SIMATIC PCS 7 S7-400FH在大連石油的應用

火災及可燃性氣體、有毒氣體監控系統(F&Gs)是一種能為火災探測器供電、接收、顯示和傳遞火災報警等信號，并能對自動消防等裝置發出控制信號的報警裝置系統。在一個火災自動報警系統中，火災探測器是系統的“感覺器官”，隨時監視著周圍環境的情況；而火災報警控制器，則是該系統的“軀體”和“大腦”，是系統的核心。它的主要作用是供給火災探測器高穩定的直流電源；監視連接各火災探測器的傳輸導線有無斷線故障；保證火災探測器長期、穩定、有效地工作。當火災探測器探測到火災后，能接受火災探測器發來的報警信號，迅速、正確地進行轉換和處理，并以聲光報警形式，指示火災發生的具體部位，以便及時采取有效的處理措施。

F&Gs通常具有以下特征。

獨立于其他控制系統；
是一套硬件冗余的系統，單點故障不會導致停車；
能夠帶電熱插拔卡件；
具有全面的在線自診斷并帶有故障報警指示；
系統是故障安全型的,安全等級要求SIL1-SIL3；
具有相當快的掃描時間；
在線修改下裝功能；
在線對點的強制功能；
下裝前的離線仿真及比較功能；
嚴格的版本記錄功能；
具有 SOE 事件順序紀錄功能；

由于故障安全系統與普通PLC 相比具有診斷率高, 可靠性高并符合相應的SIL 等級要求等特點, 因而越來越多的用于F&G，對于所有的安全系統來講都應該受到以下條件的約束：

安全停車 - 一個安全系統應該在其降級的情況下，在超過限定的時間時使其控制的生產過程安全的停下來；
響應時間和掃描時間 - 掃描時間應該低于響應時間的50%；
強制點報警 - 一個安全系統在正常運行時不應該有點被強制，除非有特殊原因，所以，安全系統必須配有點的強制報警；
輸出表決診斷 - 一個安全系統的輸出表決不應該被強制；
主從MODBUS功能 - 關鍵點不能通過 MODBUS 通訊來傳送，MODBUS傳送的那些點都應該是非關鍵點；
點對點通訊 - 點對點通訊可以用來傳送關鍵信號，但是新數據的更新必須在規定時間才有效，此時間通常為生產過程容許時間的 50% ，如果在此時間內無數據更新，接收端應該采取事先約定動作；
隨著電子技術的發展和國際安全標準的更新和完善, 基本過程控制和安全儀表系統(或F&Gs)也由過去的完全相互獨立設置逐步走向相互融合?；具^程控制和安全儀表系統(或F&Gs)通常有三種組合方式

1.傳統的接口方式

基本過程控制系統(BPCS)和安全儀表系統(SIS) (或F&Gs)的硬件和軟件完全相互獨立(控制站,工程師站等),采用通信接口的方式將部分SIS(或F&Gs) 數據傳送到BPCS 的人機界面上顯示。

2.集成的方式

BPCS和SIS(或F&Gs)在控制站層面上完全相互獨立,但采用共用的工程師站進行組態下裝和系統維護,采用公用的人機界面進行數據顯示。

3.共用的方式

一套系統同時滿足基本過程控制和安全控制功能, BPCS和SIS(或F&Gs)在功能上完全相獨立, 硬件和軟件上相對獨立。

SIMATIC S7-400FH可提供以上三種組合方式, 既可以做為獨立的SIS(或F&Gs) 系統使用,通過Modbus, Profibus, Ethernet(OPC)等方式與第三方過程控制系統進行通信,又可以無縫集成到SIMATIC PCS中。

SIMATIC PCS7是基于全集成自動化的現代過程控制系統，其中集成了過程工業所需的連續控制，邏輯，批處理及故障安全的全部功能。根據ARC 的調查報告，SIMATIC PCS 7 符合其CPAS 結構遠景及ISA-88和ISA-95等標準的單一自動化環境。其無縫集成安全儀表系統（SIS）的創新技術，使其成為新一代過程控制系統的典范，其中集成的S7-400FH 安全系統符合IEC 61508(SIL 3)和IEC 61511等國際安全標準，并已廣泛應用于緊急停車系統（ESD）、火災及有毒有害氣體監測和保護系統（F&G,NFPA 72）、燃燒管理系統（BMS NFPA 85）、和關鍵設備控制等。

