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王彥君（1974-）

男，漢族，畢業于齊齊哈爾輕工學院生產過程自動化專業，中級工程師，現任七臺河寶泰隆煤化工有限公司儀表工程師。


摘要：ESD系統是化工生產裝置的自動保護系統。它可以防止由于生產工藝故障或其他一些事故對工藝設備、生產系統、操作人員的損害，保證生產能夠安全地運行。本文針對黑龍江寶泰隆公司煤焦油加氫裝置ESD系統，介紹了美國Triconex公司緊急停車控制系統ESD(Emergency Shutdown Device)的硬件、軟件結構，闡明了利用ESD實現煤焦油加氫裝置的自保聯鎖控制系統的方法。

關鍵詞：ESD；DCS；緊急停車系統；備泵自啟動；故障安全型；旁路

Abstract: ESD system is the automatic protection system in the chemical 
production devices. It can prevent process equipment, production systems and 
operators when malfunction or some other accidents happen in production, and 
ensure safety production. In this article, concerning the ESD system of coal 
tar hydrogenation device in Baotailong coal chemical Co. in Heilongjiang Province,
 we introduces the hardware and software configuration of ESD (Emergency Shutdown Device)
 of Triconex Co. in USA., The self-protection and interlock method of coal tar hydrogenation device by utilizing 
ESD system are also described.

Key words: ESD; DCS; Emergency Shutdown Device; Self-Operation of Spare Pumps; 
Fail-Safe Type; Bypass

1  前言

    近年來，由于設備的大型化、高參數(高溫、高壓)和快速反應，對保護設備安全、人身安全、防止事故發生造成環境污染以及便于維護修復等提出了更高要求。

    七臺河寶泰隆煤化工有限公司10萬噸/年煤焦油加氫裝置，是國內首家高溫高壓煤焦油加氫，該裝置工藝條件苛刻，主要表現在反應溫度高，壓力高，純氫環境，所以對于安全要求很高。工作人員采用了“DCS+ESD”模式，即工藝過程控制采用DCS，對生產裝置及機組緊急聯鎖停車系統選用了美國Triconex公司的Trident三重化控制系統，即ESD。

    緊急停車系統ESD，對化工生產裝置或不采取措施將繼續惡化的狀態進行相應的保護，使生產裝置進入一個預定義的安全停車工況，從而使危險降低到可以接受的最低程度，以保證人員、設備、生產和裝置的安全。ESD是適用于高溫、高壓、易燃、易爆等連續性生產裝置的安全保護系統，為提高企業的經濟效益，安全平穩、長周期地連續生產是至關重要的。“該動則動，不該動則一定不動”是ESD的明顯特征。

    當然一般安全聯鎖保護功能也可由DCS來實現。那么為何要獨立設置ESD系統呢？因為由于較大規模的緊急停車系統應按照安全獨立原則與DCS分開設置，這樣做主要有以下幾方面原因： 

    （1）降低控制功能和安全功能同時失效的概率，當維護DCS部分故障時也不會危及安全保護系統；

    （2）對于大型裝置或旋轉機械設備而言，緊急停車系統響應速度越快越好。這有利于保護設備，避免事故擴大，并有利于分辨事故原因記錄。而DCS處理大量過程監測信息，因此其響應速度難以作得很快； 

    （3）DCS系統是過程控制系統，是動態的，需要人工頻繁的干預，這有可能引起人為誤動作，而ESD是靜態的，不需要人為干預，這樣設置ESD可以避免人為誤動作。

2  ESD系統介紹 

Trident 是美國Triconex公司開發的一種以微處理器為核心，由高可靠性硬件組成，具有高速處理能力、強大的控制功能以及方便、靈活的組態編程功能的邏輯與過程控制系統，能夠方便的與DCS通訊。性能如表1所示。

     表1   Trident性能表

     Trident

     CPU：主處理器為 MPC860A 32位浮點處理器, 主頻50 MHZ.

     內分布存為：6MB (Flash-EPROM)

                 16M（DRAM user program）

                 16M (communication)

     該處理器在處理較復雜的運算和模擬量較多的情況下仍可保持較快的掃描時間（通常為50ms內）。

     系統共有3塊主處理器卡，每塊卡含2個處理器MPC860A。

     I/0 卡：所有I/O卡均含有微處理器，可進行數據處理。

     冗余結構：完全透明三重化冗余容錯。

     SOE：由于I/O卡和主處理器上的專用的通信處理器，SOE分辨率可達毫秒級

     可應用性：單點故障不會導致停車且故障不會擴散。

2.1 硬件配置及功能說明

    SOE站及操作站：選用2臺DELL工作站作為該裝置的SOE站及操作站，SOE站可以離線和在線組態、修改、設置參數及系統維護和操作功能，并可以查看歷史數據。

    控制器及I/O卡：選用3塊MPC860A 32控制器和若干模擬量輸入卡件、開關量輸入輸出卡件組成該控制系統，每種類型I/O卡件具備三重化冗余容錯功能，同時卡件具備對故障和信號出錯的鑒別及處理功能，所有I/O卡件還具備對現場開路及短路等故障的鑒別及處理功能，每種類型卡件均能在線熱插拔和更換，I/O通道利用P+F隔離柵與現場的信號隔離。其結構如圖1所示。

