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案例頻道本文通過對建滔（河北）焦化有限公司5萬噸/年焦化粗苯加氫精制裝置保護系統(tǒng)的介紹，向讀者描述了GE Fanuc智能平臺三重冗余安全表決系統(tǒng)（GMR）產(chǎn)品在焦化粗苯加氫精制裝置保護系統(tǒng)中成功應用的一套完整的解決方案。
關(guān)鍵字：GE Fanuc 三重冗余安全表決系統(tǒng)（GMR）苯加氫 化工
應用背景：
建滔（河北）焦化有限公司——化工行業(yè)——該公司為建滔化工集團全資擁有的子公司，于2003年7月開始籌建，總投資超過7億元人民幣。建滔（河北）焦化有限公司主要從事焦炭生產(chǎn)，設計年生產(chǎn)能力為搗固焦100萬噸、焦油36000噸、粗苯12000噸。
苯、甲苯、二甲苯（簡稱BTX）等同屬于芳香烴，是重要的基本有機化工原料，由芳烴衍生的下游產(chǎn)品，廣泛用于三大合成材料（合成塑料、合成纖維和合成橡膠）和有機原料及各種中間體的制造。純苯、甲苯和二甲苯大量用于生產(chǎn)精細化工中間體、有機原料，以及農(nóng)藥和溶劑等方面。焦化粗苯主要含苯、甲苯、二甲苯等芳香烴，另外還有一些不飽和化合物、含硫化合物、含氧化合物及氮化合物等雜質(zhì)。粗苯精制就是以粗苯為原料，經(jīng)化學和物理等方法將上述雜質(zhì)去除，以便得到可作原料使用的高純度苯。近年來，國內(nèi)許多企業(yè)的焦化項目紛紛上馬，焦化粗苯的產(chǎn)量迅速增加，為粗苯加氫精制提供了豐富的原料。
客戶需求
建滔（河北）焦化有限公司采用先進的加氫精制法來進行粗苯的深加工生產(chǎn)，既Koppers加氫/Morphylane萃取蒸餾法，設計加工量5萬噸/年。該工藝屬國際先進水平，三廢少，污染少，催化劑、萃取劑均可再生。但需要注意的是，粗苯加氫精制工藝中的加氫反應溫度為3500℃，壓力為3.5Mpa。因溫度和壓力較高，要注意安全防范工作。因此粗苯加氫精制裝置不僅需要快速、可靠的過程控制系統(tǒng)，也需要高效、安全、可靠的緊急停車安全保護系統(tǒng)（ESD系統(tǒng)）來確保生產(chǎn)裝置穩(wěn)定的、安全的運行。
此外，為了便于運行管理，用戶需要采用的緊急停車安全保護系統(tǒng)（ESD系統(tǒng)）具有與過程控制系統(tǒng)（DCS）具有通訊功能。將緊急停車安全保護系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及一些工藝參數(shù)在過程控制系統(tǒng)中顯示。
解決方案
根據(jù)粗苯加氫精制裝置緊急停車安全保護系統(tǒng)的特點和需要，并且考慮到用戶提出的在保證系統(tǒng)安全性、先進性、可靠性和完整性的要求。GE Fanuc智能平臺為用戶提供了一套成熟可靠的基于GE Fanuc GMR（Genius Modular Redundancy）三重化安全表決的自動化控制系統(tǒng)平臺，并由鞍山市新泰科自動化設備有限公司負責為最終用戶進行系統(tǒng)集成與調(diào)試。
GE Fanuc智能平臺開發(fā)的GMR三重化安全表決系統(tǒng)是面向ESD、火災和氣體保護應用開發(fā)了一套三重化的冗余控制系統(tǒng)解決方案。它由90-70系統(tǒng)和GE Fanuc智能平臺特有的Genius輸入輸出模塊以及VersaMax I/O輸入輸出模塊構(gòu)成。這個方案是可配置成不同規(guī)模，它允許用戶根據(jù)希望得到的流程風險降低的程度來改變系統(tǒng)的冗余級別。
GMR三重化安全表決系統(tǒng)除了典型的TMR系統(tǒng)所具備的特點：容錯、綜合診斷、遠程I/O、在線模塊修理以及高可靠性和高可用性之外，GMR系統(tǒng)還具有下列優(yōu)點：
