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作者簡介：孟慶麗（1976-）， 女 ,黑龍江人，本科，工程師，現從事儀表技術工作。
摘 要：該文主要介紹了FSC系統的特點、系統的構成及FSC系統在苯酚丙酮裝置的應用，并以氧化單元氧化反應溫度聯鎖為例詳細說明了聯鎖停車的實現,列舉了自該系統運行以來出現的兩個聯鎖停車實例。該系統應用簡便，運行穩定可靠，性能良好，滿足化工生產裝置的需要。
關鍵詞：FSC；氧化；氧化塔；聯鎖；設定值
Abstract：This paper mainly introduces the characteristics of the FSC system，the system composition and the FSC system in the application of Phenol and Acetone，and to oxidation unit oxidation reaction temperature detailed description of the interlock as an example the realization of parking，citing the two running instances of interlocking parking.The system application is simple，stable and reliable operation，good performance to meet the needs of chemical production equipment
Key words：FSC；oxidation；oxidation tower；interlock；settings
1 前言
苯酚丙酮裝置生產具有高溫、易爆、易燃等特點，為了確保裝置安全穩定運行，在生產過程中，可以通過采用緊急停車系統（ESD：Emergency Shut Down）確保在生產過程發生異常時使裝置的生產過程回到安全狀態。所謂緊急停車系統（ESD），是對生產裝置可能發生的危險或不采取措施將繼續惡化的狀態進行響應和保護，使生產裝置進入一個預定的安全停車工況，從而使危險降低到最低程度，以保證人員、設備、生產和裝置或工廠周邊社區安全的系統。FSC是Fail Safe Control故障安全控制系統的縮寫，是美國HONEYWELL公司推出的ESD系統。該系統符合安全標準DIN V 19250 AK1-6級和IEC 61508 SIL1-3級。其主要特點是：采用雙重冗余技術,FSC系統的雙重冗余不同于一般的DCS系統，它的兩個CP是同時獨立工作的，只相互監視運行狀態不進行數據交換；在過程安全時間間隔內進行邏輯回路故障診斷和系統自診斷。作為安全生產的最后一道防線，其I/O掃描率較高（一般為幾十毫秒），可靠性安全性更高，主要處理開關量信號，進行邏輯運算。系統根據采自生產過程的工藝參數，判斷生產過程的運行狀態，當生產過程發生異常或故障時,其以比DCS快幾十倍的速度自動進行處理，避免事故的發生或把事故異常造成的損失控制在最小限度。FSC是基于高度自診斷的、微處理器技術的硬件容錯系統，該系統連續監測其硬件，通過自診斷程序能診斷出系統內部部件的故障，并消除潛在的隱患，使系統可靠性增強。FSC支持在線監視、程序在線修改。具有安全控制、串行通訊、系統診斷、故障報警、實時記錄和歷史記錄查詢等功能。其高度的自診斷功能確保FSC能在過程安全時間內發揮作用，由于FSC系統具有上述特點，2003年燕山石化苯酚裝置擴建，采用了此系統作為聯鎖停車保護系統，自投用以來，FSC系統確保了苯酚丙酮裝置的安全生產。
2 FSC系統構成及工作原理
苯酚裝置FSC系統硬件主要由PC機和FSC機柜組成，核心部分是FSC控制站。PC機提供軟、硬件組態和SOE事件的實時記錄和歷史記錄查詢等功能；FSC控制站則進行安全控制、串行通訊、系統診斷和故障報警等。系統配置如圖1所示。
圖1 系統配置圖
PC機選用1臺DELL計算機作為該裝置的工程師站、SOE（Sequence of Event）站兼作FIX操作站，采用串行口與FSC機柜中的COM卡進行通訊。
