緊急停車系統(tǒng)在電子特種氣體生產(chǎn)裝置中的應用

孫珊珊，鄭燕春，付鐵柱

（1.衢州巨化錦綸有限責任公司；2.浙江博瑞中硝科技有限公司:浙江 衢州324004）

近年來，隨著人們對化工裝置安全問題的重視，保障化工人的人身和設(shè)備等生命和財產(chǎn)的安全，國家和地方政府出臺了一系列安全環(huán)保法律法規(guī)，并導入ESD（Emergency Shut Down）系統(tǒng)，即緊急停車系統(tǒng)。作為化工生產(chǎn)安全的一項保障措施。ESD系統(tǒng)在化工生產(chǎn)裝置中起到非常關(guān)鍵的作用，即當工藝過程出現(xiàn)故障，或由于工藝以外的事故（如火災、斷電等），造成過程控制系統(tǒng)無法進行控制時，關(guān)斷或旁通工藝流程，防止和減少惡性事故的發(fā)生。其除了實現(xiàn)復雜的邏輯控制外，更重要的是其安全可靠性[1-2]。

電子特種氣體作為關(guān)鍵的原材料，被廣泛的應用于液晶顯示器和半導體等制造中。電子特種氣體種類繁雜，如氯氣、氯化氫、氟化氫、含氟類系列氣體、硅烷類系列氣體、磷烷和砷烷等，多數(shù)具有一定的腐蝕性或毒性，其安全生產(chǎn)成為重中之重。

電子特種氣體，尤其硅烷類系類氣體的生產(chǎn)過程中，多采用精餾等工藝對特種氣體進行提純，是電子特種氣體生產(chǎn)的重要工藝。采用Prosafe-RS軟件，按照安全獨立原則要求，與DCS集散控制系統(tǒng)分開，對高純甲基硅烷的生產(chǎn)過程中的精餾及配套裝置進行ESD控制系統(tǒng)的設(shè)計，以便保障生產(chǎn)工藝的安全[3]。

1 ESD系統(tǒng)需求及其設(shè)計原則

高純甲基硅烷的生產(chǎn)過程中的精餾及配套裝置包含精餾塔（C-1401）、再沸器（H-1401）、冷凝器（E-1401）等主要設(shè)備，精餾塔C-1401需設(shè)置壓力變送器（PIT），為保護人身和裝置的安全，需控制精餾塔的壓力，防止壓力過充，導致精餾塔塔頂報廢和發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量及安全問題，需對精餾塔系統(tǒng)進行ESD控制設(shè)計，進而實現(xiàn)緊急停車功能。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則：

1)獨立性。ESD系統(tǒng)的安全級別遠高于DCS系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)之上，具有其獨立性[4]。為保障該裝置ESD系統(tǒng)的獨立性。本設(shè)計將ESD現(xiàn)場檢測儀表均獨立于DCS系統(tǒng)檢測儀表，僅參與ESD聯(lián)鎖邏輯，不參與DCS控制[5]。

2)安全性。該裝置在ESD系統(tǒng)設(shè)計時，除考慮其設(shè)置形式、邏輯控制系統(tǒng)的選用外，還對裝置現(xiàn)場設(shè)備的安全完整性等級進行了認證[6]。通過分析該系統(tǒng)的風險后果嚴重程度、風險暴露時間和頻率、不能避開風險的概率及不期望事件發(fā)生概率這4個因素的綜合分析，得出安全相關(guān)系統(tǒng)的SIL（Safety Integrity Level）等級為SIL3。按照安全完整性等級為SIL3中要求，按照要求的故障概率（PFD）達到10-4～10-3，每小時的危險故障概率（PFH）達到10-8～10-7。

基于該安全級別，從安全性、可靠性和可應用性等方面的要求綜合考慮，進行ESD系統(tǒng)配置。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

ESD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括了檢測單元、控制單元和執(zhí)行單元等，如圖1所示。

圖 1 ESD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 1 ESD system structure diagram

其中，檢測單元由現(xiàn)場的溫度、壓力、液位、流量等儀表組成[7]。執(zhí)行單元由閥門、機泵和一些成套機組組成，用來切斷工藝流程、關(guān)停相應的設(shè)備（如機泵、真空機組等）。控制單元由輸入模塊、邏輯運算和輸出模塊組成。

該裝置ESD系統(tǒng)的信號主要分為模擬量信號和開關(guān)量信號2大類[8]。將來自現(xiàn)場的模擬量信號經(jīng)過模擬量端子板，進入ESD相應信號類型的卡件進行處理后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號參與聯(lián)鎖邏輯，觸發(fā)軟件內(nèi)部聯(lián)鎖邏輯，送出開關(guān)量信號到一分二的端子板上，一路信號送到ESD系統(tǒng)聯(lián)鎖柜，另一路送到現(xiàn)場閥門、機泵或成套設(shè)備。

