風門將處于保位狀態，即仍處于打開狀態。

2）線圈失電后，快開風門的開關由現場氣動控制箱的按鈕控制，且按鈕均為彈簧自復位按鈕，結合雙作用氣缸，可以做到關按鈕按下后，在按鈕彈簧作用下按鈕自動彈出，按鈕作用消失。但在雙作用氣缸的保位作用下，風門不會因按鈕作用消失即再次打開，只有再次點擊開按鈕或者鼓風機故障時，風門才會再次打開。

3）線圈失電后，同時按下開、關按鈕或者同時松開開、關按鈕，風門處于保位狀態。

2.2.2 模型的優點與缺點

相對于實際操作，模型的操作存在以下優點：

1）模型操作無需停儀表風，避免停儀表風帶來損壞過濾減壓閥以及帶壓拆除風線接頭導致人身傷害的隱患。

2）模型操作簡單，無需儀表人員操作，只需內操、外操溝通即可完成操作，人數可由5人降至3人。

3）由于無需停儀表風且無需儀表人員操作，減少了聯系儀表人員、開具作業許可證，以及停儀表風的環節，切換準備時間將大大縮短。

雖然模型操作可以解決停儀表風的問題，但其本身也存在以下安全隱患：

a）雙作用氣缸的使用。雙作用氣缸在停風的狀態下是處于保位狀態的，也就是說在裝置停儀表風后，快開風門將無法打開，如果鼓風機此時出現故障，同樣會引起爆炸的危險。

b）氣動控制箱存在關按鈕故障的隱患。如果關按鈕故障，關按鈕作用長期起作用，使負責關的氣缸長期沖壓，若此時鼓風機故障致其負責開的線圈帶電，需使開氣缸沖壓打開快開風門，但此時風門依然保位，即關閉狀態，同樣會引起爆炸的危險。

2.3 模型轉換為軟邏輯

2.3.1 雙作用氣缸的模型轉換

目前，瀝青裝置和S Zorb裝置新上的快開風門均為單作用氣缸。風關閥，即停儀表風后快開風門打開，滿足了裝置停儀表風時快開風門打開的安全要求。

但模型操作中的保位功能均由雙作用氣缸來完成，即：鼓風機故障恢復后需保位，復位按鈕按下后才允許關閉；開關按鈕按下，彈簧自復位后風門同樣需要保位。

基于模型操作對保位功能的需求，需用一個帶有保位功能的軟邏輯功能塊來代替雙作用氣缸以實現保位功能，觸發器功能塊即可實現此功能，觸發器功能塊的真值見表1。

由真值表向雙作用氣缸遞推過程如下：

圖4 快開風門的邏輯Fig.4 Logic of quick opening damper

1）當鼓風機故障或鼓風機無故障，且開按鈕按下時，雙作用氣缸動作如下：雙作用氣缸負責開的氣缸沖壓，快開風門打開；觸發器動作如下：S置1，此時R置0，觸發器輸出1，假設邏輯1代表快開風門打開。

2）當鼓風機故障恢復，且開、關按鈕都未按下時，雙作用氣缸動作如下：雙作用氣缸負責開、關的氣缸均未沖壓，快開風門處于保位狀態；觸發器動作如下：S置0，此時R置0，觸發器輸出為保位狀態。

3）當鼓風機無故障，且按下關按鈕時，雙作用氣缸動作如下：雙作用氣缸負責關的氣缸沖壓，快開風門關閉；觸發器動作如下：S置0，R置1，觸發器輸出為0，即：快開風門關閉。

4）鼓風機故障后未恢復時，按下關按鈕，雙作用氣缸動作如下：由于鼓風機故障，氣動控制箱開按鈕線圈帶電。此時負責開的氣缸沖壓，即使此時按下關按鈕，負責關的氣缸也沖壓，風門依然處于保位狀態，保持故障狀態，即：開位置。觸發器動作如下：S置1，R置1，觸發器輸出取決于SR的優先級別。從安全角度著想，輸出1，即：讓風門打開，所以選擇置位優先觸發器。

由遞推過程與雙作用氣缸動作原理比較，得知：觸發器可以完全代替雙作用氣缸，完成保位功能。

2.3.2 自復位按鈕模型轉換

模型中自復位按鈕是通過彈簧實現自復位功能，即：按下時，快開風門起切換作用，但松開時，由于彈簧自復位功能，按鈕的切換作用消失。由于雙作用氣缸的保位作用，使風門保持在按鈕按下的位置。正因為彈簧自復位功能，才避免了按鈕按下后忘記復位導致雙作用氣缸因為負責開關氣缸同時沖壓帶來的錯誤保位，即：無法動作的現象。

