前言 故障安全控制系統

    隨著(zhù)安全標準的推出以及企業(yè)對安全系統重視度的不斷升級，2003年3月，中石化股份公司九江分公司對I套催化原設計在DCS中的聯(lián)鎖系統進(jìn)行了改造，根據裝置高溫高壓高轉速的特點(diǎn)和安全水平必須達到IEC（國際電工組織）提出的SIL3級標準，選取了美國Honeywell公司的FAIL SAFE CONTROL（FSC）系統，由它執行安全聯(lián)鎖系統的控制部分代替原來(lái)在DCS中執行的聯(lián)鎖內容，按照規范將安全聯(lián)鎖系統獨立出來(lái)，以確保人身和設備的安全。該系統硬件基于雙重化結構，軟硬件均通過(guò)IEC的IEC61508認證。

    1  故障安全控制系統配置

    1.1 硬件組成

    I套催化故障安全控制系統硬件主要由PC機和FSC機柜組成，核心部分是FSC。系統配置如圖1所示。

                        

                       圖1 系統配置圖

    PC機：選用1臺DELL工作站作為該裝置的工程師站、SOE（Sequence of Event）站兼操作站，采用多串行口卡與FSC機柜中的COM卡件進(jìn)行通訊，工作站作為工程師站可以進(jìn)行數據庫修改、組態(tài)、功能邏輯圖修改、設置參數及系統維護和操作功能；作為SOE站可以查詢(xún)實(shí)時(shí)操作記錄和歷史記錄、做檢索和報表；作為操作站可以通過(guò)高速的SOE和動(dòng)態(tài)流程畫(huà)面進(jìn)行實(shí)時(shí)現場(chǎng)監測、存儲、打印。

    輔操臺：在操作室操作站的旁邊是系統的輔操臺，上面安裝著(zhù)一些硬手操開(kāi)關(guān)及指示燈，開(kāi)關(guān)主要有3類(lèi)，即：
? 停機開(kāi)關(guān)
? 允許啟動(dòng)開(kāi)關(guān)
? 置位開(kāi)關(guān)

    停機開(kāi)關(guān)都是兩位式開(kāi)關(guān)，允許開(kāi)關(guān)和置位開(kāi)關(guān)是回復式開(kāi)關(guān)，即將開(kāi)關(guān)打到“置位”或“允許啟動(dòng)”的位置后松開(kāi)，它會(huì )自動(dòng)彈回來(lái)。要啟動(dòng)機組等設備，停機開(kāi)關(guān)必須置于“正常”位置；設備開(kāi)起來(lái)之后，若因工藝條件造成聯(lián)鎖停車(chē)，當工藝狀況恢復開(kāi)機條件后，必須置位才能將設備開(kāi)起來(lái)。

    輔操臺上所有開(kāi)關(guān)的使用，由主風(fēng)機生產(chǎn)工藝人員根據生產(chǎn)情況使用。

    FSC機柜：采用的是中央控制元件（Central Part）全冗余，I/O模件部分冗余的系統結構組成該安全聯(lián)鎖系統。CP是FSC系統的核心部分,每個(gè)Central Part（簡(jiǎn)稱(chēng)CP）中都有一個(gè)VBD，和一條垂直總線(xiàn)V-Bus，用于控制所有I/O模件，一個(gè)VBD可以控制10個(gè)I/O rack，即I/O卡籠，各I/O rack由HBD控制H-BUS通訊?？刂破骱椭匾狪/O雙冗余的結構，可以保證當一個(gè)CP或I/O卡故障時(shí)，另一個(gè)CP或I/O繼續工作，從而保證系統的連續操作。FSC系統結構如圖2所示。

                      
 
                        圖2 FSC101R系統結構圖

    硬件配置：采用FSC101Ｒ系統，系統主要硬件配置及功能見(jiàn)表1。

    表1 系統主要硬件配置及功能

               
                
               

