提高生產(chǎn)過程安全聯(lián)鎖系統(tǒng)可靠性的實用技術-

1、提高生產(chǎn)過程安全聯(lián)鎖系統(tǒng)可靠性的實用技術孟憲明(天津石化公司第三石油化工廠,天津 300163摘 要以兩個實例介紹了在安全性要求比較高的中、小型生產(chǎn)裝置和設施中,以比較小的投資提高安全聯(lián)鎖系統(tǒng)可靠性的實用方法。這種基于冗余技術思想的實用技術,在特種設備(包括工業(yè)鍋爐、壓力容器、樓宇自動控制設施、自動消防設施和大型游樂設施等及其它一些領域(電力、冶金、石油、化工、制藥及交通信號等中具有較高的推廣價值。關鍵詞雙重化冗余聯(lián)鎖可靠性“軟硬兼施”0 引言在工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)通常設置了安全報警和安全聯(lián)鎖的安全功能。當工藝參數(shù)接近安全條件時,系統(tǒng)發(fā)出報警,通知操作人員處理;一旦工藝參數(shù)達到或超出安全條

2、件范圍,系統(tǒng)馬上執(zhí)行聯(lián)鎖動作,以保證生產(chǎn)裝置處于安全狀態(tài)。在安全要求比較高的生產(chǎn)過程中,為防止自動控制系統(tǒng)故障而可能喪失安全功能,還專門另設安全聯(lián)鎖系統(tǒng),生產(chǎn)過程的測控由自動控制系統(tǒng)完成,安全保障由安全聯(lián)鎖系統(tǒng)完成。由于石化生產(chǎn)的高溫高壓、易燃易爆、強腐蝕、高毒性等特點,安全要求十分高,在采用DCS(集散控制系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的同時,還采用ESD(緊急停車系統(tǒng)或FSC(故障安全控制系統(tǒng)完成生產(chǎn)過程安全控制,以確保安全生產(chǎn)。作為生產(chǎn)過程的安全屏障,ESD或FSC自身的可靠性是十分重要的。采用單PLC作為安全聯(lián)鎖裝置,同樣存在自身故障而使安全聯(lián)鎖失靈的可能,所以目前的安全聯(lián)鎖裝置較多采用計算

3、機冗余技術和容錯技術。冗余安全聯(lián)鎖系統(tǒng)采用模塊二重化的冗余技術,控制器電路實現(xiàn)二重化設計,各通道獨立,但又同時完成相同功能,使用“二選一(1002”表決的方式執(zhí)行聯(lián)鎖動作輸出。容錯安全聯(lián)鎖系統(tǒng)采用模塊三冗余的TMR容錯技術,控制器電路實現(xiàn)三重化設計,各通道獨立,但又同時完成相同功能,使用“三選二(2003”表決的方式執(zhí)行聯(lián)鎖動作輸出。這種“雙重化”、“三重化”的設計,即使安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的某通道發(fā)生故障而失靈,其它通道還具有正常的聯(lián)鎖功能,而多通道同時發(fā)生故障的幾率要遠遠小于“單重化”設計的安全聯(lián)鎖裝置,顯而易見其可靠性是大大提高了。同時,系統(tǒng)還具有I/O 冗余、通信冗余、軟硬件自診斷等功能,進一

4、步提高自身可靠性,當然,這種功能比較齊全的安全控制系統(tǒng)的性價比是比較高的,價格也是不菲的,一般應用于安全性要求比較高的大型機組、大型裝置中。那么,如何在安全性要求比較高的中、小型裝置中以比較小的投資添加安全聯(lián)鎖系統(tǒng)?在這樣的系統(tǒng)中如何以比較小的投資提高其自身的可靠性?這些是儀表自動化及其有關人員所關心的問題。1 霧化器安全聯(lián)鎖我廠在聚醚車間POP后處理裝置中采用霧化器脫單體。POP成品(液體中含有少量未反應的單體,進入霧化器,霧化后少量未反應的單體從POP成品中脫離出來,霧化器呈負壓狀態(tài),單體從管道抽出。由于脫單體并不需要高真空度,一般在-0.03-0.04MPa即可。POP1后處理裝置生產(chǎn)過

