安全關(guān)斷系統(tǒng)在油氣處理裝置中的應用

王宏濤 鄭 磊

(中國石油玉門油田 a.乍得項目采油廠；b.青西作業(yè)區(qū)聯(lián)合站,甘肅 酒泉 735000)

ROINER油田位于非洲乍得共和國，2011年5月正式投產(chǎn)，為了應對裝置意外事故和突發(fā)的社會安保事件，ROINER油田特別設計使用了兩套安全關(guān)斷被系統(tǒng)(Safety Shutdown System，SSS)，分別安裝在轉(zhuǎn)油站和聯(lián)合站。SSS是能夠?qū)ν话l(fā)意外事件，生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的危險，以及不采取措施將會繼續(xù)惡化的狀態(tài)，迅速響應并關(guān)斷保護的系統(tǒng)，對保證裝置平穩(wěn)且長周期安全生產(chǎn)，特別是消除重大的和災難性的事故，或保證安保時間是至關(guān)重要的。SSS是適用于高溫、高壓、易燃及易爆等連續(xù)性生產(chǎn)裝置的安全保護系統(tǒng)。在此，筆者以中國石油在非洲乍得共和國的ROINER油田建設項目為背景，介紹SSS在油氣處理裝置中的應用，給出其硬件結(jié)構(gòu)與軟件組態(tài)。

1 ROINER油田采油廠控制系統(tǒng)簡介①

如圖1所示，ROINER油田采油廠控制系統(tǒng)由4套RTU、兩套SSS、兩套DCS和一套SCADA構(gòu)成，4套RTU分別安裝在4個計量站(OGM)，兩套SSS和兩套DCS分別安裝在轉(zhuǎn)油站和聯(lián)合站，一套SCADA安裝在聯(lián)合站。控制系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸、生產(chǎn)過程的遠程監(jiān)視與控制，歷史數(shù)據(jù)和報警記錄的實時存儲與打印，生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫和生產(chǎn)報表的自動采集、錄入及生成等功能。在轉(zhuǎn)油站和聯(lián)合站分別安裝了一套SSS，實現(xiàn)整個采油廠的停產(chǎn)(包括停井)一級關(guān)斷，轉(zhuǎn)油站停運和停輸或聯(lián)合站停運和停輸二級關(guān)斷，單體設備緊急停車三級關(guān)斷。

圖1 ROINER油田采油廠控制系統(tǒng)架構(gòu)

2 SSS硬件配置

ROINER油田采油廠轉(zhuǎn)油站和聯(lián)合站的SSS由主機(控制器控制站)、工程師站/操作站、輔操臺和SOE打印機組成，如圖2所示。

圖2 SSS硬件組成框圖

SSS主機即Tricon控制器，包括主處理器卡、輸入/輸出卡、電源卡及通信卡等，所有卡件安裝在主機架和擴展機架中，這些機架同電源單元、輔助儀表和接線端子排集成安裝于機柜中。SSS控制器由高可靠性硬件組成，其特點是容錯功能(Hardware Implemented Fault Tolerance，HIFT)和三重化模塊冗余結(jié)構(gòu)(Triple Modular Redundancy，TMR)。HIFT是通過硬件電路來實現(xiàn)故障的檢測和冗余管理功能的，與軟件實現(xiàn)容錯相比，減少了處理器的工作負荷，使得過程控制功能速度更快，可靠性更高。TMR即SSS的關(guān)鍵電路均實現(xiàn)了三重化，每個支路都能獨立完成控制功能，并能夠與其他兩個支路并行工作。3個獨立支路的輸出信號在輸出前要經(jīng)過三取二表決，如果任何一個支路出現(xiàn)故障，表決器會自動屏蔽從故障支路來的信號并輸出經(jīng)過表決后的正確信號，同時發(fā)生故障的模塊會被自動檢測出來，進行在線修理或更換。確保了SSS運行的安全性和可靠性。Tricon SSS 的三重化硬件容錯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖3所示，現(xiàn)場傳感器的輸入信號經(jīng)過接線端子板(ETP)進入SSS的輸入模塊后，分成3個支路，支路彼此之間進行光電隔離，再通過3條獨立的通信線路I/O Bus分別送到3個主處理器參與控制程序運算。主處理器在TriBus總線上對信號進行傳輸表決，保證每個主處理器使用同樣的數(shù)據(jù)進行控制運算。當控制程序執(zhí)行后，主處理器分別將處理結(jié)果輸出至輸出模塊，在輸出模塊上再對輸出信號進行三取二表決，以保證輸出信號的準確性。最后，輸出信號經(jīng)過接線端子板輸出到現(xiàn)場。由于SSS的每個支路之間是完全隔離的，任何一條支路出現(xiàn)故障都不會影響到其他兩個支路的工作，拆卸和更換失效支路內(nèi)的失效模件都可以在在線狀態(tài)下進行，而不必中斷系統(tǒng)運行。這樣的硬件結(jié)構(gòu)保證了Tricon SSS具有較高的可靠性和安全性。

圖3 SSS控制器的三重化容錯結(jié)構(gòu)

工程師站(操作站)選用工業(yè)PC機，配有系統(tǒng)組態(tài)和監(jiān)控軟件，兼具儀表工程組態(tài)維護和生產(chǎn)過程監(jiān)控功能，并采用口令登錄方式實現(xiàn)兩種操作環(huán)境的轉(zhuǎn)換。工程師站配有以太網(wǎng)卡，通過基于TCP/IP的標準工業(yè)以太網(wǎng)與ESD通信卡建立雙向數(shù)據(jù)通信，用于監(jiān)控和組態(tài)數(shù)據(jù)的上傳和下裝。