工程師站運行的NAVIGATER在線邏輯監控軟件主要通過通訊來完成FSC系統的硬件、數據庫、控制邏輯等組態、下裝、在線修改、在線檢測、離線測試及系統維護等功能。在線狀態監測和輸入輸出強制功能使維護更加方便直觀。FSC系統的連續自診斷功能使其對自身軟硬件及現場設備做出診斷，以獲得有效信息，確保工廠安全連續生產。同時將這些診斷信息通過FSC瀏覽器提供給顯示畫面。通過診斷，FSC系統使維護工程師能夠有效迅速地定位并解決故障，減少故障率，降低對工廠產生的危害。NAVIGATER軟件允許用戶將FSC系統中的控制程序與FSC用戶工作站中的應用數據庫做比較。這種特性將保證FSC運行程序與FSC用戶工作站的程序一致。
FSC系統的事件順序記錄功能由PC機上的SOE軟件實現。FSC系統自身具有事件順序記錄（SER）功能，可以將最近發生的200個事件順序記錄到自身的緩存中，而SOE事件記錄軟件通過與FSC系統的通訊把緩存中的事件記錄讀入計算機并允許用戶查閱、檢索等。SOE事件記錄軟件通過對事件發生的歷史順序進行記錄，時間精度高，事件記錄以FSC程序運行周期為準，分辨率在300Ms左右，完全可以滿足需要。一旦程序開始執行，FSC系統檢查所有定義的過程變量的狀態，一旦任何過程變量發生變化，系統的時間緩沖區就會記錄下此事件，這些事件對分析聯鎖停車事故極為有利，可以快速地分析出引起故障的原因，最大限度地減少停車事件，提高生產效益。
操作員站安裝的是FIX監控軟件，利用此軟件進行聯鎖流程畫面繪制、數據庫、報警點等的組態，通過MODBUS協議與FSC系統進行通訊。作為操作站工藝員可以對流程畫面進行實時監控。
輔操臺在操作室操作站旁是系統的輔操臺，上面安裝著一些硬手操開關。開關主要有三類：停機開關、允許啟動開關、置位開關。
停機開關式是兩位式開關，允許開關和置位開關是復合式開關，即將開關打到“置位”或“允許啟動”的位置后松開，它會自動彈回。要啟動一些帶聯鎖的設備必須置開關于“開”位置，設備開啟之后如因工藝條件造成聯鎖停車，只有當工藝條件具備并將必須置位的開關打到允許設備開的位置才能正常開車。
苯酚FSC系統機柜采用FSC-1002D配置。即冗余的中央控制器、部分冗余，部分單個的I/O模塊配置方式。結構如圖2所示。
CP（中央控制器部分）是模塊化的微處理器系統，是FSC系統的核心部分。每個CP都由CPU、通訊口（COM）、WATCHDOG 和I/O通信接口等組成。每個CP上都有一個VBD和一條V-Bus,用于控制所有I/O模件。一個VBD可以控制10個I/Orack,即I/O卡籠。每個I/O卡籠由HBD控制H-BUS通訊。CP從現場讀入數據，按照邏輯圖中組態的控制程序執行，并將執行結果傳輸到輸出模塊，并且對FSC硬件做連續的測試，確保系統安全可靠。冗余的CP之間通過專門的通訊線路保持同步，并將兩個CP的輸出結果進行內部校驗，以保證邏輯關系的正確性。當其中一套CP發生故障時，不會影響到另一套，自動切換到另一套CP,切換過程實現0延時切換，也就不會影響生產過程。同時雙CP結構在對組態進行修改時，分別在一套CP 上進行，不會影響裝置的運行。
圖2 FSC系統結構
3 FSC系統的通訊端口設置
FSC系統具有強大的通訊功能，可以支持冗余CP之間的通訊，FSC與FSC之間的通訊；與組態維護PC之間的通訊及與TPS系統的通訊等。
每個CP最多可容納4個通訊模塊，卡的序號由左向右排放。每塊卡上有兩個通訊端口，可根據用戶需要配備RS485，RS422，RS232等不同接口。8條通訊線路，可以單獨運行，也可以通過通訊線路與具有標準通訊接口的系統/設備通訊。在苯酚裝置FSC系統中，共設置了三塊通訊卡COM1、COM2、COM3，每塊卡上有A、B兩個通訊口。
3.1 FSC系統內部通訊
RS-422通訊口通訊卡1（COM1）A通訊口，作為冗余CP間的通訊端口（冗余CP間通訊必須用RS-422通訊口，且為第一塊卡第一個口）保持冗余CP間同步，并將兩個CP的輸出結果進行內部校驗，以保證邏輯關系的正確性。
3.2 FSC系統與PC機之間的通訊
這臺PC機上有三個COM口分別對應如下通訊口，進而建立了工程師站、FIX站、SOE站與FSC控制柜之間的通訊。
RS-232通訊口 通訊卡1（COM1）B通訊口
