ESD在聚丙烯裝置上的應用

　　摘要：說明了緊急停車系統（ESD）必須獨立于集散控制系統（DCS）的理由，并結合陜西延長石油（集團）有限責任公司延安煉油廠10萬噸/年聚丙烯生產裝置，介紹了ESD系統的功能及特點，硬件、軟件的組成以及一些輔助功能。應用表明，ESD系統完全達到了控制要求，確保裝置安全生產。
　　1. 概述
　　　　緊急停車系統ESD（Emergency shutdown）是指石油化工生產裝置在開車、停車和生產過程中出現可能危及生產安全，造成重大設備事故，重大經濟損失和人身安全事故時啟動的自動安全保護聯鎖系統。它將采取措施將繼續惡化的狀態進行及時響應和保護，使生產裝置進入一個預定義的安全停車工況，從而使危險降低到可以接受的最低程度。
　　　　隨著計算機技術的發展，ESD系統的設備配置也在不斷的更新換代，由低級到高級，由氣動邏輯到繼電器邏輯，由簡單的繼電器系統到以PLC（programmable logic controller）為主的ESD系統。陜西延長石油（集團）有限責任公司延安煉油廠（以下簡稱延煉）10萬噸/年聚丙烯裝置由中石化工程建設公司（SEI）設計建設，于2005年5月30日試車成功，此項目是延煉從單一燃料型煉油企業向高附加值的燃料化工型過渡的標志性工程，裝置采用國產第二代雙環管液相本體聚合工藝。該裝置集散控制系統DCS（Distributed Control System）選用日本橫河公司的CENTUM—CS3000系統與之配套的ESD系統選用了深圳創為實公司Strongwish的西門子S7-400H雙冗余系統。當生產過程中出現意外波動或緊急情況需要采取某些動作或停車時，該控制系統能準確監測并及時的做出響應，使聚丙烯生產裝置停車在安全水平線上，確保生產裝置和人身的安全。
　　2. 系統的功能及特點
　　　　在化工生產裝置中，處理突發性事故的緊急聯鎖系統是由ESD緊急停車系統來承擔的，然而，ESD緊急停車系統有多種形式。從ESD系統與DCS系統的構成形式來分可分為：（A）DCS與ESD系統一體化；（B）DCS與ESD系統分設控制站；（C）DCS與ESD系統獨立設置。
　　　　上面談到DCS與ESD系統有三種基本構成形式。現從可靠性和安全性角度對其進行分析比較，三種構成形式的計算數據如表1所示。
　　
　　　　

　　可靠度R（t）反映出系統在一個規定的時間周期內執行其指定功能的概率。可由數學式R（t）=e表示，其中λ為每個時間周期內的平均故障概率。λ值越小，R（t）值越大，其可靠性越高。而平均無故障間隔時間MTBF==-1/它反映了兩個故障之間的平均時間周期，其值越大，則安全性越高。
　　　　從表1不難看出C型結構由于DCS控制系統與ESD系統獨立設置，緊急聯鎖信號由ESD聯鎖控制站直接發出，從而使系統的可靠性成倍增長，減少了緊急情況下操作與判斷的失誤，而且其系統的危險性也大大分散了，這對于安全性，可靠性要求相當高的化工生產裝置來說是較為理想的控制、聯鎖組成形式。
　　　　延煉聚丙烯生產裝置中控制系統分為兩部分：用于工藝過程正常生產的操作與監控系統DCS；非正常情況下采用應急步驟與措施的工藝聯鎖系統ESD。這兩部分采用C型結構，也就是說DCS系統于ESD系統是相互獨立設置。在生產過程中，所監測的過程變量超過其安全設定值時，ESD系統即取代過程控制系統進行操作，按預定的安全邏輯順序動作，將過程設置成安全的非正常操做狀態，為了使ESD系統更加可靠穩定的發揮其應有的作用，該系統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構，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架上，確保輸入/出故障不會導致裝置的停車，控制系統S7-400H采用“熱備用”模式的主動冗余原理，并且每塊中央控制器都有一塊容錯功能的CPU 414-4H，一塊PS 407電源模塊。當中央控制單元發生故障時，再將控制權交給備用控制單元。并且在控制權的傳遞過程中，兩個CPU是同步的，這樣使系統可不間斷的連續工作，提高了系統的安全性。
　　3. 系統的實施情況
　　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

　　　　在上位機中，工程師站ES與操作員站OS共用一臺DELL公司的計算機。具體配置P4 2.5 GHz、256 M內存、40 G硬盤、CRT顯示器。在控制柜中硬件配置網絡示意圖如圖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構。
　　
　　

