當(dāng)一個(gè)控制系統(tǒng)或某些工藝裝置發(fā)生故障，使工藝指標(biāo)發(fā)生不正常的變化，而且有超過(guò)安全容許的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，需要設(shè)置一套安全聯(lián)鎖的防護(hù)體系，立即采取措施，適時(shí)打開(kāi)或關(guān)上閥門，避免發(fā)生突發(fā)事件。然而，在平時(shí)的工作中，如果儀表出現(xiàn)“干擾信號(hào)”，或者儀表斷線、短路等情況，使控制系統(tǒng)模組的通信線路遭到損壞，就不會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)所需的連鎖故障。為了解決以上問(wèn)題，本課題擬開(kāi)展面向石化企業(yè)流程局部聯(lián)鎖防護(hù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)程度。
1、工藝過(guò)程聯(lián)鎖的分級(jí)管理
工藝過(guò)程聯(lián)鎖是保證設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行的一種保護(hù)措施。一旦裝置運(yùn)行的溫度、壓力、液位、流量等參數(shù)超過(guò)安全界限后，就能對(duì)設(shè)備進(jìn)行過(guò)溫或過(guò)壓的防護(hù)，確保生產(chǎn)設(shè)施及人員的安全，避免發(fā)生意外。根據(jù)其在安全生產(chǎn)中的重要程度，工藝過(guò)程聯(lián)鎖分為A級(jí)和B級(jí)，并按照級(jí)別進(jìn)行管理。工藝聯(lián)鎖分為主要工藝聯(lián)鎖回路(A類)與常用工藝聯(lián)鎖回路(B類)兩種級(jí)別。
1.1 A類過(guò)程聯(lián)鎖
直接觸發(fā)某個(gè)流程系統(tǒng)或某個(gè)重要設(shè)備的聯(lián)鎖，使其發(fā)生應(yīng)急停機(jī)；一種可以直接觸發(fā)某一生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)鎖的應(yīng)急停機(jī)，并使其發(fā)生意外停機(jī)。大致有：
①生產(chǎn)過(guò)程互鎖，包括整個(gè)生產(chǎn)或大規(guī)模停機(jī)。
②關(guān)鍵工序間的聯(lián)鎖操作。
③生產(chǎn)過(guò)程聯(lián)鎖，涉及人員安全及產(chǎn)品的質(zhì)量。
④關(guān)于設(shè)備儀表的氣源，供電干線的過(guò)程互鎖回路。
1.2 B級(jí)過(guò)程聯(lián)鎖
除了A類外，所有過(guò)程互鎖都屬于B級(jí)。只發(fā)生一種系統(tǒng)或一種設(shè)備的互鎖，而不會(huì)導(dǎo)致機(jī)組或設(shè)備的停機(jī)，使整個(gè)系統(tǒng)能快速地恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
2、聯(lián)鎖程序中存在的問(wèn)題剖析
在化工生產(chǎn)中，一般包括傳送帶互鎖、工藝互鎖、釜間安全互鎖、風(fēng)機(jī)互鎖、回轉(zhuǎn)裝置互鎖等。在反應(yīng)爐中的安全聯(lián)鎖，常用的參數(shù)有溫度、壓強(qiáng)、液面；風(fēng)扇聯(lián)動(dòng)、大旋轉(zhuǎn)裝置聯(lián)鎖，常用的主要參數(shù)有機(jī)油壓力、軸承溫升、電機(jī)定子的溫度、振動(dòng)、排量、機(jī)油油溫等。聯(lián)鎖程序的設(shè)計(jì)是否準(zhǔn)確和全面，保護(hù)動(dòng)作是否正確性和可靠性，將對(duì)整個(gè)裝置的安全云心產(chǎn)生重要的影響。
2.1 虛假信息和干擾信息問(wèn)題
測(cè)量溫度、壓力、流速、液面等；采用標(biāo)準(zhǔn)電流信息，4-20mA。在某些情況下，由于受電磁環(huán)境及設(shè)備接地等因素的影響，生成“虛假信息”與“干擾信息”。如果出現(xiàn)的時(shí)間太長(zhǎng)，其信號(hào)強(qiáng)度超出了聯(lián)鎖的臨界值，則會(huì)造成設(shè)備或釜類設(shè)備的異常或停車。
2.2 儀表斷線和短路
因設(shè)備使用年限，安裝位置不符合標(biāo)準(zhǔn)，周邊環(huán)境振動(dòng)較大；因附近道路運(yùn)輸?shù)仍颍斐蓛x表信號(hào)中斷或短路，這在操作中時(shí)常發(fā)生。安裝前檢查，實(shí)時(shí)監(jiān)控，定期維修和更換，可以降低一定的安全隱患，但是不能確保不出現(xiàn)意外事故。
2.3 中間鏈路失效的原因