5、程由Honeywell公司HC900控制計算機(運行HCDesigner Ver1.10控制軟件配接測量儀表和執(zhí)行元器件組成的自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制。霧化器壓力控制在工藝要求范圍內(nèi)。若系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)不佳,壓力低于-0.05 MPa,高真空度可能使霧化器被抽癟,造成設備事故。因此,系統(tǒng)設置了報警點和聯(lián)鎖點,霧化器壓力低至-0.045 MPa時實現(xiàn)“聲光”報警,低至-0.05 MPa時實現(xiàn)安全聯(lián)鎖停真空泵?？紤]到該聯(lián)鎖功能是以壓力參數(shù)為聯(lián)鎖條件的,壓力的變化比溫度、液位等參數(shù)要快得多,一旦系統(tǒng)故障可能使壓力失調(diào)并喪失安全聯(lián)鎖功能的話,會發(fā)生嚴重事故。為此借鑒ESD、FSC提高自身可靠性的冗余技術思

6、想,采用安全聯(lián)鎖“雙重化”設計、“二選一”表決的方式執(zhí)行聯(lián)鎖動作輸出。如圖1所示,這是由加裝一臺WP-C40壓力顯示儀表實現(xiàn)的。 圖1 霧化器安全聯(lián)鎖示意圖霧化器壓力變送器輸出信號經(jīng)“一入二出”信號隔離塊,變成數(shù)值相同、相互隔離的的兩路信號,分別送至計算機AI卡和壓力顯示儀表。壓力顯示儀表設定壓力為-0.05 MPa,低于設定值時常開觸點閉合,中間繼電器J2-17得電,“儀表聯(lián)鎖”繼電器J2-18失電,串于真空泵啟動回路中的J2-18常開觸點斷開(壓力正常情況下該觸點是閉合的。同理,壓力低于-0.05 MPa時,計算機通過DO卡輸出“斷開”信號,使“計算機聯(lián)鎖”繼電器J2-1失電,串于真空泵啟

7、動回路中的J2-1常開觸點斷開(壓力正常情況下該觸點同樣是閉合的。不管是J2-18觸點還是 J2-1觸點,只要有一個斷開真空泵就停止運行;而兩個都閉合時,真空泵才能啟動,這樣就實現(xiàn)了“1002(二選一”的表決方式。計算機自控系統(tǒng)和壓力顯示儀表,兩者之一發(fā)生故障使安全聯(lián)鎖失靈(壓力超限而不能執(zhí)行聯(lián)鎖動作的話,另一個仍可實現(xiàn)安全聯(lián)鎖功能。而兩者同時發(fā)生故障喪失安全聯(lián)鎖功能的幾率是很小的,從而大大提高了安全聯(lián)鎖的可靠性。此方案于2002年投入使用至今,情況良好。2 工業(yè)蒸汽鍋爐汽包安全聯(lián)鎖工業(yè)蒸汽鍋爐的汽包水位和蒸汽壓力是鍋爐安全運行的兩個最重要的被控參數(shù),汽包水位過低、蒸汽壓力過高都可能導致十分嚴

8、重的事故。所以,工業(yè)蒸汽鍋爐除了必要的自動控制系統(tǒng)外,一般還都裝有聯(lián)鎖報警裝置,對影響鍋爐安全運行的重要參數(shù)設置報警點和聯(lián)鎖2點,一旦參數(shù)超出所限制的數(shù)值,裝置自動報警進而自動聯(lián)鎖停止鍋爐運行,以保證安全。我廠運行4臺燃煤蒸汽鍋爐,自動控制系統(tǒng)的“控制計算機”采用Honeywell公司UMC800 (每臺鍋爐一臺,運行Control Builder 5.0控制軟件。汽包水位和壓力分別由液位和壓力變送器測量變換成儀表標準信號送入UMC800。當汽包水位超“高”限或超“低”限時,UMC800發(fā)出相應的報警信號,閃光信號報警器報警。鍋爐自動控制系統(tǒng)的“操作計算機”采用的IPC-610,運行FIX32

