安全儀表系統(tǒng)在儀長復(fù)線運用

陳少祥

摘 要： 儀長復(fù)線是新投入運行的管線，站控系統(tǒng)設(shè)計采用全新的設(shè)計方法，將系統(tǒng)的過程控制與安全防護分開，引入了安全儀表系統(tǒng)，具有不同以往系統(tǒng)的特點，為使大家對系統(tǒng)有所了解，本文對儀長復(fù)線安全儀表系統(tǒng)的架構(gòu)及原理進行了論述，對涉及的主要功能做了介紹，并對系統(tǒng)的特點進行了分析，希望對系統(tǒng)的維護有所幫助。

關(guān)鍵詞： 冗余;SIS系統(tǒng);ESD;3選2

安全儀表系統(tǒng)是在20世紀80～90年代發(fā)展起來的，以其高可靠性、安全性和靈活性在油氣管道領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛性應(yīng)用，是保障油氣管道安全的重要措施;儀長復(fù)線安全儀表系統(tǒng)是新投入運營的系統(tǒng)，了解系統(tǒng)的構(gòu)成及原理，對維護系統(tǒng)的安全運行，保障輸油生產(chǎn)的正常運行具有重要的意義。

1站控系統(tǒng)的構(gòu)成

站控系統(tǒng)由基本過程控制系統(tǒng)（簡稱BPCS系統(tǒng)）和安全儀表系統(tǒng)（簡稱SIS系統(tǒng)）構(gòu)成，BPCS系統(tǒng)主要負責(zé)過程控制，SIS系統(tǒng)提供安全保護控制，兩套系統(tǒng)共同構(gòu)成儀長復(fù)線輸油管線的站控SCADA系統(tǒng)，同時SIS系統(tǒng)采集一些關(guān)鍵點數(shù)據(jù)，通過MSG指令傳遞給BPCS系統(tǒng)，協(xié)助BPCS系統(tǒng)的操作，下面以某中間站安全儀表系統(tǒng)為例介紹系統(tǒng)。

2SIS系統(tǒng)的架構(gòu)

SIS系統(tǒng)是由檢測單元、邏輯控制單元和執(zhí)行單元組成，用來實現(xiàn)一個和幾個安全儀表功能的儀表系統(tǒng);為完成系統(tǒng)的安全防護功能，提高系統(tǒng)的可靠性，邏輯控制單元采用AB公司增強型冗余機架[1]，機架里包括電源模塊、控制器模塊、通信模塊、冗余模塊，遠程I/O網(wǎng)絡(luò)采用EtherNet/IP環(huán)網(wǎng)，采用I/O模塊冗余;現(xiàn)場的檢測單元和執(zhí)行單元與I/O冗余模塊相連;上位機的通信采用EtherNet/IP雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)（A、B網(wǎng)）;由2路路由器與外界通信，系統(tǒng)的拓撲圖如下：

2.1冗余機架的原理

冗余機架由2個完全相同的機架組成，配置的模塊類型、機架尺寸、系列號、固件版本相同，插入的槽位相同，[2]控制器是高性能的1756-L72控制器，1756-EN2TR是一個雙網(wǎng)口的EtherNet/IP模塊，與之配對模塊組成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)連接遠程I/O模塊，IP地址采用內(nèi)部IP地址，配對的2個通信模塊的IP地址配置相同，主機架的IP地址顯示設(shè)置的地址，輔助機架的IP地址自動加1，切換時，主從機架的IP地址互換;1756-EN2T模塊是用于與工作站通信的EtherNet/IP模塊，每個機架有2個1756-EN2T模塊，IP地址采用外部IP地址，2個模塊的IP地址處于不同的網(wǎng)段，構(gòu)成A、B網(wǎng)冗余，主從機架配對的模塊的IP地址設(shè)置相同，切換時互換IP地址，原理與1756-EN2TR模塊的配置原理相同;1756-RM2/A是增強型冗余模塊，是雙光口模塊，內(nèi)嵌光電收發(fā)器，配對的2個模塊由2條光纜相連，1條是主光纜，1條是從光纜，主光纜故障時，從光纜接管工作，冗余模塊負責(zé)冗余機架間通信和切換。一個機架為主機架，另一個為從機架，主控制器負責(zé)整個系統(tǒng)的工作，負責(zé)輸入模塊數(shù)據(jù)的采集，控制輸出模塊的輸出和程序的邏輯掃描，冗余系統(tǒng)的主控制器在程序的邏輯掃描結(jié)束后，將輸出交叉加載到從機架的控制器，從而保證冗余控制器的同步，保證主控制器出現(xiàn)故障時從控制器順利接管控制，實現(xiàn)系統(tǒng)無擾動的切換。

2.2AI模塊冗余原理

由2個模擬量模塊組成冗余模塊對，共4個模塊，分別采集了3個進站壓力、3個入口匯管壓力、3個出口匯管壓力、3個出站壓力、3個電液閥的液壓系統(tǒng)壓力、3個電液閥的閥位檢測。

