化工重要聯(lián)鎖三取二分散采集設(shè)計(jì)

魏潤華

(天脊煤化工集團(tuán)股份有限公司,山西長治 047500)

0 概述

化工生產(chǎn)的特點(diǎn)就是高溫、高壓、易燃、易爆,所以對(duì)化工生產(chǎn)過程的控制就顯得尤為重要,而控制過程的重中之重莫過于聯(lián)鎖的設(shè)計(jì)和投用。一套完備合理的聯(lián)鎖系統(tǒng),既可以保證裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行,又在一定程度上大大避免了非必要故障停車的機(jī)會(huì),使得生產(chǎn)裝置在安全、穩(wěn)定、高負(fù)荷運(yùn)行的基礎(chǔ)上,做到利益的最大化。

1 相關(guān)概念

重要聯(lián)鎖的概念:在化工生產(chǎn)過程中,聯(lián)鎖是為了保證裝置安全運(yùn)行,通過編程,使工藝參數(shù)(聯(lián)鎖條件)和運(yùn)行設(shè)備之間按一定程序、一定條件建立起的既相互聯(lián)系,而又相互制約的關(guān)系,這種關(guān)系即為聯(lián)鎖。而有部分聯(lián)鎖參數(shù)在超標(biāo)之后,會(huì)帶來設(shè)備和人員的不可逆及災(zāi)難性的后果,這部分聯(lián)鎖參數(shù)即為重要聯(lián)鎖參數(shù)(如合成氨壓縮機(jī)的軸振動(dòng)位移參數(shù))。

三取二:而對(duì)于重要運(yùn)行參數(shù)(聯(lián)鎖條件)和重要運(yùn)行設(shè)備而言,參數(shù)的正常與否,直接關(guān)系到設(shè)備能否安全正常運(yùn)行,這樣,就要求對(duì)參數(shù)的采集的真實(shí)性和準(zhǔn)確性有著更高的要求。為了滿足要求,首先我們對(duì)某一個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行重復(fù)采集,一般用三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的儀表進(jìn)行采集,當(dāng)有兩個(gè)或者兩個(gè)以上的參數(shù)達(dá)到聯(lián)鎖值(認(rèn)為兩臺(tái)相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備同時(shí)出錯(cuò)的概率為零),我們才認(rèn)為此參數(shù)確實(shí)達(dá)到聯(lián)鎖值,需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作,從而實(shí)現(xiàn)裝置長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

三取二信號(hào)分散采集:在現(xiàn)場儀表及傳輸線路實(shí)現(xiàn)相對(duì)獨(dú)立采集的基礎(chǔ)上,DCS也要實(shí)現(xiàn)相對(duì)信號(hào)的獨(dú)立采集和顯示,這樣,就會(huì)將由于參數(shù)故障或者采集設(shè)備故障而引起的不必要停車幾率降到最低。而在參數(shù)確實(shí)達(dá)到聯(lián)鎖狀態(tài)時(shí),又能保證裝置安全及時(shí)得停下來。信號(hào)的分散單獨(dú)顯示也是為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)參數(shù)故障或者采集設(shè)備故障,將隱患消除在萌芽狀態(tài)。

非必要故障停車:化工生產(chǎn)過程中,操作工通過DCS控制系統(tǒng)對(duì)工況的實(shí)時(shí)監(jiān)視和及時(shí)調(diào)整是非常有必要的,可以保證裝置的穩(wěn)運(yùn)高產(chǎn),而在裝置重要聯(lián)鎖信號(hào)短時(shí)間達(dá)到聯(lián)鎖條件時(shí),操作工短時(shí)間很難通過操作保證裝置的繼續(xù)運(yùn)行;而在諸多短時(shí)間達(dá)到聯(lián)鎖條件的因素之中,有一個(gè)關(guān)鍵的因素就是裝置本身并未達(dá)到需要聯(lián)鎖的狀態(tài),只是采集聯(lián)鎖信號(hào)的儀表設(shè)備出現(xiàn)故障,導(dǎo)致停車,此類停車即可成為非必要故障停車的一種。

將裝置的重要聯(lián)鎖信號(hào),通過DCS/SIS系統(tǒng)中三個(gè)不同網(wǎng)段的三塊不同硬件進(jìn)行三次分散采集,并在人機(jī)界面中進(jìn)行獨(dú)立顯示,從而達(dá)到保證在非必要停車的系統(tǒng)硬件故障時(shí),及早發(fā)現(xiàn)故障且保證生產(chǎn)過程的平穩(wěn)運(yùn)行。

2 重要聯(lián)鎖三取二分散采集的設(shè)計(jì)過程

2.1 工藝及設(shè)備專業(yè)的相關(guān)分析(非儀表專業(yè))

組織相關(guān)專業(yè)對(duì)裝置進(jìn)行安全性、可操作性及其他相應(yīng)的審查和分析,確定相關(guān)聯(lián)鎖條件會(huì)導(dǎo)致的設(shè)備后果,根據(jù)設(shè)備后果,結(jié)合設(shè)備經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行的指標(biāo),確定會(huì)引起設(shè)備故障停車的重要聯(lián)鎖條件,并出具相關(guān)說明,確定聯(lián)鎖條件所需要引起的設(shè)備聯(lián)鎖動(dòng)作,確保裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。此相關(guān)說明將作為儀表設(shè)計(jì)聯(lián)鎖的最終依據(jù)。

