提高安全儀表系統和集散控制系統穩定性探索

張 成 張 寧

(安徽晉煤中能化工股份有限公司 安徽臨泉236400)

隨著化工設備裝置及生產能力的大型化，由事故導致的危害對諸多方面造成的嚴重后果日益引起人們的關注。盡管可以通過執行嚴格的規章制度、正確的操作方法、定期的檢修以及日常的維護等方式來減少或避免事故的發生，但僅通過以上方式來杜絕事故已是完全不可能，這就要求在自動化水平方面不斷提高，在過程自動控制和安全控制方面能夠互補應用，并從軟件、硬件對設備進行保護，以杜絕事故的發生，保證生產裝置安全穩定運行。

1 過程自動控制與安全控制的關聯性

越是高科技的設備，其自動化控制水平越強，操作所需要的人力也越少，但同時所存在的危險性也較高。為避免在同一系統下控制功能同時失效而帶來的風險，提高設備的安全性，在儀表控制系統方面一般采用DCS加SIS的雙重控制。安徽晉煤中能化工股份有限公司(以下簡稱中能公司)航天爐裝置控制系統是其典型的應用。DCS和SIS雖然都是對設備進行控制，但按照IEC61508和IEC61511標準，安全儀表系統SIS和集散控制系統DCS是2種不同類別的系統，兩者互為補充和聯系，主要差異如下所述。

1.1 設計標準規范不同

(1)DCS系統只需達到使用國家及地區的標準規范要求，滿足用戶提出的要求即可。

(2)安全儀表系統SIS是嚴格按照IEC61508標準設計、生產制造的，產品應用也必須遵循IEC61511提出的要求，有統一的國際標準。

1.2 產品認證不同

(1)DCS系統只需取得通用的認證即可。

(2)安全儀表系統SIS需要通過第三方權威認證，比如TUV認證，以便滿足國際標準對安全及可靠性的要求。

1.3 產品應用方面定位不同

(1)DCS系統主要用于生產的過程控制，滿足和實現生產過程中需要的各種控制功能，如：串級控制、雙重控制、模糊控制、分程控制、比值控制等一些先進的控制方案都需要在DCS內部組態完成，其控制可減少操作人員的工作量，同時可選擇合適的控制方案對生產進行優化，以實現生產裝置的節能降耗和增效。

(2)安全儀表系統SIS用于生產過程中的安全防護，其核心是用于設備的安全保護，要求具有較高的可靠性和實用性，其采樣周期短、動作快，主要用于重要的聯鎖。

1.4 工作特性不同

(1)DCS系統是一個動態的過程控制，實時采集現場大量的工藝變量，根據預定的控制策略來控制最后的執行元件。此種控制在階躍起干擾作用下，當出現發散振蕩等過渡過程的無自衡變化時，需要操作人員進行人工干預。

(2)安全儀表系統SIS可以看作是一個“靜態”的系統，正常工況下，它是靜止的，不會發出控制輸出命令，一旦達到設備所接受的臨界點或超過臨界點時，安全儀表系統SIS會快速響應進行邏輯運算，處理后控制執行元件，使整個裝置處于所要求的安全狀態。這個過程沒有人工的操作干預，其響應處理速度優于DCS系統，一般在幾十毫秒到幾百毫秒。

1.5 硬件配置方面

安全儀表系統SIS硬件配置遠遠高于DCS系統，且自診斷能力較強，其控制器雖都為冗余配置，但又各有不同，DCS控制器1主1備，當主控制器出現問題時，會立即切換到備用控制器上。安全儀表系統SIS由于掃秒速率較快，2臺控制器同時運行，當其中1臺控制器出現問題時，不需要進行切換。

2 實際生產中穩定性的應用情況

2008年，航天爐粉煤加壓氣化裝置在中能公司點火成功，在4年的運行過程中，在控制方面進行了部分改進，使其更為完善，提高了生產的穩定性，現結合DCS與ESD來進行描述。

