霍尼SM系統在己內酰胺生產線應用與維護

宋劉鵬1，田俊濤1，趙 勇2，雷縣平1，王陽陽3

（1.福建申遠新材料責任有限公司，福州 350500；2.北京榮格瑞普自動化技術有限公司，北京 100000；3.新疆國泰新華化工責任有限公司，新疆昌吉回民自治州 831100）

0 引言

目前市場上用的SIS系統廠家有很多，例如黑馬、康吉森、浙大、和利時、霍尼韋爾等，其各有優缺點，他們的共性就是基礎邏輯塊都一樣，界面簡單易操作。SIS是安全儀表系統的簡稱，是為了實現一個或多個安全儀表功能的控制系統，它包含安全儀表功能的整個回路，不僅僅是控制系統方面還有現場儀表等。目前，SIS已廣泛用于石油化工。其總原則是：防止和降低石油化工工廠或裝置的過程風險，保證人身和財產安全，保護環境。本文中的Safety Manager System僅僅涉及到SIS中的邏輯控制器和人機接口部分，不包含現場測量儀表及執行元件，也就是常說的SIS系統。據10來年的維護經驗，發現SIS系統的發展也是越來越智能化，且硬件會更具安全性，向著任意元件皆可達到TUV SIL3級的安全等級發展，其軟件邏輯編寫更易于解讀。

1 霍尼Safety Manager System

霍尼的SIS系統即Safety Manager System，滿足GB /T50770-2013《石油化工安全儀表設計規范》中SIL3級別的要求，且其系統的重要組件單卡配置皆可達到TUV SIL3級的安全等級要求，在石化領域應用較廣。

下面介紹Safety Manager System硬件的一些主要組成部件，CPU chassis：用于安裝處理器的機架，包含CPU模塊槽位、通訊卡槽位、5V電源模塊槽位、BKM槽位。QPP：四重化冗余控制模塊也就是常說的CPU，與QPP硬件對應的QMR，是四重化冗余技術，四選二的邏輯表決輸出，只有SIS系統配置雙QPP具備QMR的功能，每個QPP含有兩個CPU芯片，每個QPP運行輸出是兩個CPU模塊的二選一出來的結果，而QMR技術就是兩個QPP內部的各自二選一結果輸出與兩個QPP自我診斷二選一結果相結合共同實現的。BKM模塊：電池和鑰匙開關卡，用于復位、斷電保持。IO chassis：用于安裝輸入輸出模塊的機架，其IO chassis的優點主要有3點：①一個IO機架可包含多達18塊IO模塊，支持在線更換卡件；②不同類型IO卡件可以混裝在一個 IO chassis；③一套SM系統中可以同時配置冗余機架和非冗余機架。FTA是集成裝配的現場端子模塊即端子板，是現場組件例如變送器、定位器、電磁閥等與用來安裝輸入輸出模塊機架通信的一個接口，一端用于接現場電纜，一邊集成電纜去機架背面與對應的IO卡件通信。SIC是IO模塊與FTA模塊之間的連接電纜。24V供電導軌：bus bar for 24V power，24V電源母排。霍尼專用電源，例如PSU-UNI2450輸出并入24V電源母排，機架和FTA供電可用專用電纜連接供電。

2 申遠SIS概況及新項目SIS配置

福建申遠新材料己內酰胺工廠，目前在產3條線共60萬噸，SIS使用霍尼韋爾的Safety Manager系統，已穩定生產四五年，其主要裝置包含環己酮肟、己內酰胺、硫銨（副產）。儀表點數3600點左右（僅SIS聯鎖點）。1套20萬噸含原料及副產裝置機柜間包含系統柜3個，3對冗余控制器對應1條生產線的3套裝置，輔助柜4個，電源柜1個，網絡柜2個（機柜間1個，中控室1個），繼電器柜3個。

硬件配置說明：系統柜包含CPU及其框架配件、I/O卡件及其框架配件、系統24V電源、24V電源插軌、漏電保護器、網絡浪涌保護器、交換機、232/485接線板、220V空開、背面接線端子及FTA端子板、風扇、溫度報警器等。其中，系統柜第一塊DI卡為電源、風扇、溫度的報警點，其報警點為系統柜及MC柜的電源串聯報警、風扇串聯報警、溫度報警串聯點。輔助柜：主要有給現場測供24V的開關電源、各種信號安全柵、接線端子等；繼電器柜：主要是電氣信號的隔離繼電器及接線端子；電源柜：SIS系統的交流供電宜采用雙路不間斷電源的供電方式，大型石油化工生產裝置的SIS系統應采用雙路獨立的不間斷電源。因此，本項目提供雙路UPS 220V電源分配進入電源柜。網絡柜：交換機及光纖盒子，機柜間與中央控制室各1套。