    根據輸入／輸出點(diǎn)的分配情況和冗余配置原則，所有聯(lián)鎖保護系統中的所有狀態(tài)輸入點(diǎn)(DI)通過(guò)FTA-T-21端子板進(jìn)入冗余的DI模件；4～20mA模擬信號（AI）經(jīng)過(guò)齊納式安全柵后進(jìn)入FTA-T-14端子板，再進(jìn)入冗余的AI卡；雙冗余的DO模件通過(guò)FTA-T-02端子板后輸出到現場(chǎng)各閥門(mén)，或輸出到中間繼電器到現場(chǎng)電磁閥、泵及電氣；單冗余的DO模件通過(guò)FTA-T-03端子板后輸出到輔助操作臺報警指示燈，整套系統的I/O點(diǎn)數如表2所示：

    表2 I催FSC聯(lián)鎖輸入／輸出點(diǎn)的分配情況

               

    1.2通訊設置

    I套催化故障安全系統PC機與FSC機柜采用串行口通信方式，上位機通訊硬件為多串口卡（2－PORT RS232/422/485 PCI HOST ADAPTER），串口端采用RS485接口、帶屏蔽雙絞通信線(xiàn)以提高干擾、帶負載能力及增加通信距離，下位機兩個(gè)CP中央控制單元共4塊相互冗余的COM模件，每一塊COM模件提供2個(gè)接口，負責完成兩個(gè)冗余CP之間、FSC與PC機之間、FSC與本特利3500之間的通訊。

    FSC系統通訊設置如表3所示：

    表3 FSC系統通訊設置

               

    PC機通訊口設置如表4所示：

    表4 PC通訊設置

                     

    兩個(gè)CP之間的通訊在系統集成時(shí)固定為兩個(gè)CP中的COM1模件的A口，用戶(hù)不得修改；

    系統中的一臺PC機，既擔任工程師站、SOE站又擔任操作員站，工程師站和SOE站由Honeywell公司提供的FSC Navigator 和FSC SOE軟件完成組態(tài)、維護、實(shí)時(shí)歷史記錄，兩軟件與FSC通訊連接：PC機COM4口與FSC的兩個(gè)CP的COM1（2塊COM模件中的第1塊）模件的B口相連，組態(tài)定義其采用Development SYS協(xié)議RS485接口完成通訊連接；
操作員站由INTELLUTION公司提供的Intellution IFIX2.6軟件組態(tài)完成動(dòng)態(tài)聯(lián)鎖畫(huà)面、報警畫(huà)面，IFIX與FSC的通訊連接：PC機的COM3口和FSC兩個(gè)CP中的COM2模件的A口相連，組態(tài)定義采用Modbus 協(xié)議RS485接口完成通訊連接。

    FSC與本特利3500之間的通訊預留由FSC機柜中兩個(gè)CP中COM2模件的B口與本特利通訊網(wǎng)關(guān)模塊相連完成，組態(tài)定義采用本特利內華達開(kāi)發(fā)的協(xié)議RS232接口完成通訊連接。

    1.3 軟件實(shí)現

    系統組態(tài)軟件由上位機組態(tài)監控軟件Intellution IFIX2.6和下位機FSC編程軟件包組成，均運行在Windows2000環(huán)境下，使用方便靈活。

    Intellution IFIX2.6工程組態(tài)軟件是由美國INTELLUTION公司開(kāi)發(fā)的基于WINDOWS環(huán)境下、數據采集和控制的大型應用軟件，它集控制技術(shù)、人機界面技術(shù)、圖形技術(shù)、數據庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)于一身，包含動(dòng)態(tài)顯示、報警、趨勢、控制策略、控制網(wǎng)絡(luò )通信等組件，提供一個(gè)友好的用戶(hù)界面。在IFIX中從過(guò)程硬件獲取數據的節點(diǎn)成為一個(gè)SCADA服務(wù)器，采用分布式結構傳輸數據。組態(tài)時(shí)將所有FLD圖中的通訊點(diǎn)輸入到IFIX數據庫中，通過(guò)MODBUS協(xié)議從FSC機柜采集各信號點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，從而完成主機自保、裝置自保、備機小機、氣壓機和報警顯示等5幅動(dòng)態(tài)聯(lián)鎖畫(huà)面的顯示，方便工藝人員了解當前聯(lián)鎖情況。

