可燃/有毒氣體檢測報(bào)警控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉定倫

(深圳特安電子有限公司研發(fā)中心,深圳 518000)

可燃/有毒氣體檢測報(bào)警控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉定倫

(深圳特安電子有限公司研發(fā)中心,深圳 518000)

針對可燃/有毒氣體檢測報(bào)警在石化行業(yè)中的高端需求,引進(jìn)失效安全與容錯(cuò)的設(shè)計(jì)思路。介紹了SIL3等級(jí)氣體監(jiān)控系統(tǒng)在某堿廠丁辛醇項(xiàng)目可燃有毒氣體報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用,并分別從軟件和硬件方面闡述了該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法,對系統(tǒng)模塊配置、PLC程序的組態(tài)和編程以及工作站軟件的組態(tài)作了描述。

冗余;安全完整性等級(jí);可編程控制器

0 引 言

可燃/有毒氣體檢測是石油化工裝置的重要組成部分,精確、穩(wěn)定的檢測系統(tǒng)對設(shè)備、工作人員、安全生產(chǎn)起著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的氣體檢測采用探測器加二次儀表或者探測器直接接到DCS的方式。二次儀表單采樣模塊,單通道硬件電路及采樣電路本身易出現(xiàn)問題無法正常工作,并且不易進(jìn)行數(shù)據(jù)分析;采用DCS的方式系統(tǒng)復(fù)雜,不能將氣體檢測系統(tǒng)獨(dú)立出來,在響應(yīng)時(shí)間、設(shè)備可靠性和人員安全上都存在隱患。以上兩種方案在檢修或維護(hù)時(shí)系統(tǒng)都必須停止工作,現(xiàn)場是否出現(xiàn)險(xiǎn)情無法知曉或者現(xiàn)場必須停止生產(chǎn),所以設(shè)計(jì)一套新的安全、穩(wěn)定可靠的氣體檢測系統(tǒng)十分必要。

1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)由深圳特安電子有限公司成熟的可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)構(gòu)建,采用了現(xiàn)場氣體探測器 + PLC三冗余監(jiān)控模式,其中 PLC作為控制的核心,同時(shí)采用以太局域網(wǎng)技術(shù)構(gòu)架,實(shí)現(xiàn)了與工作站的數(shù)據(jù)交換。在現(xiàn)場,隔爆型探測器采集氣體濃度信息,在控制室使用 PLC構(gòu)成三冗余數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng),同時(shí)PLC所采集到的濃度和控制輸出信息通過冗余的以太網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控計(jì)算機(jī),顯示現(xiàn)場情況或發(fā)出報(bào)警提示并把報(bào)警信息和恢復(fù)正常時(shí)間等記錄在本地硬盤中,便于查詢和統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí) PLC提供雙冗余RS-485接口和上位DCS進(jìn)行通信。該控制系統(tǒng)的雙冗余CPU,2×3冗余通信控制器、三冗余AI模塊、雙冗余DO,以及相應(yīng)附件配置數(shù)量嚴(yán)格按照SIL3等級(jí)配置,該配置經(jīng)過 TüV認(rèn)證,可達(dá)到SIL3/TUV6等級(jí)。該系統(tǒng)為高安全等級(jí)系統(tǒng),在功能上完全取代并優(yōu)越于傳統(tǒng)多線制、多報(bào)警控制器構(gòu)架模式。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

氣體監(jiān)控系統(tǒng)由過程控制單元和上位機(jī)構(gòu)成。上位機(jī)與過程控制單元通過冗余以太網(wǎng)相連且交換數(shù)據(jù),主要完成對現(xiàn)場探測器濃度、狀態(tài)的顯示與報(bào)警,以及對每個(gè)探測器報(bào)警點(diǎn)、量程、測量氣體類型、屏蔽等操作。同時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警記錄,歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)查詢功能。系統(tǒng)運(yùn)行主要有以下五個(gè)部分組成。

a)內(nèi)部故障檢測。采用了安全 PLC冗余配置,具有故障自動(dòng)識(shí)別功能并自動(dòng)對其補(bǔ)償。系統(tǒng)中所有智能模塊都持續(xù)運(yùn)行且允許在不中斷系統(tǒng)運(yùn)行的情況下對其實(shí)施維修和更換部件。

