ABB PLUTO安全PLC在乙炔氨自控聯鎖裝置ESD系統中的應用

師海雄

(重慶浦仁達科技有限公司，重慶 400020)

一 概述

隨著石油化工裝置的日趨大型化，工藝過程的不斷復雜化，生產過程中發生危險的可能性也呈增大趨勢，加之人們對產品的質量、設備、人身、環境的保護等因素的要求使得獨立于控制系統的安全聯鎖顯得十分必要，這種專用的安全保護系統就是——ESD緊急停車系統(Emergency Shutdown Device)。ESD適用于高溫、高壓、易燃、易爆等場合，可以對生產裝置可能發生的危險或不采取措施將繼續惡化的狀態進行及時響應和保護，使生產裝置進入一個預定義的安全停車工況，從而使危險降低到可以接受的最低程度，以保證人員、設備、生產裝置和環境的安全。在講究高效安全生產的石油化工行業，如今投入ESD系統已是眾多企業的選擇，并成為保證生產可靠性與安全性，提高經濟效益的必要手段之一。

重慶方鑫精細化工有限公司乙炔氨自控聯鎖裝置工程項目屬改造項目。作為一個典型的精細化工裝置，反應溫度壓力高、易燃易爆且中間產物含劇毒易揮發，此外整個項目工藝流程復雜，中間環節眾多，任何一個環節出錯均會導致其他環節不能正常工作，甚至前功盡棄，因此要實現整個裝置的安全穩定連續生產，這就要求必須配置先進的、高可靠的設備，配置能充分滿足石油化工裝置及機組的緊急停車和安全聯鎖的ESD系統?；诖丝紤]，其選用了 ABB PLUTO安全PLC。Pluto是一種可編程的安全系統，用于防止控制系統出現故障而引起的安全功能喪失，因此系統設置了整體冗余和監控。和普通的PLC不同的是Pluto采用了2個微處理器，同時對每個安全功能進行控制和監控，以保證正確的運行。系統的每個輸入都單獨連接到每個處理器，各自有獨立的內存并執行各自的程序。處理器通過連續的對結果進行比較，來確保數據的完整性。每個安全輸出都連接到兩個處理器，在應用程序中，兩個處理器都要檢查邏輯條件是否滿足，否則不能置位。

二 ESD系統結構特點

1.重慶方鑫精細化工有限公司乙炔氨自控聯鎖裝置工程項目，ESD系統采用了ABB PLUTO安全PLC，其處理器是為了完成特定的任務而進行組態和編程。通過高性能的工業控制網絡及分散處理單元、過程I/O、數據通訊系統、人機接口和過程控制軟件等來完成裝置的監視、保護和控制。PLUTO硬件安全、可靠、先進。系統應易于組態，易于使用，易于擴展。

ESD裝置可以ModBus RTU或OPC的方式完成與DCS系統的通訊。

2.該系統將在生產裝置內經過現場調試，并接上輸入輸出信號后即可滿足本裝置的過程控制與聯鎖保護、參數報警、數據記錄與歸檔等功能要求，并能安全可靠地運行。

3.系統基本組成

1)ESD系統應為操作員及工程師提供用于監控、操作、組態及維護的良好人機接口設備——操作站及工程師站，且操作簡單方便。對不同級別的操作人員(操作員，工長，系統工程師等)的操作權限采用密碼或其它方式加以限制。

2)本工程設置了1個操作員站(工業級計算機，同時兼做工程師站用)，1個獨立的輔助操作臺。工程師站用于系統開發與維護、參數設置等功能。輔助操作臺用于ESD系統聯鎖停車功能。作為報表與事件記錄輸出設備，本裝置的控制室內設置1臺激光打印機，完成報表、歷史記錄、故障診斷信息輸出等功能。(見圖1)。

3)本工程設置ESD系統機柜1個，用于控制器及I/O卡件等功能模件的安裝及信號信號調理器等元件的安裝。

ESD系統控制器通過智能型、冗余型過程I/O卡件、連接端子以及必要的信號調理設備，完成離散的數據采集與控制功能?？刂破髋c智能I/O卡件之間通過專門的I/O總線通訊，其通訊速率均不應低于5MBPS。所有系統卡件均支持DIN導軌安裝方式，且均安裝在系統機柜內。

