ESD在聚丙烯裝置上的應(yīng)用
尚 小 賓
( 陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)有限責(zé)任公司, 陜西 延安 727406 )
摘要：說明了緊急停車系統(tǒng)（ESD）必須獨(dú)立于集散控制系統(tǒng)（DCS）的理由，并結(jié)合陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司延安煉油廠10萬噸/年聚丙烯生產(chǎn)裝置，介紹了ESD系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)，硬件、軟件的組成以及一些輔助功能。應(yīng)用表明，ESD系統(tǒng)完全達(dá)到了控制要求，確保裝置安全生產(chǎn)。
1. 概述
緊急停車系統(tǒng)ESD（Emergency shutdown）是指石油化工生產(chǎn)裝置在開車、停車和生產(chǎn)過程中出現(xiàn)可能危及生產(chǎn)安全，造成重大設(shè)備事故，重大經(jīng)濟(jì)損失和人身安全事故時(shí)啟動(dòng)的自動(dòng)安全保護(hù)聯(lián)鎖系統(tǒng)。它將采取措施將繼續(xù)惡化的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)和保護(hù)，使生產(chǎn)裝置進(jìn)入一個(gè)預(yù)定義的安全停車工況，從而使危險(xiǎn)降低到可以接受的最低程度。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，ESD系統(tǒng)的設(shè)備配置也在不斷的更新?lián)Q代，由低級(jí)到高級(jí)，由氣動(dòng)邏輯到繼電器邏輯，由簡(jiǎn)單的繼電器系統(tǒng)到以PLC（programmable logic controller）為主的ESD系統(tǒng)。陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司延安煉油廠（以下簡(jiǎn)稱延煉）10萬噸/年聚丙烯裝置由中石化工程建設(shè)公司（SEI）設(shè)計(jì)建設(shè)，于2005年5月30日試車成功，此項(xiàng)目是延煉從單一燃料型煉油企業(yè)向高附加值的燃料化工型過渡的標(biāo)志性工程，裝置采用國(guó)產(chǎn)第二代雙環(huán)管液相本體聚合工藝。該裝置集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）選用日本橫河公司的CENTUM—CS3000系統(tǒng)與之配套的ESD系統(tǒng)選用了深圳創(chuàng)為實(shí)公司Strongwish的西門子S7-400H雙冗余系統(tǒng)。當(dāng)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)意外波動(dòng)或緊急情況需要采取某些動(dòng)作或停車時(shí)，該控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)并及時(shí)的做出響應(yīng)，使聚丙烯生產(chǎn)裝置停車在安全水平線上，確保生產(chǎn)裝置和人身的安全。
2. 系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)
在化工生產(chǎn)裝置中，處理突發(fā)性事故的緊急聯(lián)鎖系統(tǒng)是由ESD緊急停車系統(tǒng)來承擔(dān)的，然而，ESD緊急停車系統(tǒng)有多種形式。從ESD系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的構(gòu)成形式來分可分為：（A）DCS與ESD系統(tǒng)一體化；（B）DCS與ESD系統(tǒng)分設(shè)控制站；（C）DCS與ESD系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置。
上面談到DCS與ESD系統(tǒng)有三種基本構(gòu)成形式?，F(xiàn)從可靠性和安全性角度對(duì)其進(jìn)行分析比較，三種構(gòu)成形式的計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。
可靠度R（t）反映出系統(tǒng)在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)執(zhí)行其指定功能的概率?？捎蓴?shù)學(xué)式R（t）=e表示，其中λ為每個(gè)時(shí)間周期內(nèi)的平均故障概率。λ值越小，R（t）值越大，其可靠性越高。而平均無故障間隔時(shí)間MTBF==-1/它反映了兩個(gè)故障之間的平均時(shí)間周期，其值越大，則安全性越高。
從表1不難看出C型結(jié)構(gòu)由于DCS控制系統(tǒng)與ESD系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，緊急聯(lián)鎖信號(hào)由ESD聯(lián)鎖控制站直接發(fā)出，從而使系統(tǒng)的可靠性成倍增長(zhǎng)，減少了緊急情況下操作與判斷的失誤，而且其系統(tǒng)的危險(xiǎn)性也大大分散了，這對(duì)于安全性，可靠性要求相當(dāng)高的化工生產(chǎn)裝置來說是較為理想的控制、聯(lián)鎖組成形式。