b)現(xiàn)場濃度采集。來自現(xiàn)場氣體濃度探測器的4～20 mA電流信號(hào)經(jīng)過特制的隔離柵進(jìn)入三冗余AI卡件,使用“三取二”表決機(jī)制。隔離柵中設(shè)計(jì)有防雷、防短路、濾波保護(hù)器件,及 I/V信號(hào)轉(zhuǎn)換電路;系統(tǒng)的硬件采用了物理上無耦合設(shè)計(jì)和分離式結(jié)構(gòu)保護(hù),通道間完全獨(dú)立,任一通道發(fā)生電源、信號(hào)等短路或其他故障,都不會(huì)影響其他通道正常工作。因此用戶一般不用擔(dān)心出現(xiàn)硬件故障影響操作。

c)邏輯運(yùn)算。使用安全CPU雙冗余,正常情況兩個(gè)CPU同時(shí)運(yùn)行。CPU間有同步表決機(jī)制,當(dāng)一個(gè)CPU出現(xiàn)故障時(shí),另一個(gè)CPU系統(tǒng)仍可單獨(dú)完成邏輯處理任務(wù)。

d)控制輸出。該系統(tǒng)中使用雙冗余DO模塊,組成 T型輸出,也被稱為保生產(chǎn)型。模塊并聯(lián)在負(fù)載的一端,負(fù)載的另一端和0VDC相連,適用于有效性高的安全應(yīng)用環(huán)境。如果 T型輸出模塊的兩路總線之一出現(xiàn)故障,輸出端口的二極管特性發(fā)揮作用,有效模塊的輸出即為實(shí)際輸出。

e)數(shù)據(jù)處理。PLC的邏輯控制核心CPU通過冗余的以太網(wǎng)模塊、工業(yè)交換機(jī)組成通信網(wǎng)絡(luò),和工控機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,由工控機(jī)來完成后臺(tái)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)及顯示工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括PLC程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)人機(jī)交互界面程序兩部分。PLC邏輯程序及組態(tài)采用Proficy Machine Edition軟件開發(fā),該軟件是針對GE系列PLC的軟件編程包,提供了一個(gè)完整的系統(tǒng)用于解決自動(dòng)化系統(tǒng)方案,運(yùn)行于 Microsoft Windows操作系統(tǒng),該廠PLC程序主要分為以下幾部分:

a)在 GMR Configuration中實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的冗余配置,通過該軟件可以設(shè)置系統(tǒng)中CPU的數(shù)量、類型、同步數(shù)據(jù)區(qū)間等信息,總線控制器在機(jī)架中的位置,以及AI,DO模塊的表決方式等相關(guān)信息,取中間值的表決方法如圖1所示。

b)在硬件組態(tài)中完成對電源模塊、CPU、總線控制器、以太網(wǎng)模塊、AI模塊、DO模塊的組態(tài)。在CPU模塊中主要配置AI,R寄存器等的空間大小,在總線控制器中按照GMR組態(tài)生成文件信息配置每個(gè)控制器之間交換數(shù)據(jù)的空間,在以太網(wǎng)模塊中需設(shè)置該站在網(wǎng)絡(luò)中的IP地址。

圖1 AI表決方式

c)在主程序塊中采用梯形圖編寫邏輯,實(shí)現(xiàn)狀態(tài)判斷、報(bào)警功能。主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出三大功能塊。數(shù)據(jù)采集通過讀取AI通道的數(shù)字,經(jīng)過線性、死區(qū)、斜坡、濾波、阻尼處理,將探測器輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓值。數(shù)據(jù)處理根據(jù)采集的電壓值,高/低報(bào)警設(shè)定值,判斷出探測器的當(dāng)前狀態(tài)。動(dòng)作輸出根據(jù)探測器的狀態(tài),輸出相應(yīng)的控制狀態(tài),其單通道的程序流程如圖2所示。

