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王彥君（1974-）

男，漢族，畢業(yè)于齊齊哈爾輕工學(xué)院生產(chǎn)過程自動(dòng)化專業(yè)，中級(jí)工程師，現(xiàn)任七臺(tái)河寶泰隆煤化工有限公司儀表工程師。


摘要：ESD系統(tǒng)是化工生產(chǎn)裝置的自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。它可以防止由于生產(chǎn)工藝故障或其他一些事故對(duì)工藝設(shè)備、生產(chǎn)系統(tǒng)、操作人員的損害，保證生產(chǎn)能夠安全地運(yùn)行。本文針對(duì)黑龍江寶泰隆公司煤焦油加氫裝置ESD系統(tǒng)，介紹了美國Triconex公司緊急停車控制系統(tǒng)ESD(Emergency Shutdown Device)的硬件、軟件結(jié)構(gòu)，闡明了利用ESD實(shí)現(xiàn)煤焦油加氫裝置的自保聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的方法。

關(guān)鍵詞：ESD；DCS；緊急停車系統(tǒng)；備泵自啟動(dòng)；故障安全型；旁路

Abstract: ESD system is the automatic protection system in the chemical 
production devices. It can prevent process equipment, production systems and 
operators when malfunction or some other accidents happen in production, and 
ensure safety production. In this article, concerning the ESD system of coal 
tar hydrogenation device in Baotailong coal chemical Co. in Heilongjiang Province,
 we introduces the hardware and software configuration of ESD (Emergency Shutdown Device)
 of Triconex Co. in USA., The self-protection and interlock method of coal tar hydrogenation device by utilizing 
ESD system are also described.

Key words: ESD; DCS; Emergency Shutdown Device; Self-Operation of Spare Pumps; 
Fail-Safe Type; Bypass

1  前言

    近年來，由于設(shè)備的大型化、高參數(shù)(高溫、高壓)和快速反應(yīng)，對(duì)保護(hù)設(shè)備安全、人身安全、防止事故發(fā)生造成環(huán)境污染以及便于維護(hù)修復(fù)等提出了更高要求。

    七臺(tái)河寶泰隆煤化工有限公司10萬噸/年煤焦油加氫裝置，是國內(nèi)首家高溫高壓煤焦油加氫，該裝置工藝條件苛刻，主要表現(xiàn)在反應(yīng)溫度高，壓力高，純氫環(huán)境，所以對(duì)于安全要求很高。工作人員采用了“DCS+ESD”模式，即工藝過程控制采用DCS，對(duì)生產(chǎn)裝置及機(jī)組緊急聯(lián)鎖停車系統(tǒng)選用了美國Triconex公司的Trident三重化控制系統(tǒng)，即ESD。

    緊急停車系統(tǒng)ESD，對(duì)化工生產(chǎn)裝置或不采取措施將繼續(xù)惡化的狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的保護(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，以保證人員、設(shè)備、生產(chǎn)和裝置的安全。ESD是適用于高溫、高壓、易燃、易爆等連續(xù)性生產(chǎn)裝置的安全保護(hù)系統(tǒng)，為提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，安全平穩(wěn)、長周期地連續(xù)生產(chǎn)是至關(guān)重要的。“該動(dòng)則動(dòng)，不該動(dòng)則一定不動(dòng)”是ESD的明顯特征。

    當(dāng)然一般安全聯(lián)鎖保護(hù)功能也可由DCS來實(shí)現(xiàn)。那么為何要獨(dú)立設(shè)置ESD系統(tǒng)呢？因?yàn)橛捎谳^大規(guī)模的緊急停車系統(tǒng)應(yīng)按照安全獨(dú)立原則與DCS分開設(shè)置，這樣做主要有以下幾方面原因： 

    （1）降低控制功能和安全功能同時(shí)失效的概率，當(dāng)維護(hù)DCS部分故障時(shí)也不會(huì)危及安全保護(hù)系統(tǒng)；

    （2）對(duì)于大型裝置或旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備而言，緊急停車系統(tǒng)響應(yīng)速度越快越好。這有利于保護(hù)設(shè)備，避免事故擴(kuò)大，并有利于分辨事故原因記錄。而DCS處理大量過程監(jiān)測(cè)信息，因此其響應(yīng)速度難以作得很快； 

    （3）DCS系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)，是動(dòng)態(tài)的，需要人工頻繁的干預(yù)，這有可能引起人為誤動(dòng)作，而ESD是靜態(tài)的，不需要人為干預(yù)，這樣設(shè)置ESD可以避免人為誤動(dòng)作。

2  ESD系統(tǒng)介紹 

Trident 是美國Triconex公司開發(fā)的一種以微處理器為核心，由高可靠性硬件組成，具有高速處理能力、強(qiáng)大的控制功能以及方便、靈活的組態(tài)編程功能的邏輯與過程控制系統(tǒng)，能夠方便的與DCS通訊。性能如表1所示。

     表1   Trident性能表

     Trident

     CPU：主處理器為 MPC860A 32位浮點(diǎn)處理器, 主頻50 MHZ.