2.2 儀表專業(yè)的相關(guān)分析

(1)總的思路。在拿到設(shè)備聯(lián)鎖說明之后,儀表專業(yè)要針對(duì)聯(lián)鎖說明對(duì)相關(guān)聯(lián)鎖進(jìn)行分析。對(duì)于重要局部聯(lián)鎖(聯(lián)鎖之后不至于引起停車、減產(chǎn)),一般采取普通聯(lián)鎖方式:聯(lián)鎖信號(hào)為單點(diǎn)采集,聯(lián)鎖動(dòng)作單設(shè)備執(zhí)行。對(duì)于引起停車或者減產(chǎn)的重要聯(lián)鎖,則要采取冗余的聯(lián)鎖思路,聯(lián)鎖信號(hào)一般采取三取二的聯(lián)鎖方式,聯(lián)鎖動(dòng)作儀表部分為冗余設(shè)備,確保無論是聯(lián)鎖條件還是聯(lián)鎖結(jié)果,在任何一個(gè)未達(dá)到聯(lián)鎖要求而只是故障的情況下,避免引起設(shè)備停車,達(dá)到確保安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

(2)聯(lián)鎖信號(hào)的采集。此部分聯(lián)鎖信號(hào)的設(shè)計(jì)從信號(hào)源頭開始就一分為三,包括取樣點(diǎn)、遠(yuǎn)傳儀表、傳輸線路、隔離柵、信號(hào)采集卡件等,都是一分為三的。特別要說明的是,傳輸線路部分不要用同一根電纜,信號(hào)采集卡根據(jù)各系統(tǒng)不同,不要用同一個(gè)站點(diǎn)的三塊卡件,最好是三個(gè)不同站點(diǎn)的三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的卡件。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)畫面Fig.1 The system picture

現(xiàn)場有三個(gè)取樣點(diǎn),如圖2所示,依次為PI_COAH_9209/1、PI_COAH_9209/2、PI_COAH_9209/3,分別設(shè)置三臺(tái)變送器儀表,傳輸線路獨(dú)立,控制系統(tǒng) CPU為冗余的控制系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集站ETM200也是冗余的,將原有設(shè)置在3#通訊站同一塊采集卡的第2、3點(diǎn)分別設(shè)置到4#、5#站點(diǎn)去,這樣,就將可能存在的風(fēng)險(xiǎn)分散,避免某一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)問題引起的不必要停車。

圖2 示意圖Fig.2 Schematic diagram

(3)聯(lián)鎖動(dòng)作的執(zhí)行。此部分執(zhí)行設(shè)備儀表部分均需采用冗余的配置,從輸出卡件、到輸出繼電器、信號(hào)傳輸線路、最終執(zhí)行器等,都是冗余配置。特別要說明的除聯(lián)鎖信號(hào)采集部分說明之外,最終執(zhí)行器部分在設(shè)計(jì)上要根據(jù)設(shè)備動(dòng)作實(shí)際需要進(jìn)行單獨(dú)考慮。最終執(zhí)行器部分(以電磁閥為例)如圖3所示。

圖3 冗余電磁閥Fig.3 Redundant solenoid valves

SV1與SV2為兩個(gè)冗余的電磁閥,在正常情況下,兩個(gè)電磁閥帶電時(shí),都是2、3通,假設(shè)其中無論哪一個(gè)電磁閥故障,處于1、2通時(shí),都可以保證氣動(dòng)閥門膜頭正常受氣,除非兩個(gè)電磁閥同時(shí)斷電,或者同時(shí)故障(此種情況前文交代幾率幾乎為零)。

(4)重要聯(lián)鎖設(shè)備監(jiān)測。對(duì)于重要聯(lián)鎖而言,定期監(jiān)測是非常有必要的,除工藝人員的實(shí)時(shí)監(jiān)盤以外,儀表人員也應(yīng)定期對(duì)重要聯(lián)鎖設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,確保在聯(lián)鎖設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí),第一時(shí)間可以發(fā)現(xiàn),避免不必要的故障停車。如圖4所示。

圖4 DCS畫面Fig.4 DCS picture

還以PI_COAH_9209為例,工藝人員在日常監(jiān)盤過程中,如果發(fā)現(xiàn)某一個(gè)信號(hào)不對(duì),及時(shí)聯(lián)系儀表人員,將故障消除可避免非必要故障停車,再者儀表人員也要定期對(duì)重要聯(lián)鎖冗余設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)處理,也可以避免非必要故障停車。

3 需要關(guān)注的幾個(gè)問題

(1)為什么重要聯(lián)鎖條件采用三取二,而不采用二取二的聯(lián)鎖方式。這里首先要說一下前提,我們認(rèn)為,一般情況下,同一個(gè)采樣點(diǎn)的同一個(gè)數(shù)據(jù)采集的相關(guān)軟硬件,在同一個(gè)時(shí)間段,同時(shí)發(fā)生故障的可能性為零。

