论文部分内容阅读
[摘 要]在石油化工生产过程中，生产工艺十分复杂，条件越来越苛刻，许多产品要求必须在高温，高压的条件下生产，安全的不稳定因素增加。在生产操作控制时，更应考虑增加安全防范措施。紧急联锁停车系统（ESD），用于大型装置的安全联锁保护系统，在石油化工生产过程中显得尤为重要。
[关键词]ESD系统；安全；联锁
中图分类号：TU561 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）45-0248-01
1.ESD系统简介
紧急停车系统ESD（Emergency Shutdown Device）是一种独立于生产过程控制系统，ESD紧急停车系统发展于上世纪90年代，以它的高可靠性和灵活性而受到一致好评，其安全级别高于DCS。在正常情况下，ESD系统处于静态，不需要人为干预。作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。在化工生产过程中，某些关键变量超限幅度较大，如不采取措施将会发生更为严重的事故。此时，通过自动联锁系统，按照事先设计好的逻辑关系动作，自动启动备用设备或自动停车，切断与事故设备有关的各种联系，以免事故的发生或限制事故的发展，防止事故的进一步扩大，保护人身和设备的安全。
2.对二甲苯装置采用ESD系统的必要性
①由于设置独立的ESD系统，从而降低控制功能和安全功能同时失效的概率，当维护DCS部分故障时，也不会危及安全保护系统；
②对于大型化工装置而言，紧急停车系统响应速度越快越好，有利于保护设备，避免事故扩大，还利于分辨事故原因记录；
③DCS系统是过程控制系统，是动态的，需要人工频繁地干预，有可能引起人为误动作，ESD是静态的，不需要人为干预，可以避免人为误动作。
3.对二甲苯装置加热炉联锁保护系统设计
3.1 系统配置
对二甲苯装置加热炉联锁保护系统采用TRICON公司生产的trident 1131系列，控制器采用三重冗余设计，系统包括3个冗余控制器、8个扩展检测控制单元、1台工程师站、1台监控站、2台报警灯屏、以及网络连接设备等，实现所有在线数据监测控制和紧急停车控制。在系统配置中，CPU、电源、通讯网络、冗余I/O均留有余量，充分考虑今后的扩容和升级。
3.2 ESD系统处理过程
由于现场地理位置等因素，操作人员需要在远离装置的中央控制室中监控对二甲苯装置，为了克服信号长距离传输的问题和可能的干扰，网络通讯采用了冗余光纤介质。系统还能通过通讯卡上的RS232口与DCS系统进行通讯，通讯接口采用串行通讯接口RS-232C，通讯协议为Modbus冗余方式。
现场检测器一般采用三个差压变送器，取压根部阀需单独设置，且采用铅封阀，信号接至ESD内进行模拟量3取2表决，保证取样信号的可靠性。其他现场相关一次仪表亦采用三个检测元件，以实现3取2表决。所谓3取2就是当3块表中，有其中任何两个模拟量达到联锁值时，才能实现整套系统联锁动作。采集到的模拟量输入信号在AI模件中被分成隔离的输入三路channelA，channelB，channelC，通过该三路读入过程数据并传送到主处理器MPA，MPB，MPC，3个主处理器利用其专有的高速的三总线（TRIBUS）进行相互通信。每扫描一次，3个主处理器通过通信达到同步，同时进行表决和数据比较，如发现不一致，信号值以3取2表决法取值。通过AI模块上每一个分电路的模拟转换器把模拟量转换成12位的数字量，用32位的协处理器进行处理，每个主处理器采用选取中间值的算法读取正确值，并纠正任何分电路中的偏差，主处理器输出的模拟量信号在AO模块中的模拟输出选择器中进行选择，以确保输出信号的准确。
为实现可靠切断物料，同时又节约投资，采用一台现场联锁调节阀配置两套串联气开电磁阀的方式，电磁阀常励磁常通，失电排气，两个串联电磁阀以确保安全停车。停车条件满足时，由ESD同时发出两个DO联锁信号，以确保安全联锁阀门动作。为及时获得该阀门的故障信息，通过采用HART信号转换器与智能定位器配合，将阀位运行和故障诊断的数字信号，通过HART信号转换器转换成ESD能够接受的4～20mA模拟信号和触点信号，使必要的功能得以实现。再通过DCS和ESD之间的通讯，把电磁阀的状态反映到DCS流程画面上，并同时获得故障诊断信息。调节阀异常和故障诊断报警在DCS内实现。
3.3 逻辑编程设计
