FSC系统在丙烯腈装置上的应用
2006/1/18 18:31:00
【内容提要】
本文通过分析FSC系统的基本结构、硬件组成、工作原理、通讯设置、通讯机理和方式、工作状态以及在丙烯腈装置联锁系统中的实际应用，为在生产中维护该系统提供了技术说明，使操作人员了解系统的基本特点，为他们在实际工作中提供有力帮助。
1、 概述
年产2.5万吨丙烯腈（AN）装置（后扩产为4万吨）系引进美国SOHIO公司丙烯氨氧化法专利技术，以丙烯（C3H6）、氨(NH3)和空气(AIR)为原料，采用国产MB-96微球型催化剂（后经过多次更新，现为MB-99），在流化床反应器中生成AN、乙腈、丙烯醛、氢氰酸及一些重组分；反映气体经过急冷、吸收、精馏等过程得到AN，其工艺较为完善合理。在丙烯、氨氧化法合成丙烯腈的生产中，流化床反应器（R101）是整个工艺的龙头设备。该流化床反应器的操作特点是高温、剧毒、物料易燃易爆，相关因素多，各项工艺参数指标控制相当严格，生产操作中稍有不慎，极易造成生产事故。生产中使用的MB-96催化剂的价格非常昂贵，生产过程中如果空气流量不足时，将造成反应缺氧，甚至使催化剂失去活性而报废，带来严重的经济损失。为此，设置了反应器空气流量FC1103L低值联锁，当空气流量FC1103低于一定值，联锁相应电磁阀紧急停车，保证催化剂的安全。如果由于不可预测的原因造成氨进料或者丙烯进料中止，使丙烯或氨与空气在反应器中燃烧，产生大量热量，有可能将反应器或者反应气体冷却器烧化，甚至使反应器爆炸，造成严重事故。为此，设置了FF1111H（氧烯比）高值联锁，当生产中丙烯中断时，可表现在氧烯比过高。当氧烯比达到危险值时，FF1111联锁相关电磁阀中断反应器进料，进行紧急停车；设置了FF1112L（氨烯比）低值联锁，生产过程中，如果氨中断，可表现为氨烯比过低，当该值达到危险值时，FF1112L联锁相关电磁阀，中断R101进料，紧急停车。原设计中采用普通继电器组成了联锁系统，由于该系统经过十几年的运行，系统老化严重，经常出现故障造成不必要的停车。
在整个丙烯腈装置中联锁比较集中的是为反应器提供压缩空气的空压机组（104＃）和为精制提供冷冻盐水的制冷机组（401＃）。这两大机组共设置的联锁多达57个，这些联锁原设计也是采用普通继电器，对此由于该联锁系统造成机组停车，但是由于联锁点多，结构复杂，根本找不到那一个联锁为第一联锁点，无法避免同样的停车事故。因此，2001年我们对其进行了改造。经过广泛的调查研究，我们选用了美国HONEYWELL公司于九十年代推出的具有国际权威机构认证的安全级别为TUVAK5级的联锁自保控制系统FSC。我们将整个丙烯腈装置所有的联锁系统（包括上面没有提到的液位联锁泵开停系统等一些小联锁）和机组报警系统整合到了一套FSC系统中，为了将两大机组中的一些工艺参数也包括在这次改造中，我们经过讨论将该FSC系统放在了机组控制室内，在FSC的上位机中设置了两台PC机，一台作为工程师站，一台作为操作员站，将工艺参数利用FIX软件组态成各种流程图画面在操作员站上显示，以便操作人员监视；同时，为了给丙烯腈主控室内的操作人员了解机组运行情况和反应器的联锁系统的运行情况，我们将一些重要参数由FSC反馈到主控室，在主控室的DCS上显示；而且将联锁报警点也引导主控室中进行报警，为主控室的操作提供及时的参考依据。经过两年来的运行表明，这次改造非常成功：2002年曾经发生一次联锁停车，我们从FSC系统的SOE上找到了第一联锁点，并采取了措施，到现在为止，没有再出现停车事故。下面先对FSC系统作一个介绍，然后对FSC系统在丙烯腈装置上的应用作说明，为了避免流水帐和不必要的技术泄密，对于细节已经略去。
