ESD系统在石化公司的应用--刘锋090303

ESD 系统在卡拉玛依石化公司的应用
克拉玛依石化公司 徐永新、丁维中 2006-10 1.前言 1.前言 随着克拉玛依石化公司加工规模不断扩大, 装置处理量也越来越 大以及生产装置的复杂性和危险性不断的增大。 生产装置的密集程度 越来越高,对操作、控制及安全的要求也越来越严格。技术水平的提 高,装置的联合化设置,导致了故障造成的费用损失也非常巨大。因 此,装置在线安全平稳、长周期的连续生产是至关重要的,装置生产 合格的产品、特别是消除重大的、灾难性的故障,保持装置操作和维 护的安全性,紧急停车系统应用而生。紧急停车系统(ESD)被越来 越多的装置所采用。目前,公司生产装置所采用的 ESD 系统是美国 Triconex 公司开发的 TMR-三重化模块冗余结构 TS3000 紧急停车系 统。紧急停车系统,简称 ESD(Emergency Shut Down system) ,是 应用于工业过程的一种安全连锁保护系统, 能够对生产过程中可能发 生的危险或不采取措施将会继续恶化的状态进行迅速地响应和保护 的系统。适用于高温、高压、易燃、易爆等连续性生产装置的安全保 护系统。 2.ESD 系统硬件配置 2.ESD 系统硬件配置 TRICON ESD 是美国 Triconex 公司开发的一种以微处理器为核心, 由高可靠性硬件组成, 具有高速处理能力、 强大的控制功能以及方便、

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灵活的组态编程功能的逻辑与过程控制系统。 其最大的特点是硬件实 现容错功能(Hardware Implemented Fault Tolerance-HIFT)和三 重化模块冗余结构(Triple Modular Redundancy-TMR) 。HIFT 是指 ESD 通过硬件电路而不是复杂的软件算法来实现故障的检测和冗余管 理功能,与软件实现容错相比,它可减少处理器的工作负荷,而使过 程控制功能速度更快,可靠性更高。

TMR(Triple Modular Redundant)是指 ESD 的关键电路均实现 了三重化,每个支路都能独立地完成控制功能,并可与其它两个支路 并行工作。3 个独立支路的输出信号在输出前要经过 3 取 2 表决器表 决,如果任何一个支路出现故障,表决器会自动屏蔽从故障支路来的 信号,而输出经过表决后的正确信号,同时发生故障的模块会被自动 检测出来,可以进行在线修理或更换。确保了 ESD 运行的安全性和可 靠性。图 1 为 TRICON ESD 的三重化硬件冗余结构。 如图 1 所示,现场传感器的输入信号经过接线端子板(ETP)进 入 ESD 的输入模块后,分成 3 个支路,支路彼此之间光电隔离,再通
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过 3 条独立的通信线路 I/O Bus 分别送到 3 个主处理器参与控制程序 运算。主处理器在 TriBus 总线上对信号进行传输表决,保证每一个 主处理器使用同样的数据进行控制运算。当控制程序执行后,主处理 器分别将处理结果输出至输出模块, 在输出模块上再对输出信号进行 3 取 2 表决,以保证输出信号的准确性。最后,输出信号经过接线端 子板输出到现场。 由于 ESD 的每个支路之间是完全隔离的, 任何一条支路出现故障 都不会影响到其它两个支路的工作, 拆卸和更换失效支路内的失效模 件都可以在在线状态下进行,而不必中断系统运行。这样的硬件结构 保证了 TRICON ESD 具有出色的可靠性和安全性。 ESD 系统由主机(控制器控制站) 、工程师站/操作站、操作面板 以及 SOE 打印机组成,系统结构如图 2 所示。 ESD 主机即 TRICON 控制器,包括主处理器卡、输入输出卡、电 源卡、通讯卡等。所有卡件安装在主机架和扩展机架中,这些机架同 电源单元、辅助仪表及接线端子排集成安装于机柜中。 工程师站(操作站)通常选用 DELL 公司的商用 PC 机,机内装有 系统组态软件和监控软件, 兼具仪表工程组态维护和生产过程监控功 能。利用口令登录的方式实现两种操作环境的转换。工程师站配以太 网卡,通过基于 TCP/IP 的标准工业以太网与 ESD 的通讯卡建立双向 数据通讯,用于监控数据和组态数据的上传及下装。 操作面板用于工艺操作及状态指示,上面装有联锁信号的投用/ 切除转换开关,手动操作按钮以及信号状态指示灯,它与 ESD 主机之

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间通过硬线连接实现信号传输。 辅助操作台用于工艺操作及装置状态、 设备操作和设备运行状态 指示,上面装有联锁信号的投用/切除转换开关,手动操作按钮以及 信号状态指示灯,它与 ESD 主机之间通过硬线连接实现信号传输。 SOE(Sequence of Event)事件顺序是指在每次扫描期间,ESD 主处理器检查所指定的,被称为事件的离散变量的状态改变,当一个 事件发生时, 主处理器将变量的当前状态和时间作为 SOE 记录存储在 缓冲区内,SOE 记录由打印机输出或转换为 SOE?LOG 文件存入操作站 的硬盘中。SOE 记录按变量状态改变时间的先后顺序排列,非常有利 于联锁动作后的分析诊断。