    FSC軟件包由FSC Navigator 和FSC SOE組成。

    FSC Navigator主要進(jìn)行系統組態(tài)、邏輯圖設計和系統維護工作：組態(tài)FSC參數及其屬性定義、應用FLDs建立邏輯控制程序、將應用程序編譯成FSC處理器可識別的代碼，并檢測在組態(tài)和設計中產(chǎn)生的錯誤；診斷系統，監視系統狀態(tài)；強制FSC參數以切斷控制回路，以便進(jìn)行程序測試或現場(chǎng)設備的維護。

    FSC SOE完成系統的事件順序記錄功能，I/O卡件通過(guò)HBUS和VBUS給中央控制單元提供事件順序能力，在每次掃描期間，控制單元檢查所有指定變量的狀態(tài)改變。當一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，控制器將變量的當前狀態(tài)和時(shí)間協(xié)簽存儲在緩沖區內，以便組態(tài)提取事件順序。SOE的識別時(shí)間間隔為≤1ms，SOE的事件記錄存儲高達20萬(wàn)條，可實(shí)時(shí)存貯在硬盤(pán)中，并可通過(guò)打印機打印出來(lái)。

    2 邏輯控制功能

    2．1 邏輯功能

    故障安全控制系統的應用程序通過(guò)功能邏輯圖來(lái)實(shí)現，功能邏輯圖簡(jiǎn)稱(chēng)FLD，系統提供大量的邏輯、算術(shù)、計時(shí)、計數、PID等運算模塊，用戶(hù)可根據設計需要，選擇相應的I/O符號，直接使用與、或、非的邏輯圖的方式實(shí)現用戶(hù)的邏輯功能，此外，用戶(hù)還可以用系統自帶的Function Block模塊定義需要的功能塊，以子程序的形式在其他程序中調用，實(shí)現較為復雜的邏輯控制。I催FSC系統中定義了RS觸發(fā)器、溫壓補償、延時(shí)計數器、二取二、三取二等邏輯功能塊，多次在其他的子邏輯中得到調用。

    以RS觸發(fā)器和三取二子程序為例的邏輯功能塊FB900、FB930結構如圖3及圖4所示：

                         

                      圖3 RS觸發(fā)器功能塊FB900

    RS觸發(fā)器子程序的功能是：對于A(yíng)和B這2個(gè)條件輸入點(diǎn)，產(chǎn)生的結果輸出值C用矩陣表說(shuō)明如表5所示:

    表5 FCCU RS觸發(fā)器矩陣表

                      

                     

                         圖4 三取二功能塊FB930

    三取二子程序的功能是：當3個(gè)報警輸入點(diǎn)中，只有一個(gè)發(fā)生報警時(shí)，系統發(fā)出三取一報警；若有2個(gè)以上發(fā)生報警，而又沒(méi)有置旁通，則系統聯(lián)鎖，如果置旁通了，則系統發(fā)出三取二報警。

    2．2 自保邏輯的實(shí)現

    I 催組態(tài)邏輯圖共38張，主要完成主風(fēng)機的開(kāi)停車(chē)聯(lián)鎖及機組部份的聯(lián)鎖與控制，各子邏輯包括：蠟油自保、兩器差壓自保、總進(jìn)料閥自保、外取熱器自保、小風(fēng)機自保、備機自保、主風(fēng)低流量自保、逆流自保、主機停機自保、主機啟動(dòng)自保、FSC系統報警、氣壓機啟動(dòng)、氣壓機自保等13部分。邏輯輸入為開(kāi)關(guān)量和模擬量，重要的信號還經(jīng)過(guò)“三取二”或“二取二”表決。“安全運行”和“停車(chē)”邏輯設計為故障安全型，即系統正常帶電、事故失電。各機組自保之間、機組自保與裝置自保之間互有聯(lián)系，構成既獨立又關(guān)聯(lián)的自保邏輯系統。

　 以氣壓機自保為例的FSC系統功能邏輯圖如圖5所示：

               