9、(V7.0自動化軟件,完成鍋爐運行自動控制的“人機對話”功能。在操作畫面上也設置了報警信息顯示功能,包括報警時間、工位號、狀態(tài)、數(shù)值、描述等。另外,每臺鍋爐都裝有聯(lián)鎖報警裝置,由電極、液位開關、壓力開關、PLC及閃光信號報警器(與自動控制系統(tǒng)共用等組成(圖2。當汽包水位超“極低”限、汽包壓力超“高”限時, PLC輸出報警和聯(lián)鎖信號,閃光信號報警器報警。同時,聯(lián)鎖動作依次停鍋爐的鏈排機、鼓風機、引風機電機,停止鍋爐運行。4臺鍋爐的4套聯(lián)鎖報警裝置各自單機運行。 聯(lián)鎖確認切除壓力開關接至鍋爐汽包圖2 原有鍋爐聯(lián)鎖裝置示意圖由于我廠鍋爐蒸汽負荷變化很大,汽包水位、壓力波動也較大,危險性較高,為提高鍋

10、爐聯(lián)鎖報警裝置的可靠性,受ESD、FSC冗余技術思想的啟發(fā),采用“雙重化”方案,兩通道獨立、但又同時完成相同的安全聯(lián)鎖功能,使用“二選一”表決的方式執(zhí)行聯(lián)鎖動作輸出。這樣,在較小投資的前提下,原聯(lián)鎖報警裝置為一通道;利用原自控系統(tǒng)汽包水位、壓力信號,在自控系統(tǒng)中通過巧妙組態(tài)設置安全聯(lián)鎖功能,為另一通道(圖3。當汽包水位超“極低”限或汽包壓力超“高”限時,UMC800除了送出相應的報警信號外,還依次送出停止鍋爐運行的聯(lián)鎖動作信號,與另一通道的聯(lián)鎖動作信號經(jīng)“二選一”表決電路執(zhí)行聯(lián)鎖動作輸出。對于每臺鍋爐有3組聯(lián)鎖動作輸出(停鼓風機、停鏈排機、停引風機,每組輸出又有來自計算機和PLC的2個信號,于

11、是每組采用兩個繼電器RJ和YJ,將其常開觸點串聯(lián)相接至傳動電機(鼓風機或鏈排機或引風機啟?？刂齐娐分?。鍋爐汽包水位、壓力正常時RJ 和YJ吸合,不影響鍋爐運行;一旦鍋爐汽包異常發(fā)生聯(lián)鎖動作,計算機和PLC送出的信號分別使RJ和 YJ斷電,觸點斷開,電機停止運行不能啟動,達到聯(lián)鎖停爐的目的。即使計算機和PLC兩通道有一通道失靈不能輸出聯(lián)鎖信號,在另一通道的作用下仍能執(zhí)行安全聯(lián)鎖動作,如圖4所示。3另外,在計算機操作畫面上增加了聯(lián)鎖動作狀態(tài)顯示信息。此方案于2001年投入使用至今,情況良好。 圖3 控制計算機聯(lián)鎖報警部分示意圖3 問題討論 從安全理論和技術分析,任何一種設備都可能存在故障的隱患,特

12、別是當運行了一個時期后,故障率開始上升,事故的發(fā)生是隨時可能的。自動控制系統(tǒng)或安全聯(lián)鎖裝置中任一組成部分都可能存在這種隱患,這些隱患會產(chǎn)生“安全”或“嚴禁”故障,導致“顯性”或“隱性”事故。如果說“安全”故障(對安全聯(lián)鎖功能來說,不該聯(lián)鎖時卻有聯(lián)鎖動作發(fā)生所引起的“顯性”事故,還能給維修人員提供排除故障時間的話,那么“嚴禁”故障(對安全聯(lián)鎖功能來說,該聯(lián)鎖時卻沒有聯(lián)鎖動作發(fā)生所引起的“隱性”事故則是十分危險的,像鍋爐汽包等裝置甚至是致命的。這里需要闡明一個觀點,安全儀表不同于一般儀表,安全聯(lián)鎖裝置不能像其他儀表那樣等到出現(xiàn)了故障再修理,因為安全聯(lián)鎖裝置一旦出現(xiàn)上述“嚴禁”故障,將可能迅速造成直