中間鏈路，包括聯(lián)鎖控制體系的信號(hào)處理部分、感溫變送部分和信號(hào)轉(zhuǎn)換部分。當(dāng)中間鏈路發(fā)生故障時(shí)，既可以對(duì)某個(gè)儀器的測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生影響，也可以對(duì)同類多個(gè)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生影響。終端控制系統(tǒng)所接收到的信息，存在著直接引發(fā)聯(lián)鎖中斷的危險(xiǎn)，從而導(dǎo)致設(shè)備的停車。
2.4 聯(lián)鎖計(jì)量?jī)x表的設(shè)計(jì)
在反應(yīng)釜、鼓風(fēng)機(jī)和汽輪機(jī)等一些大型旋轉(zhuǎn)裝置中，存在著許多儀表上的測(cè)量數(shù)據(jù)，如軸承座、定子的溫度；機(jī)油壓力、軸向位移、軸震動(dòng)、釜壓、液面高度等大多數(shù)聯(lián)鎖儀表的測(cè)點(diǎn)處均為一種，即當(dāng)某一臺(tái)儀表上的測(cè)點(diǎn)處于正常或異常狀態(tài)時(shí)，其上的各點(diǎn)均處于聯(lián)鎖狀態(tài)。那么，連鎖系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟，做出最正確的防護(hù)措施。
3、聯(lián)鎖保護(hù)程序的設(shè)計(jì)方案與編制
當(dāng)前運(yùn)行儀表聯(lián)鎖保護(hù)控制程序發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，是在石化裝置運(yùn)行中，反復(fù)發(fā)生的概率非常高，其中的任何一項(xiàng)都將嚴(yán)重影響到生產(chǎn)、設(shè)備和運(yùn)行單元的穩(wěn)定運(yùn)行。本文在對(duì)現(xiàn)有故障進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)原有的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，并引入預(yù)防設(shè)計(jì)的思想，可減少無(wú)計(jì)劃停機(jī)的發(fā)生，為裝置生產(chǎn)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性提供新的思路。
3.1 從軟件角度設(shè)計(jì)聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)程序
有些露天環(huán)境下，傳感器等設(shè)備輸入到AI單元中的電流存在波動(dòng)起伏、脈沖干預(yù)等情況，CPU無(wú)法直接利用AI單元收集到的數(shù)值，需要再進(jìn)行濾波處理，消除掉各種波動(dòng)和干擾等。常用的濾波辦法有：延遲方法、求平均濾波的方法等多種軟濾波，以及把一個(gè)電容器并聯(lián)到一個(gè)輸入口上的硬件過(guò)濾法。如果使用平均濾波方法，則會(huì)導(dǎo)致收集的速率變慢，并且在大量的資料和數(shù)據(jù)需要修改的情況下，將導(dǎo)致軟件的執(zhí)行時(shí)間超過(guò)CPU允許的最大掃描時(shí)間，從而造成CPU系統(tǒng)崩潰。
為了消除突發(fā)性脈沖干擾對(duì)信號(hào)的壓制，在設(shè)計(jì)時(shí)，將信號(hào)通過(guò)延時(shí)計(jì)時(shí)模塊，屏蔽干擾和異常信號(hào)，也就是不能啟動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)。開(kāi)啟-延遲定時(shí)器描述如表1所示。
表1 計(jì)時(shí)器引腳的描述
計(jì)時(shí)器的作用是：在輸入從False到True時(shí)，觸發(fā)TON的啟動(dòng)時(shí)間，并在Q時(shí)間上輸出TRUE。如果計(jì)時(shí)時(shí)間還沒(méi)有到達(dá)，從“真”改變?yōu)椤凹佟保?jì)時(shí)器被復(fù)位。
在聯(lián)鎖保護(hù)方案中，對(duì)輸入信號(hào)的品質(zhì)進(jìn)行判定。質(zhì)量判定程序，即對(duì)控制系統(tǒng)模組中的模擬量通道信號(hào)失效進(jìn)行辨識(shí)，即儀器發(fā)生損毀、信號(hào)線失效、模組某個(gè)通路失效等。例如，浙大中控TCS-900，其AI信道是0～28480，對(duì)應(yīng)的是4～20mA的信號(hào)。將當(dāng)前周期信號(hào)值和前一個(gè)周期信號(hào)值進(jìn)行比較，如果在兩個(gè)操作周期中，該值超出該區(qū)間，則將其視為“壞”，并維持前一個(gè)循環(huán)的數(shù)字，且給出一個(gè)告警，但未設(shè)置互鎖。詳細(xì)的設(shè)計(jì)思想如圖1所示中的“信號(hào)品質(zhì)判定程序”。