2.1 激冷水流量調節的改造

由于激冷水流量通過激冷水泵加壓輸送以建立氣化爐液位，保證氣化爐的安全。該激冷水流量通過變送器測量后送往控制站，經安全柵輸出分為2路：①第1路輸入到ESD進行控制，當其達到所設定的低限值時，經邏輯運算后，信號送往氣化爐大聯鎖邏輯，執行停車，避免由于氣化爐斷水而發生重大事故。②第2路輸出信號送往DCS模擬量輸入卡件，通過閉環控制由激冷水流量調節閥來調節激冷水流量；當流量高于所設定的高限時，2臺激冷水泵只有1臺運行；當低于所設定的低限時，DCS發出報警信號，1臺泵進行聯鎖控制啟動，由于測量的介質較臟，且只有1臺變送器，一旦所測量信號中的一個環節出現問題，ESD將執行大聯鎖造成停車，造成較大經濟損失。

改進措施：①在文丘里流量計的正、負壓室的取壓根部各取3個點，共用3個測量變送器進行流量測量，為了避免流量計取壓根部堵塞和減小測量的誤差，增加沖洗水對流量計取壓根部進行沖洗。②將3只流量計的信號分別通過3臺安全柵分配器進行輸出，輸出后，第1路的3個激冷水流量信號A，B和C分別進入ESD柜內，3個信號分別設定其低限跳車值，輸入信號進入三選二邏輯運算，表決后的值再送往氣化爐大聯鎖邏輯，聯鎖觸發后，部分信號通過DCS系統來進行控制動作。第2路信號分別送入DCS柜內，3個信號分別通過高高值和低低值的設定輸出，通過三選二邏輯運算后，控制激冷水泵的啟停；另外，其所測量的值直接通過運算取中間值，對流量調節閥調節控制。經上述方案改進后，把DCS和ESD互為結合，大大減小了因流量指示偏差或其環節信號出現問題而造成的停車事故概率，保障了生產裝置穩定運行。

改進后ESD邏輯運算示意如圖1所示。

圖1 改進后ESD邏輯運算示意

2.2 粉煤流量計供電電源及聯鎖的改進

(1)儀表硬件的準確測量是保證生產裝置穩定安全運行的可靠保證，粉煤流量計是其中最關鍵的設備之一，而粉煤流量計數據的穩定是重中之重。每套航天爐共裝有6只粉煤流量計，二樓3只不僅參加粉煤流量調節，還參與氧煤比計算；八樓3只進行PID調節，又參與ESD大聯鎖停車控制。中能公司采用了德國SWR流量計，220 V交流電配電，氣化DCS為2路UPS配電。原供電情況：二樓3只粉煤流量計為1#A路、2#B路和3#A路，八樓3只為1#A路、2#B路和3#A路。當UPS故障時，無論哪路UPS故障，粉煤流量計數據都會受到影響，曾因粉煤流量計跳電源而造成停車事故，根據實際需求，改進后粉煤流量計電源自動切換示意見圖2。改進后，無論哪路輸入故障，都會有輸出，保證了粉煤流量計數據的穩定。

圖2 改進后粉煤流量計電源自動切換示意

(2)由于粉煤管線所輸送煤的介質為二氧化碳，當粉煤內帶有草片或者有大顆粒的粉煤時，粉煤管線內將會出現間歇性斷流現象。由于八樓的粉煤流量計參與密度和速度聯鎖停車，其聯鎖為一選一，3條粉煤管線無論是哪條流量出現問題就會造成跳車。后經分析討論與驗證，為保證裝置的長周期穩定運行，將ESD上所在的聯鎖改為三選二控制，其粉煤切斷閥的聯鎖順控，仍由DCS和ESD共同控制完成。改進后，避免了因粉煤流量計不準或斷流而造成的停車。2012年，首次突破了航天爐連續運行189 d的記錄。

3 結語

在化工生產中，安全儀表系統是非常特殊的控制系統，隨著科學技術水平的提高，現場測量儀表的精度等級也在大大提高，可靠性和穩定性也大大增強，而要保證生產裝置的穩定運行，集散控制系統和安全控制系統必須互相結合。