PAC8000安全控制系統(tǒng)SafetyNet在西氣東輸火氣系統(tǒng)中的應用

摘要：

PAC8000控制系統(tǒng)可提供常規(guī)的PLC或DCS控制系統(tǒng)，同時可提供滿足IEC61508和IEC61551標準的、具有SIL2認證的安全控制器和安全IO模塊，具有SIL2認證的安全控制系統(tǒng)又稱之為SafetyNet系統(tǒng)。SafetyNet安全系統(tǒng)采用與PAC8000常規(guī)控制系統(tǒng)相同的系統(tǒng)架構(gòu)，并使用同一個編程平臺，這種方式使得SafeyNet系統(tǒng)的安裝、組態(tài)與編程更為容易與方便，對于要求達到SIL2安全等級要求的火氣控制系統(tǒng)SafetyNet系統(tǒng)性價比更高，系統(tǒng)實施與維護更為方便快捷。

1. 項目背景

西氣東輸陜京2線增輸工程新建榆林壓氣站、陽曲壓氣站、石家莊壓氣站和興縣壓氣站可燃氣/火焰檢測報警系統(tǒng)，由可燃氣探測器、火焰探測器、火災和氣體控制報警系統(tǒng)組成，用于上述壓氣站壓縮機廠房內(nèi)的可燃氣體和火焰的檢測和報警。火氣系統(tǒng)要求實現(xiàn)控制器、網(wǎng)絡和電源冗余，系統(tǒng)安全等級為SIL2，系統(tǒng)設計按照模塊化的設計原理，提供較高的實用性和可靠性。系統(tǒng)具有完善的自診斷功能。系統(tǒng)的組件機架安裝，采用模塊化及插入式的設計。模塊無需特殊工具就能進行更換， 故障部件能夠進行熱插拔更換。

2. SafetyNet控制系統(tǒng)

2.1 總述

SafetyNet控制系統(tǒng)是面向工廠自動化的新一代模塊化開放式安全控制系統(tǒng)，采用先進的安全型RailBus總線構(gòu)架；雙重化的硬件體系結(jié)合全面的冗余容錯技術(shù)和特有的故障安全策略，使得系統(tǒng)可靠性達到99.999%。高速的控制器和大容量內(nèi)存保證系統(tǒng)的執(zhí)行速率和精度。SafetyNet同時提供獲得IEC 61508 SIL2認證的控制模塊，為用戶提供符合安全要求的ESD與F&G控制系統(tǒng)。

2.2 硬件構(gòu)架

底板

采用先進的RailBus總線技術(shù)的控制器底板和I/O模塊底板，每個控制器底板可安裝一對冗余的控制器，一個電源監(jiān)測模塊，同時備有兩個9針的RS485接口，支持MODBUS RTU協(xié)議。每個I/O底板可安裝8個IO模塊，模塊與模塊間相互隔離，支持熱插拔。

主控制器

獲得SIL2認證的 SafetyNet控制器采用IBM PowerPC 266MHz 32位微處理器(等同于Pentium512MHz)，25M內(nèi)存，雙以太網(wǎng)和串行通訊接口，支持API、現(xiàn)場總線、ModBus、HART、點對點通訊以及OPC，可以實現(xiàn)冗余配置，可直接安裝在危險2區(qū)。一個控制器節(jié)點最多可安裝64個I/O模塊，支持在線熱插拔。

I/O模塊

I/O模塊可以根據(jù)現(xiàn)場需要選擇安裝控制室或者現(xiàn)場區(qū)域，通道隔離、監(jiān)測以及LED指示，獲得SIL 2 認證，支持多種信號類型，支持在線熱插拔。模擬量輸入A/D轉(zhuǎn)換分辨率達到16位，模擬量輸出A/D轉(zhuǎn)換分辨率達到12位，能夠?qū)ΜF(xiàn)場回路進行檢測，內(nèi)置輸入變量線性化、工程單位轉(zhuǎn)換、開平方濾波、報警及冷端溫度補償運算功能。

接線端子排

可拆卸，體積小，可選帶回路開關和保險絲，可選無電弧和無火花型接線端子排，特有的鍵鎖設計保證安裝的正確性。可直接用于連接現(xiàn)場信號與IO模塊，節(jié)省了機柜端子排投資。

電源

N+1冗余配置的、采用浮空設計的電源模塊，正常情況下兩塊電源各承擔50%的供電負荷，其中一塊電源出現(xiàn)故障時，另一塊電源承擔100%的負荷。

在這些應用中，SafetyNet的通用平臺很大程度地降低了試車和維護成本，結(jié)合幾個測試工具對控制邏輯進行評估，包括完整性分析器和交叉參照分析器。這些高效率的工具幫助用戶減少開發(fā)IEC61508安全應用程序所需的時間和精力。同時提供信任主機列表(Trusted Host Table)、關鍵切換點(Key Switch)等關鍵安全應用功能。SafetyNet同時提供變量保持功能，系統(tǒng)斷電后程序不丟失，同時可以恢復至斷電前的狀態(tài)。

2.3 軟件

專門針對安全應用開發(fā)的 SafetyNet Workbench是一個完整的項目開發(fā)環(huán)境，可組態(tài)包括儀表索引、控制策略（過程和離散）、靜態(tài)分析、完整性分析、交叉參照分析、過程可視化（操作面板）配置、歷史記錄參數(shù)配置（報警及趨勢記錄）、離線仿真在線下裝和工程管理等多項功能的項目工程，支持IEC61131-3標準中的梯形圖、功能塊和結(jié)構(gòu)化文本編程語言，支持自定義功能塊、函數(shù)功能，并提供加密功能。