13、接的重大事故。所以,要做到萬無一失,必須提高安全聯(lián)鎖裝置可靠性。運用冗余技術思想是提高安全聯(lián)鎖裝置可靠性的有效方法。本文介紹的兩個實例不同于大裝置、大機組應用的ESD、FSC,而是在中、小裝置設備上以較小投資實現(xiàn)的。因此,這種方法不僅在安全要求比較高的特種設備(包括工業(yè)鍋爐、壓力容器、樓宇自動控制設施、自動消防設施和大型游樂設施等上,并且在電力、冶金、石油、化工、制藥及交通信號等領域,也具有比較高的推廣價值。 圖4 聯(lián)鎖動作輸出電路示意圖4 本文介紹的兩個實例均采用“雙重化”冗余方案。一個通道利用計算機自動控制系統(tǒng)設置安全聯(lián)鎖功能,另一通道為控制儀表或PLC組成的安全聯(lián)鎖裝置。計算機自動控制系

14、統(tǒng)的安全聯(lián)鎖功能是通過軟件組態(tài)實現(xiàn)的,故筆者將此方案形象地稱為“軟硬兼施”方案。其實在實際應用中,用本文介紹的方法來開闊思路,安全聯(lián)鎖裝置的冗余設計以此舉一反三,由計算機控制系統(tǒng)與PLC配置、PLC與測控儀表配置、計算機控制系統(tǒng)與測控儀表配置, PLC與PLC配置、甚至測控儀表與測控儀表配置都可以實現(xiàn)。本文介紹的兩個實例完成了“雙重化”冗余的雙控制通道等局部提高可靠性的功能。由于工業(yè)蒸汽鍋爐汽包的安全要求很高,還采用了安全聯(lián)鎖條件參數(shù)測量雙通道輸入(壓力變送器和壓力開關,液位變送器和液位開關來提高測量回路的可靠性。霧化器安全聯(lián)鎖的安全聯(lián)鎖條件參數(shù)測量僅使用一臺壓力變送器,由“一入二出”信號隔離

15、器將測量信號分別送到兩控制通道。若考慮壓力變送器故障可能造成雙控制通道同時喪失安全聯(lián)鎖功能,應去掉“一入二出”信號隔離器,霧化器上再安裝一臺壓力開關,實現(xiàn)雙測量通道、雙控制通道的“雙重化”冗余設計,從“整體”上提高安全聯(lián)鎖裝置的可靠性,這樣的設計更加合理一些?！半p重化”冗余方案(1002表決方式提高了安全聯(lián)鎖裝置的可靠性,主要是指安全聯(lián)鎖系統(tǒng)因“嚴禁”故障所引起的“隱性”事故的幾率大大降低了。但值得指出的是,雙控制通道使得安全聯(lián)鎖系統(tǒng)因“安全”故障(不該聯(lián)鎖時卻有聯(lián)鎖動作發(fā)生的“誤動作”所引起的“顯性”事故的幾率卻增加了,這是“雙重化”冗余系統(tǒng)自身的缺陷。不過就霧化器來說,“誤動作”使真空泵停止運行,POP成品未脫單體就進入霧化器下的緩沖罐,待安全聯(lián)鎖系統(tǒng)恢復正常后將緩沖罐中的POP成品重新脫單體,不會對生產(chǎn)過程產(chǎn)生太大的影響。對鍋爐汽包來說,“誤動作”使鍋爐停止運行,由于我廠是多臺鍋爐并行運行,只要能及時排除故障,也不會產(chǎn)生太大的影響。但在有些生產(chǎn)過程中,“誤動作”所引起的“顯性”事故直接影響生產(chǎn)過程的話,就要考慮選擇“三重化”容錯系統(tǒng),使用“三選二(2003”表決方式執(zhí)行聯(lián)鎖動作輸出,一個通道“誤動作”根本不會引起“顯性”事故發(fā)