RS-485通訊口 通訊卡2（COM2）A通訊口
RS-232通訊口 通訊卡2（COM2）B通訊口
3.3 與HONEYWELL TPS系統之間的通訊
FSC系統可以通過通訊卡SMM掛在UCN網上，成為UCN網上的節點，也可以RS-233/485通訊方式通過HPM上的SM卡（串行通訊卡）將數據傳送到TPS系統中。
在本系統中通過10008/2/通訊卡（COM3）利用UCN電纜與HONEYWELL TPS系統建立起通訊。
4 應用
4.1 氧化塔聯鎖的實現
氧化工段是苯酚丙酮生產中的一個很重要的環節。氧化反應的目的是以一個合適的速度和最高的效率來合成CHP(異丙苯)，而異丙苯的氧化是典型的鏈式，自催化反應，產品過氧化氫異丙苯是其引發劑，它的存在使反應在一定條件下產生加快的趨勢，而過快的反應會帶來安全隱患，其中最大的威脅就是氧化塔的溫度過高將引起爆炸，因此工藝要求每個氧化塔都設有四級溫度報警聯鎖。一級報警提醒操作人員注意。當溫度進入二級報警時聯鎖系統啟動，將自動關閉循環冷卻器旁路調節閥和加熱蒸汽調節閥，使系統有足夠的冷循環物料進入氧化塔以降低氧化塔的溫度，使其回到正常溫度。當溫度進入三級報警時，聯鎖系統將自動關閉進料控制閥，停止異丙苯、空氣進料；如果溫度繼續上升達到氧化塔四級聯鎖溫度，氧化塔將自動泄壓，同時將事故激冷水直接注入氧化塔，阻止氧化的繼續進行，并使氧化塔的溫度迅速降低到65℃以下，從而達到裝置的安全聯鎖停車。
氧化單元溫度工藝參數見表1所示。
表1
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氧化塔 |
PT-1 |
PT-2 |
PT-3 |
PT-4 |
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一級報警溫度℃ |
106 |
104 |
101 |
99 |
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二級報警溫度℃ |
110 |
108 |
106 |
104 |
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三級報警溫度℃ |
113 |
111 |
109 |
107 |
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四級報警溫度℃ |
116 |
114 |
112 |
110 |
氧化塔PT-1的聯鎖：TT3105A、TT3106A、TT3107A分別是氧化塔PT-1的上部、中部、下部的三個溫度，當其中任一溫度超過106℃時，氧化塔PT-1就產生溫度高報警。
TT3101、TT3102、TT3103是氧化塔PT-1的上部、中部、下部的三個溫度，TY3104B是一個高選器，TSHH3104是二級溫度聯鎖設定值。TV3104是氧化塔PT-1的冷卻器旁路調節閥，故障關（FC），即聯鎖時此閥關閉；FV3110是氧化塔PT-1循環至冷卻器調節閥，故障開（FO），即聯鎖時此閥打開；XV3110是氧化塔PT-1冷卻器蒸汽切斷閥，故障關（FC），即聯鎖時此閥關閉。三個溫度點通過高選器輸出其中最高的溫度值。正常條件下，三個溫度都應低于二級溫度聯鎖設定值110℃，此時，TSHH3104輸出為1。當三個溫度中有任一個高于設定值110℃時，通過高選器輸出后在與設定值比較輸出0，這時閥開始動作：TV3104關閉、FV3110打開、XV3110關閉。切斷蒸汽加熱，達到使溫度降低的目的。
二級溫度聯鎖FLD圖如圖4所示。
圖4 二級溫度聯鎖FLD圖
相對于二級溫度聯鎖，氧化塔的三級溫度聯鎖相對復雜，且只要有一個塔的一個溫度超過各自的三級溫度聯鎖設定值，整個氧化塔就停車（PT-1、PT-2、PT-3、PT-4都停）。其FLD圖如圖5所示。 
