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    前言 故障安全控制系統(tǒng)

    隨著安全標(biāo)準(zhǔn)的推出以及企業(yè)對(duì)安全系統(tǒng)重視度的不斷升級(jí)，2003年3月，中石化股份公司九江分公司對(duì)I套催化原設(shè)計(jì)在DCS中的聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行了改造，根據(jù)裝置高溫高壓高轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)和安全水平必須達(dá)到IEC（國際電工組織）提出的SIL3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，選取了美國Honeywell公司的FAIL SAFE CONTROL（FSC）系統(tǒng)，由它執(zhí)行安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制部分代替原來在DCS中執(zhí)行的聯(lián)鎖內(nèi)容，按照規(guī)范將安全聯(lián)鎖系統(tǒng)獨(dú)立出來，以確保人身和設(shè)備的安全。該系統(tǒng)硬件基于雙重化結(jié)構(gòu)，軟硬件均通過IEC的IEC61508認(rèn)證。

    1  故障安全控制系統(tǒng)配置

    1.1 硬件組成

    I套催化故障安全控制系統(tǒng)硬件主要由PC機(jī)和FSC機(jī)柜組成，核心部分是FSC。系統(tǒng)配置如圖1所示。

                        

                       圖1 系統(tǒng)配置圖

    PC機(jī)：選用1臺(tái)DELL工作站作為該裝置的工程師站、SOE（Sequence of Event）站兼操作站，采用多串行口卡與FSC機(jī)柜中的COM卡件進(jìn)行通訊，工作站作為工程師站可以進(jìn)行數(shù)據(jù)庫修改、組態(tài)、功能邏輯圖修改、設(shè)置參數(shù)及系統(tǒng)維護(hù)和操作功能；作為SOE站可以查詢實(shí)時(shí)操作記錄和歷史記錄、做檢索和報(bào)表；作為操作站可以通過高速的SOE和動(dòng)態(tài)流程畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)、打印。

    輔操臺(tái)：在操作室操作站的旁邊是系統(tǒng)的輔操臺(tái)，上面安裝著一些硬手操開關(guān)及指示燈，開關(guān)主要有3類，即：
? 停機(jī)開關(guān)
? 允許啟動(dòng)開關(guān)
? 置位開關(guān)

    停機(jī)開關(guān)都是兩位式開關(guān)，允許開關(guān)和置位開關(guān)是回復(fù)式開關(guān)，即將開關(guān)打到“置位”或“允許啟動(dòng)”的位置后松開，它會(huì)自動(dòng)彈回來。要啟動(dòng)機(jī)組等設(shè)備，停機(jī)開關(guān)必須置于“正常”位置；設(shè)備開起來之后，若因工藝條件造成聯(lián)鎖停車，當(dāng)工藝狀況恢復(fù)開機(jī)條件后，必須置位才能將設(shè)備開起來。

    輔操臺(tái)上所有開關(guān)的使用，由主風(fēng)機(jī)生產(chǎn)工藝人員根據(jù)生產(chǎn)情況使用。

    FSC機(jī)柜：采用的是中央控制元件（Central Part）全冗余，I/O模件部分冗余的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成該安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。CP是FSC系統(tǒng)的核心部分,每個(gè)Central Part（簡稱CP）中都有一個(gè)VBD，和一條垂直總線V-Bus，用于控制所有I/O模件，一個(gè)VBD可以控制10個(gè)I/O rack，即I/O卡籠，各I/O rack由HBD控制H-BUS通訊。控制器和重要I/O雙冗余的結(jié)構(gòu)，可以保證當(dāng)一個(gè)CP或I/O卡故障時(shí)，另一個(gè)CP或I/O繼續(xù)工作，從而保證系統(tǒng)的連續(xù)操作。FSC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

                      
 
                        圖2 FSC101R系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    硬件配置：采用FSC101Ｒ系統(tǒng)，系統(tǒng)主要硬件配置及功能見表1。

    表1 系統(tǒng)主要硬件配置及功能

               
                
               

    根據(jù)輸入／輸出點(diǎn)的分配情況和冗余配置原則，所有聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)中的所有狀態(tài)輸入點(diǎn)(DI)通過FTA-T-21端子板進(jìn)入冗余的DI模件；4～20mA模擬信號(hào)（AI）經(jīng)過齊納式安全柵后進(jìn)入FTA-T-14端子板，再進(jìn)入冗余的AI卡；雙冗余的DO模件通過FTA-T-02端子板后輸出到現(xiàn)場(chǎng)各閥門，或輸出到中間繼電器到現(xiàn)場(chǎng)電磁閥、泵及電氣；單冗余的DO模件通過FTA-T-03端子板后輸出到輔助操作臺(tái)報(bào)警指示燈，整套系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)如表2所示：

