一、概述

    隨著(zhù)石油化工裝置的日趨大型化，工藝過(guò)程的不斷復雜化，生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生危險的可能性也呈增大趨勢，加之人們對產(chǎn)品的質(zhì)量、設備、人身、環(huán)境的保護等因素的要求使得獨立于控制系統的安全聯(lián)鎖顯得十分必要，這種專(zhuān)用的安全保護系統就是——ESD緊急停車(chē)系統（Emergency Shutdown Device）。ESD適用于高溫、高壓、易燃、易爆等場(chǎng)合，可以對生產(chǎn)裝置可能發(fā)生的危險或不采取措施將繼續惡化的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)響應和保護，使生產(chǎn)裝置進(jìn)入一個(gè)預定義的安全停車(chē)工況，從而使危險降低到可以接受的最低程度，以保證人員、設備、生產(chǎn)裝置和環(huán)境的安全。在講究高效安全生產(chǎn)的石油化工行業(yè)，如今投入ESD系統已是眾多企業(yè)的選擇，并成為保證生產(chǎn)可靠性與安全性，提高經(jīng)濟效益的必要手段之一。

    重慶紫光蛋氨酸有限責任公司1萬(wàn)噸/年蛋氨酸項目為該公司年產(chǎn)5萬(wàn)噸蛋氨酸項目的一期工程。作為一個(gè)典型的精細化工裝置，反應溫度壓力高、易燃易爆且中間產(chǎn)物含劇毒易揮發(fā)，此外整個(gè)項目工藝流程復雜，中間環(huán)節眾多，任何一個(gè)環(huán)節出錯均會(huì )導致其他環(huán)節不能正常工作，甚至前功盡棄，因此要實(shí)現整個(gè)裝置的安全穩定連續生產(chǎn)，這就要求必須配置先進(jìn)的、高可靠的設備，配置能充分滿(mǎn)足石油化工裝置及機組的緊急停車(chē)和安全聯(lián)鎖的ESD系統?；诖丝紤]，其選用了GE智能平臺公司的90-70 GMR表決系統。GMR（Genius Modular Redundancy）控制系統是基于GE 智能平臺公司的90-70 PLC以及先進(jìn)的智能化輸入/輸出模塊（Genius I/O）構成的三重化表決控制系統。

    二、GMR系統結構

    1、系統配置的選用

    重慶紫光蛋氨酸項目的現場(chǎng)條件惡劣，系統要求較高。要求系統的冗余原則為：
    a. 系統應具有完備的冗余和容錯技術(shù)，包括設備冗余和工作性能冗余。
    b. 各級網(wǎng)絡(luò )通訊設備、部件和總線(xiàn)三重冗余。
    c. 控制站處理器等功能卡冗余。
    d. 所有電源設備和部件冗余。
    e. 對要求冗余配置的I/O卡三重冗余。

    要求系統的可用性為：
    a.系統的可用率應不低于99.99%。
    b.系統的設計應是故障安全型的，系統內發(fā)生故障時(shí)，應能按照故障安全的方式停機。
    c.系統必須具有完善的硬件、軟件故障診斷及自診斷功能，自動(dòng)記錄故障報警并能提示維護人員進(jìn)行維護。
    d.冗余設備具備在線(xiàn)自診斷，排錯報警，無(wú)差錯切換功能。
    e.系統的各種插卡應支持熱插拔。

    基于以上冗余原則及可用性的考慮，選用GMR系統中的雙重化配置，系統包含兩個(gè)獨立的90-70PLC以及運行在每個(gè)單獨系統中的診斷程序，每個(gè)PLC上各配置了3個(gè)總線(xiàn)控制器。通過(guò)三選二的表決，系統為用戶(hù)提供了高可靠性和無(wú)誤差操作。還包含了輸入子系統及輸出子系統。輸入輸出子系統由智能的、可組態(tài)的Genius I/O模塊組成，每個(gè)模塊都有微處理器并提供通訊診斷功能，同時(shí)對輸出和輸入通道有電子保護功能，而且模擬量、開(kāi)關(guān)量等所有模塊都可以用在同一總線(xiàn)中。傳感器信號被引入到隔離的Genius輸入模塊，設置在獨立機架中，各自獨立的CPU從每條Genius總線(xiàn)上接受這些輸入信號并對這些信號進(jìn)行表決，然后，兩個(gè)CPU中的每一個(gè)CPU通過(guò)三重化的Genius I/O總線(xiàn)將邏輯狀態(tài)結果送至輸出子系統，Genius輸出模塊對三重化的輸出數據進(jìn)行表決，然后送至負載。