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TT3105A、TT3106A、TT3107A分別是氧化塔PT-1的上、中、下三個溫度，TT3205A、TT3206A、TT3207A分別是氧化塔PT-2上、中、下三個溫度，每個溫度點都要與設定值進行比較，正常條件下，每個設定值比較器輸出值都是1，經過與門（AND）輸出1。FV303是氧化塔PT-3進料調節閥，氣開閥；LV3400是氧化塔PT-4液位調節閥,氣開閥；LV3100是氧化塔PT-1液位調節閥,氣開閥；LV3200是氧化塔PT-4液位調節閥,氣開閥；XV3102是氧化塔PT-1進料切斷閥,氣開閥; XV3202是氧化塔PT-2進料切斷閥,氣開閥; XV3302是氧化塔PT-3進料切斷閥,氣開閥; XV3402是氧化塔PT-1進料切斷閥,氣開閥;XV3000是氧化進料加熱器蒸汽切斷閥，氣開閥。當有任一溫度高于設定值時，經過比較器輸出0，聯鎖，FV303、LV3400、LV3100、LV3200、XV3102、XV3203、XV3302、XV3402、XV3000關閉，整個氧化單元停車。
氧化塔PT-3、PT-4三級溫度聯鎖設定值與PT-1、PT-2不同，分別是109℃、107℃。
氧化塔如果達到四級聯鎖溫度，氧化塔就要注入激冷水，使其溫度迅速降下來。
以氧化塔PT-1來說，TT3105B、TT3106B、TT3107B分別是氧化塔PT-1的上、中、下三個溫度點，當有任一溫度值超過四級溫度聯所設定值116℃時，氧化塔PT-1的塔頂激冷水切斷閥XV3103自動打開，向塔內注入激冷水使其溫度迅速降低確保安全，避免氧化塔發生惡性事故。
4.2 氧化塔循環泵聯鎖的實現
以氧化塔循環泵聯鎖系統為例，當氧化塔循環流量低時會導致循環泵停泵，反之，當循環泵停泵時也會導致氧化塔循環流量低，兩個條件互為因果，互相影響。這樣，當系統聯鎖發生時，判斷分析出哪一個條件是導致聯鎖產生的原因就是十分重要的。
如：2004年3月3日1點25分，PP-9E泵停止運轉，工藝人員現場啟動PP-9F泵，但無法啟動，最終導致氧化系統聯鎖停車。
PP-9E、PP-9F泵聯鎖停條件如下：
（1） FT3310、FT3311A、FT3311B三個流量中有兩個低于90m3/h。（當FT3310、FT3311A、FT3311B三個流量中有兩個低于90m3/h后10分鐘，氧化停車）；
（2）XV3301開度小于90%（ZSO3301為0）；
（3）TT3310、TT3311高于116℃。
PP-9E、PP-9F泵可以啟動條件如下：
（1）XV3301開度大于90%（ZSO3301為1）；
（2）手動復位HS-3311；
（3）復位30秒內，啟動泵，使FT3310、FT3311A、FT3311B三個流量中至少有兩個高于90m3/h。（如果在30秒后，FT3310、FT3311A、FT3311B三個流量中不能有兩個高于90m3/h，則啟動失敗）。
經事后分析檢查FSC系統的SOE事件記錄和FIX的報警事件記錄發現：1點25分FT3110、FT3311A、FT3311B流量分別降至87.94m3/h、71.54m3/h、70.20m3/h，低于FT3310、FT3311A、FT3311B的聯鎖設定值90m3/h，經聯鎖邏輯延時20秒后，產生報警FALL-3311信號，同時送往電氣的停泵信號SPP-9E，SPP-9F聯鎖停泵。10分鐘后，1點35分氧化聯鎖停車。1點44分，送往電氣的停泵信號SPP-9E、SPP-9F恢復，判斷是因為工藝人員手動復位HS-3311。30秒后，由于FT3310、FT3311A、FT3311B的流量并未恢復，送往電氣的停泵信號SPP-9E、SPP-9F再次聯鎖停泵。1點45分，SPP-9E、SPP-9F再次恢復，判斷是因為工藝人員再次手動復位HS-3311。30秒后，FT3310、FT3311A、FT3311B的流量仍未恢復，送往電氣的停泵信號SPP-9E、SPP-9F再次聯鎖停泵。1點47分，SPP-9E、SPP-9F再次復位，26秒后，FT3110、FT3311A、FT3311B流量分別提升至278.71m3/h，289.97m3/h，295.50m3/h，報警信號FALL-3311恢復正常。此后，系統恢復正常。在此期間，ZSO3301、TT3310、TT3311信號均無異常變化的記錄。