它的檢測原理：首先檢測2個模塊及通道是否有故障;2個通道正常，最終值取平均值，1個通道正常，最終值取正常通道的值;計算配對模塊通道的偏差值，偏差值小于2，最終值取2通道的平均值，大于2產(chǎn)生偏差報警;如果2個通道故障，上位機顯示一個預(yù)定故障值。

2.3DI模塊冗余原理

由2個數(shù)字量模塊組成模塊對，共有6個模塊，分別采集4個ESD按鈕信號、泄放罐的高高、低低液位報警、6個火焰探測器的高報警、高高報警、故障報警;3個電液閥的開位指示、關(guān)位指示、工作電壓故障報警、油位超低報警、就地/遠控狀態(tài)。

檢測原理：檢測模塊及通道是否正常;最終值取2通道值的“或”;如果2通道的值不一致，延時200ms，置位通道不一致報警。

2.4DO模塊冗余原理

由2個數(shù)字量輸出模塊組成模塊對，共有4個模塊，分別是4路輸油泵緊急停泵輸出;3路進站電液閥開閥、關(guān)閥、緊急關(guān)閥輸出;3路出站電液閥開閥、關(guān)閥、緊急關(guān)閥輸出;2路壓力越站電液閥開閥、關(guān)閥輸出。

檢測原理比較簡單，如果有DO指令輸出，2個通道同時輸出，如果2通道的值不一致，延時200ms，置位通道不一致報警，同時檢測模塊通道是否正常。

3SIS系統(tǒng)的主要功能

3.1干線壓力的緊急停泵保護

當輸油干線的壓力高于或低于緊急停泵的值，所有運行的輸油泵全部停運。控制邏輯為：對輸油干線壓力采用“3選2”的控制方式[3]，以出站壓力為例，如果出站壓力保護投用，3個壓力值正常，任意選擇的2個壓力變送器的值超過出站壓力的停車報警值，就產(chǎn)生停車報警，運行的輸油泵緊急停泵;如果一個壓力變送器故障，另外2個壓力變送器的值只要一個高于停車報警值，立即產(chǎn)生停車報警，運行的輸油泵立即緊急停泵;如果2臺壓力變送器故障，剩下的壓力變送器的值高于停車報警值，立即產(chǎn)生停車報警，運行的輸油泵緊急停泵;如果3個壓力變送器故障，自動摘除出站壓力保護。

對出口匯管壓力、入口匯管壓力，原理與出站壓力控制原理相同，只是入口匯管壓力值取低于設(shè)定值。

3.2水擊保護

觸發(fā)水擊的的條件是進站壓力超高、進站電液閥門（也稱ESD閥）關(guān)、出站電液閥門（也稱ESD閥）關(guān)和ESD（急停）按鈕觸發(fā)。水擊控制器是首站SIS系統(tǒng)，由首站SIS系統(tǒng)處理全線水擊觸發(fā)指令，本站SIS系統(tǒng)通過檢測與首站SIS系統(tǒng)通信的心跳數(shù)據(jù)來判斷兩站間的通信狀態(tài)，當通信故障時，本站水擊源自動屏蔽，待通信恢復(fù)后自動恢復(fù)。

3.2.1ESD按鈕觸發(fā)

站場及站控室分布4個ESD按鈕，任一按鈕觸發(fā)后，緊急停運本站所有運行的輸油泵，本站SIS系統(tǒng)發(fā)出水擊觸發(fā)命令，首站SIS系統(tǒng)接收到指令后，經(jīng)過一定的延時，同時觸發(fā)全線水擊超前保護，各站運行輸油泵同時停運，判斷全線各站已無運行輸油泵后，關(guān)閉本站進出站ESD閥門。

3.2.2進站、出站ESD閥關(guān)閥觸發(fā)

ESD閥門關(guān)至開度小于設(shè)定的開度，且一定時延后開度減小，本站SIS系統(tǒng)發(fā)出水擊觸發(fā)命令，首站SIS系統(tǒng)接收到指令后，經(jīng)過一定的延時，發(fā)出首站、本站所有運行的輸油泵同時停運指令。

3.2.3進站壓力超高觸發(fā)（進站壓力采用“3選2”判斷）

進站壓力的“3選2”判斷原理與出站壓力“3選2”判斷原理相同，進站壓力持續(xù)一定時間超過設(shè)定壓力值，本站SIS系統(tǒng)發(fā)出水擊觸發(fā)命令，首站SIS系統(tǒng)接收到指令后，經(jīng)過一定的延時，發(fā)出首站、本站所有運行的輸油泵同時停運指令。

3.3其它功能

主要有中控緊急停泵;中控及站控下各種急停保護投用與摘除;3個電液閥的開、關(guān)、停控制、進站和出站電液閥緊急關(guān)閥控制、可燃氣體探測報警、火焰探測報警及泄放罐的高低液位傳遞給BPCS系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)油泵的啟停等。

4SIS系統(tǒng)的特點

作為管道公司新出現(xiàn)以ControlLogix平臺設(shè)計的SIS系統(tǒng)，具有不同于以往的SCADA系統(tǒng)特點。

4.1邏輯控制單元特點

（1）SIS系統(tǒng)與BPCS系統(tǒng)分離，減輕了系統(tǒng)的工作負荷[4]，SIS系統(tǒng)只負責(zé)安全防護，同時采用AB公司最新型的控制器模塊，模塊處理速度快，提高了系統(tǒng)對事故響應(yīng)能力。

