DCS系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)在關(guān)鍵單元集成控制的工程設(shè)計(jì)

范松山

（寧夏工業(yè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750001）

0 引言

《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)安全儀表系統(tǒng)（SIS）規(guī)定了設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)的原則，對(duì)照同為石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的《石油化工分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，我們可以看出分散控制系統(tǒng)（DCS）的主要特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)過程，用于對(duì)裝置過程變量進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量，運(yùn)算和控制，而SIS 系統(tǒng)是靜態(tài)過程，對(duì)裝置的生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在事故狀態(tài)下保護(hù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)裝置的安全聯(lián)鎖[1]。SIS 的可靠性較DCS 要求更高，因此各標(biāo)準(zhǔn)都推薦SIS 和DCS 的硬件系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，如SIS 系統(tǒng)獨(dú)立于DCS系統(tǒng)，獨(dú)立完成安全保護(hù)功能；SIS 系統(tǒng)的傳感器、最終執(zhí)行元件宜單獨(dú)設(shè)置等等[2-3]，然而隨著煉油工藝的發(fā)展，用戶在很多關(guān)鍵回路、閥門上同時(shí)有DCS 和安全聯(lián)鎖的需要，即控制和安全兩套本應(yīng)獨(dú)立的系統(tǒng)會(huì)在某些關(guān)鍵控制點(diǎn)上出現(xiàn)集成控制，這就要求自控系統(tǒng)中周密考慮設(shè)計(jì)、集成、施工等問題，在做到遵照SIS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求的同時(shí)，還能充分、靈活地滿足復(fù)雜工藝控制的需求。

SIS 與DCS 無(wú)縫集成的方法包括同種分離和異種分離兩種[4]，異種分離指不同品牌的DCS 和SIS 之間集成，同種分離指同一品牌的SIS 和DCS 共用網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)界面和組態(tài)。同種分離有著維護(hù)和工程的便利，減少了維護(hù)錯(cuò)誤等隨機(jī)性風(fēng)險(xiǎn)，但卻增加了系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)和共因風(fēng)險(xiǎn)，因此在當(dāng)今大量化工裝置設(shè)計(jì)中，SIS 與DCS 的集成仍然是異種分離，本文以已實(shí)施的DCS 和SIS 化工工程項(xiàng)目實(shí)施資料為基礎(chǔ)，精選了各種DCS 與SIS 集成控制的工程樣例，用以說明集成控制的技術(shù)方案和工程實(shí)施要點(diǎn)。

1 特殊工藝單元和關(guān)鍵控制中SIS 和DCS 集成控制必要性

SIS 是靜態(tài)操作，把系統(tǒng)的可靠性放在首要位置，因此常規(guī)的操作不在SIS 上進(jìn)行，以免誤操作造成意外停車，目前的SIS 系統(tǒng)中也不提供功能強(qiáng)大的PID 控制運(yùn)算模塊，即使是在某些特定場(chǎng)合，如機(jī)組控制中，工程人員也只用簡(jiǎn)單的PID 控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。SIS 里面的順序控制也只是強(qiáng)調(diào)邏輯運(yùn)算而非控制運(yùn)算功能，在順控過程中夾雜有復(fù)雜的控制場(chǎng)合，如有程序升溫，程序泄壓等復(fù)雜控制時(shí)，SIS 將無(wú)法滿足控制要求，這些復(fù)雜控制功能只能由DCS 來(lái)實(shí)現(xiàn)，而SIS 只執(zhí)行相關(guān)安全聯(lián)鎖的程序。