24V電源配置：型號為系統電源地為浮空，也就是電源負極對地量有DC8V電壓，電源正極對地量有DC32V電壓，而輔助柜內給現場測供電負極為接地，這樣維護時很容易檢查出系統電纜的問題，第一次SM系統送電時也必須要在系統電不漏地的情況下上電。故在SIS回路中一定要注意系統24V電源負極不能接地且不能與輔助柜內24V電源負極并聯。SM系統柜內配置ELD漏地檢測儀，可以快速方便查看漏地報警及檢測出哪根電纜漏地。這樣時時刻刻檢測，無形中又保證了系統的安全性，及時發現隱患。

網絡相關配置：左邊CPU有4個通訊端口分別為COM1.1A、COM1.1B、COM1.1C、COM1.1D；右邊CPU有4個通訊端口分別為COM2.1A、COM2.1B、COM2.1C、COM2.1D。其中，A端口為分配網址去交換機與工程師站通訊的端口；B端口為去網絡浪涌保護器，用于通信安全保護；C端口為232/485接口與DCS通訊端口，GB/T 50770-2013規范中規定SIS系統與基本過程控制系統宜采用RS485串行通信接口。機柜間經交換機、光纖至中央控制室→交換機→SIS服務器，是一種星型拓撲網絡結構，工程師站須配置多網卡，其中一網卡用于連接時鐘同步GPS用于同步SIS網絡時間，如圖1系統網絡架構。

圖1 SM系統網絡架構Fig.1 SM System network architecture

接地配置規則：現場電纜屏蔽層在機柜間柜子扎麻花辮用接地專用熱縮管套好接入屏蔽地排。現場儀表與機柜內FTA之間均設計有本安隔離器件，這也間接地保護了信號線接地不會導致系統測漏地保護報警。機柜內嚴格按照規范接地要求，設置有電源地、保護地、信號屏蔽地。SIS控制系統第一次上電前，必須對機柜間及系統柜內相關設施要絕緣，阻值≤3Ω，系統安裝調試階段，必須嚴格按照要求接地線。

信號配置規則：AI（模擬量輸入），皆配置為本安信號接入MTL系列安全柵，大部分點位接SIL級別為2的MTL5544D一入兩出安全柵，一路接入DCS，一路進入SIS，個別點位接入SIL級別為2的MTL5541僅接入SIS。DI（開關量輸入），現場儀表點位配置為本安信號接入SIL級別為2的MTL5511安全柵，現場信號為numer信號（世界上應用最廣泛的本質安全的數字量輸入和頻率量輸入的標準信號），電氣泵運行故障信號為繼電器隔離信號。DO（開關量輸出），現場儀表信號為本安配置，接入MTL5525限流限壓后接入電磁閥，電氣泵聯鎖信號接入倍加福SIL級別為3，型號為KFDO-RSH-1的繼電器。根據聯鎖的SIL級別的設計，部分SIL3級別聯鎖必須為冗余儀表測量，因為現場測量儀表一般為SIL1級別，故SIL3常規設計為現場測量儀表三選二或三選一，這樣整個安全儀表功能回路才能達到SIL3級別。

維護情況說明：9套SIS加兩套GDS（可燃有毒氣體檢測系統），5年間更換過BKM電池、漏地檢測儀、安全柵若干，繼電器若干，保險若干，新增過IO卡及FTA等。而就系統本身IO硬件而言，尚未發現故障，畢竟SM系統的單卡配置也是具備TUV SIL3級的安全等級認證，故障率還是很低的。

3 維護過程中的一些問題

3.1 電纜線阻低，卡件短路報警，造成泵成片跳車

某天晚上公司某條硫銨裝置多臺泵跳停，現場泵處于聯鎖狀態，操作柱沒有電無法就地起泵，遠程指導值班人員檢查，發現有回路故障，整塊DO卡處于聯鎖故障位，因怕影響產量，故先采取檢查現場回路后復位CPU操作，結果復位掉回路故障，泵起來之后，兩個小時后泵又跳。隨后立即趕去公司，查看故障代碼，顯示電流短路故障至整塊DO卡處于聯鎖故障位，整個卡8個通道的泵都處于聯鎖狀態。接著立即去現場檢查回路，檢查沒有漏地報警，排除電纜破皮觸地，查看電纜是24芯×2根×1.5平方，也排除電纜本身問題，測量故障點位端子兩根通斷不通以為無問題，據經驗更換所報短路故障的點位的繼電器，型號為倍加福的KFDO-RSH-1。因之前有過一批批次質量問題的前例，也抽取幾個點位測量對地，電阻是在正常范圍內。隨即復位后，通知工藝啟動泵并觀察。2h后運行正常，隨離開公司。然而第二天早上六點，同樣的問題又出現，立即和現場儀表工程師趕往公司，推測只能是電纜問題，檢查電纜。隨即拆開電纜，測量對地正常，測量線阻0.8MΩ，雖大于電氣絕緣標準的0.5 MΩ但是還是有點疑慮，并找了一個正常未發生故障的點位電纜對比測量，其結果大于20MΩ，挨個測量，此卡上共有4組電纜線阻偏低，隨即更換備用電纜，挨個核對備用電纜，剝線、壓線鼻子并臨時標記電纜后接線。更換該DO卡上8個點位的電纜后，復位后通知工藝啟動泵。至裝置檢修一直未出現故障，電機運行正常。