應用靈活性；可以根據(jù)指定的應用要求進行逐點組態(tài)冗余配置的硬件系統(tǒng)，從而節(jié)省開支。
Genius I/O加速系統(tǒng)構(gòu)成，加快開車進程；無須進行長距離拉線以節(jié)省時間和投資。
電子保險絲；瞬間短路被電子化清除；降低了平均修復時間（MTTR）。
故障識別到點級；進一步降低了平均修復時間（MTTR）。
與多種“即插即用”通訊裝置兼容。
應用靈活性；可以根據(jù)指定的應用要求進行逐點組態(tài)冗余配置的硬件系統(tǒng)，從而節(jié)省開支。
Genius I/O加速系統(tǒng)構(gòu)成，加快開車進程；無須進行長距離拉線以節(jié)省時間和投資。
電子保險絲；瞬間短路被電子化清除；降低了平均修復時間（MTTR）。
故障識別到點級；進一步降低了平均修復時間（MTTR）。
與多種“即插即用”通訊裝置兼容。
GE Fanuc GMR（Genius Modular Redundancy）三重化安全表決解決方案可大致分為以下三個部分。
×三重冗余Genius通訊網(wǎng)絡。
×三重冗余表決控制器及其冗余表決I/O子站
×上位機操作員站（HMI）兼SOE工作站和工程師維護工作站。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以參見圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1、三重冗余Genius通訊網(wǎng)絡
Genius通訊網(wǎng)絡是GE Fanuc智能平臺開發(fā)并引入到工業(yè)控制領域的一種工業(yè)現(xiàn)場總線。Genius總線是一個對等的、令牌網(wǎng)絡，一條網(wǎng)絡最多可以有32個站點。該網(wǎng)絡具有很高的網(wǎng)絡吞吐率；具有良好的時實性。Genius網(wǎng)絡采用頻移鍵控調(diào)制技術(shù)（FSK），可以有效的防止工業(yè)現(xiàn)場的各種干擾。
在系統(tǒng)中，三重冗余Genius用于連接三重冗余表決控制器和各個I/O輸入、輸出表決模塊組。在系統(tǒng)運行過程中負責冗余表決控制器以及I/O站之間的數(shù)據(jù)同步和交換。
2、三重冗余表決控制器及其冗余表決I/O子站
GMR三重冗余表決控制器采用GE Fanuc智能平臺系列90-70可編程系列專用控制器；冗余表決I/O子站分別采用Genius Block輸入輸出模塊以及VersaMax I/O輸入輸出模塊構(gòu)成。
2.1表決控制器
90-70可編程控制器GE Fanuc 智能平臺控制器系列中先進的產(chǎn)品。采用了新的設計和制造技術(shù)，系統(tǒng)配置和安裝簡易，機架總線采用開放的VME總線結(jié)構(gòu)，可與第三廠家VME產(chǎn)品兼容。CPU模塊具有一系列不同性能規(guī)格的型號，以滿足各種大規(guī)模，復雜的高速控制要求。此系統(tǒng)中采用了GMR系統(tǒng)專用控制器產(chǎn)品。
此方案中，GMR三重化冗余控制器采用三個獨立的CPU，可組態(tài)為3-2-1-0或3-2-0的工作模式，以滿足用戶不同應用的需要。系統(tǒng)通過3選2的表決來提供高可靠性和無誤差的操作。此外，GMR三重化冗余控制器物理上無耦合設計和分離式結(jié)構(gòu)電路保護可以從本質(zhì)上消除共模失效的潛在可能性。
為了與過程控制的DCS系統(tǒng)進行通訊，每個表決控制器上都預留了Modbus RTU 從站通訊接口，用來實現(xiàn)DCS系統(tǒng)與ESD系統(tǒng)的通訊。其中DCS系統(tǒng)作為Modbus RTU通訊的主站，ESD系統(tǒng)作為Modbus RTU通訊的從站。