对二甲苯装置的联锁逻辑关系是在组态开发软件TriStation1131中来实现的。以F461A/B炉的控制逻辑设计为例，流量FSLL4703A/B/C显示的是被加热工艺介质的流量，同时进入到两个炉中。为3取2逻辑关系，当其任意两点流量低于聯锁值时，便发出一个1的信号，依次往下，通过逻辑块关系最后给电磁阀一个信号（即是否带电），通过逻辑关系，切断电磁阀UV4601和UV4701，UV4602和UV4702，UV4609和UV4709，最后实现联锁停炉。PSLL4715和PSLL4714分别测量两个炉上燃料汽管线上的压力，当压力低于联锁值时，便发出一个1的信号，依次经过一个与门，或门，再与门，最后给电磁阀一个失电信号，就会分别切断电磁阀UV4602和UV4702，UV4609和UV4709起到保护的作用。PSLL4709和PSLL4713分别测量燃料油管线上的压力，当压力低于联锁值时，依照逻辑关系就会切断电磁阀UV4601和UV4701，UV4609和UV4709起到保护的作用。PSHH4705A/B/C/D/E/F显示C461塔顶出口压力，分别为两组3取2逻辑关系，分别控制两个加热炉的联锁，当每组其任意两点流量低于联锁值时，就分别切除每个炉相对应的电磁阀。PDSLL4707和PDSLL4711分别测量两个炉的油汽压差，当压差值低于联锁值时，依照逻辑关系，就会分别切断电磁阀UV4601和UV4701，UV4609和UV4709起到保护的作用。
3.4 ESD系统实际应用
以对二甲苯装置中的加热炉的联锁保护系统为例：操作工可以根据需要来选者加热燃料，正常加热时，操作工可以通过压力来控制阀的开度，来调整最佳状态，当原料流量过低时，流量检测装置L1动作；当炉子出口压力P1过低时，压力检测装置L3动作；当燃料流量过低时，流量检测装置L2动作；以上3个检测装置一个或几个动作时，使得三通电磁阀失电，将来自于气源的压缩空气放空，压力控制P2上的控制信号失效，由于调节阀是气开式，因此，失去信号而关闭，切断燃料，保护了装置。联锁动作以后，不能自动复位，只有经过检查认为危险已经解除后，才可以人工复位，投入运行，以免误动作而造成爆炸事故，R表示现场的复位按钮，BS表示停炉信号。
4.结束语
ESD系统在对二甲苯装置加热炉联锁保护系统中的应用目前使用效果良好，维护量相对较小，并且故障率低，提高了装置的生产操作控制和管理水平，优化了装置的安全平稳运行，取得了良好的经济效益和社会效益。ESD系统的配置，并不是可靠性越高越好，要寻求的是一种最优配置，在达到停车失效等级要求的前提下，合理配置经济实用的系统，才是最终的目的。
参考文献
[1] 蔡夕忠，《化工仪表》.化学工业出版社，2004.6.
[2] 周春晖，《过程控制工程手册》.北京化学工业出版社，1994.6.
[关键词]ESD系统；安全；联锁
中图分类号：TU561 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）45-0248-01
1.ESD系统简介
紧急停车系统ESD（Emergency Shutdown Device）是一种独立于生产过程控制系统，ESD紧急停车系统发展于上世纪90年代，以它的高可靠性和灵活性而受到一致好评，其安全级别高于DCS。在正常情况下，ESD系统处于静态，不需要人为干预。作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。在化工生产过程中，某些关键变量超限幅度较大，如不采取措施将会发生更为严重的事故。此时，通过自动联锁系统，按照事先设计好的逻辑关系动作，自动启动备用设备或自动停车，切断与事故设备有关的各种联系，以免事故的发生或限制事故的发展，防止事故的进一步扩大，保护人身和设备的安全。
2.对二甲苯装置采用ESD系统的必要性
①由于设置独立的ESD系统，从而降低控制功能和安全功能同时失效的概率，当维护DCS部分故障时，也不会危及安全保护系统；
②对于大型化工装置而言，紧急停车系统响应速度越快越好，有利于保护设备，避免事故扩大，还利于分辨事故原因记录；
③DCS系统是过程控制系统，是动态的，需要人工频繁地干预，有可能引起人为误动作，ESD是静态的，不需要人为干预，可以避免人为误动作。
3.对二甲苯装置加热炉联锁保护系统设计
3.1 系统配置
对二甲苯装置加热炉联锁保护系统采用TRICON公司生产的trident 1131系列，控制器采用三重冗余设计，系统包括3个冗余控制器、8个扩展检测控制单元、1台工程师站、1台监控站、2台报警灯屏、以及网络连接设备等，实现所有在线数据监测控制和紧急停车控制。在系统配置中，CPU、电源、通讯网络、冗余I/O均留有余量，充分考虑今后的扩容和升级。
3.2 ESD系统处理过程
由于现场地理位置等因素，操作人员需要在远离装置的中央控制室中监控对二甲苯装置，为了克服信号长距离传输的问题和可能的干扰，网络通讯采用了冗余光纤介质。系统还能通过通讯卡上的RS232口与DCS系统进行通讯，通讯接口采用串行通讯接口RS-232C，通讯协议为Modbus冗余方式。