圖1 ESD系統配置圖

4.工藝簡介和系統規模

重慶方鑫精細化工乙炔氨自控聯鎖裝置工程項目根據工藝劃分為四個單元，一單元是電石在發生器內水解生成的乙炔氣經洗泥器洗滌冷卻至70℃左右，經正、逆水封后，進入乙炔氣柜;二單于是乙炔氣經管道進入冷卻塔，冷卻降溫后的乙炔氣經水環壓縮機加壓后進入二級串聯的清凈塔，利用次氯酸鈉的強氧化性質，除去硫化氫、磷化氫等雜質;三單元是經清凈后的乙炔氣進入中和塔被堿液所中和，然后送往轉化合成工序;四單元是乙炔氣進入反映釜與送入反應釜內的氨氣進行反應。

整個項目中共有3個乙炔氣柜，2臺乙炔輸送泵，7臺壓縮機，9個反應釜，9個液氨貯罐，3個冷卻塔。本項目ESD系統主要作用在這些工段，乙炔氣柜出口設DN200氣動緊急切斷閥3臺;反應釜進口設DN50氣動緊急切斷閥9臺;液氨貯罐進口設DN65氣動緊急切斷閥9臺;ESD系統設輔助操作臺1套，用于在外界環境(乙炔氣體泄漏或火災)對管道運行帶來危害時，操作人員可以手動操作切斷整個系統運行或部分工段設備運行，確保安全。

系統具體配置如下：

1)ESD點位統計

數量DI DO AI AO壓力報警設定器9 9乙炔反應釜攪拌檢測9 9反應釜溫度報警設定器9 9反應釜壓力報警設定器9 9乙炔氨儲罐溫度報警設定器9 9環境溫度報警設定3 3乙炔輸送泵電源接觸器2 2壓縮機斷電接觸器9 9乙炔輸送泵狀態2 2 2壓縮機停車狀態9 9 9反應釜進料切斷閥9 9釜底切斷閥(反應釜出口)9 9冷凝器出口切斷閥3 3乙炔柜出口切斷閥2 2乙炔氨氣柜進料切斷閥3 3氨蒸發器進口切斷閥1 1急停1進料停止1溫度高報警1壓力高報警1聯鎖指示1聯鎖復位1

2)ESD配置清單

?

3)ESD系統IO卡件配置

?

4)ESD配置說明

所有IO點數按照至少20%的比例留有余量。

本安全聯鎖自控系統在安全聯鎖部分采用具有SIL2以上本質安全認證的安全控制器，可在聯鎖狀態時按照預先設定的聯鎖邏輯，緊急停止(或啟動)關鍵設備，以達到安全控制的目的。

選用ABB PlutoB安全PLC控制系統，PlutoB是一種可編程的安全系統，并通過了嚴格的本質安全認證(SIL3)，用于防止控制系統出現故障而引起的安全功能喪失，因此系統設置了整體冗余和監控，和普通的PLC系統不同的是Pluto采用了兩個微處理器，同時對每個安全功能進行控制和監控，以確保正常的運行。系統的每個輸入都單獨連接到每個處理器，各自有獨立的內存并執行各自的程序。處理器通過連續的對結果進行比較，來確保數據的完整性。系統的輸出均為故障安全型。每個安全輸出都連接到兩個處理器，在應用程序中，兩個處理器都要檢查邏輯條件是否滿足，否則不能置位。

系統最終形成3個I/O機柜，配置3臺操作員站及單獨的ESD輔操臺。系統配置為網絡冗余、控制冗余、電源冗余。ESD系統按照SIL2等級設計，配置浪涌保護器、溫變、報警設定器、安全柵等符合化工相關規范要求的安全措施。

5.控制功能

過程控制器接受過程變量的輸入信號，然后對輸入信號進行處理，存放到相應的數據庫中顯示或計算，傳送輸出信號至最終控制元件。

(1)系統對模擬量提供線性化、補償、累計、開方和報警功能;系統對開關量提供報警和狀態變化的檢測。

(2)系統能夠完成調節控制、連鎖邏輯、手動操作，由標準算法或用戶程序組合而成的自動順序。

(3)調節控制功能至少包括各種PID算法(反饋、前饋、開關、比率、超前/滯后等)、標準計算(加、減、乘、除、復合運算等)、基本的控制功能(開關、限幅、高/地選擇等)、自適應控制功能。

(4)連鎖控制功能包括用于調節控制的布爾邏輯和用于開關控制的梯形邏輯。

(5)順序控制功能可以執行啟動/停止順序、批量處理或任何預先定義的程序步驟。

6.畫面功能

HMI畫面為操作員了解生產過程狀態提供了顯示窗口，并能支持以下幾類畫面。

(1)總貌畫面：顯示系統各設備、裝置、區域的運行狀態以及全部參數變量的狀態，測量值、設定值、控制方式(手動/自動狀態)，高低報警等信息。從各顯示塊可以調出其他畫面。