以上所述就是TRICON HOLLiAS MACSV6.5.3系統(tǒng)的“速率限制”功能模塊。其自身的功能模塊可以將輸入信號(hào)的一階增減變化限制在一個(gè)給定的范圍之內(nèi)，適用于需要防止跳變的控制。如圖2所示顯示這些功能模塊。
圖1 輸入信號(hào)品質(zhì)判定程式
圖2 速率限制函數(shù)框
RATLIM(速率限制)功能模塊比較目前的輸入信號(hào)IN與上循環(huán)的OUT值，并基于二者之差與RATPOS及RATNEG之間的關(guān)系來(lái)確定該操作循環(huán)OUT的值相對(duì)于前一操作循環(huán)的變化程度。因此，以各操作時(shí)段的功能塊輸出OUT的變動(dòng)值處于某一設(shè)置范圍之內(nèi)的方式，限制輸入IN的變動(dòng)速率。速率限制計(jì)算方法如表2所示，操作程序如圖3所示。
表2 速率限制計(jì)算方法
圖3 操作程序示意圖
在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)上述時(shí)延濾波與輸入信號(hào)品質(zhì)判別，對(duì)聯(lián)鎖保護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，從而有效地解決假、干擾、儀器斷、短路、模塊通路等多個(gè)環(huán)節(jié)失效等問(wèn)題。該方法在軟件上進(jìn)行了優(yōu)化，使項(xiàng)目的前期設(shè)計(jì)工作量大大增加，而對(duì)項(xiàng)目的投資卻不大，是今后控制系統(tǒng)升級(jí)和優(yōu)化時(shí)可以借鑒的。
3.2 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
在不計(jì)工程投資費(fèi)用的情況下，凡是與聯(lián)鎖保護(hù)有關(guān)的儀表測(cè)點(diǎn)，都可以用兩點(diǎn)法或多點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量。從編程角度看，采用“一選一”的邏輯投票方式，其安全性、有效性都不高。在對(duì)安全要求較高的情況下，可以采取二選一的方案。此方案的安全性能好，但有效性不高，也就是使用兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器，互鎖信號(hào)只能選擇一個(gè)；在對(duì)高可用度有較高需求的情況下，采用二選二的方案，此方案的安全性能最差，但是可用性最好。
當(dāng)安全性和可用性都有保障時(shí)，可以采用3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器聯(lián)鎖2個(gè)電信號(hào)，從而具有更好的安全性和實(shí)效性；即當(dāng)某一種設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，僅在同一檢測(cè)點(diǎn)處才能進(jìn)行報(bào)警，但不會(huì)觸發(fā)聯(lián)鎖；當(dāng)兩個(gè)通道的測(cè)試結(jié)果吻合后，開(kāi)始連鎖報(bào)警。但是，為了減小組件故障對(duì)儀表造成的沖擊，需要將儀表的輸入信號(hào)單獨(dú)與各組件相連。通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，可以解決儀表、模塊和中間連接的失效問(wèn)題，提高了聯(lián)鎖保護(hù)的穩(wěn)妥度和安全系數(shù)。
4、結(jié)語(yǔ)
在石化領(lǐng)域的危險(xiǎn)高危裝置、反應(yīng)釜的運(yùn)轉(zhuǎn)、大型儀器儀表設(shè)備的生產(chǎn)操作等方面，存在諸多的安全風(fēng)險(xiǎn)與問(wèn)題。在實(shí)際的操作和應(yīng)用過(guò)程中，要根據(jù)工藝的要求，合理地選取安全保護(hù)聯(lián)鎖的形式，對(duì)安全聯(lián)鎖的設(shè)備進(jìn)行必要的調(diào)控，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，從而減少安全事故的發(fā)生。通過(guò)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)中儀器聯(lián)鎖的設(shè)計(jì)和程序進(jìn)行詳細(xì)的剖析和探討，目的是不斷提高現(xiàn)代化企業(yè)的自動(dòng)自動(dòng)控制水平，增強(qiáng)過(guò)程的安全控制，從而為實(shí)現(xiàn)石化企業(yè)中的自動(dòng)聯(lián)鎖安全管理提出一種新的思路。
作者：許晶萍(大慶石化公司設(shè)備維修中心)
相關(guān)閱讀
◆信號(hào)報(bào)警和信號(hào)聯(lián)鎖
◆聯(lián)鎖值低于報(bào)警值一定不合理嗎
◆報(bào)警聯(lián)鎖系統(tǒng)維修和投運(yùn)經(jīng)驗(yàn)分享