SIMATIC PCS7的安全集成設計為面向未來的工廠提供了靈活的解決方案?；趦炔縋rofisafe 通信機理，可以將標準功能和故障安全功能集成在一個控制器中，也可以將它們放在不同的控制器中，可以將分布式的I/O模件，包括標準模件和故障安全模件，集成在一個站中，也可以分開安裝和擴展（見圖-1），其中SIS (或F&Gs)功能由SIMATIC S7-400FH實現。

將安全功能集成到SIMATIC PCS 7 過程控制系統中，具有以下優勢：

·共用一個工程組態系統完成標準應用和安全應用

·在SIMATIC PCS 7的安全控制器(AS)中集成安全控制策略

·在SIMATIC PCS 7的操作員站(OS)中，集成有過程值的用戶友好界面

·將帶時間標簽的故障信息，自動集成到過程可視畫面中

·不需要傳統的DCS與 SIS(或F&Gs)之間復雜的數據處理

·節省成本、空間和安裝費用。

過程工業的不允許存在任何安全薄弱環節。為了保護人員、設備及環境，將風險最小化，不僅需要可靠的過程工業的安全技術，安全管理和合格的人員也是安全生命周期(Safety Lifecycle)的必要條件，并保證從規范到執行的全過程的安全要求（見圖-3），SIMATIC PCS7的SIS解決方案中的安全矩陣Safety Matrix（圖-4），提供了從安裝調試到操作和維護以及投運后修改過程的安全生命周期工具。

SIMATIC Safety Matrix 功能簡述:

·用已知的原因/結果方式組態安全 (邏輯)功能，例如，基于過程事件和過程反應來組態

·自動生成相關的STEP®程序

·通過簡易和透明的組態，將故障源降至最低

·安全組態檢閱后，自動產生文檔資料

·無需專門的編程知識，縮短組態時間

·在SIMATIC PCS 7的操作員站上, 自動生成可視化及用戶友好的安全矩陣界面

·自動管理程序的項目版本

·跟蹤修改方便

·進行安全功能的直接修改，具有輕松方便的測試模式，以及旁路、復位和跳過等功能

SIMATIC S7-400FH的冗余容錯性可確保系統運行時最少的非計劃停車，從而使相關的成本最低化，故障安全模塊內置的完全冗余設計及自診斷功能，能對內部及外部的故障進行快速而有效的診斷，其創新的靈活的模塊冗余（FMR）方式，可根據具體要求針對現場儀表和執行裝置進行單模塊、雙模塊和三重化模塊配置，完成安全規范IEC61511中的安全儀表（SIF）功能。

中石油大連石化分公司加工高含硫原油技術改造工程由8套裝置（聯合裝置）構成，這8套裝置（聯合裝置）是：

² 1000X10⁴t/a常減壓蒸餾裝置（含輕烴回收單元、石腦油加氫裝置）

² 300X10⁴t/a渣油加氫脫硫裝置

² 360X10⁴t/a加氫裂化裝置

² 220X10⁴t/a連續重整裝置

² 400X10⁴t/a直餾柴油加氫精制裝置

² 3X9X10⁴t/a硫磺回收裝置

² 2X10X10⁴m³n/h制氫裝置

² 200X10⁴t/a煤、柴油加氫精制裝置

² 公用工程、儲運工程

² 中間罐區

在該工程F&G系統中，F&Gs機柜間分布在不同的地理位置，F&Gs的設置按如下原則：

F&Gs01---管控中心、1000X10⁴t/a常減壓蒸餾裝置（含輕烴回收單元石腦油加氫裝置）、中間罐區、新區管控中心設置一套F&Gs系統。

F&Gs02---220X10⁴t/a連續重整裝置單獨設置一套F&Gs系統。

F&Gs03---360X10⁴t/a加氫裂化裝置和2X10X10⁴m³n/h制氫裝置、400X10⁴t/a直餾柴油加氫精制裝置、200X10⁴t/a煤、柴油加氫精制裝置設置一套F&Gs 系統。

