乙烯ＥＳＤ控制系統的設計結構分析

摘要：石油化工屬流程工業，具有高溫、高壓，易燃、易爆等特征，在生產中具有極高的危險性，因此實現生產裝置的安全、穩定、高效運行不僅是提高效益的關鍵，而且對生產人員、生產設備，以及整個社區安全都十分重要。

關鍵詞：石油化工 乙烯ESD 控制系統

1 乙烯ESD系統部分的設計原則

1.1 為確保裝置安全，穩定，可靠地運行，提高系統的運算速度，在擴建的新區設計中采用兩套ESD系統分別控制兩個重要的區域，一套用于控制裂解爐區，急冷區，壓縮區，加氫區和公用工程區，另一套用于冷區和熱區。

1.2 中央控制室(CCR)在原有控制室內進行擴容，DCS在原有系統的基礎上進行擴容，US操作站與原系統保持統一.ESD系統主機安裝在新機柜(NRR)間，裝在DCS輔操臺上的按鈕，開關，報警燈的控制采用遠程控制站(RXM)控制，遠程控制站設在CCR，CCR和NRR之間的通信由三冗余的光纜構成。

1.3 為提高程序的掃描速率，ESD系統內部未設計第一事故報警程序，區分第一事故的設備選用美國Ronan公司的分體式報警器，報警器的燈屏部分安裝在輔助操作臺上，作為操作人員的一種人機界面，控制部分安裝在機柜間。

1.4 本著安全高于控制的原則，所有關鍵聯鎖檢測點采用先進ESD系統，再通過SMM(安全管理器模件)與DCS中的UCN(萬能控制網絡)通信，實現在US(通用操作站)上的數據顯示。

1.5 新區和老區分別設計SOE(事故順序記錄儀)站，兩套ESD系統共設有4個SOE站，各站間用以太網(Enternet)相連。

2 現場儀表的設計原則

2.1 SIS控制部分采用了SIL3級標準(SIL為美國ISA-S84.01標準要求的安全等級)，SIL3級ESD部分的檢測儀表一律采用2oo3(3選2表決)的方式檢測.如塔壓和循環水的測量都采用3臺變送器同時測量，電網電壓采用3個電壓檢測器同時測量，壓縮機軸位移采用3個探頭和趨近器同時監測等。3個檢測點的信號分別送入3個不同的三重化輸入模塊(TMR)，由主處理器執行3選2表決運算。

2.2 控制裂解爐，透平泵的聯鎖和其他一些常規聯鎖則采用單臺檢測儀表，信號被送入TMR型輸入模塊。

2.3 SIL3級緊急停車部分用于控制切斷閥門的電磁閥一律采用2個串聯方式設置，以防止某一個電磁閥失效而造成聯鎖動作失效；切斷閥上應設置閥位變送器，將閥位的準確狀態及時反饋給控制室。

2.4 輸入ESD的測量儀表均獨立設置，不與控制回路合用，無需分配器分配。

2.5 所有重要的切斷閥要求獨立設置，切斷閥均采用密封等級高的球閥，閥位開關信號由限位開關發出并傳送入DCS指示。

3 ESD系統的基本結構和技術特點

3.1 基本結構 根據乙烯工藝SIL3級的要求，選用的ESD系統必須具有TüV的AK6級認證(TüV認證是德國萊茵技術認證機構，該機構專門對電子產品的安全性進行認證，對安全型控制系統的認證具有最高權威性，TüV的AK6級標準對應于IEC和ISA安全標準的3級).經過技術交流和商務投標，最后美國Triconex公司的TRICON系統中標.該公司是較早生產ESD的專業公司，主要生產表決型安全系統，該系統中所有軟硬件都通過了TüV的AK6級認證。TRICON系統是一套從主處理器到輸入，輸出模件完全三重化的容錯控制系統。