                                               圖1   系統總圖 

    TRICON ESD最顯著的特點是硬件實現容錯功能和三重化模塊冗余結構，TRICON所有輸入和輸出模塊與3個隔離的I/O通信總線相接，每個模塊由3個主處理模塊中的一個來控制。現場輸入信號通過輸入模塊上的隔離電路濾波和分離，變成3個相同的信號處理路徑，每個路徑由微控制器協調處理、測試和向對應的主處理器報告狀態；每個微處理器通過隔離的只讀高速鏈路與另外兩個“鄰居”通信，輸入、輸出和診斷狀態信息至少每次掃描有一次同步，如果任何一個支路出現故障，表決器會自動屏蔽從故障支路來的信號，通過使用“3中取2”軟件表決，使存儲器內關于系統目前狀態的圖像相互聯系并進行糾正，然后執行編程的聯鎖邏輯，把響應的輸出設置在所需狀態，將輸出到現場終端上。如圖2、圖3所示。

                                   圖2   信號傳輸圖



圖3

                         圖4   壓縮機組的聯鎖保護控制邏輯功能塊

                                        圖5   備用油泵的自啟動

                            圖6   加氫裝置的開停車聯鎖邏輯功能塊

                                  圖7   自動報警邏輯功能塊


2.2 ESD系統軟件 

    Triconex公司為每套ESD系統都提供了基于Windows的系統組態軟件TriStation 1131，該軟件裝在工程師站中，用戶可以利用它進行系統硬件配置、定義輸入/輸出點，還可以通過調用各種功能模塊進行控制程序組態。用戶的組態程序經過編譯后再下裝到TRICON控制器的主處理器中執行。該軟件還具有硬件運行狀態監視和仿真功能，可以用來做系統硬件的故障診斷、在線維護以及控制程序的調試和模擬試驗。

    操作站中的監控軟件采用的是工控軟件InTouch 。該軟件功能豐富強大，可以進行工藝圖表組態，繪制工藝流程圖畫面、控制回路的調節畫面、PID參數整定畫面，建立控制組畫面、趨勢組畫面和報警畫面等。

3  ESD系統的應用實例

    七臺河寶泰隆煤化工有限公司煤焦油加氫項目采用的美國Triconex公司緊急停車控制系統Trident。

    該ESD系統主要完成以下控制功能：

    （1）SOE 功能；

    （2）與DCS的通訊功能；

    （3）壓縮機組的聯鎖保護控制；

    （4）加氫裝置的開停車聯鎖。

3.1  SOE功能

    系統帶有SOE功能，I/O卡件給控制器提供事件順序能力，在每次掃描期間，控制器檢查所指定的被稱為事件的離散變量的狀態改變。當一個事件發生時，控制器將變量的當前狀態和時間存儲在緩沖區內，以便組態提取事件順序。SOE的識別時間間隔為≤1ms，SOE的事件記錄存儲時間為不少于12個月，并可實時存貯在硬盤的歷史中，并可通過打印機打印出來。

3.2  通訊功能

    控制器與DCS通過RS-485接口與DCS系統進行通訊，通過系統組態，將部分有用的數據實時傳遞給DCS，方便車間操作人員通過DCS監視大型機組的運行狀況。

3.3  壓縮機組的聯鎖保護控制

    這里以七臺河寶泰隆煤化工有限公司循環氫壓縮機為例，循環氫壓縮機控制包括主副油泵的自啟動切換，潤滑油壓力三取二邏輯聯鎖控制，軸溫度、電機溫度等等的聯鎖保護，以及啟動停車聯鎖條件等；并在中控室設有輔助操作臺裝有該機組啟動允許、急停按鈕、運行指示燈等；其部分邏輯功能塊如圖4所示。壓縮機的允許啟動，只有啟動條件全部滿足，才能啟動壓縮機。

    備用油泵的自啟動：兩臺油泵互為主輔，當潤滑油壓力低時，自動啟動備用油泵，壓力達到一定值后，原主油泵自動停止，備用油泵此時作為主油泵。如圖5所示。

3.4  加氫裝置的開停車聯鎖

    加氫裝置的開停車聯鎖，具有高可靠性的實時故障診斷控制系統和完整的過程控制聯鎖功能，使系統采用有效的安全措施將加氫生產過程的事故損失降到最低或避免發生生產安全事故。該裝置組態包括：裝置生產過程聯鎖部分、裝置的緊急停車部分。其部分邏輯功能塊如下，如圖6所示。

    特別說明的是，現場的快速開關閥，做為緊急停車的執行單元，它的可靠性至關重要，開關閥有閥門開關狀態的反饋回到控制室，但閥門的故障狀態，控制室的操作人員無法知道，所以，結合現場的情況，筆者編寫了如下程序，如圖7所示，只要閥門開關有故障，就會發出報警信號，提醒操作人員處理。

4  總結  

    考慮到ESD是做為緊急停車的安全系統，所以設計上全部采用故障安全型。為了儀表人員的日常維護方便，在組態每個回路中又加入了旁路開關，使維護人員處理相關儀表故障時，不至于誤停車，當然，旁路開關的旁路切除是有一系列手續的，不能隨便切除，以免由于ESD未投入而造成事故，通過對壓縮機機組和加氫裝置的控制系統的組態和調試，本套系統的軟硬件均能滿足使用要求。