此外，煉油裝置中大量的特種閥門用于裝置的關(guān)鍵控制，例如催化裂化裝置的再生/待生滑閥、延遲焦化裝置的四通閥等，這些特種閥門可靠性高，投資巨大，用于關(guān)鍵控制。以催化裂化為例，正常生產(chǎn)過程中再生滑閥的開度控制了催化劑循環(huán)量，直接影響到反應(yīng)溫度，在正常生產(chǎn)中，該閥作為提升管出口溫度控制回路的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而在事故狀態(tài)下，該閥響應(yīng)SIS 的控制命令全關(guān)，保證反應(yīng)器和再生器切斷以及裝置安全，因此該閥在控制方案設(shè)計(jì)中就必須能實(shí)現(xiàn)同時(shí)接收來(lái)自DCS 和SIS 的控制命令，分別實(shí)現(xiàn)正?？刂坪桶踩?lián)鎖，且安全聯(lián)鎖的命令享有更高的優(yōu)先級(jí)別。對(duì)于這種特種閥門，無(wú)論是從投資還是工程的角度來(lái)看，依據(jù)SIS 系統(tǒng)中閥門冗余的要求來(lái)設(shè)置都是不適用的，這種情況也導(dǎo)致了SIS 和DCS 的集成控制情況的存在。

2 SIS 和DCS 集成控制的工程設(shè)計(jì)

SIS 的核心由檢測(cè)輸入，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，邏輯運(yùn)算單元組成[5]，在與DCS集成控制中，這三部分都有自己的工程設(shè)計(jì)原則和實(shí)現(xiàn)方法。

2.1 檢測(cè)輸入的工程設(shè)計(jì)

檢測(cè)輸入包括現(xiàn)場(chǎng)變送器檢測(cè)的AI、DI 等信號(hào)，對(duì)于安全度等級(jí)為二級(jí)的安全系統(tǒng)要求檢測(cè)器應(yīng)單獨(dú)設(shè)置，與過程系統(tǒng)分開，但在很多項(xiàng)目中，限于設(shè)備和投資情況，檢測(cè)器共用的現(xiàn)象仍比較普遍，只在機(jī)柜間實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的信號(hào)分配，工程中常見的方法包括：

2.1.1 SIS 作為信號(hào)的轉(zhuǎn)接和輸出平臺(tái)

某氣化爐項(xiàng)目中，在氣化爐進(jìn)料和加熱爐中存在大量的檢測(cè)信號(hào)需進(jìn)入DCS 和SIS 中。本項(xiàng)目中，檢測(cè)信號(hào)依據(jù)SIS 的設(shè)計(jì)規(guī)范首先接入到SIS 系統(tǒng)，SIS 系統(tǒng)安裝有接收不同信號(hào)種類的IO 卡件，這些卡件的輸入/輸出點(diǎn)采用硬接線的方式,重要參數(shù)采用三取二表決,信號(hào)分別接到3 個(gè)不同的輸入卡，SIS 和電氣之間信號(hào)(設(shè)備的啟停、設(shè)備的狀態(tài)),以及到電磁閥的信號(hào)用中間繼電器隔離。當(dāng)輸入信號(hào)同時(shí)需分配到SIS 和DCS 時(shí),硬接線先接到SIS 的輸入卡,經(jīng)SIS 的輸出卡輸出送到DCS，其中參與到DCS 控制的點(diǎn)應(yīng)采用硬接線，不作為DCS控制的輸入或輸出參數(shù)采用通訊模式，見圖1。

圖1 檢測(cè)信號(hào)的SIS/DCS 硬接線模式

該方案的設(shè)計(jì)保證了SIS 信號(hào)輸入的安全和時(shí)效，SIS 系統(tǒng)的信號(hào)從輸入到輸出一般小于50ms，對(duì)于DCS 的200-500ms 執(zhí)行周期來(lái)說，這個(gè)額外的信號(hào)傳輸時(shí)間是完全可以接受的。方案中1 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)來(lái)的AI 信號(hào)對(duì)應(yīng)自控系統(tǒng)的2 個(gè)AI (SIS 和DCS),1 個(gè)AO (SIS 輸出到DCS），而參與聯(lián)鎖但不參與DCS 控制的點(diǎn)可采用通訊模式由SIS 傳輸?shù)紻CS，可減少SIS 和DCS 的IO 卡件數(shù)量和接線工作量，減少自控系統(tǒng)成本。