圖2 單通道的程序流程示意

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件選用經(jīng)過 TUV認(rèn)證的Cimplicity平臺(tái)開發(fā),Cimplicity監(jiān)視和控制軟件可以為多用戶監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理提供一個(gè)高速信息處理的平臺(tái)。它使用了各種通信方法來收集用于設(shè)備管理和邏輯錯(cuò)誤的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并實(shí)現(xiàn)了歷史記錄分析。連續(xù)的過程變量監(jiān)控,并且把它們的狀態(tài)實(shí)時(shí)地顯示在高分辨率的彩色屏幕上。Cimplicity支持單重化、雙重化或三重化配置。在上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中采用數(shù)組的方式讀取PLC數(shù)據(jù),將同類型的多個(gè)數(shù)據(jù)看成一個(gè)點(diǎn),然后在上位機(jī)中通過VB腳本程序?qū)?shù)組中的元素賦值給相應(yīng)的程序點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了多數(shù)據(jù)讀入。

該廠監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)包括以下幾部分:

a)系統(tǒng)總貌圖。通過總貌圖,可以查看每個(gè)探測器的當(dāng)前信息,包括量程、單位、當(dāng)前濃度、當(dāng)前狀態(tài)以及濃度填充柱狀圖。

b)探測器分布圖?？梢圆樵兠總€(gè)探測器的位置分布,便于現(xiàn)場查找。

c)查詢功能?？梢圆樵兠總€(gè)探測器的系統(tǒng)組態(tài)、實(shí)時(shí)趨勢圖、歷史趨勢圖、實(shí)時(shí)報(bào)警記錄、歷史報(bào)警記錄。

d)系統(tǒng)設(shè)置?？梢栽O(shè)置探測器單位、量程并進(jìn)行濃度、時(shí)間校準(zhǔn),繼電器設(shè)置等操作。

e)系統(tǒng)用戶權(quán)限管理。權(quán)限管理嚴(yán)格按照GB16808—2008進(jìn)行設(shè)計(jì),分為操作員、工程師、管理員、廠家四個(gè)級(jí)別用戶;四級(jí)密碼保護(hù)既有效地保護(hù)了系統(tǒng)的正常運(yùn)行不受干擾,又保證了相關(guān)人員操作的必要性,便于管理和維護(hù)。

4 安全等級(jí)的確定

4.1 相關(guān)概念

在確定系統(tǒng)的安全等級(jí)時(shí),充分理解風(fēng)險(xiǎn)與安全整合之間的區(qū)別,這一點(diǎn)很重要。風(fēng)險(xiǎn)即是一種特定危險(xiǎn)情況發(fā)生幾率的測量,它可以根據(jù)不同情形(EUC風(fēng)險(xiǎn),滿足允許要求所指定的風(fēng)險(xiǎn))進(jìn)行評(píng)估,同時(shí)還應(yīng)考慮到社會(huì)和政治的因素來最終確定。一旦允許風(fēng)險(xiǎn)和基本風(fēng)險(xiǎn)降低情況已定,安全相關(guān)系統(tǒng)的安全整合要求就可以進(jìn)行分配[1]。安全等級(jí)可以根據(jù)低要求操作模式(需求時(shí))和高要求(連續(xù))操作模式來進(jìn)行劃分,每種模式對系統(tǒng)的安全功能目標(biāo)失效量不同。

該系統(tǒng)所有硬件都為冗余配置,屬于“容錯(cuò)系統(tǒng)”,任何單個(gè)硬件間隙性地停止工作或出現(xiàn)故障都不影響系統(tǒng)功能,所以可以認(rèn)為是低要求操作模式。

4.2 計(jì)算方法

根據(jù)IEC61508相關(guān)規(guī)定及公式推導(dǎo)出該系統(tǒng)整體平均失效概率計(jì)算方法。

a)基本公式

式中 β——公共原因故障率(指系統(tǒng)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)錯(cuò)誤所導(dǎo)致的系統(tǒng)故障),一般為1%;DC——產(chǎn)品內(nèi)部診斷覆蓋率,一般為90%;λ——模塊每小時(shí)出現(xiàn)故障的平均概率,一般小于10-6;λD——模塊每小時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)的概率;λDD——模塊每小時(shí)出現(xiàn)可被發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)的概率;λDU——模塊每小時(shí)出現(xiàn)未知危險(xiǎn)的概率;M T TR——平均修復(fù)時(shí)間,一般為8 h;T1——驗(yàn)證測試周期,一般為 6個(gè)月; tDE——設(shè)備等效停機(jī)時(shí)間;tSE——系統(tǒng)等效停機(jī)時(shí)間;PFGAVG——平均失效概率 Rloop。