輔助操作臺用于緊急關(guān)斷(ESD)和緊急關(guān)斷閥的手動操作，緊急關(guān)斷、火災和可燃氣體運行狀態(tài)指示，輔操臺上裝有SSS邏輯投用/切除轉(zhuǎn)換開關(guān)、手動操作鑰匙開關(guān)和信號狀態(tài)指示燈。輔操臺的操作面板與SSS主機通過硬線連接進行信號傳輸。

事件順序(Sequence of Event，SOE)是指在每次掃描期間，SSS主處理器檢查所指定的，被稱為事件的離散變量的狀態(tài)改變，當一個事件發(fā)生時，主處理器將變量的當前狀態(tài)和時間作為SOE記錄存儲在緩沖區(qū)內(nèi)，SOE記錄由打印機輸出或轉(zhuǎn)換為SOE.LOG文件存儲于操作站硬盤。SOE記錄按變量狀態(tài)改變時間的先后順序排列，這有利于聯(lián)鎖動作后的分析診斷。

3 SSS控制網(wǎng)絡與組態(tài)應用

3.1 SSS控制網(wǎng)絡

如圖4所示，系統(tǒng)通過通信卡件(NCM)NET1通信口將多個控制器連接在一起，控制網(wǎng)絡采用Triconex-proprietary 協(xié)議。使用NET2通信口，采用星形網(wǎng)絡通過交換機或集線器(HUB)將工程師站、多個操作員站和控制站用Ethernet網(wǎng)絡連接在一起，完成站與站之間的數(shù)據(jù)交換。Ethernet可以連接多個Ethernet子網(wǎng)成為組合結(jié)構(gòu)。一個控制區(qū)域可以連接多個控制站和多個操作站或工程師站。工程師站和控制器間采用點對點通信模式，也可以采用廣播式通信模式。

圖4 SSS控制網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖

硬件網(wǎng)絡的最上層為信息管理網(wǎng)，采用TCP/IP協(xié)議，用于工廠級信息的傳送和管理；中間層為過程控制網(wǎng)，采用雙高速冗余工業(yè)以太網(wǎng)作為其過程控制網(wǎng)，連接操作員站、工程師站和控制站，傳輸實時信息；底層為控制站內(nèi)部主處理器(Main Processors)網(wǎng)絡通信，采用高速通信系統(tǒng)TriBus，通信速率375kb/ms，是控制站各處理器進行信息交換的通道。

系統(tǒng)通過過程控制網(wǎng)Ethernet連接工程師站、操作員站和控制站，完成站與站之間的數(shù)據(jù)交換。過程控制網(wǎng)Ethernet可以連接多個Ethernet子網(wǎng)成為組合結(jié)構(gòu)；每個控制站的容量也可以滿足一般裝置的需要，以機籠為單位，一個主機可以擴展到15只機籠和115個I/O卡件。具體是否給卡件配置為冗余方式很靈活；通過Ethernet網(wǎng)絡構(gòu)成分散控制結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)每一塊卡件均帶有專用微處理器，可以對卡件進行控制、運算、監(jiān)測、處理與診斷，使系統(tǒng)的安全性得以提高。

3.2 軟件組態(tài)

每套SSS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，用戶可以利用它進行系統(tǒng)硬件配置、定義輸入/輸出點，還可以調(diào)用各種功能模塊進行控制程序組態(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行狀態(tài)監(jiān)視和仿真功能，可以用來進行系統(tǒng)硬件的故障診斷、在線維護以及控制程序的調(diào)試和模擬試驗。

3.3 人機界面

Intouch組態(tài)軟件具有全中文顯示、界面友好和易于操作的特點。軟件操作畫面的設計采用主菜單形式，在每幅畫面下方設按鈕可以進行切換，主要包括主菜單、工藝流程、總貌、報表、報警、歷史趨勢及組態(tài)等畫面。根據(jù)監(jiān)測、觀察和維護的需要，在每個畫面中都設置有按鈕，通過鼠標點擊即可進入相應畫面，主菜單畫面中匯總了各個畫面的按鈕，操作人員根據(jù)維護系統(tǒng)的實際需要進入各個畫面進行監(jiān)護并操作。對關(guān)鍵參數(shù)的修改，采用分級授權(quán)制，如果操作人員的訪問級別不夠，系統(tǒng)拒絕執(zhí)行?；谥形腤indows系列操作系統(tǒng)，大量采用Windows標準控件，使得操作保持了一致性。同時提供了大量在線幫助功能。Intouch與SSS通信后，SSS中的數(shù)據(jù)可以在Intouch組態(tài)畫面中顯示，操作人員也可以通過Intouch修改SSS中的部分操作參數(shù)，實現(xiàn)了對生產(chǎn)過程的監(jiān)視與控制。

4 結(jié)束語

ROINER油田采油廠的轉(zhuǎn)油站和聯(lián)合站分別設計安裝了安全關(guān)斷系統(tǒng)后，對防止和杜絕生產(chǎn)裝置發(fā)生重大或災難性的事故，在人員的安全、健康和裝置安全生產(chǎn)方面起到至關(guān)重要的作用，對同類油氣處理裝置的設計或改造有一定的借鑒意義。但是ROINER采油廠的相關(guān)裝置使用SSS后，對操作、控制和維修的要求也越來越嚴格，任何影響到裝置安全的誤操作或維修失誤都可能引起關(guān)斷停產(chǎn)，因而對操作和維護人員素質(zhì)的要求也就更高了。