延煉聚丙烯生產(chǎn)裝置中控制系統(tǒng)分為兩部分：用于工藝過程正常生產(chǎn)的操作與監(jiān)控系統(tǒng)DCS；非正常情況下采用應(yīng)急步驟與措施的工藝聯(lián)鎖系統(tǒng)ESD。這兩部分采用C型結(jié)構(gòu)，也就是說DCS系統(tǒng)于ESD系統(tǒng)是相互獨(dú)立設(shè)置。在生產(chǎn)過程中，所監(jiān)測(cè)的過程變量超過其安全設(shè)定值時(shí)，ESD系統(tǒng)即取代過程控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，按預(yù)定的安全邏輯順序動(dòng)作，將過程設(shè)置成安全的非正常操做狀態(tài)，為了使ESD系統(tǒng)更加可靠穩(wěn)定的發(fā)揮其應(yīng)有的作用，該系統(tǒng)采用了可編程序控制器PLC，在硬件上全部采用雙重化冗余結(jié)構(gòu)，包括冗余的CPU和雙重化的I/O卡，而且冗余的卡件安裝在不同的機(jī)架上，確保輸入/出故障不會(huì)導(dǎo)致裝置的停車，控制系統(tǒng)S7-400H采用“熱備用”模式的主動(dòng)冗余原理，并且每塊中央控制器都有一塊容錯(cuò)功能的CPU 414-4H，一塊PS 407電源模塊。當(dāng)中央控制單元發(fā)生故障時(shí)，再將控制權(quán)交給備用控制單元。并且在控制權(quán)的傳遞過程中，兩個(gè)CPU是同步的，這樣使系統(tǒng)可不間斷的連續(xù)工作，提高了系統(tǒng)的安全性。
3. 系統(tǒng)的實(shí)施情況
3.1 ESD的硬件配置
ESD中央控制站硬件如表二所示。
表二 硬件配置一覽表 在上位機(jī)中，工程師站ES與操作員站OS共用一臺(tái)DELL公司的計(jì)算機(jī)。具體配置P4 2.5 GHz、256 M內(nèi)存、40 G硬盤、CRT顯示器。在控制柜中硬件配置網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示，其中站1與站2； 站3與站； 站5與站6分別為雙重化冗余結(jié)構(gòu)。
圖1 控制站網(wǎng)絡(luò)示意圖 在上位機(jī)旁邊設(shè)ESD報(bào)警操作盤。ESD的輸入輸出狀態(tài)在通訊給DCS時(shí)也送到ESD報(bào)警操作盤，操作員可以更直觀的監(jiān)視生產(chǎn)安全狀況，必要時(shí)可以通過ESD報(bào)警操作盤上的控制開關(guān)發(fā)出緊急停車命令。
3.2 ESD的軟件配置
操作站采用英文版Windows NT 4.0 作為操作系統(tǒng)，另加載了SIEMENS公司的上位監(jiān)控組態(tài)軟件SIMATIC WINCC 5.0，邏輯編程組態(tài)軟件用SIEMENS 公司的STEP7 V5.1，SIMATIC S7-400H組態(tài)冗余軟件包，SCL語言軟件包和SOE事件記錄功能軟件。
SIMATIC WINCC是一種可以簡(jiǎn)單快捷的創(chuàng)建人機(jī)界面HMI（HUMAN MACHINE INTERFACE）的應(yīng)用程序，它具有控制生產(chǎn)過程的強(qiáng)大功能，是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)SCADA，SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化系。它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)、以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能，WINCC 具有廣泛的應(yīng)用和較強(qiáng)的兼容性，它能提供成熟可靠的操作和高效的組態(tài)功能，同時(shí)具有靈活的伸縮能力。
STEP 7是一種用于對(duì)S7系列PLC的編程組態(tài)工具軟件，它具有硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程設(shè)置、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能。其先進(jìn)的指令系統(tǒng)包括繼電器觸點(diǎn)指令，計(jì)數(shù)器指令，算術(shù)和邏輯運(yùn)算指令，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳送指令，能滿足各種不同的復(fù)雜控制要求。S7-400H系列還提供了一些與功能冗余有關(guān)的組織塊，例如：OB 70（I/O冗余故障）OB 72（CPU冗余故障）等。
3.3 人機(jī)界面