    2、工藝簡(jiǎn)介和系統規模

    重慶紫光蛋氨酸項目根據工藝劃分為七個(gè)單元，一單元是用甲烷和硫磺在高溫下反應生成二硫化碳和硫化氫，將反應生成的二硫化碳和硫化氫經(jīng)分離后，獲得純凈的二硫化碳和硫化氫，其中二硫化碳作為產(chǎn)品送入貯罐，硫化氫送入三單元與甲醇在催化劑、一定溫度和壓力下反應生成甲硫醇和甲硫醚，經(jīng)精餾純化后，甲硫醚繼續與硫化氫反應生成甲硫醇，而純凈的甲硫醇送入二單元與丙烯醛反應制取甲硫基代丙醛。其中丙烯醛是通過(guò)丙烯和空氣在催化劑作用下經(jīng)過(guò)分離純化制取的。甲硫醇與丙烯醛反應制得甲硫基代丙醛，在四單元分離后，純甲硫基代丙醛與五單元的氰化鈉、氨水和二氧化碳反應生成海因，經(jīng)水解后，送入六單元中和、結晶、過(guò)濾、干燥和包裝制得純品蛋氨酸。六單元產(chǎn)生的硫酸鈉副產(chǎn)品溶液送入七單元進(jìn)行純化制得硫酸鈉副產(chǎn)品。

    本項目ESD主要作用在二和三單元，二單元的丙烯與空氣反應是強放熱反應，并且反應原料之間的爆炸極限范圍寬，而原料的配比要在反應過(guò)程中一定要越過(guò)爆炸曲線(xiàn)，必須避免原料配比在爆炸曲線(xiàn)區域內進(jìn)行。另外生成的產(chǎn)物丙烯醛也是重要危險品，具有強烈催淚作用，曾經(jīng)還用于戰爭作為化學(xué)武器，泄露后其危險性極大，會(huì )造成嚴重的社會(huì )影響。三單元是用劇毒硫化氫純品和甲醇反應制取甲硫醇，反應的壓力和溫度較高，同時(shí)會(huì )產(chǎn)生副產(chǎn)物甲硫醚，以上三種物品均為重要的危險源，高濃度的硫化氫會(huì )使人閃電性死亡，微量的甲硫醇和甲硫醚具有強烈的惡臭味。這些危險源幾乎存在于生產(chǎn)車(chē)間的每個(gè)設備和管線(xiàn)內，絕不容許微量物質(zhì)泄露到現場(chǎng)。這就對設備和控制系統提出了極高地要求。

系統具體配置如下表所示。

                   
                   

    根據信號傳輸、隔離、轉換、分離的需要, 而且，現場(chǎng)儀表信號電纜需先經(jīng)過(guò)過(guò)渡端子柜后再接到SIS系統的I/O卡上，個(gè)別信號還要經(jīng)過(guò)一入二出的信號分配器分出一路接到DCS上，因此對于上述系統，還需設置一定的輔助柜SIS01-SIS07(7個(gè)輔助柜)，其中，SIS01柜為90-70PLC機架柜，配置3個(gè)9槽機架。SIS02-SIS07為Genius AI、DI、DO模塊配置柜，另外，還有2臺特制操作臺，用于安裝選擇開(kāi)關(guān)、按鈕、閃光報警器等。