２、ＦＳＣ系统介绍
２.1、FSC系统简介
FSC即FAIL SAFE CONTROL——故障安全控制，它是基于微处理器、模块化、可进行软件编程和组态的系统。我厂丙烯腈装置配置的FSC系统为微处理器和I/O模件双冗余的配置。该系统具有安全控制、串行通讯、系统诊断、故障报警、实时记录和历史记录查询等功能。其高度的自诊断功能确保FSC能在过程安全时间内发挥作用，保证生产装置的安全。其主要特点是：
●采用双重冗余技术：FSC系统的双重冗余不同于一般的DCS系统，它的两个CP是同时独立工作的，只相互监视运行状态不进行数据交换；
●可实时控制，扫描时间在毫秒级；
●在过程安全时间间隔内进行逻辑回路故障诊断和系统自诊断。当逻辑回路的输入出现故障时，系统可外送无源接点信号启动联锁；系统本身则根据故障的不同，或停止整个中央控制单元的工作，或送出故障信号提醒维护人员处理；
●FSC的DO模件也具有自诊断功能，每四个通道由一个三极管控制，当其中某一个通道故障时，则将这四个通道自动切除。对于冗余系统来说，大大提高了其安全性和可靠性；
●除中央控制单元的卡件外，可在线更换任何卡件；
●其通讯接口采用ＭＯＤＢＵＳ协议可使FSC系统作为与HPM平级的ＳＭ节点挂在ＤＣＳ系统的ＵＣＮ网上，从而实现ＦＳＣ与ＤＣＳ系统的实时通讯。另外，还可以在FSC系统之间或FSC和PC机之间进行通讯；
●高速的ＳＯＥ实时数据检测、存储和打印；
●在基于ＷＩＮＤＯＷＳ环境的应用软件（FSC Navigator）上可方便的系统、过程和逻辑组态，还可进行在线监控、系统诊断和组态修改；
●具有倒计时功能（最大值为３２７６７min，一般为４３２０min），在系统自诊断发现一个严重故障时计时开始，在设定的时间内若故障没有被修复或又出现另一严重故障，系统将自动停止工作，因此发现故障必须及时处理。
2.2、系统结构
FSC系统的硬件由FSC机柜和两台PC机（工程师站和操作员站） 组成，核心部分是FSC机柜(见图1)。PC机提供软、硬件组态和SOE事件的实时记录和历史记录查询等功能；FSC机柜则进行安全控制、串行通讯、系统诊断和故障报警等。它含有两个中央控制单元（Central Parts简称CP）和冗余的I/O模件，核心是中央控制单元。系统运行时两套CP同时工作，经VBD和HBD模件分别连接互为冗余的两套I/O模件，其结构如图2所示。
2.3、FSC系统工作原理
●中央控制单元的工作原理：如图3所示，CP的核心由CPU、COMMUNICATION PROCESSOR（通讯处理器）、WATCHDOG和I/O通信接口等组成。I/O通信接口含有V-bus（Vertical Bus垂直通讯电缆）、VBD、H-bus （Horizontal Bus水平通讯电缆）、HBD和I/O模件等组件。CPU用于读取过程输入数据、执行逻辑控制程序，并将执行结果经VBD和HBD模件送到输出模件；同时它还可以通过两个CP之间的通讯连接使它们工作同步；连续的测试外部系统和过程设备的安全诊断以保证安全控制。WD则用于监视CPU的工作和工作条件，使所有的工作在组态是设定的时间周期内完成；其工作条件包括CPU内存中的数据的完整性和电压范围，若CPU或工作条件中出现一个错误，它将避开CPU独立的撤销FSC系统关键的安全输出。每个CPU最多可连接四个通讯处理器、八个通讯连接。它允许FSC系统通过通讯连接与其它的计算机设备通讯。本FSC系统主要是通过FSC-SMM与DCS、PC机通讯。
图3 CP工作原理框图
