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    一、概述

    隨著石油化工裝置的日趨大型化，工藝過程的不斷復(fù)雜化，生產(chǎn)過程中發(fā)生危險(xiǎn)的可能性也呈增大趨勢(shì)，加之人們對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、設(shè)備、人身、環(huán)境的保護(hù)等因素的要求使得獨(dú)立于控制系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖顯得十分必要，這種專用的安全保護(hù)系統(tǒng)就是——ESD緊急停車系統(tǒng)（Emergency Shutdown Device）。ESD適用于高溫、高壓、易燃、易爆等場(chǎng)合，可以對(duì)生產(chǎn)裝置可能發(fā)生的危險(xiǎn)或不采取措施將繼續(xù)惡化的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)和保護(hù)，使生產(chǎn)裝置進(jìn)入一個(gè)預(yù)定義的安全停車工況，從而使危險(xiǎn)降低到可以接受的最低程度，以保證人員、設(shè)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(tǒng)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(jì)效益的必要手段之一。

    重慶紫光蛋氨酸有限責(zé)任公司1萬噸/年蛋氨酸項(xiàng)目為該公司年產(chǎn)5萬噸蛋氨酸項(xiàng)目的一期工程。作為一個(gè)典型的精細(xì)化工裝置，反應(yīng)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(xiàng)目工藝流程復(fù)雜，中間環(huán)節(jié)眾多，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)均會(huì)導(dǎo)致其他環(huán)節(jié)不能正常工作，甚至前功盡棄，因此要實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的安全穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)，這就要求必須配置先進(jìn)的、高可靠的設(shè)備，配置能充分滿足石油化工裝置及機(jī)組的緊急停車和安全聯(lián)鎖的ESD系統(tǒng)。基于此考慮，其選用了GE智能平臺(tái)公司的90-70 GMR表決系統(tǒng)。GMR（Genius Modular Redundancy）控制系統(tǒng)是基于GE 智能平臺(tái)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(gòu)成的三重化表決控制系統(tǒng)。

    二、GMR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    1、系統(tǒng)配置的選用

    重慶紫光蛋氨酸項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣，系統(tǒng)要求較高。要求系統(tǒng)的冗余原則為：
    a. 系統(tǒng)應(yīng)具有完備的冗余和容錯(cuò)技術(shù)，包括設(shè)備冗余和工作性能冗余。
    b. 各級(jí)網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備、部件和總線三重冗余。
    c. 控制站處理器等功能卡冗余。
    d. 所有電源設(shè)備和部件冗余。
    e. 對(duì)要求冗余配置的I/O卡三重冗余。

    要求系統(tǒng)的可用性為：
    a.系統(tǒng)的可用率應(yīng)不低于99.99%。
    b.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)是故障安全型的，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能按照故障安全的方式停機(jī)。
    c.系統(tǒng)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(bào)警并能提示維護(hù)人員進(jìn)行維護(hù)。
    d.冗余設(shè)備具備在線自診斷，排錯(cuò)報(bào)警，無差錯(cuò)切換功能。
    e.系統(tǒng)的各種插卡應(yīng)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(tǒng)中的雙重化配置，系統(tǒng)包含兩個(gè)獨(dú)立的90-70PLC以及運(yùn)行在每個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)中的診斷程序，每個(gè)PLC上各配置了3個(gè)總線控制器。通過三選二的表決，系統(tǒng)為用戶提供了高可靠性和無誤差操作。還包含了輸入子系統(tǒng)及輸出子系統(tǒng)。輸入輸出子系統(tǒng)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(duì)輸出和輸入通道有電子保護(hù)功能，而且模擬量、開關(guān)量等所有模塊都可以用在同一總線中。傳感器信號(hào)被引入到隔離的Genius輸入模塊，設(shè)置在獨(dú)立機(jī)架中，各自獨(dú)立的CPU從每條Genius總線上接受這些輸入信號(hào)并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行表決，然后，兩個(gè)CPU中的每一個(gè)CPU通過三重化的Genius I/O總線將邏輯狀態(tài)結(jié)果送至輸出子系統(tǒng)，Genius輸出模塊對(duì)三重化的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行表決，然后送至負(fù)載。