3.软件配置 3.软件配置 Triconex 公司为每套 ESD 系统都提供了基于 Windows 的系统组 态软件 TriStation 1131,该软件装在工程师站中,用户可以利用它 进行系统硬件配置、定义输入/输出点,还可以通过调用各种功能模
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块进行控制程序组态。用户的组态程序经过编译后再下装到 TRICON 控制器的主处理器中执行。 该软件还具有硬件运行状态监视和仿真功 能,可以用来做系统硬件的故障诊断、在线维护以及控制程序的调试 和模拟试验。 操作站中的监控软件采用的 INTOUCH 监控软件,它是是英国 Invensys 集团下 Wonderware 公司开发的一个交互式工控软件。该软 件功能丰富,可以进行工艺图表组态,绘制工艺流程图画面、控制回 路的调节画面、PID 参数整定画面,建立控制组画面、趋势组画面和 报警画面等。INTOUCH 还能够与 ESD 实现通讯,ESD 中的数据可以在 INTOUCH 的各种画面中显示,操作人员也可以通过 INTOUCH 修改 ESD 中的部分操作参数,以实现对生产过程的监控。 4.组态应用说明 4.组态应用说明 如图 3 所示,系统通过通讯卡件(NCM)NET1 通讯口将多个控制 器相互连接在一起,控制网络采用 Triconex-proprietary 协议。使 用 NET2 通讯口,采用星形网络结构通过交换机或集线器(HUB)将工 程师站、多个操作员站和控制站通过 Ethernet 网络连接在一起,完 成站与站之间的数据交换。Ethernet 可以连接多个 Ethernet 子网, 形成一种组合结构。1 个控制区域可以连接多个控制站和多个操作站 或工程师站。 工程师站和控制器之间的通讯模式可以采用点对点的通 讯模式,也可以采用广播式通讯模式。

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从硬件网络结构分析,最上层为信息管理网,采用 TCP/IP 协议, 用于工厂级的信息传送和管理; 中间层为过程控制网, 采用双高速冗余工业以太网作为其过程控 制网络,连接操作员站、工程师站与控制站等,传输实时信息; 底层为控制站内部主处理器(Main Processors)网络通讯,采 用高速通讯系统 TriBus 通讯,其通讯速率:375KBit/ms,是控制站各 处理器进行信息交换的通道。 系统性能指标

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在系统规模方面:系统通过过程控制网络 Ethernet 连接系统的 工程师站、 操作员站和控制站, 完成站与站之间的数据交换。 Ethernet 可以连接多个 Ethernet 子网,形成一种组合结构。 在控制站规模方面:每个控制站容量也可以满足一般装置的需 要。它以机笼为单位,一个主机可以扩展到 15 只机笼和 115 个 I/O 卡件。具体是否给卡件配置为冗余方式很灵活。 在系统性能方面:工作环境要求不高、电源性能优越、运行速度 较快、电磁兼容性较高。 在可靠性方面:通过 Ethernet 网络构成分散的控制结构,提高 了系统的可靠性。系统每一块卡件均带有专用微处理器,可以对卡件 进行控制、运算、监测、处理、诊断,使系统的安全性得到了提高。 在软件组态方面:采用 TriStation1131 组态软件,是业界采用 模块化组态的软件,其组态窗口,组态功能全面、简单,非常便于仪 表维护人员学习和掌握。 组态系统(软件应用) :INTOUCH 组态软件为国际上比较流行。 是一个全面支持各种控制方案的组态软件平台。具有全中文显示,界 面友好,易操作的特点。软件操作画面的设计采用主菜单的形式,在 每幅画面下通过按钮进行切换,画面主要有主菜单画面、工艺流程画 面、总貌画面、报表画面、报警画面、历史趋势、组画面等。根据监 测、观察和维护的需要,在每个画面中都设置了按钮,通过鼠标点击 可进入相应画面,主菜单画面中汇总了各个画面的按钮,操作人员根 据维护系统的实际需要可进入各个画面进行监护和操作。 对关键参数

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的修改,采用分级授权制,如果操作人员的访问级别不够,系统拒绝 执行。基于中文 WINDOWS 系列操作系统,大量采用 WINDOWS 的标准控 件,从而使得操作保持了一致性。同时提供了大量在线帮助功能。 5.结束语 5.结束语 紧急停车系统 ESD(Emergency Shut Down system)在经济效益 方面没有明显的体现,其效益主要体现在:保持装置安全平稳、长周 期的连续生产,防止和杜绝生产装置发生重大性的、灾难性的事故, 在人员的安全、健康和装置安全生产方面起到至关重要的作用。 装置在使用紧急停车系统 ESD(Emergency Shut Down system) 后,对装置的操作、控制、维修要求都越来越严格,任何影响到装置 安全的误操作、维修的失误都可能导致装置的停工,在保持装置在线 安全平稳、长周期的连续生产方面起到至关重要的作用。 在人体健康、安全方面对装置消除重大性的、灾难性的故障和在 生产过程中可能发生的危险或不采取措施将会继续恶化的状态进行 迅速地响应和保护。从而给人员的安全、健康带来了有利的保障。 目前, 在克拉玛依石化公司Ⅰ高压加氢、 Ⅱ高压加氢、 催化重整、 45 万吨柴油加氢、90 万吨柴油加氢、12000NM3/h 制氢装置、150 万 吨/延时焦化、80 万吨催化、甲醇厂装置都使用 Triconex 公司开发 的 TMR-三重化模块冗余结构 TS3000 紧急停车系统,效果良好。

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