(2)分組畫面：以模擬儀表的表盤形式按事先設定的分組，同時顯示幾個回路的信息：如過程參數變量的測量值，調節器的設定值、輸出值、控制方式等。變量值每秒更新一次，分組可任意進行，操作員可從分組畫面調出任一變量(模擬量或離散量)的詳細信息。對模擬回路可以手動改變設定值、輸出值、控制方式等;對離散量可以手動操作設備的開啟和停止，畫面顯示出指令狀態和實際狀態。

(3)單點畫面(調整畫面)：顯示一個參數，控制點的全部信息以及實時趨勢和歷史趨勢。從調整畫面也可以直接對模擬回路進行設定、調整操作。

(4)趨勢畫面：系統具有顯示高速公路上任何數據點趨勢的能力，并在同一坐標軸上顯示至少四個變量的趨勢記錄曲線，有可供用戶自由選擇的參數變量，不同顏色和不同的時間間隔，也可以對數據軸進行任意放大顯示。

(5)報警畫面：顯示當前所有正在進行的過程參數報警和系統硬件故障報警，并按報警的時間順序從最新發生的報警開始排起，報警優先級別和狀態用不同的顏色來區別，未經確認的報警處于閃爍狀態。

報警內容包括：報警時間;過程變量名;過程變量說明;過程變量的當前值;報警設定值;過程變量的工程單位;報警優先級別。

(6)流程畫面：生產裝置的圖片、工藝流程圖、設備簡圖、單線圖等都可以在HMI上顯示出來，每個畫面都括字母數字字符和圖形符號，通常采用可變化的顏色、圖形、閃爍表示過程變量的不同狀態，所有過程變量的數值和狀態每秒動態刷新，操作員在此畫面對有關過程變量實施操作和調整。

7.報表功能

控制系統按照預先定義的格式打印報表，報表數據的收集和打印是按照用戶定義的時間間隔自動進行，報表打印通常采用事件驅動方式或操作員命令方式，報表軟件自動產生所有的標題和表頭。

8.歷史數據存儲功能

控制系統對報警、連鎖、操作指令的變化等事件及其日期、時間作為歷史數據加以儲存。有足夠歷史數據的磁介質存儲空間，并具有可擴充至外部存儲設備和磁帶機、光盤等。當發生數據丟失及磁介質空間不足時有報警。

三 ESD系統的應用

重慶方鑫精細化工乙炔氨自控聯鎖裝置ESD系統主要應用如下：

1.自動控制：本項目中ESD系統在正常情況下是對于一些關鍵的工藝及設備參數進行連續的監測，在正常情況下ESD是“靜止的”，不采取任何動作。但是當參數發生異常波動或故障時(超溫、超壓)，它會按照已定的程序采取相應的安全動作，使裝置停在安全水平線上。

2.手動控制

1)輔助操作臺面板上設置有1#--7#壓縮機急停按鈕，操作人員只需輕輕按下相應急停按鈕，便可隨時停止對應壓縮機的運行狀態。

2)操作人員只需輕輕按下輔助操作臺上“乙炔輸送泵急停按鈕”，便可隨時停止乙炔輸送泵的運行狀態。

3)操作人員在接到緊急停車指令或在被授權允許的情況發生時，可按下“聯鎖停車”按鈕，確保系統緊急停車停料。

4)一旦出現了超溫、超壓、停車、停料事件，在事件原因得到有效排除后，被授權的操作人員需要點動“聯鎖復位按鈕”進行確認，才能使系統解除聯鎖，恢復正常運行狀態。相反，如果ESD控制系統未收到復位指令，它會認為上一次出現的異常未得到消除，所以會繼續保持聯鎖停車停料動作，保證整個系統處于安全狀態。

四 結束語

ABB是一個提供高新技術的企業，它為世界各地的用戶提供用于自動化控制的軟件、硬件和技術服務以及嵌入式計算。我們為用戶提供一個獨特的，靈活的，超可靠的技術基礎，使得他們在包括能源、水處理、消費品、國防和防御，以及通訊等產業領域獲得持續的優勢。而ABB公司所推出的PLUTO安全PLC不論是在性能或價格方面都體現了它的極大優勢，尤其是在ESD系統中起到了安全保護的作用，投資少、操作靈活，具有推廣價值。