2.4 通訊

2個以太網(wǎng)口、4個串行通訊口集成在CPU卡及其底板上，全面支持Modbus TCP以太網(wǎng)通訊協(xié)議、Modbus RTU工業(yè)串行通訊協(xié)議、RS232/422/485串行通訊協(xié)議、HART協(xié)議，以及FF、Profibus現(xiàn)場總線協(xié)議。操作站與控制站能夠冗余通訊，保證了操作系統(tǒng)的安全可靠性，全面采用OPC技術(shù)，為廠級信息管理系統(tǒng)提供了方便的數(shù)據(jù)接口。

MODBUS TCP：連接操作站、工程師站，最大通訊距離依介質(zhì)不同而不同。

MODBUS RTU：連接其它控制設備如PLC等，最大通訊距離依介質(zhì)不同而不同。

HART協(xié)議、FF、ProfiBus現(xiàn)場總線：連接現(xiàn)場儀表以及總線設備。

OPC：連接先進控制與優(yōu)化系統(tǒng)、廠級信息管理系統(tǒng)。

2.5 系統(tǒng)特點

開放性

系統(tǒng)采用符合工業(yè)標準的開放協(xié)議，通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡為國際流行的冗余容錯的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

控制系統(tǒng)的模塊化設計使得用戶很容易搭建一個完整的復雜的系統(tǒng)。擴充靈活，可以實現(xiàn)從小到幾個回路，大到數(shù)千個回路不同規(guī)模的應用。

極強的環(huán)境適應能力

直接安裝于防爆區(qū)域2區(qū)

抗腐蝕等級： ISA SP71.04 G3等級

環(huán)境溫度范圍： -40ºC ~ +70ºC

濕度范圍： 5% ~ 95%相對濕度

抗沖擊：EN60068-2-27，30g

抗振動：EN60068-2-6，5g

高度的可靠性

SafetyNet獲得TüV IEC61508認證，其廣闊的冗余功能可以為您提供多種冗余選項，這些冗余可以包括：

冗余控制器

控制網(wǎng)絡

系統(tǒng)電源

冗余控制器被用于重要控制的應用場合。采用互鎖冗余方式，實現(xiàn)從主控制器到后備控制器的無擾動切換。控制器冗余模型支持在線組態(tài)和在線的硬件更換，冗余控制器之間的共享信息被實時更新，使得冗余系統(tǒng)的應用變得更加簡單。同時支持LAN冗余。每個控制器有兩個獨立的以太網(wǎng)接口，每個接口可以連接到一個獨立的網(wǎng)絡，實現(xiàn)LAN的完全冗余。冗余電源被應用在重要的應用中，當一個電源故障時依然能夠確保系統(tǒng)的連續(xù)運行。

控制器采用對等的通訊方式，控制器之間共享數(shù)據(jù)信息。該能力使得重要的信息可以在現(xiàn)場控制器之間實現(xiàn)有效的共享而不必通過控制室。

功能強大的離線仿真功能，可以在控制程序下裝到控制器之前，在離線狀態(tài)下完成控制策略的功能測試，從而避免對現(xiàn)場的影響，加快控制策略的投用，縮短開車時間。

允許在測試、開車和維護階段進行在線組態(tài)的調(diào)整，從而有效地提高系統(tǒng)開車進度，減少操作停工時間。控制項目工程中的組態(tài)修改也相當簡單，僅需一次性地調(diào)整，數(shù)據(jù)庫及其相連的HMI包括PID控制面板及現(xiàn)場設備圖形符號將被自動更新。

自動生成包括I/O組態(tài)報告、材料表、儀表索引、系統(tǒng)啟動、維護信息及接線圖內(nèi)容的系統(tǒng)文檔。系統(tǒng)制圖自動保持最新的組態(tài)，為您節(jié)省了大量時間。

3. SafetyNet控制系統(tǒng)在西氣東輸陜京2線火氣控制系統(tǒng)中的應用

西氣東輸陜京2線增輸工程榆林壓氣站、陽曲壓氣站、石家莊壓氣站和興縣壓氣站要求每個壓氣站配備一套SIL2等級的冗余配置的火氣控制系統(tǒng)，每個系統(tǒng)有一個工程師站兼操作員站以及SIL2控制系統(tǒng)構(gòu)成，對壓縮機廠房內(nèi)可能的氣體泄漏和火焰進行檢測并報警。通過安裝于現(xiàn)場危險區(qū)域的氣體及火焰探測器探測現(xiàn)場險情，當發(fā)生氣體泄漏或火災時，火災和氣體控制系統(tǒng)進行報警，提醒操作人員采取相應措施。同時將報警信號通過硬接線和通信方式傳輸給站控系統(tǒng)PLC和ESD系統(tǒng)。火災和氣體控制系統(tǒng)將與站控系統(tǒng)PLC采用RS485串行通信方式，通訊協(xié)議為MODBUS-RTU協(xié)議。每個壓氣站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與操作畫面如下：

4.結(jié)束語

針對需要SIL2功能的火氣控制系統(tǒng)應用，SafetyNet控制系統(tǒng)可提供冗余的控制器、網(wǎng)絡系統(tǒng)和電源，同時其安裝、接線、組態(tài)與編程方式繼承了PAC8000控制系統(tǒng)中與DCS系統(tǒng)相同的方法和功能，大大簡化了系統(tǒng)實施與維護，使得系統(tǒng)實施周期更短，系統(tǒng)故障點更少，維護更為方便快捷。