                              圖5 氣壓機自保功能邏輯圖

    圖5中，左邊為邏輯輸入，中間為邏輯部分，右邊邏輯輸出。PDT4002潤滑油壓力低低（≤0.15MPa）；XT4003汽輪機位移高高（≥0.8mm）；ST4002/ST4003汽輪機轉速高高（≥9044rpm）；PS4001A/B/C潤滑油總管壓力低低（≤0.1MPa）；XT4001A/B壓縮機位移高高（≥0.7mm）；HY4001緊急停機；HY4002緊急停機復位；HY4003現場(chǎng)緊急停機；LAMP4002允許啟動(dòng)至現場(chǎng)指示燈；SV451防喘振電磁閥；SV4001/SV4002氣輪機調節系統電磁閥；FB930是三取二功能塊；FB900是RS觸發(fā)器功能塊。組態(tài)中必須保證所有信號線(xiàn)都與各邏輯塊緊密連接。I/O符號為紅色，表示該I/O信號為有硬接線(xiàn)的信號，符號為黑色，則表示該點(diǎn)為通訊點(diǎn)，即“LOC”為“COM”的軟點(diǎn)。

    FLD的在線(xiàn)畫(huà)面中，信號線(xiàn)實(shí)線(xiàn)表示“ON”，虛線(xiàn)表示“OFF”。I/O點(diǎn)旁邊的紅色“H”或“L”字母，表示該點(diǎn)被強制了，對于輸入點(diǎn)，字母表示的是被強制前的狀態(tài)，即現場(chǎng)的真實(shí)狀態(tài)；對于輸出點(diǎn)，字母表示發(fā)出的強制信號。

    系統實(shí)際運行起來(lái)之后，在FSC上位機上根據獨立的WINDOWS程序FSCSOE進(jìn)行在線(xiàn)監視系統狀態(tài)，所有組態(tài)過(guò)SER功能的點(diǎn)記錄下的事件記錄輸出到FSCSOE的數據表中，由點(diǎn)類(lèi)型、位號、服務(wù)設備、點(diǎn)狀態(tài)、事件發(fā)生的日期、事件發(fā)生的時(shí)間等字段構成的數據表將故障狀態(tài)及故障恢復狀態(tài)即時(shí)反應在屏幕上，為及時(shí)地排除故障提供了詳細的信息，有效地保證了整套裝置的安全運行。

    3 安全聯(lián)鎖系統應用體會(huì )

    1） 當模件出現故障需要更換時(shí)，應注意有些模件可以帶電插拔，而有些則是嚴禁帶電插拔的，在條件允許的情況下，最好都先斷電再插拔，以減少意外故障的發(fā)生。
    2） 當DBM模件上的信息顯示燈閃爍時(shí)，表明系統出現了故障，這時(shí)在SOE的畫(huà)面中也將看到出現紅色報警信息，并伴有聲音報警。撥動(dòng)DBM上的按鈕可以查看到故障模件所在的位置及故障類(lèi)型等故障信息，上位機可通過(guò)Extended Diagnostics進(jìn)入在線(xiàn)診斷畫(huà)面，系統將顯示故障信息及錯誤代碼。
    3） 裝置系統采用2004D系統，由2套獨立并行運行系統組成，當系統自診斷發(fā)現1個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，CPU將強制其失效，確保其輸出的正確性。安全輸出模塊中的SMOD功能（輔助去磁方法）確保在2套系統同時(shí)故障或電源故障時(shí)系統輸出1個(gè)故障安全信號，1個(gè)輸出電路實(shí)際上通過(guò)4個(gè)輸出電路和自診斷功能實(shí)現，這樣確保了FSC的高可靠性、高安全性和高實(shí)用性。

    4 結束語(yǔ)

    FSC自投用以來(lái)，利用了組態(tài)軟件強大數據處理和圖形表現的能力，融合了較先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和軟件技術(shù)，具有可靠性高、操作簡(jiǎn)單、維護容易等特點(diǎn)。表現出了它強大的安全穩定的控制能力和通訊功能，為裝置事故狀態(tài)下的安全提供了保證。