    表2 I催FSC聯(lián)鎖輸入／輸出點(diǎn)的分配情況

               

    1.2通訊設(shè)置

    I套催化故障安全系統(tǒng)PC機(jī)與FSC機(jī)柜采用串行口通信方式，上位機(jī)通訊硬件為多串口卡（2－PORT RS232/422/485 PCI HOST ADAPTER），串口端采用RS485接口、帶屏蔽雙絞通信線以提高干擾、帶負(fù)載能力及增加通信距離，下位機(jī)兩個(gè)CP中央控制單元共4塊相互冗余的COM模件，每一塊COM模件提供2個(gè)接口，負(fù)責(zé)完成兩個(gè)冗余CP之間、FSC與PC機(jī)之間、FSC與本特利3500之間的通訊。

    FSC系統(tǒng)通訊設(shè)置如表3所示：

    表3 FSC系統(tǒng)通訊設(shè)置

               

    PC機(jī)通訊口設(shè)置如表4所示：

    表4 PC通訊設(shè)置

                     

    兩個(gè)CP之間的通訊在系統(tǒng)集成時(shí)固定為兩個(gè)CP中的COM1模件的A口，用戶不得修改；

    系統(tǒng)中的一臺(tái)PC機(jī)，既擔(dān)任工程師站、SOE站又擔(dān)任操作員站，工程師站和SOE站由Honeywell公司提供的FSC Navigator 和FSC SOE軟件完成組態(tài)、維護(hù)、實(shí)時(shí)歷史記錄，兩軟件與FSC通訊連接：PC機(jī)COM4口與FSC的兩個(gè)CP的COM1（2塊COM模件中的第1塊）模件的B口相連，組態(tài)定義其采用Development SYS協(xié)議RS485接口完成通訊連接；
操作員站由INTELLUTION公司提供的Intellution IFIX2.6軟件組態(tài)完成動(dòng)態(tài)聯(lián)鎖畫面、報(bào)警畫面，IFIX與FSC的通訊連接：PC機(jī)的COM3口和FSC兩個(gè)CP中的COM2模件的A口相連，組態(tài)定義采用Modbus 協(xié)議RS485接口完成通訊連接。

    FSC與本特利3500之間的通訊預(yù)留由FSC機(jī)柜中兩個(gè)CP中COM2模件的B口與本特利通訊網(wǎng)關(guān)模塊相連完成，組態(tài)定義采用本特利內(nèi)華達(dá)開發(fā)的協(xié)議RS232接口完成通訊連接。

    1.3 軟件實(shí)現(xiàn)

    系統(tǒng)組態(tài)軟件由上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控軟件Intellution IFIX2.6和下位機(jī)FSC編程軟件包組成，均運(yùn)行在Windows2000環(huán)境下，使用方便靈活。

    Intellution IFIX2.6工程組態(tài)軟件是由美國INTELLUTION公司開發(fā)的基于WINDOWS環(huán)境下、數(shù)據(jù)采集和控制的大型應(yīng)用軟件，它集控制技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身，包含動(dòng)態(tài)顯示、報(bào)警、趨勢(shì)、控制策略、控制網(wǎng)絡(luò)通信等組件，提供一個(gè)友好的用戶界面。在IFIX中從過程硬件獲取數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)成為一個(gè)SCADA服務(wù)器，采用分布式結(jié)構(gòu)傳輸數(shù)據(jù)。組態(tài)時(shí)將所有FLD圖中的通訊點(diǎn)輸入到IFIX數(shù)據(jù)庫中，通過MODBUS協(xié)議從FSC機(jī)柜采集各信號(hào)點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，從而完成主機(jī)自保、裝置自保、備機(jī)小機(jī)、氣壓機(jī)和報(bào)警顯示等5幅動(dòng)態(tài)聯(lián)鎖畫面的顯示，方便工藝人員了解當(dāng)前聯(lián)鎖情況。