●CP对I/O模件实施管理的基本原理：CP对I/O模件的管理是由I/O通信接口来完成的，CPU经VBD和HBD模件分别管理互为冗余的两套I/O模件。由于FSC的I/O卡件是单双号冗余，所以CP1管理单号I/O卡件、CP2管理双号I/O卡件，详见图4。同时，其输入/输出信号均为二选一，输入：高电平有效；输出：低电平有效。
图4 CP对I/O模件实施管理的原理框图
●对于I/O模件进行信息交换和控制的基本原理是:CPU接受由通讯处理器采集而来的输入信息，从而实施控制；同时又能能通过其COM1卡的A口交换信息，了解相互的工作状态。其基本原理是：系统集成时就定义机柜输入卡笼（3#）和输出卡笼（4#）1、2槽中的I/O卡件作为系统诊断和信息管理使用。并且在系统组态时分别在其SLOT1建COMI/O输入/输出两个系统通讯点。工作时，CP1管理的COMI/O输出点输出信息至CP2管理的COMI/O输入点——CP2接受信息；CP2管理的COMI/O输出点输出信息至CP1管理的COMI/O输入点——CP1接受信息，详见图5。
图5 CP对于I/O模件进行信息交换和控制的原理框图
3、FSC系统在丙烯腈装置的组态
FSC系统组态的内容大致可分为以下四个部分：
系统组态：含系统参数的设置，硬件型号、数量的确定，位置的分配和通讯连接口的选区及设置；
软件组态：主要是数据点的组态；
逻辑组态：逻辑图组态。
●SOE组态：SOE实时纪录表组态。
FSC系统使用的组态软件为FSC Navigator（Release531），它提供了一个基于WINDOWS的用户接口软件包，可执行系统的组态和维护。其主要功能有：FSC系统组态、应用软件的组态、生成应用软件文档、下装软件到FSC系统。另外该软件在组态完成系统投入运行后，通过COM模件和PC机的连接还具有对FSC系统的监控功能：显示FLD（Functional Logic Diagram）中应用程序的在线状态、显示各
本文通过分析FSC系统的基本结构、硬件组成、工作原理、通讯设置、通讯机理和方式、工作状态以及在丙烯腈装置联锁系统中的实际应用，为在生产中维护该系统提供了技术说明，使操作人员了解系统的基本特点，为他们在实际工作中提供有力帮助。
1、 概述
年产2.5万吨丙烯腈（AN）装置（后扩产为4万吨）系引进美国SOHIO公司丙烯氨氧化法专利技术，以丙烯（C3H6）、氨(NH3)和空气(AIR)为原料，采用国产MB-96微球型催化剂（后经过多次更新，现为MB-99），在流化床反应器中生成AN、乙腈、丙烯醛、氢氰酸及一些重组分；反映气体经过急冷、吸收、精馏等过程得到AN，其工艺较为完善合理。在丙烯、氨氧化法合成丙烯腈的生产中，流化床反应器（R101）是整个工艺的龙头设备。该流化床反应器的操作特点是高温、剧毒、物料易燃易爆，相关因素多，各项工艺参数指标控制相当严格，生产操作中稍有不慎，极易造成生产事故。生产中使用的MB-96催化剂的价格非常昂贵，生产过程中如果空气流量不足时，将造成反应缺氧，甚至使催化剂失去活性而报废，带来严重的经济损失。为此，设置了反应器空气流量FC1103L低值联锁，当空气流量FC1103低于一定值，联锁相应电磁阀紧急停车，保证催化剂的安全。如果由于不可预测的原因造成氨进料或者丙烯进料中止，使丙烯或氨与空气在反应器中燃烧，产生大量热量，有可能将反应器或者反应气体冷却器烧化，甚至使反应器爆炸，造成严重事故。为此，设置了FF1111H（氧烯比）高值联锁，当生产中丙烯中断时，可表现在氧烯比过高。当氧烯比达到危险值时，FF1111联锁相关电磁阀中断反应器进料，进行紧急停车；设置了FF1112L（氨烯比）低值联锁，生产过程中，如果氨中断，可表现为氨烯比过低，当该值达到危险值时，FF1112L联锁相关电磁阀，中断R101进料，紧急停车。原设计中采用普通继电器组成了联锁系统，由于该系统经过十几年的运行，系统老化严重，经常出现故障造成不必要的停车。