     內(nèi)分布存為：6MB (Flash-EPROM)

                 16M（DRAM user program）

                 16M (communication)

     該處理器在處理較復(fù)雜的運(yùn)算和模擬量較多的情況下仍可保持較快的掃描時(shí)間（通常為50ms內(nèi)）。

     系統(tǒng)共有3塊主處理器卡，每塊卡含2個(gè)處理器MPC860A。

     I/0 卡：所有I/O卡均含有微處理器，可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

     冗余結(jié)構(gòu)：完全透明三重化冗余容錯(cuò)。

     SOE：由于I/O卡和主處理器上的專用的通信處理器，SOE分辨率可達(dá)毫秒級(jí)

     可應(yīng)用性：單點(diǎn)故障不會(huì)導(dǎo)致停車且故障不會(huì)擴(kuò)散。

2.1 硬件配置及功能說明

    SOE站及操作站：選用2臺(tái)DELL工作站作為該裝置的SOE站及操作站，SOE站可以離線和在線組態(tài)、修改、設(shè)置參數(shù)及系統(tǒng)維護(hù)和操作功能，并可以查看歷史數(shù)據(jù)。

    控制器及I/O卡：選用3塊MPC860A 32控制器和若干模擬量輸入卡件、開關(guān)量輸入輸出卡件組成該控制系統(tǒng)，每種類型I/O卡件具備三重化冗余容錯(cuò)功能，同時(shí)卡件具備對(duì)故障和信號(hào)出錯(cuò)的鑒別及處理功能，所有I/O卡件還具備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開路及短路等故障的鑒別及處理功能，每種類型卡件均能在線熱插拔和更換，I/O通道利用P+F隔離柵與現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)隔離。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

                                               圖1   系統(tǒng)總圖 

    TRICON ESD最顯著的特點(diǎn)是硬件實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能和三重化模塊冗余結(jié)構(gòu)，TRICON所有輸入和輸出模塊與3個(gè)隔離的I/O通信總線相接，每個(gè)模塊由3個(gè)主處理模塊中的一個(gè)來控制。現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)通過輸入模塊上的隔離電路濾波和分離，變成3個(gè)相同的信號(hào)處理路徑，每個(gè)路徑由微控制器協(xié)調(diào)處理、測(cè)試和向?qū)?yīng)的主處理器報(bào)告狀態(tài)；每個(gè)微處理器通過隔離的只讀高速鏈路與另外兩個(gè)“鄰居”通信，輸入、輸出和診斷狀態(tài)信息至少每次掃描有一次同步，如果任何一個(gè)支路出現(xiàn)故障，表決器會(huì)自動(dòng)屏蔽從故障支路來的信號(hào)，通過使用“3中取2”軟件表決，使存儲(chǔ)器內(nèi)關(guān)于系統(tǒng)目前狀態(tài)的圖像相互聯(lián)系并進(jìn)行糾正，然后執(zhí)行編程的聯(lián)鎖邏輯，把響應(yīng)的輸出設(shè)置在所需狀態(tài)，將輸出到現(xiàn)場(chǎng)終端上。如圖2、圖3所示。

                                   圖2   信號(hào)傳輸圖



圖3

                         圖4   壓縮機(jī)組的聯(lián)鎖保護(hù)控制邏輯功能塊

                                        圖5   備用油泵的自啟動(dòng)

                            圖6   加氫裝置的開停車聯(lián)鎖邏輯功能塊

                                  圖7   自動(dòng)報(bào)警邏輯功能塊


2.2 ESD系統(tǒng)軟件 

    Triconex公司為每套ESD系統(tǒng)都提供了基于Windows的系統(tǒng)組態(tài)軟件TriStation 1131，該軟件裝在工程師站中，用戶可以利用它進(jìn)行系統(tǒng)硬件配置、定義輸入/輸出點(diǎn)，還可以通過調(diào)用各種功能模塊進(jìn)行控制程序組態(tài)。用戶的組態(tài)程序經(jīng)過編譯后再下裝到TRICON控制器的主處理器中執(zhí)行。該軟件還具有硬件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視和仿真功能，可以用來做系統(tǒng)硬件的故障診斷、在線維護(hù)以及控制程序的調(diào)試和模擬試驗(yàn)。