现场检测器一般采用三个差压变送器，取压根部阀需单独设置，且采用铅封阀，信号接至ESD内进行模拟量3取2表决，保证取样信号的可靠性。其他现场相关一次仪表亦采用三个检测元件，以实现3取2表决。所谓3取2就是当3块表中，有其中任何两个模拟量达到联锁值时，才能实现整套系统联锁动作。采集到的模拟量输入信号在AI模件中被分成隔离的输入三路channelA，channelB，channelC，通过该三路读入过程数据并传送到主处理器MPA，MPB，MPC，3个主处理器利用其专有的高速的三总线（TRIBUS）进行相互通信。每扫描一次，3个主处理器通过通信达到同步，同时进行表决和数据比较，如发现不一致，信号值以3取2表决法取值。通过AI模块上每一个分电路的模拟转换器把模拟量转换成12位的数字量，用32位的协处理器进行处理，每个主处理器采用选取中间值的算法读取正确值，并纠正任何分电路中的偏差，主处理器输出的模拟量信号在AO模块中的模拟输出选择器中进行选择，以确保输出信号的准确。
为实现可靠切断物料，同时又节约投资，采用一台现场联锁调节阀配置两套串联气开电磁阀的方式，电磁阀常励磁常通，失电排气，两个串联电磁阀以确保安全停车。停车条件满足时，由ESD同时发出两个DO联锁信号，以确保安全联锁阀门动作。为及时获得该阀门的故障信息，通过采用HART信号转换器与智能定位器配合，将阀位运行和故障诊断的数字信号，通过HART信号转换器转换成ESD能够接受的4～20mA模拟信号和触点信号，使必要的功能得以实现。再通过DCS和ESD之间的通讯，把电磁阀的状态反映到DCS流程画面上，并同时获得故障诊断信息。调节阀异常和故障诊断报警在DCS内实现。
3.3 逻辑编程设计
对二甲苯装置的联锁逻辑关系是在组态开发软件TriStation1131中来实现的。以F461A/B炉的控制逻辑设计为例，流量FSLL4703A/B/C显示的是被加热工艺介质的流量，同时进入到两个炉中。为3取2逻辑关系，当其任意两点流量低于聯锁值时，便发出一个1的信号，依次往下，通过逻辑块关系最后给电磁阀一个信号（即是否带电），通过逻辑关系，切断电磁阀UV4601和UV4701，UV4602和UV4702，UV4609和UV4709，最后实现联锁停炉。PSLL4715和PSLL4714分别测量两个炉上燃料汽管线上的压力，当压力低于联锁值时，便发出一个1的信号，依次经过一个与门，或门，再与门，最后给电磁阀一个失电信号，就会分别切断电磁阀UV4602和UV4702，UV4609和UV4709起到保护的作用。PSLL4709和PSLL4713分别测量燃料油管线上的压力，当压力低于联锁值时，依照逻辑关系就会切断电磁阀UV4601和UV4701，UV4609和UV4709起到保护的作用。PSHH4705A/B/C/D/E/F显示C461塔顶出口压力，分别为两组3取2逻辑关系，分别控制两个加热炉的联锁，当每组其任意两点流量低于联锁值时，就分别切除每个炉相对应的电磁阀。PDSLL4707和PDSLL4711分别测量两个炉的油汽压差，当压差值低于联锁值时，依照逻辑关系，就会分别切断电磁阀UV4601和UV4701，UV4609和UV4709起到保护的作用。
3.4 ESD系统实际应用
以对二甲苯装置中的加热炉的联锁保护系统为例：操作工可以根据需要来选者加热燃料，正常加热时，操作工可以通过压力来控制阀的开度，来调整最佳状态，当原料流量过低时，流量检测装置L1动作；当炉子出口压力P1过低时，压力检测装置L3动作；当燃料流量过低时，流量检测装置L2动作；以上3个检测装置一个或几个动作时，使得三通电磁阀失电，将来自于气源的压缩空气放空，压力控制P2上的控制信号失效，由于调节阀是气开式，因此，失去信号而关闭，切断燃料，保护了装置。联锁动作以后，不能自动复位，只有经过检查认为危险已经解除后，才可以人工复位，投入运行，以免误动作而造成爆炸事故，R表示现场的复位按钮，BS表示停炉信号。
4.结束语
ESD系统在对二甲苯装置加热炉联锁保护系统中的应用目前使用效果良好，维护量相对较小，并且故障率低，提高了装置的生产操作控制和管理水平，优化了装置的安全平稳运行，取得了良好的经济效益和社会效益。ESD系统的配置，并不是可靠性越高越好，要寻求的是一种最优配置，在达到停车失效等级要求的前提下，合理配置经济实用的系统，才是最终的目的。
参考文献
[1] 蔡夕忠，《化工仪表》.化学工业出版社，2004.6.
[2] 周春晖，《过程控制工程手册》.北京化学工业出版社，1994.6.