1)機柜設(shè)計。該裝置的硬件采用某公司生產(chǎn)的SSC20D，CPU模塊采用SCP451-51，電源模塊采用SPW482-53，CPU與工控機之間通過專用數(shù)據(jù)通訊卡SEC401-51、SSB401-53傳輸數(shù)據(jù)，3種類型模塊均為雙冗余配置。模擬量輸入采用SAI143模塊，溫度輸入采用SAI143模塊，數(shù)字量輸入采用SDV144模塊，數(shù)字量輸出采用SDV541模塊，各節(jié)點之間通過專用通訊電纜進行數(shù)據(jù)傳輸。

2)聯(lián)鎖柜設(shè)計。為保障該ESD系統(tǒng)的獨立性，使其獨立于DCS系統(tǒng)，即不能在DCS系統(tǒng)上操作ESD系統(tǒng)的現(xiàn)場閥門，結(jié)合該裝置的特點和工藝安全需求，單獨設(shè)計了ESD聯(lián)鎖柜，用于操作ESD系統(tǒng)的聯(lián)鎖邏輯以及現(xiàn)場閥門。ESD聯(lián)鎖柜由聯(lián)鎖旁路/投入開關(guān)、開/關(guān)閥門開關(guān)、復位按鈕3部分組成。

3 ESD系統(tǒng)的應用

圖2為ESD聯(lián)鎖邏輯。

圖 2 ESD聯(lián)鎖邏輯Fig 2 ESD interlocking logic diagram

圖3為ESD聯(lián)鎖控制界面。

圖 3 ESD聯(lián)鎖控制界面Fig 3 ESD interlocking control interface diagram

該聯(lián)鎖邏輯圖為精餾塔（C-1401）壓力高高保護聯(lián)鎖。V2oo3是3選2模塊，當接收到聯(lián)鎖條件PIT14065A/B/C_HH中的任意2個壓力信號時，通過RS觸發(fā)器的RESET端，一路立即關(guān)閉蒸汽切斷閥HV14054，另一路直接觸發(fā)啟動事故吸收塔循環(huán)泵P-1413A/B。HS14002_RST為帶自復位功能的復位開關(guān),復位按鈕按下去之后，將復位信號送到RS觸發(fā)器的置位端SET，一路打開蒸汽切斷閥HV14054，另一路停止事故吸收塔循環(huán)泵P-1413A/B，使閥門和機泵都恢復到正常開車時的狀態(tài)。HS14002_BYP為旁路信號，與V2oo3的輸出端同時送到RS觸發(fā)器的RESET端，當HS14002_BYP切到聯(lián)鎖狀態(tài)時，該聯(lián)鎖邏輯有效，當HS14002_BYP切到旁路狀態(tài)時，聯(lián)鎖邏輯失效。

操作人員可以根據(jù)壓力信號、閥門、機泵等設(shè)備的色變信號直觀地了解到現(xiàn)場設(shè)備的運行情況。當系統(tǒng)接收到現(xiàn)場信號時觸發(fā)邏輯變量，使邏輯變量值從0跳變到1，該信號由綠色變?yōu)榧t色并閃爍，同時發(fā)出聲音報警。另外操作人員也可以通過ESD控制界面對聯(lián)鎖邏輯進行旁路和復位。

運行結(jié)果表明，當該聯(lián)鎖處于投用狀態(tài)時，接收到聯(lián)鎖條件PIT14065A/B/C中的任意2個壓力信號超過聯(lián)鎖值時，聯(lián)鎖開始動作，立即關(guān)閉蒸汽切斷閥HV14054，啟動事故吸收塔循環(huán)泵P-1413A/B，進而實現(xiàn)緊急停車功能及SIL3等級要求[9]。整個系統(tǒng)達到設(shè)計要求，能準確地反映所有指定的生產(chǎn)過程安全聯(lián)鎖參數(shù)及過程工作狀況。經(jīng)過多次調(diào)試表明，不管是生產(chǎn)裝置故障，還是系統(tǒng)本身故障，都能迅速響應，使生產(chǎn)裝置達到設(shè)計的安全停車工況。

4 結(jié) 語

通過對電子特種氣體高純甲基硅烷的精餾裝置的ESD系統(tǒng)硬件配置及完善的邏輯設(shè)計，滿足了裝置系統(tǒng)的獨立性和SIL3安全綜合等級要求，同時實現(xiàn)了裝置的ESD緊急停車功能，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，保障了裝置生產(chǎn)的安全穩(wěn)定。