控制系統下位邏輯中，實現自復位功需要多個邏輯共同搭建才能完成，相對較復雜，且按照按鈕在上位機畫面上操作的思路，利用上位軟件的“自復位按鈕”控件來代替模型中的帶彈簧的自復位按鈕。

2.3.3 快開風門邏輯的實現

快開風門打開的條件為：鼓風機故障或者鼓風機無故障時按下開按鈕，所以將這兩個條件連接至觸發器的置位功能端S端。

快開風門關閉的條件為：鼓風機無故障時按下關按鈕，所以將該條件連接至觸發器的復位功能端R端。

由以上條件針對每一個快開風門編寫邏輯如圖4所示。

2.3.4 快開風門軟邏輯實現的可行性

快開風門軟邏輯只需在控制系統組態即可實現，無需增加任何線路、風線，以及相關設備等材料，也就是說將現有設備改造為軟邏輯控制，無需任何額外增加的材料費用。所以，快開風門邏輯實現的思路是完全可行而且經濟的。

同時，現場快開風門有開、關兩個回訊，可通過回訊信號在控制系統上的切換顯示，判斷現場風門實際的開關狀態，室內軟邏輯操作可以完全代替現場確認的過程。

3 快開風門軟邏輯的使用情況及其效果

3.1 快開風門軟邏輯的使用情況

該快開風門的軟邏輯已在中化泉州石化的1200萬噸/年常減壓裝置（包括26個快開風門）、160萬噸/年延遲焦化裝置（包括8個快開風門）的加熱爐空氣預熱系統中完成組態并調試投用，目前使用正常。

3.2 快開風門軟邏輯的操作方法

快開風門軟邏輯的操作方法如下：

1）開工過程，即自然通風向強制通風轉換過程中，SIS控制系統點擊“鼓風機故障復位按鈕”復位鼓風機故障信號后，點擊SIS畫面“關按鈕”即可關閉相應快開風門。內操通過SIS系統依次關閉快開風門，同時另一名內操通過DCS系統調整爐膛負壓。

2）正常運行過程中，如果遇到鼓風機故障，所有快開風門同時打開。

3.3 快開風門軟邏輯的效果

相對于目前實際操作以及模型操作，快開風門軟邏輯既克服了之前設計邏輯與現場停風操作存在的隱患，同時也克服了模型操作存在的問題，從安全性和勞動強度方面的效果進行了如下分析。

3.3.1 安全性

從安全方面考慮，快開風門軟邏輯具有以下優點：

1）由于軟邏輯采用每個快開風門獨立配置開、關按鈕，自然通風向強制通風切換過程，一個一個操作關閉，避免了原始設計邏輯中快開風門同時關閉可能帶來的爆炸隱患。

2）操作時無需停現場儀表風，避免了因停儀表風帶來的設備損害及人身傷害的隱患。

3）操作時只需在室內操作，無需現場操作，降低了現場開工時裝置設備不穩定引起的泄漏、著火、爆炸等不穩定因素對人造成的額外傷害的幾率。

4）現場快開風門氣缸為單作用氣缸，儀表風停用時快開風門自動打開，避免了模型操作中儀表風停用帶來的爆炸隱患。

5）該邏輯的自復位按鈕采用組態軟件的控件組態完成，本身具有防粘連功能，避免了模型操作中機械按鈕因為機械故障導致的爆炸隱患。

3.3.2 勞動強度

從降低勞動強度方面考慮，快開風門軟邏輯具有以下優點：

1）快開風門軟邏輯操作只需在室內DCS和SIS控制系統畫面操作，完成整個操作所需人數由之前的至少5人減為現在的2人。

2）由于軟邏輯操作只需內操操作，無需儀表人員以及外操人員操作，減少了聯系儀表人員、開具作業許可證、現場確認等所有環節，所以從決定由自然通風切換到強制通風切換，再到快開風門達到可以關閉的條件，所需時間由之前的至少1 h到現在的0 min，即：無需等待時間，需要切換隨時可以切換。

4 結束語

隨著洛陽石化1800萬噸/年的擴建項目籌建在即，籌建過程中肯定會遇到加熱爐相關的快開風門邏輯問題，利用本文所設計的軟邏輯控制快開風門，既滿足了邏輯的安全需求，又大大降低了開工過程自然通風向強制通風切換過程中的勞動強度和風險，為新上加熱爐的快開風門邏輯提供了寶貴的經驗。