F&Gs04---300X10⁴t/a渣油加氫脫硫裝置、3X9X10⁴t/a硫磺回收裝置（含尾氣處理、酸性水汽提及胺再生）設置一套F&Gs 系統

該項目為了免于火災和有毒，有害，可燃氣體的威脅，保護系統要求很高的可用率和可靠性。系統要求通過在線更換有故障的模件實現高可可用率。各個模件，現場信號線和傳感器的故障都要求通過內置的診斷供能來自動檢測，氣體檢測器的模擬信號都直接與控制器相連。

考慮盡可能節約成本。根據對SIEMENS S系統的了解，我們提供如下方案：

在這個方案中，每個F&Gs系統由以下幾個部分：

· 監視站，安裝在新區管控中心。

· 工程師站，安裝在新區管控中心。

· 故障安全控制器AS417FH，安裝在新區管控中心。

在本方案中采用西門子快速交換式工業以太網(100Mbps)作為連接操作員站、工程師和自動化系統站的系統總線。

快速交換式工業以太網在工業以太網的通信協議基礎上，將通信速率提高到了100Mbps。由于采用了全雙工并行(FDX)通信模式，允許站點同時發送和接收數據，通信速率可提高一倍。SIMATIC NET 在快速以太網上 還采用 了交換技術，利用西門子自行開發的交換機模塊將整個網絡分成若干子網，每個子 網都可以獨立的形成一個數據通信段，可以大大的提高通信效率。由于普通以太網網段上數據通信阻塞的存在，使得實際通信效率只有40%，采用了全雙工并行通信技術和交換技術后，使得網絡通信能力得以充分的利用。

基于控制器AS 417 FH 的故障安全自動化系統（F/FH 系統）將標準運行控制器和安全技術集成在了一個統一的系統之中。該系統已經 TÜV 認證，可以滿足安全要求 SIL 1 至 SIL 3，符合標準 IEC 61508，安全等級 AK1 至 AK 6，符合標準 DIN V 19250/DIN V VDE 0801 以及安全分類 2 至 4 符合標準 EN 954-1。通過各種不同的冗余指令編輯，由用戶在 CFC 中組態的安全功能將在一個 CPU 的不同過程部分執行兩次。有些錯誤可以在繼后的結果比較時識別出來。

SIMATIC S7-400FH 在保證安全性的同時提供多點容錯功能，可最大限度地滿足用戶的可應用性要求，內部開放的Profisafe 通信協議為SIS 系統的數字化和現場總線化的發展奠定了基礎。
　 SIEMENS獨有的反編碼技術故障安全CPU , PROFIsafe 通信, 內置雙處理器的智能故障安全I/O 模件使得由單個CPU, 單路總線和單路I/O 模件構成的單系統即可滿足IEC61508 SIL3 (DIN AK6) 的安全等級要求。

PROFI safe 標準故障安全通信協議是目前世界上唯一通過德國BIA-聯邦勞動安全研究所和TÜV-德國技術監督聯合會認證的故障安全通信協議標準。以SIEMENS 為首的二十五家世界知名企業參予了PROFI safe 應用行規的制訂和產品開發。PROFI safe的誕生 標志著故障安全通信技術的標準化和開放化的歷史性進展, 為不同廠家的故障安全產品( 包括: 控制系統,總線設備, 現場儀表和執行機構等)提供了相同的通信平臺

ET200M分布式I/O站除了具有可靠性高、組態靈活、使用方便、分布安裝及性能價格比高等特點外，更重要的是，它選用了專用的有源背板總線，使得ET200M分布式I/O站的所有模塊都能夠在系統運行過程中可以進行帶電熱插拔。因此，它具有很好的在線維護性。

故障安全I/O模件內置雙路處理器(電路示意圖見下)及診斷電路保證了卡件任何的軟硬件故障均可診斷出來, 診斷率高達99.9%

創新的SIMATIC S7-400FH 及SIMATIC PCS 7 安全集成技術由西門子于1999年推出以來，已在全球范圍的各個行業如石油化工，化工，制藥，電力，冶金，礦業，輕工等取得了廣泛的應用。本文僅對西門子SIMATIC安全集成技術進行了簡要介紹，我們希望隨著用戶對SIEMENS PCS7 FH系統的任知，該系統在中國能夠得到更快的發展。