（2）采用增強型冗余系統(tǒng)，遠程I/O網(wǎng)絡(luò)與上位機網(wǎng)絡(luò)均是以太網(wǎng)，以太網(wǎng)使用雙絞線連接，組網(wǎng)靈活，查找故障方便，系統(tǒng)不需要規(guī)劃;上位機通信實現(xiàn)A、B雙網(wǎng)冗余，以往的系統(tǒng)中即使機架中有2個以太網(wǎng)模塊，也不能真正實現(xiàn)雙網(wǎng)冗余，只要一個模塊故障，系統(tǒng)馬上切換。

（3）根據(jù)不同SIL等級，[5]不同的安全功能回路進不同系統(tǒng)，既具有經(jīng)濟性又保證了安全性。

（4）將輸入模塊的數(shù)據(jù)預(yù)先緩存即數(shù)據(jù)映像，保證系統(tǒng)正常控制邏輯。由于控制器有兩個CPU同時工作，分別是背板CPU和邏輯CPU，背板CPU負責(zé)外部數(shù)據(jù)交換工作，邏輯CPU負責(zé)用戶程序的邏輯掃描和系統(tǒng)高層管理，背板CPU的比邏輯CPU有更高的優(yōu)先級別，為程序邏輯正確的執(zhí)行，使用緩存數(shù)據(jù)，如果程序在一個掃描周期內(nèi)，同一個指令多次掃描，同一指令的參數(shù)的值可能不一致，有可能帶來不可預(yù)測的結(jié)果。[6]

（5）輸出模塊預(yù)置安全狀態(tài)或保持最后正確的狀態(tài)，在系統(tǒng)故障時和系統(tǒng)初始化時防止意外事件發(fā)生。

（6）邏輯控制單元模塊都是帶診斷功能的模塊，通過編程診斷模塊狀態(tài)，根據(jù)模塊及通道狀態(tài)決定程序執(zhí)行。如通過診斷輸入模塊的狀況，決定參數(shù)的保護是否投用或摘除。

（7）BPCS系統(tǒng)的維護不影響SIS系統(tǒng)的防護功能，SIS系統(tǒng)維護對BPCS系統(tǒng)有所影響，由于傳遞了部分參數(shù)給BPCS系統(tǒng)。

4.2檢測單元特點

（1）干線壓力儀表取消了壓力開關(guān)控制，壓力變送器采用“3選2”邏輯，[3]既保障了可靠性，又消除了因個別變送器故障帶來的事故。

（2）4個ESD按鈕分別配置在現(xiàn)場和站控室[7]，功能一樣，在緊急情況下，通過手動按鈕消除事故，4個ESD按鈕與邏輯控制單元硬線連接。

（3）火焰探測、可燃氣體探測、泄放罐高低液位等關(guān)鍵點報警在安全儀表系統(tǒng)中采集。

4.3執(zhí)行單元特點

4.3.1泵機組

泵機組停泵信號與BPCS系統(tǒng)及SIS系統(tǒng)的DO模塊硬線連接;BPCS系統(tǒng)的泵機組順序停泵輸出與SIS系統(tǒng)干線壓力的緊急停泵保護輸出單獨設(shè)置，干線壓力緊急停車具有優(yōu)先級。

4.3.2進出站電液閥

（1）控制信號及各種反饋信號與邏輯控制單元采用硬線連接。

（2）儲能式驅(qū)動，蓄能器中的液壓能量滿足無外部動力源情況下閥門開關(guān)3個行程[8]。

（3）開、關(guān)指令是保持性信號，指令釋放閥門停止，保持閥位不變，開、關(guān)電磁閥是勵磁回路。[8]

（4）實現(xiàn)遠程和現(xiàn)場自動開、關(guān)、停閥及ESD關(guān)閥及現(xiàn)場ESD復(fù)位;現(xiàn)場配有手動打壓泵，實現(xiàn)現(xiàn)場手動開、關(guān)、停閥動作。

結(jié)語

從以上對儀長復(fù)線安全儀表系統(tǒng)的介紹可知，儀長復(fù)線SIS系統(tǒng)的功能是完備的，系統(tǒng)既沒有追求過高的安全等級，而保護過度，也沒有出現(xiàn)保護不足情況，能滿足儀長復(fù)線安全防護的需要，隨著SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化及系統(tǒng)功能增加，將安全儀表系統(tǒng)獨立出來是必然的趨勢，掌握好安全儀表系統(tǒng)基本知識，是系統(tǒng)維護人員必備技能，希望本文對系統(tǒng)維護具有一定的參考價值。

參考文獻

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[3]中國石油天然氣公司.輸油氣管道工程安全儀表設(shè)計規(guī)范：SY/T6966-2013[S].北京：石油工業(yè)出版社，2014：9;42-43.

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[5]鄧李.ControlLogix系統(tǒng)實用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013：14-15.

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