2.1.2 一入二出的信號(hào)分配

一入二出的信號(hào)分配指現(xiàn)場(chǎng)變送器信號(hào)在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室內(nèi)通過安全柵、隔離器、報(bào)警器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)一路現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)分配成兩路，分別送至DCS 和SIS 系統(tǒng)的方法。雖然《石油化工SIS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》并不推薦在安全等級(jí)度二級(jí)要求的情況下采用一入二出的信號(hào)分配方法，但對(duì)比SIS 轉(zhuǎn)接的方案，一入二出的方案減少了SIS 信號(hào)至DCS 的AO 或者DO 卡件，同時(shí)一入二出信號(hào)分配器設(shè)計(jì)和安裝施工便利，這些因素使得一入二出的信號(hào)分配模式仍然在很多項(xiàng)目中大量存在。

對(duì)于一入二出的信號(hào)分配，工程設(shè)計(jì)和實(shí)施中需要注意以下兩點(diǎn)：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)（AI,DI，本安，非本安等）選擇合適的信號(hào)分配器類型，如安全柵、隔離器、報(bào)警器等；其次，信號(hào)分配器必須安裝在SIS 系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)，由SIS 系統(tǒng)供電。

2.2 系統(tǒng)輸出的工程設(shè)計(jì)

執(zhí)行器機(jī)構(gòu)目前的方法有幾種常見的方式，有早期的利用繼電器實(shí)現(xiàn)DCS 和SIS 共同操作現(xiàn)場(chǎng)閥門的方案；有DCS 操作工藝閥門，而SIS 控制閥門的氣源電磁閥的方案；以及利用SIS 作為操作平臺(tái)，DCS的所有閥位操作通過SIS 來(lái)完成。

2.2.1 繼電器回路

早期的硬接線和繼電器回路仍可在DCS 和SIS 的集成控制中發(fā)揮作用，某PVC 項(xiàng)目通過繼電器回路實(shí)現(xiàn)SIS 系統(tǒng)和DCS 系統(tǒng)對(duì)閥門的控制，圖2 是兩控制系統(tǒng)自動(dòng)切換原理圖，正常生產(chǎn)中通過繼電器的帶電吸合使DCS 到閥門的回路接通，當(dāng)SIS 系統(tǒng)動(dòng)作需使現(xiàn)場(chǎng)閥門進(jìn)入安全狀態(tài)時(shí)，利用安全盤上的切換開關(guān)，通過切換兩個(gè)系統(tǒng)的供電使繼電器的動(dòng)作由SIS 到閥門的回路接通，DCS 到閥門的回路斷開。

這種利用繼電器回路實(shí)現(xiàn)閥門動(dòng)作存在較多的缺陷，如繼電器存在接點(diǎn)粘?。╫n-stuck）的固有故障幾率[6]、接線煩瑣。同時(shí)由于雙回路的存在，不同系統(tǒng)的供電存在電位不等導(dǎo)致電流反串等現(xiàn)象（需通過加裝反向二極管來(lái)避免），但較低的投資仍然讓這種設(shè)計(jì)出現(xiàn)在一些安全等級(jí)要求相對(duì)較低的化工裝置。

圖2 繼電器實(shí)現(xiàn)閥門控制回路切換原理圖

2.2.2 換向電磁閥

圖3 是已實(shí)施的某國(guó)外專利工藝項(xiàng)目的SIS 和DCS 的閥門集成控制方案，此方案中關(guān)鍵閥門的設(shè)計(jì)帶有氣源換向電磁閥的氣動(dòng)閥，SIS 的執(zhí)行器是有源換向電磁閥FY14191B，DCS 的最終執(zhí)行原件是氣動(dòng)閥門定位器FY12191A。正常生產(chǎn)時(shí)DCS 的控制回路FIC14191通過執(zhí)行器FY14191A 實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的操作，事故狀態(tài)下，SIS 通過換向電磁閥FY14191B 使閥門FV14191 進(jìn)入預(yù)設(shè)的安全狀態(tài)（聯(lián)鎖號(hào)I12200）。