在整个丙烯腈装置中联锁比较集中的是为反应器提供压缩空气的空压机组（104＃）和为精制提供冷冻盐水的制冷机组（401＃）。这两大机组共设置的联锁多达57个，这些联锁原设计也是采用普通继电器，对此由于该联锁系统造成机组停车，但是由于联锁点多，结构复杂，根本找不到那一个联锁为第一联锁点，无法避免同样的停车事故。因此，2001年我们对其进行了改造。经过广泛的调查研究，我们选用了美国HONEYWELL公司于九十年代推出的具有国际权威机构认证的安全级别为TUVAK5级的联锁自保控制系统FSC。我们将整个丙烯腈装置所有的联锁系统（包括上面没有提到的液位联锁泵开停系统等一些小联锁）和机组报警系统整合到了一套FSC系统中，为了将两大机组中的一些工艺参数也包括在这次改造中，我们经过讨论将该FSC系统放在了机组控制室内，在FSC的上位机中设置了两台PC机，一台作为工程师站，一台作为操作员站，将工艺参数利用FIX软件组态成各种流程图画面在操作员站上显示，以便操作人员监视；同时，为了给丙烯腈主控室内的操作人员了解机组运行情况和反应器的联锁系统的运行情况，我们将一些重要参数由FSC反馈到主控室，在主控室的DCS上显示；而且将联锁报警点也引导主控室中进行报警，为主控室的操作提供及时的参考依据。经过两年来的运行表明，这次改造非常成功：2002年曾经发生一次联锁停车，我们从FSC系统的SOE上找到了第一联锁点，并采取了措施，到现在为止，没有再出现停车事故。下面先对FSC系统作一个介绍，然后对FSC系统在丙烯腈装置上的应用作说明，为了避免流水帐和不必要的技术泄密，对于细节已经略去。
２、ＦＳＣ系统介绍
２.1、FSC系统简介
FSC即FAIL SAFE CONTROL——故障安全控制，它是基于微处理器、模块化、可进行软件编程和组态的系统。我厂丙烯腈装置配置的FSC系统为微处理器和I/O模件双冗余的配置。该系统具有安全控制、串行通讯、系统诊断、故障报警、实时记录和历史记录查询等功能。其高度的自诊断功能确保FSC能在过程安全时间内发挥作用，保证生产装置的安全。其主要特点是：
●采用双重冗余技术：FSC系统的双重冗余不同于一般的DCS系统，它的两个CP是同时独立工作的，只相互监视运行状态不进行数据交换；
●可实时控制，扫描时间在毫秒级；
●在过程安全时间间隔内进行逻辑回路故障诊断和系统自诊断。当逻辑回路的输入出现故障时，系统可外送无源接点信号启动联锁；系统本身则根据故障的不同，或停止整个中央控制单元的工作，或送出故障信号提醒维护人员处理；
●FSC的DO模件也具有自诊断功能，每四个通道由一个三极管控制，当其中某一个通道故障时，则将这四个通道自动切除。对于冗余系统来说，大大提高了其安全性和可靠性；
●除中央控制单元的卡件外，可在线更换任何卡件；
●其通讯接口采用ＭＯＤＢＵＳ协议可使FSC系统作为与HPM平级的ＳＭ节点挂在ＤＣＳ系统的ＵＣＮ网上，从而实现ＦＳＣ与ＤＣＳ系统的实时通讯。另外，还可以在FSC系统之间或FSC和PC机之间进行通讯；
●高速的ＳＯＥ实时数据检测、存储和打印；
●在基于ＷＩＮＤＯＷＳ环境的应用软件（FSC Navigator）上可方便的系统、过程和逻辑组态，还可进行在线监控、系统诊断和组态修改；
●具有倒计时功能（最大值为３２７６７min，一般为４３２０min），在系统自诊断发现一个严重故障时计时开始，在设定的时间内若故障没有被修复或又出现另一严重故障，系统将自动停止工作，因此发现故障必须及时处理。
2.2、系统结构