    操作站中的監(jiān)控軟件采用的是工控軟件InTouch 。該軟件功能豐富強(qiáng)大，可以進(jìn)行工藝圖表組態(tài)，繪制工藝流程圖畫面、控制回路的調(diào)節(jié)畫面、PID參數(shù)整定畫面，建立控制組畫面、趨勢(shì)組畫面和報(bào)警畫面等。

3  ESD系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

    七臺(tái)河寶泰隆煤化工有限公司煤焦油加氫項(xiàng)目采用的美國Triconex公司緊急停車控制系統(tǒng)Trident。

    該ESD系統(tǒng)主要完成以下控制功能：

    （1）SOE 功能；

    （2）與DCS的通訊功能；

    （3）壓縮機(jī)組的聯(lián)鎖保護(hù)控制；

    （4）加氫裝置的開停車聯(lián)鎖。

3.1  SOE功能

    系統(tǒng)帶有SOE功能，I/O卡件給控制器提供事件順序能力，在每次掃描期間，控制器檢查所指定的被稱為事件的離散變量的狀態(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)時(shí)間為不少于12個(gè)月，并可實(shí)時(shí)存貯在硬盤的歷史中，并可通過打印機(jī)打印出來。

3.2  通訊功能

    控制器與DCS通過RS-485接口與DCS系統(tǒng)進(jìn)行通訊，通過系統(tǒng)組態(tài)，將部分有用的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給DCS，方便車間操作人員通過DCS監(jiān)視大型機(jī)組的運(yùn)行狀況。

3.3  壓縮機(jī)組的聯(lián)鎖保護(hù)控制

    這里以七臺(tái)河寶泰隆煤化工有限公司循環(huán)氫壓縮機(jī)為例，循環(huán)氫壓縮機(jī)控制包括主副油泵的自啟動(dòng)切換，潤滑油壓力三取二邏輯聯(lián)鎖控制，軸溫度、電機(jī)溫度等等的聯(lián)鎖保護(hù)，以及啟動(dòng)停車聯(lián)鎖條件等；并在中控室設(shè)有輔助操作臺(tái)裝有該機(jī)組啟動(dòng)允許、急停按鈕、運(yùn)行指示燈等；其部分邏輯功能塊如圖4所示。壓縮機(jī)的允許啟動(dòng)，只有啟動(dòng)條件全部滿足，才能啟動(dòng)壓縮機(jī)。

    備用油泵的自啟動(dòng)：兩臺(tái)油泵互為主輔，當(dāng)潤滑油壓力低時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)備用油泵，壓力達(dá)到一定值后，原主油泵自動(dòng)停止，備用油泵此時(shí)作為主油泵。如圖5所示。

3.4  加氫裝置的開停車聯(lián)鎖

    加氫裝置的開停車聯(lián)鎖，具有高可靠性的實(shí)時(shí)故障診斷控制系統(tǒng)和完整的過程控制聯(lián)鎖功能，使系統(tǒng)采用有效的安全措施將加氫生產(chǎn)過程的事故損失降到最低或避免發(fā)生生產(chǎn)安全事故。該裝置組態(tài)包括：裝置生產(chǎn)過程聯(lián)鎖部分、裝置的緊急停車部分。其部分邏輯功能塊如下，如圖6所示。

    特別說明的是，現(xiàn)場(chǎng)的快速開關(guān)閥，做為緊急停車的執(zhí)行單元，它的可靠性至關(guān)重要，開關(guān)閥有閥門開關(guān)狀態(tài)的反饋回到控制室，但閥門的故障狀態(tài)，控制室的操作人員無法知道，所以，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的情況，筆者編寫了如下程序，如圖7所示，只要閥門開關(guān)有故障，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒操作人員處理。

4  總結(jié)  

    考慮到ESD是做為緊急停車的安全系統(tǒng)，所以設(shè)計(jì)上全部采用故障安全型。為了儀表人員的日常維護(hù)方便，在組態(tài)每個(gè)回路中又加入了旁路開關(guān)，使維護(hù)人員處理相關(guān)儀表故障時(shí)，不至于誤停車，當(dāng)然，旁路開關(guān)的旁路切除是有一系列手續(xù)的，不能隨便切除，以免由于ESD未投入而造成事故，通過對(duì)壓縮機(jī)機(jī)組和加氫裝置的控制系統(tǒng)的組態(tài)和調(diào)試，本套系統(tǒng)的軟硬件均能滿足使用要求。