    三、I/O的具體配置方式

    1、 輸入子系統的配置

    由于輸入子系統可以靈活配置，工藝信號的引入可以是單信號、雙信號或是三個(gè)信號。信號可以引入單個(gè)輸入模塊也可以到三個(gè)模塊，供PLC CPU主機進(jìn)行表決，表決結果送給輸出模塊組再表決后輸出。在重慶紫光蛋氨酸項目的設計中，每個(gè)PLC都含有3條總線(xiàn)，如下圖1所示；AI采用了三重化輸入方式，一個(gè)現場(chǎng)輸入信號通過(guò)端子排分配到三個(gè)獨立的輸入模塊IC200ALG265，這3個(gè)模塊分別連接在3條Genius總線(xiàn)ELDEN9182上，如下圖2所示；DI采用了冗余輸入方式一個(gè)現場(chǎng)輸入信號通過(guò)端子排分配到兩個(gè)獨立的輸入模塊IC660BBD024，這兩個(gè)模塊連接在任意兩條不同的Genius總線(xiàn)ELDEN9182上。

    2、輸出子系統的配置

    GE GMR輸出子系統包括四模塊“H”型、二模塊“I”型和二模塊“T”型的模塊組配置，可根據項目成本、項目規模等綜合考慮選用輸出子系統的配置。輸出模塊組對從CPU來(lái)的輸出進(jìn)行表決，將表決結果輸出到負載。由于重慶紫光蛋氨酸項目，要求配備的SIS系統必須是成熟的、經(jīng)過(guò)實(shí)際應用考驗的系統，必須充分滿(mǎn)足石油化工裝置及機組的緊急停車(chē)和安全聯(lián)鎖的需要，要求配備的SIS系統必須具有完備的冗余容錯技術(shù)，所有設備和部件必須為2oo3方式的三重冗余、容錯結構，于是，本項目設計中，基于所有設備的可靠性 ，采用了“H”型輸出配置。

    每一個(gè)現場(chǎng)輸出是由兩個(gè)源型（Source）模塊IC660BBD024并聯(lián)接在負載的一端，另外兩個(gè)漏型（Sink）模塊IC660BBD025并聯(lián)接在負載的另一端，所有模塊都從三個(gè)獨立的CPU得到輸出，該配置中同樣使用三條Genius 總線(xiàn)BELDEN9182，每個(gè)模塊都連接到單獨的 Genius 總線(xiàn)上，這種結構即是失敗安全（Fail Safe）的又是容錯(Fault Tolerant)的。

    在此次設計中，基于實(shí)踐嘗試，由于電路工作環(huán)境的不確定性,現場(chǎng)環(huán)境的復雜性，在本配置中，在回路中添加了由兩個(gè)肖特基二極管及一個(gè)電容組成的電子電路的保護模塊，，以保證輸出系統的可靠性。

    3、Genius 總線(xiàn)BELDEN9182

    整個(gè)系統的配置中，所有的I/O模塊都接在Genius總線(xiàn)BELDEN9182上，但是每個(gè)模塊只能接在一條總線(xiàn)上，且同一條總線(xiàn)上不同的模塊必須設定不同的地址，否則系統會(huì )檢測到?jīng)_突，每條總線(xiàn)兩頭需加裝終端電阻。
 
    四、結束語(yǔ)

    GMR系統可以描述為多模塊高度整合且靈活強大的子系統，子系統的數量和參數因系統不同，GMR系統通過(guò)靈活運用業(yè)界認可的90－70PLC，GENIUS輸入、輸出模塊，VERSAMAX模塊及FIELD CONTROL模塊，可以組合成單、雙、三CPU冗余系統，可以在苛刻環(huán)境下選擇三重化系統，或者在通常情況下選擇單重化或雙重化。這種強大的功能和靈活的配置組合廣泛應用于在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，特別是在緊急剎車(chē)上具有獨特的優(yōu)勢。在河北省大港石化有限公司 催化裝置、東莞九豐能源有限公司 罐區系統、中國石化股份有限公司北京燕山分公司造粒機組國產(chǎn)化裝置等多個(gè)項目的ESD系統中都有較好的應用。