延煉10萬噸/年聚丙烯聚合裝置ESD的系統(tǒng)的人機(jī)界面是由一套專門的上位軟件和儀表盤組成，上位軟件安裝在操作站上，操作站即可用于工程的組態(tài)和開發(fā)工作，也可用于操作員對(duì)生產(chǎn)的過程監(jiān)測(cè)；上位機(jī)完成組態(tài)工作在經(jīng)過調(diào)試以后，直接下裝到控制器PLC中，上位機(jī)與兩對(duì)冗余的控制器之間采用MPI（Multi Point Interface）多點(diǎn)接口進(jìn)行通訊。
輔助儀表盤主要是一些信號(hào)的燈光報(bào)警和強(qiáng)制開關(guān)按鈕，用于在非正常生產(chǎn)情況下緊急手動(dòng)停車。我廠ESD系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)是功能上相互獨(dú)立的兩個(gè)系統(tǒng)，是聯(lián)鎖保護(hù)與過程控制之間的關(guān)系，非正常操作情況下，在生產(chǎn)裝置各重要工藝點(diǎn)安裝的檢測(cè)儀表將報(bào)警信號(hào)送至中央控制室，在DCS系統(tǒng)上顯示、報(bào)警，同時(shí)ESD系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)到的事故信息以顯著的聲光形式報(bào)警，在緊急事故狀態(tài)下ESD系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，并獨(dú)立發(fā)出控制信號(hào)，控制生產(chǎn)裝置中專門設(shè)置的自動(dòng)保護(hù)閥（緊急關(guān)斷閥或緊急放空閥），對(duì)整個(gè)裝置實(shí)聯(lián)鎖保護(hù)或緊急停車。
ESD系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的通訊是建立在雙方均支持的Modbus協(xié)議上，通過RS-232接口連接，可以在DCS上方便的對(duì)ESD 進(jìn)行監(jiān)視，DCS的操作站只能用于發(fā)送復(fù)位信號(hào)到PLC，不許進(jìn)行其它有關(guān)停車的動(dòng)作，操作站的顯示（圖象顯示、報(bào)警顯示等）可顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)。
4. 自保聯(lián)鎖程序
延煉聚丙烯ESD聯(lián)鎖程序共有0單元、1單元、2單元、3單元、5單元、6單元、7單元、七大部分，共63個(gè)聯(lián)鎖程序，根據(jù)工藝的聯(lián)鎖要求，ESD以梯形圖形式編制，調(diào)試完畢后下裝到控制器PLC中?，F(xiàn)以聚丙烯反應(yīng)管R 201底部緊急排放I 209為例來說明其聯(lián)鎖的過程。
圖2 I 209聯(lián)鎖邏輯圖
對(duì)各輸入/出信號(hào)的邏輯狀態(tài)說明：
PSHH 241 0=ALARM 1=NORMAL
HS 244S 0=START 1=NORMAL
HS 245D 0=NO ACT 1=DE ACT
HS 244R 1=RESET（PULSE）
PAHH 241A 0=ALARM 1=NORMAL
IA 209 0=ALARM 1=NORMAL
HY 244/1A 0=OPEN 1=CLOSE
HY 244/1B 0=OPEN 1=CLOSE
HY 244/2A 0=OPEN 1=CLOSE
HY 244/2B 0=OPEN 1=CLOSE
動(dòng)作原因：
1.HS 244S動(dòng)作；
2.PSHH 241（R 201壓力高高）；
3.I 010動(dòng)作（裝置緊急停車）；
當(dāng)反應(yīng)器壓力上升達(dá)到4.5MPa時(shí)，PAH 241盤面報(bào)警，當(dāng)壓力超過4.6MPa時(shí)，PSHH 241 已經(jīng)動(dòng)作，PSHH 241動(dòng)作如下：
1. 打開HV 244/1，HV 244/2（反應(yīng)器下部排料閥）；
2. 停P 201泵；
3. 給出盤面信號(hào)I 209亮（IA 209）；
當(dāng)壓力逐漸低于4.6MPa時(shí)，PSHH 241消失，可用HS 244R（復(fù)位）關(guān)閉底部排料閥。盤面設(shè)聯(lián)鎖旁路鍵HS 245D，注釋：即使壓力低于4.5MPa時(shí)，也可用HS 244S“啟動(dòng)”打開HV 244/1/2。
5. 系統(tǒng)的輔助功能
5.1 旁路開關(guān)
為了方便維護(hù)系統(tǒng)調(diào)試和工藝操作特別是開停車的需要，對(duì)部分關(guān)鍵的信號(hào)設(shè)置了旁路開關(guān)，并且旁路開關(guān)占一個(gè)輸入點(diǎn)，在邏輯程序中與對(duì)應(yīng)的DI點(diǎn)相“或”實(shí)現(xiàn)。這樣在旁路或取消旁路時(shí)，可以清楚的觀察到DI點(diǎn)和旁路開關(guān)的狀態(tài)，避免在執(zhí)行有關(guān)旁路的操作時(shí)發(fā)生誤操作，造成聯(lián)鎖誤動(dòng)作而導(dǎo)致停車，在系統(tǒng)組態(tài)時(shí)，將DI設(shè)置成安全相關(guān)類型的點(diǎn)，旁路開關(guān)則設(shè)置成非安全相關(guān)類型。
5.2 SOE事件順序記錄
ESD通過SOE執(zhí)行事件記錄功能，能完整記錄本身及生產(chǎn)<