FSC系统的硬件由FSC机柜和两台PC机（工程师站和操作员站） 组成，核心部分是FSC机柜(见图1)。PC机提供软、硬件组态和SOE事件的实时记录和历史记录查询等功能；FSC机柜则进行安全控制、串行通讯、系统诊断和故障报警等。它含有两个中央控制单元（Central Parts简称CP）和冗余的I/O模件，核心是中央控制单元。系统运行时两套CP同时工作，经VBD和HBD模件分别连接互为冗余的两套I/O模件，其结构如图2所示。
2.3、FSC系统工作原理
●中央控制单元的工作原理：如图3所示，CP的核心由CPU、COMMUNICATION PROCESSOR（通讯处理器）、WATCHDOG和I/O通信接口等组成。I/O通信接口含有V-bus（Vertical Bus垂直通讯电缆）、VBD、H-bus （Horizontal Bus水平通讯电缆）、HBD和I/O模件等组件。CPU用于读取过程输入数据、执行逻辑控制程序，并将执行结果经VBD和HBD模件送到输出模件；同时它还可以通过两个CP之间的通讯连接使它们工作同步；连续的测试外部系统和过程设备的安全诊断以保证安全控制。WD则用于监视CPU的工作和工作条件，使所有的工作在组态是设定的时间周期内完成；其工作条件包括CPU内存中的数据的完整性和电压范围，若CPU或工作条件中出现一个错误，它将避开CPU独立的撤销FSC系统关键的安全输出。每个CPU最多可连接四个通讯处理器、八个通讯连接。它允许FSC系统通过通讯连接与其它的计算机设备通讯。本FSC系统主要是通过FSC-SMM与DCS、PC机通讯。
图3 CP工作原理框图
●CP对I/O模件实施管理的基本原理：CP对I/O模件的管理是由I/O通信接口来完成的，CPU经VBD和HBD模件分别管理互为冗余的两套I/O模件。由于FSC的I/O卡件是单双号冗余，所以CP1管理单号I/O卡件、CP2管理双号I/O卡件，详见图4。同时，其输入/输出信号均为二选一，输入：高电平有效；输出：低电平有效。
图4 CP对I/O模件实施管理的原理框图
●对于I/O模件进行信息交换和控制的基本原理是:CPU接受由通讯处理器采集而来的输入信息，从而实施控制；同时又能能通过其COM1卡的A口交换信息，了解相互的工作状态。其基本原理是：系统集成时就定义机柜输入卡笼（3#）和输出卡笼（4#）1、2槽中的I/O卡件作为系统诊断和信息管理使用。并且在系统组态时分别在其SLOT1建COMI/O输入/输出两个系统通讯点。工作时，CP1管理的COMI/O输出点输出信息至CP2管理的COMI/O输入点——CP2接受信息；CP2管理的COMI/O输出点输出信息至CP1管理的COMI/O输入点——CP1接受信息，详见图5。
图5 CP对于I/O模件进行信息交换和控制的原理框图
3、FSC系统在丙烯腈装置的组态
FSC系统组态的内容大致可分为以下四个部分：
系统组态：含系统参数的设置，硬件型号、数量的确定，位置的分配和通讯连接口的选区及设置；
软件组态：主要是数据点的组态；
逻辑组态：逻辑图组态。
●SOE组态：SOE实时纪录表组态。
FSC系统使用的组态软件为FSC Navigator（Release531），它提供了一个基于WINDOWS的用户接口软件包，可执行系统的组态和维护。其主要功能有：FSC系统组态、应用软件的组态、生成应用软件文档、下装软件到FSC系统。另外该软件在组态完成系统投入运行后，通过COM模件和PC机的连接还具有对FSC系统的监控功能：显示FLD（Functional Logic Diagram）中应用程序的在线状态、显示各
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