　　圖1 控制站網絡示意圖

　　　　在上位機旁邊設ESD報警操作盤。ESD的輸入輸出狀態在通訊給DCS時也送到ESD報警操作盤，操作員可以更直觀的監視生產安全狀況，必要時可以通過ESD報警操作盤上的控制開關發出緊急停車命令。
　　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，另加載了SIEMENS公司的上位監控組態軟件SIMATIC WINCC 5.0，邏輯編程組態軟件用SIEMENS 公司的STEP7 V5.1，SIMATIC S7-400H組態冗余軟件包，SCL語言軟件包和SOE事件記錄功能軟件。
　　　　SIMATIC WINCC是一種可以簡單快捷的創建人機界面HMI（HUMAN MACHINE INTERFACE）的應用程序，它具有控制生產過程的強大功能，是基于個人計算機的數據采集與監視控制系統SCADA，SCADA系統是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系。它可以對現場運行設備進行監視和控制以實現數據采集，設備控制、測量、參數調節、以及各類信號報警等各項功能，WINCC 具有廣泛的應用和較強的兼容性，它能提供成熟可靠的操作和高效的組態功能，同時具有靈活的伸縮能力。
　　　　STEP 7是一種用于對S7系列PLC的編程組態工具軟件，它具有硬件配置和參數設置、通信組態、編程設置、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能。其先進的指令系統包括繼電器觸點指令，計數器指令，算術和邏輯運算指令，數據轉換和傳送指令，能滿足各種不同的復雜控制要求。S7-400H系列還提供了一些與功能冗余有關的組織塊，例如：OB 70（I/O冗余故障）OB 72（CPU冗余故障）等。
　　3.3 人機界面
　　　　延煉10萬噸/年聚丙烯聚合裝置ESD的系統的人機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和開發工作，也可用于操作員對生產的過程監測；上位機完成組態工作在經過調試以后，直接下裝到控制器PLC中，上位機與兩對冗余的控制器之間采用MPI（Multi Point Interface）多點接口進行通訊。
　　　　輔助儀表盤主要是一些信號的燈光報警和強制開關按鈕，用于在非正常生產情況下緊急手動停車。我廠ESD系統與DCS系統是功能上相互獨立的兩個系統，是聯鎖保護與過程控制之間的關系，非正常操作情況下，在生產裝置各重要工藝點安裝的檢測儀表將報警信號送至中央控制室，在DCS系統上顯示、報警，同時ESD系統將監測到的事故信息以顯著的聲光形式報警，在緊急事故狀態下ESD系統自動啟動，并獨立發出控制信號，控制生產裝置中專門設置的自動保護閥（緊急關斷閥或緊急放空閥），對整個裝置實聯鎖保護或緊急停車。
　　ESD系統與DCS系統的通訊是建立在雙方均支持的Modbus協議上，通過RS-232接口連接，可以在DCS上方便的對ESD 進行監視，DCS的操作站只能用于發送復位信號到PLC，不許進行其它有關停車的動作，操作站的顯示（圖象顯示、報警顯示等）可顯示現場設備的狀態信號。
　　4. 自保聯鎖程序
　　　　延煉聚丙烯ESD聯鎖程序共有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個聯鎖程序，根據工藝的聯鎖要求，ESD以梯形圖形式編制，調試完畢后下裝到控制器PLC中。現以聚丙烯反應管R 201底部緊急排放I 209為例來說明其聯鎖的過程。
　　　　
　　
　　圖2 I 209聯鎖邏輯圖
　　對各輸入/出信號的邏輯狀態說明：
　　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
　　動作原因：
　　1.HS 244S動作；
　　2.PSHH 241（R 201壓力高高）；
　　3.I 010動作（裝置緊急停車）；
　　　　當反應器壓力上升達到4.5MPa時，PAH 241盤面報警，當壓力超過4.6MPa時，PSHH 241 已經動作，PSHH 241動作如下：
　　1. 打開HV 244/1，HV 244/2（反應器下部排料閥）；
　　2. 停P 201泵；
　　3. 給出盤面信號I 209亮（IA 209）；
　　　　當壓力逐漸低于4.6MPa時，PSHH 241消失，可用HS 244R（復位）關閉底部排料閥。盤面設聯鎖旁路鍵HS 245D，注釋：即使壓力低于4.5MPa時，也可用HS 244S“啟動”打開HV 244/1/2。
　　5. 系統的輔助功能
　　5.1 旁路開關
　　　　為了方便維護系統調試和工藝操作特別是開停車的需要，對部分關鍵的信號設置了旁路開關，并且旁路開關占一個輸入點，在邏輯程序中與對應的DI點相“或”實現。這樣在旁路或取消旁路時，可以清楚的觀察到DI點和旁路開關的狀態，避免在執行有關旁路的操作時發生誤操作，造成聯鎖誤動作而導致停車，在系統組態時，將DI設置成安全相關類型的點，旁路開關則設置成非安全相關類型。
　　5.2 SOE事件順序記錄
　　　　ESD通過SOE執行事件記錄功能，能完整記錄本身及生產過程中出現的各種事件，SOE的事件分辨率可以精確到1ms，與DCS的1s的事件分辨率相比，SOE能更好的為操作員提供事件的前后和狀態的變化，有利于事故分析和解決問題。
　　6. ESD系統的投用結果
　　　　ESD系統在投用兩年以來，運行表明，西門子S7-400H雙冗余系統安全達到了系統控制要求，從系統的可靠性、安全性、可維護性以及操作的方便快捷性等方面都滿足了生產的需要，同時它具有較低的掃描周期，進而有精確的SOE功能，特別有利于事故分析。
　　7. 結束語
　　　　聚丙烯的生產具有高溫、高壓、易燃、易爆等特點，裝置生產條件苛刻，對安全要求嚴格。ESD系統在該裝置中的應用確保了生產裝置的安全和可靠運行，使事故發生的幾率降低到最低限度，同時也是聚丙烯生產裝置實現安、穩、長、滿、優運行的可靠保障。