TRICON系统在煤焦油加氢装置中的应用--控制网



TRICON系统在煤焦油加氢装置中的应用
企业：控制网 日期：2009-08-31
领域：工业无线 点击数：1492














王彦君（1974-）

男，汉族，毕业于齐齐哈尔轻工学院生产过程自动化专业，中级工程师，现任七台河宝泰隆煤化工有限公司仪表工程师。


摘要：ESD系统是化工生产装置的自动保护系统。它可以防止由于生产工艺故障或其他一些事故对工艺设备、生产系统、操作人员的损害，保证生产能够安全地运行。本文针对黑龙江宝泰隆公司煤焦油加氢装置ESD系统，介绍了美国Triconex公司紧急停车控制系统ESD(Emergency Shutdown Device)的硬件、软件结构，阐明了利用ESD实现煤焦油加氢装置的自保联锁控制系统的方法。

关键词：ESD；DCS；紧急停车系统；备泵自启动；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

    近年来，由于设备的大型化、高参数(高温、高压)和快速反应，对保护设备安全、人身安全、防止事故发生造成环境污染以及便于维护修复等提出了更高要求。

    七台河宝泰隆煤化工有限公司10万吨/年煤焦油加氢装置，是国内首家高温高压煤焦油加氢，该装置工艺条件苛刻，主要表现在反应温度高，压力高，纯氢环境，所以对于安全要求很高。工作人员采用了“DCS+ESD”模式，即工艺过程控制采用DCS，对生产装置及机组紧急联锁停车系统选用了美国Triconex公司的Trident三重化控制系统，即ESD。

    紧急停车系统ESD，对化工生产装置或不采取措施将继续恶化的状态进行相应的保护，使生产装置进入一个预定义的安全停车工况，从而使危险降低到可以接受的最低程度，以保证人员、设备、生产和装置的安全。ESD是适用于高温、高压、易燃、易爆等连续性生产装置的安全保护系统，为提高企业的经济效益，安全平稳、长周期地连续生产是至关重要的。“该动则动，不该动则一定不动”是ESD的明显特征。

    当然一般安全联锁保护功能也可由DCS来实现。那么为何要独立设置ESD系统呢？因为由于较大规模的紧急停车系统应按照安全独立原则与DCS分开设置，这样做主要有以下几方面原因： 

    （1）降低控制功能和安全功能同时失效的概率，当维护DCS部分故障时也不会危及安全保护系统；

    （2）对于大型装置或旋转机械设备而言，紧急停车系统响应速度越快越好。这有利于保护设备，避免事故扩大，并有利于分辨事故原因记录。而DCS处理大量过程监测信息，因此其响应速度难以作得很快； 

    （3）DCS系统是过程控制系统，是动态的，需要人工频繁的干预，这有可能引起人为误动作，而ESD是静态的，不需要人为干预，这样设置ESD可以避免人为误动作。

2  ESD系统介绍 

Trident 是美国Triconex公司开发的一种以微处理器为核心，由高可靠性硬件组成，具有高速处理能力、强大的控制功能以及方便、灵活的组态编程功能的逻辑与过程控制系统，能够方便的与DCS通讯。性能如表1所示。

     表1   Trident性能表

     Trident

     CPU：主处理器为 MPC860A 32位浮点处理器, 主频50 MHZ.

     内分布存为：6MB (Flash-EPROM)

                 16M（DRAM user program）

                 16M (communication)

     该处理器在处理较复杂的运算和模拟量较多的情况下仍可保持较快的扫描时间（通常为50ms内）。

     系统共有3块主处理器卡，每块卡含2个处理器MPC860A。

     I/0 卡：所有I/O卡均含有微处理器，可进行数据处理。

     冗余结构：完全透明三重化冗余容错。

     SOE：由于I/O卡和主处理器上的专用的通信处理器，SOE分辨率可达毫秒级

     可应用性：单点故障不会导致停车且故障不会扩散。

2.1 硬件配置及功能说明

    SOE站及操作站：选用2台DELL工作站作为该装置的SOE站及操作站，SOE站可以离线和在线组态、修改、设置参数及系统维护和操作功能，并可以查看历史数据。

    控制器及I/O卡：选用3块MPC860A 32控制器和若干模拟量输入卡件、开关量输入输出卡件组成该控制系统，每种类型I/O卡件具备三重化冗余容错功能，同时卡件具备对故障和信号出错的鉴别及处理功能，所有I/O卡件还具备对现场开路及短路等故障的鉴别及处理功能，每种类型卡件均能在线热插拔和更换，I/O通道利用P+F隔离栅与现场的信号隔离。其结构如图1所示。