    FSC軟件包由FSC Navigator 和FSC SOE組成。

    FSC Navigator主要進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)、邏輯圖設(shè)計(jì)和系統(tǒng)維護(hù)工作：組態(tài)FSC參數(shù)及其屬性定義、應(yīng)用FLDs建立邏輯控制程序、將應(yīng)用程序編譯成FSC處理器可識(shí)別的代碼，并檢測(cè)在組態(tài)和設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的錯(cuò)誤；診斷系統(tǒng)，監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)；強(qiáng)制FSC參數(shù)以切斷控制回路，以便進(jìn)行程序測(cè)試或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的維護(hù)。

    FSC SOE完成系統(tǒng)的事件順序記錄功能，I/O卡件通過HBUS和VBUS給中央控制單元提供事件順序能力，在每次掃描期間，控制單元檢查所有指定變量的狀態(tài)改變。當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，控制器將變量的當(dāng)前狀態(tài)和時(shí)間協(xié)簽存儲(chǔ)在緩沖區(qū)內(nèi)，以便組態(tài)提取事件順序。SOE的識(shí)別時(shí)間間隔為≤1ms，SOE的事件記錄存儲(chǔ)高達(dá)20萬條，可實(shí)時(shí)存貯在硬盤中，并可通過打印機(jī)打印出來。

    2 邏輯控制功能

    2．1 邏輯功能

    故障安全控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序通過功能邏輯圖來實(shí)現(xiàn)，功能邏輯圖簡稱FLD，系統(tǒng)提供大量的邏輯、算術(shù)、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、PID等運(yùn)算模塊，用戶可根據(jù)設(shè)計(jì)需要，選擇相應(yīng)的I/O符號(hào)，直接使用與、或、非的邏輯圖的方式實(shí)現(xiàn)用戶的邏輯功能，此外，用戶還可以用系統(tǒng)自帶的Function Block模塊定義需要的功能塊，以子程序的形式在其他程序中調(diào)用，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的邏輯控制。I催FSC系統(tǒng)中定義了RS觸發(fā)器、溫壓補(bǔ)償、延時(shí)計(jì)數(shù)器、二取二、三取二等邏輯功能塊，多次在其他的子邏輯中得到調(diào)用。

    以RS觸發(fā)器和三取二子程序?yàn)槔倪壿嫻δ軌KFB900、FB930結(jié)構(gòu)如圖3及圖4所示：

                         

                      圖3 RS觸發(fā)器功能塊FB900

    RS觸發(fā)器子程序的功能是：對(duì)于A和B這2個(gè)條件輸入點(diǎn)，產(chǎn)生的結(jié)果輸出值C用矩陣表說明如表5所示:

    表5 FCCU RS觸發(fā)器矩陣表

                      

                     

                         圖4 三取二功能塊FB930

    三取二子程序的功能是：當(dāng)3個(gè)報(bào)警輸入點(diǎn)中，只有一個(gè)發(fā)生報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出三取一報(bào)警；若有2個(gè)以上發(fā)生報(bào)警，而又沒有置旁通，則系統(tǒng)聯(lián)鎖，如果置旁通了，則系統(tǒng)發(fā)出三取二報(bào)警。

    2．2 自保邏輯的實(shí)現(xiàn)

    I 催組態(tài)邏輯圖共38張，主要完成主風(fēng)機(jī)的開停車聯(lián)鎖及機(jī)組部份的聯(lián)鎖與控制，各子邏輯包括：蠟油自保、兩器差壓自保、總進(jìn)料閥自保、外取熱器自保、小風(fēng)機(jī)自保、備機(jī)自保、主風(fēng)低流量自保、逆流自保、主機(jī)停機(jī)自保、主機(jī)啟動(dòng)自保、FSC系統(tǒng)報(bào)警、氣壓機(jī)啟動(dòng)、氣壓機(jī)自保等13部分。邏輯輸入為開關(guān)量和模擬量，重要的信號(hào)還經(jīng)過“三取二”或“二取二”表決。“安全運(yùn)行”和“停車”邏輯設(shè)計(jì)為故障安全型，即系統(tǒng)正常帶電、事故失電。各機(jī)組自保之間、機(jī)組自保與裝置自保之間互有聯(lián)系，構(gòu)成既獨(dú)立又關(guān)聯(lián)的自保邏輯系統(tǒng)。

　 以氣壓機(jī)自保為例的FSC系統(tǒng)功能邏輯圖如圖5所示：

               