在正常運行一周后，計劃檢修時更換整根電纜，目前已更換完畢且運行正常。至此線阻低的問題暫告一段落，至于因為什么問題引起的線阻低，此處暫不贅述。總結該問題，造成裝置再三跳泵的原因有以下兩點：一是誤判線路短路可根據漏地檢測儀檢測得出結果，當24芯電纜外皮未破皮絕緣良好時，檢測不出漏地，且短路不是漏地，兩者造成的結果是不一樣的，不漏地不代表電纜就沒有問題；二是犯經驗主義錯誤，誤判以為繼電器有內部故障。

3.2 生產過程中，增加點位并增加邏輯

因是在開車過程中，最難的不是邏輯編寫與下裝，而是找備用電纜和接線。找電纜，就涉及到會誤碰觸到正在用的點位電纜從而造成聯鎖跳車，這就是為什么一般工廠不允許運行中動SIS系統，就算在提前準備好備用電纜的情況下，接線和柜內布線整線也會誤碰觸的。如果在工藝做好各種風險分析及應急方案的前提下，也就是風險可控的前提下作業，也是可以的，畢竟霍尼的Safety Manager System是支持在線修改下裝的。而若提前修改程序下裝后，接線要注意切斷新增點位回路電源的前提下再接線，防止接地或者短接。例如，模擬量電纜接地會導致漏地報警，導致該測點邏輯程序處于聯鎖狀態或故障狀態，需要恢復接線后復位即可；而電機DO聯鎖信號的接線中，一定要注意避免接地或短接。若聯鎖邏輯使該DO點是通的，即帶點狀態，則接線短接會導致打火，接地會導致漏地報警。因此接線時，先看通道是否是導通狀態，尤其是點位在隔離器件之前的接線。故而SIS系統方面的技改最好是生產安全狀態下去執行，且要做好萬全準備及預案。

3.3 日常維護中最常見的問題是漏地報警

拆接線中不可避免會觸地，而這種導致漏地報警在恢復接線后，復位漏地報警器即可恢復，因為在這種作業前都會開相關作業票且操作員打旁路，是不會導致系統聯鎖的。而生產過程中難免會遇到一些漏地報警消除不掉，若知道具體時間且知道當時是什么作業或者是什么異常了，可針對性檢查相關回路電壓。若是時間長了，不知道什么原因，毫無頭緒的漏地報警則首先是要縮小范圍，不能盲目查找，可以咨詢工藝最近哪個點有異常，或者直接通過霍尼官方手冊中的指導配合漏地報警器說明來做，用電流鉗形表挨個測量排查哪塊有漏地。

日常維護中，首先是每天必須檢查的系統診斷、通訊診斷、回路診斷以及邏輯程序中的系統點報警是否觸發；其次是在工程師站看不到的系統部件的機柜間檢查，包括輔助柜回路開關電源的檢查，CPU顯示屏的翻頁觀看有無fault，機柜風扇運轉情況及機柜間空調運轉情況等；再者是一些定期維護項目，包括定期程序備份，定期系統及開關電源電壓測量，定期地線檢查，定期檢查更換BKM電池等。

3.4 AI卡件整卡的點位故障，電源插頭松動

日常生產中，若發生系統成片聯鎖或者報警，必然是卡件方面的故障居多。首先是看系統診斷，是否是卡件硬件故障，若不是則最常見的是回路供電缺失。一般情況，設計都是一塊卡的回路供電是一起串起來，共用保險絲；其次，也發生過卡件FTA板供電電源插頭松動。若電源沒有問題，或者診斷發現是卡件硬件有故障，冗余的卡件則可支持在線直接更換。若是非冗余配置，則在工藝允許的情況下更換卡件，一般非冗余的卡件是局部聯鎖，更換卡件僅影響當前卡件所涉及到的聯鎖。

3.5 BKM報警

電池電量低，拆卡時候小心，不要碰觸CPU，且不允許有強制點，因為BKM是單卡配置時，拆卡時會復位掉所有強制點。因為在更換電池時，首先要做的是辦作業票且通知工藝，作業期間禁止打強制點，更換時也一定要小心，切忌誤動CPU上的鑰匙開關。

4 總結

綜上所述，Safety Manager System系統在設計與維護的過程中要考慮全面，畢竟SIS系統關系著的不僅僅是安全生產，更和環境息息相關。以上是Safety Manager在己內酰胺生產的應用與維護心得，隨著SIS技術的發展，選型設計與維護經驗也在不斷跟著規范變化，不能一葉而知秋，要不斷地學習，不斷地進步。