2.2冗余表決I/O子站
為了使方案更加合理，同時也節(jié)省用戶的投資。此方案中冗余表決I/O子站采用GE Fanuc 智能平臺兩種不同系列的I/O產(chǎn)品，即Genius Block I/O產(chǎn)品和VersaMax I/O輸入輸出模塊。
其中離散量輸入輸出（DI/DO）I/O模塊表決組采用Genius Block I/O產(chǎn)品；模擬量輸入（AI）I/O模塊表決組、模擬量輸出（AO）I/O模塊冗余輸出組采用VersaMax I/O輸出輸出模塊。
Genius Block I/O提供了一整套離散、模擬和繼電器，回路可以從6至32個。Genius Block I/O 模塊不僅僅是與外設的接口，它們還是智能化的、耐用的獨立的模塊，比傳統(tǒng)的I/O更加實用。許多模塊的I/O配置可以進行定制，因此效率極高。Genius Block I/O 憑借其模塊化的設計和先進的診錯技術(shù)，大大節(jié)省了初期和系統(tǒng)停工期的成本。
VersaMax PLC 將先進的VersaMax I/O以及功能強大的CPU相結(jié)合，更易于使用、價格合理、性能卓越。VersaMax提供了廣泛的I/O模塊，組態(tài)更加靈活。通訊模塊能將VersaMax與Profibus網(wǎng)絡（或其它工業(yè)現(xiàn)場總線）相連，實現(xiàn)遠程控制。
3、上位機操作員站（HMI）兼SOE工作站和工程師維護工作站
此系統(tǒng)中設立了一臺機操作員站HMI（兼SOE工作站）和一臺工程師維護工作站。
操作員站上安裝并運行PROFICY HMI/SCADA-CIMPLICITY 軟件，該軟件軟件包括工業(yè)上領先的PROFICY 分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和開放性的系統(tǒng)設計，此結(jié)構(gòu)和設計借助Microsoft的靈活的客戶／服務器體系結(jié)構(gòu)，以及功能強大的為實現(xiàn)系統(tǒng)集成而設計的各種標準。為用戶帶來的好處就是該產(chǎn)品非常易于使用，同時又適合于實時控制和監(jiān)視，可以將它配置成從單個節(jié)點到多節(jié)點的網(wǎng)絡系統(tǒng)形成不同的規(guī)模，具有很強的可擴展性。
PROFICY HMI/SCADA-CIMPLICITY軟件能夠應用在各種不同類型的工業(yè)生產(chǎn)過程中，諸如汽車，航天，石油與天然氣，化工，石化，食品加工，飲料，制藥，紙漿與造紙，管線，金屬，水與廢水處理，交通以及其它行業(yè)。
工程師站上除安裝了PROFICY HMI/SCADA-CIMPLICITY軟件，還安裝了控制器編程組態(tài)軟件：Proficy Logic Developer-PLC。用來開發(fā)和維護系統(tǒng)的應用軟件。
系統(tǒng)的HMI應用軟件界面如圖2、圖3所示。
圖2 操作員站系統(tǒng)的主畫面
圖3 系統(tǒng)連鎖控制畫面
實施結(jié)果
通過與GE Fanuc的合作，建滔（河北）焦化有限公司5萬噸/年焦化粗苯加氫精制裝置保護系統(tǒng)，按照原工程進度表，通過鞍山市新泰科自動化設備有限公司3個月的集成，于2008年9月竣工并順利投產(chǎn)。三重冗余安全表決系統(tǒng)（GMR）控制系統(tǒng)投運以來，保證了該廠焦化粗苯加氫精制裝置的安全、穩(wěn)定的運行，給用戶帶來更大的收益。同時GE Fanuc將以其先進的技術(shù)，卓越的知名度，良好的口碑為更多控制行業(yè)提供更快、更強、更安全的控制系統(tǒng)，不斷促進中國過程控制水平提高。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號