3.2 主處理器的組成和硬件性能 TRICON系統有3個主處理器(MP)，用來控制系統的3個隔離的分電路，主處理器(3006)內含一個主CPU，一個通信CPU，一個I/O通信CPU。每個MP內有一個專用的I/O通信(IOP)，管理MP和I/O模件間的數據交換；另一個通信CPU(IOC)管理MP和通信模件間的數據交換.在每個輸入模件采集數據的同時，新的輸入數據通過I/O總線相應分電路傳送到MP，存入輸入表，通過專用TRIBus傳送到相鄰主處理器中，在傳送的同時進行硬件表決出一個正確的輸入值作為MP的輸入，送到應用程序中(DI點采取三取二的方式，AI點采取取中值的方式).CPU記錄下識別到的錯誤，在掃描的末期用容錯程序進行錯誤分析以判斷是否為卡件故障。

4 系統配置及網絡結構

4.1 系統配置 乙烯裝置的控制區域有裂解爐區，急冷區，壓縮區，熱區，冷區，汽油加氫區，包含設備有4臺100kt/a裂解爐，壓縮機，反應器，精餾塔等，接入ESD系統的數據類型有DI，DO，AI.由于I/O點眾多，數據類型復雜，為確保系統的可靠性和運算速度，設計上應用兩套TRICON V9系統構成整個裝置的ESD控制.考慮到控制機柜間和中央控制室距離比較遠(相距800m)，如將所有的操作開關及燈屏信號用信號電纜接入控制室，勢必增大投資費用，為此充分利用了TRICON V9系統的遠程擴展功能，將在中央控制室的操作信號接入遠程機架，再利用光纖將其與在遠方的主機架連接，實現遠程通信.因為遠程機架的連接也是三重化的，并且每個機架都采用了雙路光纖進行通信，所以保證了信號的可靠性，并大大縮短了施工時間.另外，整個ESD大部分槽位都有熱備卡，這樣，可確保系統的可靠性。

4.2 軟件編制 乙烯ESD編程軟件是Tristation 1131，利用1131可進行系統組態，系統診斷 及應用軟件編制。此軟件在Windows NT操作系統下運行，它有3種編程語言: 功能塊圖，梯形圖，結構語言。其中功能塊圖直接，易讀。1131除自身帶有大量常用的功能塊外，還允許用戶根據需要編制功能塊，方便重復使用。在乙烯裝置中是利用功能塊圖進行編程，SYS1和SYS2的應用程序分別為Program1.PT2和Program2.PT2。在Program1.PT2中編寫了2oo3表決功能塊，模擬量輸入處理， 偏差報警等功能塊，并輸出至用戶功能庫ETHYLENE.LT2，在Program2.PT2中調用。在兩個程序中均設3個SOE塊，所有DI點和內存點都可用SOE記錄下來，Program1.PT2和Program2.PT2的掃描時間分別為90ms，120ms。

4.3 現場儀表部分的ESD實現 根據TEC的要求，SIL3級的聯鎖切斷閥采用調節閥與切斷閥合二為一的方法，ESD的控制信號控制電磁閥的動作，DCS控制閥門的開度。閥門定位器采用具有位置檢測功能的Fisher DVC6000系列，閥位信號通過Moore公司的SPART檢測出來。SPART是一種Hart信號檢測器，它從智能閥門定位器中讀出HART信號，然后轉換為4～20mA標準化信號輸出到DCS顯示；DCS系統再將此信號與該點的OP(輸出信號)比較，當偏差大于*1%時系統發出報警。

在ASCO電磁閥和Fisher智能定位器相配合使用時，應注意電磁閥的CV(流通能力)值必須大于0.49，否則閥門定位器會引起振蕩，從而使調節閥振蕩。

用壓力變送器代替壓力開關，有利于信號在DCS上顯示，同時防止壓力開關出現動作不靈的弊病。

乙烯擴建裝置建成投產以來，ESD系統運行十分穩定。分離塔系統實現了SIS控制，裝置的安全可靠性得到大大提高；但發生停車的概率提高了，停車的面積也擴大了，這也就降低了系統的可用性，這是一對矛盾.在專利商的要求下，SIS系統已經投用，由于此種技術在國內尚屬首次使用，如何處理好可靠性與可用性之間的關系，還要作深入的探討，研究。乙烯裝置ESD系統的設計是一項十分復雜的系統工程，必須遵循的最主要原則就是要建立統一的設計標準，使用有成熟經驗的產品，確保系統安全可靠；在系統設計中要充分吸取以往工作中的經驗和教訓，結合工藝特點，并將此深刻地融化到設計中去，對于SIS系統的使用狀況還要在投用后進行及時完善。