    2、工藝簡(jiǎn)介和系統(tǒng)規(guī)模

    重慶紫光蛋氨酸項(xiàng)目根據(jù)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(yīng)生成二硫化碳和硫化氫，將反應(yīng)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(yīng)生成甲硫醇和甲硫醚，經(jīng)精餾純化后，甲硫醚繼續(xù)與硫化氫反應(yīng)生成甲硫醇，而純凈的甲硫醇送入二單元與丙烯醛反應(yīng)制取甲硫基代丙醛。其中丙烯醛是通過丙烯和空氣在催化劑作用下經(jīng)過分離純化制取的。甲硫醇與丙烯醛反應(yīng)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(yīng)生成海因，經(jīng)水解后，送入六單元中和、結(jié)晶、過濾、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(xiàng)目ESD主要作用在二和三單元，二單元的丙烯與空氣反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，并且反應(yīng)原料之間的爆炸極限范圍寬，而原料的配比要在反應(yīng)過程中一定要越過爆炸曲線，必須避免原料配比在爆炸曲線區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。另外生成的產(chǎn)物丙烯醛也是重要危險(xiǎn)品，具有強(qiáng)烈催淚作用，曾經(jīng)還用于戰(zhàn)爭(zhēng)作為化學(xué)武器，泄露后其危險(xiǎn)性極大，會(huì)造成嚴(yán)重的社會(huì)影響。三單元是用劇毒硫化氫純品和甲醇反應(yīng)制取甲硫醇，反應(yīng)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(xiǎn)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(qiáng)烈的惡臭味。這些危險(xiǎn)源幾乎存在于生產(chǎn)車間的每個(gè)設(shè)備和管線內(nèi)，絕不容許微量物質(zhì)泄露到現(xiàn)場(chǎng)。這就對(duì)設(shè)備和控制系統(tǒng)提出了極高地要求。

系統(tǒng)具體配置如下表所示。

                   
                   

    根據(jù)信號(hào)傳輸、隔離、轉(zhuǎn)換、分離的需要, 而且，現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)電纜需先經(jīng)過過渡端子柜后再接到SIS系統(tǒng)的I/O卡上，個(gè)別信號(hào)還要經(jīng)過一入二出的信號(hào)分配器分出一路接到DCS上，因此對(duì)于上述系統(tǒng)，還需設(shè)置一定的輔助柜SIS01-SIS07(7個(gè)輔助柜)，其中，SIS01柜為90-70PLC機(jī)架柜，配置3個(gè)9槽機(jī)架。SIS02-SIS07為Genius AI、DI、DO模塊配置柜，另外，還有2臺(tái)特制操作臺(tái)，用于安裝選擇開關(guān)、按鈕、閃光報(bào)警器等。

    三、I/O的具體配置方式

    1、 輸入子系統(tǒng)的配置

    由于輸入子系統(tǒng)可以靈活配置，工藝信號(hào)的引入可以是單信號(hào)、雙信號(hào)或是三個(gè)信號(hào)。信號(hào)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(jī)進(jìn)行表決，表決結(jié)果送給輸出模塊組再表決后輸出。在重慶紫光蛋氨酸項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，每個(gè)PLC都含有3條總線，如下圖1所示；AI采用了三重化輸入方式，一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)通過端子排分配到三個(gè)獨(dú)立的輸入模塊IC200ALG265，這3個(gè)模塊分別連接在3條Genius總線ELDEN9182上，如下圖2所示；DI采用了冗余輸入方式一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)通過端子排分配到兩個(gè)獨(dú)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ELDEN9182上。

    2、輸出子系統(tǒng)的配置

    GE GMR輸出子系統(tǒng)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(jù)項(xiàng)目成本、項(xiàng)目規(guī)模等綜合考慮選用輸出子系統(tǒng)的配置。輸出模塊組對(duì)從CPU來的輸出進(jìn)行表決，將表決結(jié)果輸出到負(fù)載。由于重慶紫光蛋氨酸項(xiàng)目，要求配備的SIS系統(tǒng)必須是成熟的、經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)的系統(tǒng)，必須充分滿足石油化工裝置及機(jī)組的緊急停車和安全聯(lián)鎖的需要，要求配備的SIS系統(tǒng)必須具有完備的冗余容錯(cuò)技術(shù)，所有設(shè)備和部件必須為2oo3方式的三重冗余、容錯(cuò)結(jié)構(gòu)，于是，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，基于所有設(shè)備的可靠性 ，采用了“H”型輸出配置。

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

    在此次設(shè)計(jì)中，基于實(shí)踐嘗試，由于電路工作環(huán)境的不確定性,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)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(hù)模塊，，以保證輸出系統(tǒng)的可靠性。

    3、Genius 總線BELDEN9182

    整個(gè)系統(tǒng)的配置中，所有的I/O模塊都接在Genius總線BELDEN9182上，但是每個(gè)模塊只能接在一條總線上，且同一條總線上不同的模塊必須設(shè)定不同的地址，否則系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到?jīng)_突，每條總線兩頭需加裝終端電阻。
 
    四、結(jié)束語(yǔ)

    GMR系統(tǒng)可以描述為多模塊高度整合且靈活強(qiáng)大的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)的數(shù)量和參數(shù)因系統(tǒng)不同，GMR系統(tǒng)通過靈活運(yùn)用業(yè)界認(rèn)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(tǒng)，可以在苛刻環(huán)境下選擇三重化系統(tǒng)，或者在通常情況下選擇單重化或雙重化。這種強(qiáng)大的功能和靈活的配置組合廣泛應(yīng)用于在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，特別是在緊急剎車上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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(qū)系統(tǒng)、中國(guó)石化股份有限公司北京燕山分公司造粒機(jī)組國(guó)產(chǎn)化裝置等多個(gè)項(xiàng)目的ESD系統(tǒng)中都有較好的應(yīng)用。