這樣的話,如果我們采取二缺二的聯(lián)鎖方式,也就是說同一個(gè)采樣點(diǎn)的兩個(gè)信號(hào)同時(shí)達(dá)到聯(lián)鎖條件的情況下,設(shè)備才會(huì)聯(lián)鎖停車,現(xiàn)在假設(shè)兩個(gè)采樣點(diǎn)的其中一個(gè)由于某種非工藝裝置本身原因故障,從而導(dǎo)致其達(dá)到聯(lián)鎖條件,一般情況下,為避免裝置的非必要停車,我們會(huì)將現(xiàn)有故障點(diǎn)的聯(lián)鎖條件旁路掉,然后進(jìn)行檢修、維護(hù)或者更換作業(yè),以確保在最短時(shí)間內(nèi)可以投運(yùn)此聯(lián)鎖,已達(dá)到保護(hù)裝置的目的。那么問題來了,按極端情況考慮,如果在進(jìn)行檢修、維護(hù)或者更換作業(yè)的過程中,工藝裝置本身出現(xiàn)故障,以至于此采樣點(diǎn)的另一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際達(dá)到聯(lián)鎖條件,但是由于需要兩個(gè)同時(shí)達(dá)到聯(lián)鎖條件才會(huì)停車,這樣的話,設(shè)備是不能及時(shí)聯(lián)鎖停下來的,需要認(rèn)為介入或者打閘停車,如果響應(yīng)不及時(shí),會(huì)將小問題變成大問題,甚至大的事故。所以說條件二取二的聯(lián)鎖方式,存在一定的弊端。

如果我們采用三取二的聯(lián)鎖方式,也就是同一個(gè)采樣點(diǎn)的三個(gè)信號(hào)有兩個(gè)或者兩個(gè)以上信號(hào)達(dá)到聯(lián)鎖條件時(shí),設(shè)備就會(huì)停車。還是假設(shè)三個(gè)采樣點(diǎn)有其中一個(gè)由于某種非工藝裝置本身原因故障,從而導(dǎo)致其故障,需要迅速維護(hù)檢修,首先我們要將現(xiàn)有條件進(jìn)行旁路,然后進(jìn)行檢修、維護(hù)或者更換作業(yè),這樣的話,還有兩個(gè)條件處于正常運(yùn)行之中,一旦工藝裝置本身出現(xiàn)故障,此采樣點(diǎn)實(shí)際達(dá)到聯(lián)鎖條件,另外兩個(gè)正常運(yùn)行的條件會(huì)因?yàn)閷?shí)際達(dá)到達(dá)到聯(lián)鎖條件而將裝置停下來,確保裝置的安全。

(2)對(duì)于聯(lián)鎖執(zhí)行部分儀表一般采取二取二的方式運(yùn)行。聯(lián)鎖執(zhí)行部分的設(shè)計(jì)理念和聯(lián)鎖條件部分的設(shè)計(jì)理念稍微有點(diǎn)不同,聯(lián)鎖條件不能采取二取二的聯(lián)鎖方式是因?yàn)橐坏┯幸粋€(gè)信號(hào)出現(xiàn)問題之后,裝置可能在真正需要此信號(hào)聯(lián)鎖停車時(shí),裝置無法正常停下來;而聯(lián)鎖執(zhí)行部分儀表可以采取二取二的方式的原因,一方面是兩個(gè)執(zhí)行元件不可能同時(shí)出問題,確保裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行,另一方面,假設(shè)有一個(gè)裝置故障,另一個(gè)裝置可以維持裝置運(yùn)行的同時(shí),也可以保證裝置在需要停車時(shí),及時(shí)停車,確保裝置的安全。對(duì)于損壞的設(shè)備,儀表專業(yè)可以通過一些安全手段進(jìn)行更換(這里不再介紹),繼續(xù)二取二的執(zhí)行保證。

(3)所有重要聯(lián)鎖儀表部分的供電,均需采用事電與UPS電的冗余配置,盡量采用環(huán)形供電方式。

為提高供電可靠性,使用戶可以從兩個(gè)方向獲得電源,通常將供電網(wǎng)連接成環(huán)形,這種供電方式簡稱為環(huán)形供電。對(duì)于儀表控制系統(tǒng),特別是聯(lián)鎖系統(tǒng)而言,電源正常與否,對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定安全聯(lián)運(yùn)起著至關(guān)重要的作用,環(huán)形供電的必要性由此可見,示意圖如圖5所示。

圖5 環(huán)形供電示意圖Fig.5 Schematic diagram of ring power supply

4 結(jié)語

安全,是化工裝置穩(wěn)定運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。在安全的前提下,效益的最大化也必將成為企業(yè)的頭等大事,對(duì)于重要設(shè)備的重要參數(shù)實(shí)現(xiàn)三取二冗余設(shè)計(jì),可以以較小的投入,既實(shí)現(xiàn)安全的要求,換取設(shè)備的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行,在很大程度上杜絕了設(shè)備的非故障停車。