系統(tǒng)中如果無故障模塊則工作在2oo3模式,任何一模塊出現(xiàn)故障,受影響通道進(jìn)入1oo2模式。把上述數(shù)值值代入 PFD公式,得出:兩種模式下皆 PFD<2.2×10-5。

SIL3等級(jí)的平均失效概率要求為10-3～10-4。該系統(tǒng)平均失效概率達(dá)10-6,遠(yuǎn)優(yōu)于IEC61508規(guī)定。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)基于火氣系統(tǒng) FGS1000改造專門設(shè)計(jì),其功能既符合 GB16808—2008《可燃?xì)怏w報(bào)警控制器》的相關(guān)規(guī)定,又達(dá)到 IEC61508《電子/電氣/可編程電子安全系統(tǒng)功能安全》相應(yīng)要求。該方案可配置成不同規(guī)模,它允許用戶根據(jù)希望得到的流程風(fēng)險(xiǎn)降低的程度來改變系統(tǒng)的冗余級(jí)別。系統(tǒng)包括所有的開關(guān)量和模擬量的輸入表決和輸出表決算法,輸入和輸出自檢和故障報(bào)告機(jī)制選用經(jīng)過TüV認(rèn)證達(dá)SIL3等級(jí)成熟的模塊。它基于分布的構(gòu)架模式使用戶節(jié)約大量的成本,傳統(tǒng)的用于模塊的大量I/O信號(hào)電纜可以被一條或多條冗余的高速通信電纜所代替。

該系統(tǒng)通過兩個(gè)CPU處理器、輸出模塊兩通道T型輸出、輸入模擬量“3選2”表決的冗余組合?？梢耘渲檬褂幂^少的輸入和輸出信號(hào)但同時(shí)保持系統(tǒng)的三重化配置特性,系統(tǒng)為用戶提供了高可靠性和無誤差操作。該系統(tǒng)投入使用后,運(yùn)行穩(wěn)定,達(dá)到預(yù)期效果,提高了丁辛醇項(xiàng)目的整體安全性能。

[1] 國際電工委員會(huì).IEC61508電子/電氣/可編程電子安全系統(tǒng)功能安全[S].IEC,2001.

[2] 公安部沈陽消防研究所.GB16808—2008可燃?xì)怏w報(bào)警控制器[S].2008.

[3] 中國石油化工集團(tuán)公司.GB50493—2009石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2009.

[4] 國際電工委員會(huì).IEC60079-29-3爆炸性環(huán)境用氣體探測器-固定式氣體探測系統(tǒng)的功能安全要求[S].IEC,2005.

[5] 國際電工委員會(huì).IEC61511-1過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)功能安全第一部分:結(jié)構(gòu)、定義、系統(tǒng)、軟件及硬件要求[S].IEC,2003.

[6] 邊春元,任雙艷,滿永奎,等.S7-300/400 PLC實(shí)用開發(fā)指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[7] 崔 堅(jiān).西門子S7可編程序控制器-STEP7編程指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[8] 葉向東,馮 欣.現(xiàn)代化煉油廠自動(dòng)化系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)[J].石油化工自動(dòng)化,2010,(4):1-8.

[9] 王常力,羅 安.分布式控制系統(tǒng)(DCS)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[10] 國家石油和化學(xué)工業(yè)局.SH3092—1999石油化工分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國石化出版社,1999.

The Design of Flammable/Toxic G as Detection Alert Contrd System

Liu Dinglun
(R&D of Shenzhen ExSaf Electronics Co.Ltd.,Shenzhen,518000,China)

Responding to hight requirement on flammable and toxic gas detection and alarm from petrochemical industry,introduce failure safety and fault tolerance design theory,the application of SIL3 system in flammable/toxic gas detection and alarm for butyl alcohol project in an alkali plant is illustrated,respectively illustrates the realization methods of the system in respects in software and hardware,and describes system module configuration,PLC program configuration and configuration of console software.

redundant;SIL3;PLC

TP273

B

1007-7324(2011)03-0039-03

2011-02-31(修改稿)。

劉定倫(1977年—),男,2000年畢業(yè)于南昌大學(xué)電子信息工程專業(yè),現(xiàn)工作于深圳市特安電子有限公司研發(fā)中心氣體報(bào)警器產(chǎn)品線,任經(jīng)理。