                              圖5 氣壓機(jī)自保功能邏輯圖

    圖5中，左邊為邏輯輸入，中間為邏輯部分，右邊邏輯輸出。PDT4002潤滑油壓力低低（≤0.15MPa）；XT4003汽輪機(jī)位移高高（≥0.8mm）；ST4002/ST4003汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速高高（≥9044rpm）；PS4001A/B/C潤滑油總管壓力低低（≤0.1MPa）；XT4001A/B壓縮機(jī)位移高高（≥0.7mm）；HY4001緊急停機(jī)；HY4002緊急停機(jī)復(fù)位；HY4003現(xiàn)場(chǎng)緊急停機(jī)；LAMP4002允許啟動(dòng)至現(xiàn)場(chǎng)指示燈；SV451防喘振電磁閥；SV4001/SV4002氣輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電磁閥；FB930是三取二功能塊；FB900是RS觸發(fā)器功能塊。組態(tài)中必須保證所有信號(hào)線都與各邏輯塊緊密連接。I/O符號(hào)為紅色，表示該I/O信號(hào)為有硬接線的信號(hào)，符號(hào)為黑色，則表示該點(diǎn)為通訊點(diǎn)，即“LOC”為“COM”的軟點(diǎn)。

    FLD的在線畫面中，信號(hào)線實(shí)線表示“ON”，虛線表示“OFF”。I/O點(diǎn)旁邊的紅色“H”或“L”字母，表示該點(diǎn)被強(qiáng)制了，對(duì)于輸入點(diǎn)，字母表示的是被強(qiáng)制前的狀態(tài)，即現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)狀態(tài)；對(duì)于輸出點(diǎn)，字母表示發(fā)出的強(qiáng)制信號(hào)。

    系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行起來之后，在FSC上位機(jī)上根據(jù)獨(dú)立的WINDOWS程序FSCSOE進(jìn)行在線監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，所有組態(tài)過SER功能的點(diǎn)記錄下的事件記錄輸出到FSCSOE的數(shù)據(jù)表中，由點(diǎn)類型、位號(hào)、服務(wù)設(shè)備、點(diǎn)狀態(tài)、事件發(fā)生的日期、事件發(fā)生的時(shí)間等字段構(gòu)成的數(shù)據(jù)表將故障狀態(tài)及故障恢復(fù)狀態(tài)即時(shí)反應(yīng)在屏幕上，為及時(shí)地排除故障提供了詳細(xì)的信息，有效地保證了整套裝置的安全運(yùn)行。

    3 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)用體會(huì)

    1） 當(dāng)模件出現(xiàn)故障需要更換時(shí)，應(yīng)注意有些模件可以帶電插拔，而有些則是嚴(yán)禁帶電插拔的，在條件允許的情況下，最好都先斷電再插拔，以減少意外故障的發(fā)生。
    2） 當(dāng)DBM模件上的信息顯示燈閃爍時(shí)，表明系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，這時(shí)在SOE的畫面中也將看到出現(xiàn)紅色報(bào)警信息，并伴有聲音報(bào)警。撥動(dòng)DBM上的按鈕可以查看到故障模件所在的位置及故障類型等故障信息，上位機(jī)可通過Extended Diagnostics進(jìn)入在線診斷畫面，系統(tǒng)將顯示故障信息及錯(cuò)誤代碼。
    3） 裝置系統(tǒng)采用2004D系統(tǒng)，由2套獨(dú)立并行運(yùn)行系統(tǒng)組成，當(dāng)系統(tǒng)自診斷發(fā)現(xiàn)1個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，CPU將強(qiáng)制其失效，確保其輸出的正確性。安全輸出模塊中的SMOD功能（輔助去磁方法）確保在2套系統(tǒng)同時(shí)故障或電源故障時(shí)系統(tǒng)輸出1個(gè)故障安全信號(hào)，1個(gè)輸出電路實(shí)際上通過4個(gè)輸出電路和自診斷功能實(shí)現(xiàn)，這樣確保了FSC的高可靠性、高安全性和高實(shí)用性。

    4 結(jié)束語

    FSC自投用以來，利用了組態(tài)軟件強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理和圖形表現(xiàn)的能力，融合了較先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和軟件技術(shù)，具有可靠性高、操作簡單、維護(hù)容易等特點(diǎn)。表現(xiàn)出了它強(qiáng)大的安全穩(wěn)定的控制能力和通訊功能，為裝置事故狀態(tài)下的安全提供了保證。