由以上記錄分析，1點25分FT3110、FT3311A、FT3311B流量下降低于聯鎖值90m3/h，因而送往電氣的停泵信號SPP-9E、SPP-9F聯鎖，導致工藝人員現場無法啟動PP-9F泵。雖然工藝人員后來兩次手動復位啟動泵，但由于FT3110、FT3311A、FT3311B流量都未能及時達到聯鎖要求，使啟動失敗，直到第三次復位啟動才成功。因此，此次聯鎖發生原因是由于FT3110、FT3311A、FT3311B流量低于聯鎖值造成的，因為FT3110、FT3311A、FT3311B測量的是同一點的流量，且為三選二邏輯，并且由于后來FT3110、FT3311A、FT3311B流量又都能夠恢復正常值，故可以認為現場測量儀表沒有故障，1點25分循環流量下降的原因是由于工藝條件不具備造成的。
通過這一事例可見，通過對SOE事件記錄等歷史記錄的分析對于判斷這種有互鎖關系的邏輯事件發生的原因是極有幫助。
此外，SOE事件記錄軟件記錄的是開關量輸入輸出點的變化，利用NAVIGATER軟件的在線邏輯實時監控功能和FIX軟件歷史數據可以完成對一些中間變量和模擬量的變化的監控分析。
4.3 苯酚裝置I-3聯鎖事故過程
7月26日23時55分，苯酚裝置氧化溫度超高觸發I-3聯鎖，造成聯鎖的事故過程和事故分析如下：
（1）事故過程
2007年7月26日23時55分，苯酚裝置I-3聯鎖被觸發，造成氧化、提濃和分解工段停車；經儀表值班人員檢查SOE記錄和聯鎖邏輯，發現氧化三塔TT3307A氧化塔底下部溫度超過109℃三級聯鎖值造成系統I-3聯鎖觸發。
（2）處理經過及分析
從DCS流程畫面上看該點溫度顯示為-2.8℃。其它溫度點包括一點兩取的溫度點TT3307B均在94℃左右。去現場對溫度TT3307A/B一點兩取的熱電偶（T型）進行端子檢查，無松動和進水生銹的情況。并且對其雙只熱電偶進行毫伏值測量，均為2.82mV，對應溫度值為94℃左右。拆除信號線，在信號線上加載4～20mA電流信號，室內FSC及DCS上溫度顯示均在0～150℃間對應變化。現懷疑溫度變送器存在問題。拆除溫度變送器，從車間庫房取得一個新的溫度變送器，進行調校，并且安裝。溫度指示正常其值為94.41℃。
對下線的溫變進行檢查，在溫變上加載一只熱電偶并用RS275進行通訊，RS275通訊顯示無任何故障。串進電流表，其電流值指示也正常。在DCS的歷史局勢畫面上看，在26日23點58分有一個向上的跳變的過程，其峰值將近103℃左右，已經達到報警值，但歷史局勢沒有記錄到觸發聯鎖值109℃的溫度值，（在瞬間DCS沒有采集到這個峰值）隨即下落到-2.8℃。直到更換一個新溫變之后溫度值恢復正常。
對原TT3307A溫變經過三天的試驗測試觀察，捕捉到一個突然向上的峰值。所以本次事故的主要原因，終于塵埃落定。解除了FSC系統存在隱患的顧慮。
5 應用體會
（1）SOE軟件要打開，SOE事件記錄要定期導出，也可以在SOE中設置每個星期自動導出，如果不導出，事件過多就會淹沒以前的事件不便于查詢。
（2）若出現聯鎖停車事故，SOE記錄所有引起FSC系統參數的改變，可以通過SOE事件記錄、FIX操作站參數歷史趨勢結合FSC聯鎖邏輯圖很容易分析出引起系統停車的原因，以此采取相應措施處理故障以及避免類似情況的發生。
（3）在FSC系統運行期間盡量不要把CP中強制鎖打到強制擋，如果需要進行強制要及時解除，如沒有及時解除在機柜門做好標識，以免有人誤操作把強制鎖打到不強制位置而解除了強制，這將有可能造成聯鎖停車事故。
（4）每日巡檢要進行自診斷以便及時發現存在的隱患。
6 總結
FSC系統自使用以來，大大提高了聯鎖安全系統的可靠性，通過各種在線通訊軟件的使用，對生產裝置中的聯鎖量信息進行實時采集和記錄，在PC機上顯示，實現了過程控制與信息管理的有機結合,有利于工藝人員對整個生產流程的控制操作，方便了儀表維修人員對聯鎖故障的分析處理，提高了對聯鎖故障處理的效率。從而可以及時解決出現的問題，降低安全設備的安裝成本，減少為符合安全標準的所需成本，提供更具生產效率的工具，改進工廠的生產效率。整套安全管理方案可大大降低故障率，減少或避免非故障停車，增加生產線的運作時間。幫助工廠實現安全管理，降低安全維護費用，提高工廠的生產效率及利潤。
——轉自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號