圖3 的方案中，DCS 和SIS 各自有自己的執(zhí)行原件，控制系統(tǒng)中DCS 和SIS 各有相應(yīng)的AO 信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門FV14191 的集成控制，這種方案使DCS 和SIS 的硬件界面劃分清楚，控制方案也各自獨(dú)立，避免了DCS 和SIS 之間的軟、硬件和控制方案交集，對(duì)于DCS 系統(tǒng)和SIS 系統(tǒng)的維護(hù)和操作來(lái)說也具有很大的便利性，然而，由于各自執(zhí)行原件的存在，使現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)量和現(xiàn)場(chǎng)布線的工作也大大增加，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)儀表投資昂貴。此外，由于SIS 系統(tǒng)的故障有85%是由現(xiàn)場(chǎng)儀表原因?qū)е耓7]，這種方案也增加了SIS 系統(tǒng)的故障頻次。

圖3 換向電磁閥實(shí)現(xiàn)閥門集成控制

2.3 邏輯運(yùn)算單元

DCS 的控制運(yùn)算無(wú)論在有無(wú)集成控制的情況下并無(wú)不同，都是按照工藝控制的需求完成PID、順控等。

集成控制中，SIS 的邏輯運(yùn)算單元除了監(jiān)視裝置的聯(lián)鎖工藝條件外，還承擔(dān)傳遞現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)給DCS 系統(tǒng)和DCS 的AO 信號(hào)傳遞到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行單元的功能，因此SIS 的邏輯運(yùn)算中增加了現(xiàn)場(chǎng)位號(hào)和輸出位號(hào)到DCS 位號(hào)的數(shù)值傳遞功能，需要SIS 的邏輯單元完成位號(hào)間的賦值。

正常生產(chǎn)中，SIS 系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算的輸出結(jié)果是靜態(tài)的、保持不變，而DCS 是動(dòng)態(tài)的、主動(dòng)的，控制閥動(dòng)作需隨控制信號(hào)的變化而變化，不會(huì)長(zhǎng)期停留在某一位置，針對(duì)SIS 和DCS 對(duì)閥門等不同的控制需求，SIS 的邏輯運(yùn)算中增加了選擇輸出功能：正常生產(chǎn)中，SIS 輸出到最終執(zhí)行元件的結(jié)果是DCS 控制運(yùn)算結(jié)果；事故狀態(tài)下，通過對(duì)裝置是否進(jìn)入聯(lián)鎖狀態(tài)進(jìn)行判斷，事故狀態(tài)時(shí)使SIS 邏輯預(yù)設(shè)輸出被選擇，執(zhí)行元件按SIS 預(yù)設(shè)的執(zhí)行動(dòng)作使現(xiàn)場(chǎng)閥位進(jìn)入安全狀態(tài)。

3 結(jié)論

SIS 和DCS 對(duì)關(guān)鍵控制單元和關(guān)鍵控制點(diǎn)上出現(xiàn)集成控制時(shí)，需對(duì)兩套系統(tǒng)的檢測(cè)輸入、邏輯運(yùn)算、系統(tǒng)輸出這幾個(gè)方面進(jìn)行針對(duì)性的工程設(shè)計(jì)，本文敘述的工程案例均可實(shí)現(xiàn)良好的控制功能和安全保障，具體方案的設(shè)計(jì)和選擇需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，依據(jù)裝置的安全等級(jí)要求、投資、控制需求等各方面的因素綜合考慮。

［1］石油化工SIS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范:條文說明[S].19.

［2］李鵬,王彥剛,陳建平.工廠安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及實(shí)現(xiàn)[J].石油化工自動(dòng)化，2009(5):12-16.

［3］劉太元，俞曼麗，鄭利軍.安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2008,18(8):89-96.

［4］王立奉.功能安全技術(shù)講座第十九講安全儀表系統(tǒng)(SIS)在石化裝置上的應(yīng)用[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量,2010(1):16-20.

［5］薛東勝.從國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)看安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(二)[J].石油化工設(shè)計(jì),2008，25(3):8-12.

［6］薛東勝.從國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)看安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(一)[J].石油化工設(shè)計(jì),2008，25(4):11-13.

［7］李勝利,盧金芳.石油化工裝置安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工程設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn),2007(2):18-22.