當(dāng)一個控制系統(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，而且有超過安全容許的風(fēng)險時，需要設(shè)置一套安全聯(lián)鎖的防護(hù)體系，立即采取措施，適時打開或關(guān)上閥門，避免發(fā)生突發(fā)事件。然而，在平時的工作中，如果儀表出現(xiàn)“干擾信號”，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，就不會出現(xiàn)生產(chǎn)所需的連鎖故障。為了解決以上問題，本課題擬開展面向石化企業(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、工藝過程聯(lián)鎖的分級管理
工藝過程聯(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)超過安全界限后，就能對設(shè)備進(jìn)行過溫或過壓的防護(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，工藝過程聯(lián)鎖分為A級和B級，并按照級別進(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)兩種級別。
1.1 A類過程聯(lián)鎖
直接觸發(fā)某個流程系統(tǒng)或某個重要設(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)過程互鎖，包括整個生產(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，供電干線的過程互鎖回路。
1.2 B級過程聯(lián)鎖
除了A類外，所有過程互鎖都屬于B級。只發(fā)生一種系統(tǒng)或一種設(shè)備的互鎖，而不會導(dǎo)致機(jī)組或設(shè)備的停機(jī)，使整個系統(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、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、排量、機(jī)油油溫等。聯(lián)鎖程序的設(shè)計是否準(zhǔn)確和全面，保護(hù)動作是否正確性和可靠性，將對整個裝置的安全云心產(chǎn)生重要的影響。
2.1 虛假信息和干擾信息問題
測量溫度、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)的時間太長，其信號強(qiáng)度超出了聯(lián)鎖的臨界值，則會造成設(shè)備或釜類設(shè)備的異?；蛲＼嚒?/span>
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)境振動較大；因附近道路運(yùn)輸?shù)仍?，造成儀表信號中斷或短路，這在操作中時常發(fā)生。安裝前檢查，實(shí)時監(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)鎖控制體系的信號處理部分、感溫變送部分和信號轉(zhuǎn)換部分。當(dāng)中間鏈路發(fā)生故障時，既可以對某個儀器的測點(diǎn)產(chǎn)生影響，也可以對同類多個測點(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，從而導(dǎo)致設(shè)備的停車。
2.4 聯(lián)鎖計量儀表的設(shè)計
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、釜壓、液面高度等大多數(shù)聯(lián)鎖儀表的測點(diǎn)處均為一種，即當(dāng)某一臺儀表上的測點(diǎn)處于正?；虍惓顟B(tài)時，其上的各點(diǎn)均處于聯(lián)鎖狀態(tài)。那么，連鎖系統(tǒng)自動開啟，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。本文在對現(xiàn)有故障進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對原有的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，并引入預(yù)防設(shè)計的思想，可減少無計劃停機(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)計聯(lián)鎖計算機(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起伏、脈沖干預(yù)等情況，CPU無法直接利用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，以及把一個電容器并聯(lián)到一個輸入口上的硬件過濾法。如果使用平均濾波方法，則會導(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)行時間超過CPU允許的最大掃描時間，從而造成CPU系統(tǒng)崩潰。
為了消除突發(fā)性脈沖干擾對信號的壓制，在設(shè)計時，將信號通過延時計時模塊，屏蔽干擾和異常信號，也就是不能啟動聯(lián)鎖保護(hù)。開啟-延遲定時器描述如表1所示。
表1 計時器引腳的描述
計時器的作用是：在輸入從False到True時，觸發(fā)TON的啟動時間，并在Q時間上輸出TRUE。如果計時時間還沒有到達(dá)，從“真”改變?yōu)椤凹佟?，計時器被復(fù)位。
在聯(lián)鎖保護(hù)方案中，對輸入信號的品質(zhì)進(jìn)行判定。質(zhì)量判定程序，即對控制系統(tǒng)模組中的模擬量通道信號失效進(jìn)行辨識，即儀器發(fā)生損毀、信號線失效、模組某個通路失效等。例如，浙大中控TCS-900，其AI信道是0～28480，對應(yīng)的是4～20mA的信號。將當(dāng)前周期信號值和前一個周期信號值進(jìn)行比較，如果在兩個操作周期中，該值超出該區(qū)間，則將其視為“壞”，并維持前一個循環(huán)的數(shù)字，且給出一個告警，但未設(shè)置互鎖。詳細(xì)的設(shè)計思想如圖1所示中的“信號品質(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的一階增減變化限制在一個給定的范圍之內(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)系來確定該操作循環(huán)OUT的值相對于前一操作循環(huán)的變化程度。因此，以各操作時段的功能塊輸出OUT的變動值處于某一設(shè)置范圍之內(nèi)的方式，限制輸入IN的變動速率。速率限制計算方法如表2所示，操作程序如圖3所示。
表2 速率限制計算方法
圖3 操作程序示意圖
在此基礎(chǔ)上，通過對上述時延濾波與輸入信號品質(zhì)判別，對聯(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、模塊通路等多個環(huán)節(jié)失效等問題。該方法在軟件上進(jìn)行了優(yōu)化，使項目的前期設(shè)計工作量大大增加，而對項目的投資卻不大，是今后控制系統(tǒng)升級和優(yōu)化時可以借鑒的。
3.2 計算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
在不計工程投資費(fèi)用的情況下，凡是與聯(lián)鎖保護(hù)有關(guān)的儀表測點(diǎn)，都可以用兩點(diǎn)法或多點(diǎn)法進(jìn)行測量。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，也就是使用兩個現(xiàn)場傳感器，互鎖信號只能選擇一個；在對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，可以采用3個現(xiàn)場傳感器聯(lián)鎖2個電信號，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，僅在同一檢測點(diǎn)處才能進(jìn)行報警，但不會觸發(fā)聯(lián)鎖；當(dāng)兩個通道的測試結(jié)果吻合后，開始連鎖報警。但是，為了減小組件故障對儀表造成的沖擊，需要將儀表的輸入信號單獨(dú)與各組件相連。通過本項目的實(shí)施，可以解決儀表、模塊和中間連接的失效問題，提高了聯(lián)鎖保護(hù)的穩(wěn)妥度和安全系數(shù)。
4、結(jié)語
在石化領(lǐng)域的危險高危裝置、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)險與問題。在實(shí)際的操作和應(yīng)用過程中，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，從而減少安全事故的發(fā)生。通過對自動控制系統(tǒng)中儀器聯(lián)鎖的設(shè)計和程序進(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)的自動自動控制水平，增強(qiáng)過程的安全控制，從而為實(shí)現(xiàn)石化企業(yè)中的自動聯(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)
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