                                               图1   系统总图 

    TRICON ESD最显著的特点是硬件实现容错功能和三重化模块冗余结构，TRICON所有输入和输出模块与3个隔离的I/O通信总线相接，每个模块由3个主处理模块中的一个来控制。现场输入信号通过输入模块上的隔离电路滤波和分离，变成3个相同的信号处理路径，每个路径由微控制器协调处理、测试和向对应的主处理器报告状态；每个微处理器通过隔离的只读高速链路与另外两个“邻居”通信，输入、输出和诊断状态信息至少每次扫描有一次同步，如果任何一个支路出现故障，表决器会自动屏蔽从故障支路来的信号，通过使用“3中取2”软件表决，使存储器内关于系统目前状态的图像相互联系并进行纠正，然后执行编程的联锁逻辑，把响应的输出设置在所需状态，将输出到现场终端上。如图2、图3所示。

                                   图2   信号传输图



图3

                         图4   压缩机组的联锁保护控制逻辑功能块

                                        图5   备用油泵的自启动

                            图6   加氢装置的开停车联锁逻辑功能块

                                  图7   自动报警逻辑功能块


2.2 ESD系统软件 

    Triconex公司为每套ESD系统都提供了基于Windows的系统组态软件TriStation 1131，该软件装在工程师站中，用户可以利用它进行系统硬件配置、定义输入/输出点，还可以通过调用各种功能模块进行控制程序组态。用户的组态程序经过编译后再下装到TRICON控制器的主处理器中执行。该软件还具有硬件运行状态监视和仿真功能，可以用来做系统硬件的故障诊断、在线维护以及控制程序的调试和模拟试验。

    操作站中的监控软件采用的是工控软件InTouch 。该软件功能丰富强大，可以进行工艺图表组态，绘制工艺流程图画面、控制回路的调节画面、PID参数整定画面，建立控制组画面、趋势组画面和报警画面等。

3  ESD系统的应用实例

    七台河宝泰隆煤化工有限公司煤焦油加氢项目采用的美国Triconex公司紧急停车控制系统Trident。

    该ESD系统主要完成以下控制功能：

    （1）SOE 功能；

    （2）与DCS的通讯功能；

    （3）压缩机组的联锁保护控制；

    （4）加氢装置的开停车联锁。

3.1  SOE功能

    系统带有SOE功能，I/O卡件给控制器提供事件顺序能力，在每次扫描期间，控制器检查所指定的被称为事件的离散变量的状态改变。当一个事件发生时，控制器将变量的当前状态和时间存储在缓冲区内，以便组态提取事件顺序。SOE的识别时间间隔为≤1ms，SOE的事件记录存储时间为不少于12个月，并可实时存贮在硬盘的历史中，并可通过打印机打印出来。

3.2  通讯功能

    控制器与DCS通过RS-485接口与DCS系统进行通讯，通过系统组态，将部分有用的数据实时传递给DCS，方便车间操作人员通过DCS监视大型机组的运行状况。

3.3  压缩机组的联锁保护控制

    这里以七台河宝泰隆煤化工有限公司循环氢压缩机为例，循环氢压缩机控制包括主副油泵的自启动切换，润滑油压力三取二逻辑联锁控制，轴温度、电机温度等等的联锁保护，以及启动停车联锁条件等；并在中控室设有辅助操作台装有该机组启动允许、急停按钮、运行指示灯等；其部分逻辑功能块如图4所示。压缩机的允许启动，只有启动条件全部满足，才能启动压缩机。

    备用油泵的自启动：两台油泵互为主辅，当润滑油压力低时，自动启动备用油泵，压力达到一定值后，原主油泵自动停止，备用油泵此时作为主油泵。如图5所示。

3.4  加氢装置的开停车联锁

    加氢装置的开停车联锁，具有高可靠性的实时故障诊断控制系统和完整的过程控制联锁功能，使系统采用有效的安全措施将加氢生产过程的事故损失降到最低或避免发生生产安全事故。该装置组态包括：装置生产过程联锁部分、装置的紧急停车部分。其部分逻辑功能块如下，如图6所示。

    特别说明的是，现场的快速开关阀，做为紧急停车的执行单元，它的可靠性至关重要，开关阀有阀门开关状态的反馈回到控制室，但阀门的故障状态，控制室的操作人员无法知道，所以，结合现场的情况，笔者编写了如下程序，如图7所示，只要阀门开关有故障，就会发出报警信号，提醒操作人员处理。

4  总结  

    考虑到ESD是做为紧急停车的安全系统，所以设计上全部采用故障安全型。为了仪表人员的日常维护方便，在组态每个回路中又加入了旁路开关，使维护人员处理相关仪表故障时，不至于误停车，当然，旁路开关的旁路切除是有一系列手续的，不能随便切除，以免由于ESD未投入而造成事故，通过对压缩机机组和加氢装置的控制系统的组态和调试，本套系统的软硬件均能满足使用要求。
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