HONEYWELL故障安全控制系统在I套催化的应用

前言 故障安全控制系统 随着安全标准的推出以及企业对安全系统重视度的不断升级，2003年3月，中石化股份公司九江分公司对I套催化原设计在DCS中的联锁系统进行了改造，根据装置高温高压高转速的特点和安全水平必须达到IEC（国际电工组织）提出的SIL3级标准，选取了美国Honeywell公司的FAIL SAFE CONTROL（FSC）系统，由它执行安全联锁系统的控制部分代替原来在DCS中执行的联锁内容，按照规范将安全联锁系统独立出来，以确保人身和设备的安全。该系统硬件基于双重化结构，软硬件均通过IEC的IEC61508认证。 1故障安全控制系统配置 1.1硬件组成 I套催化故障安全控制系统硬件主要由PC机和FSC机柜组成，核心部分是FSC。系统配置如图1所示。 图1 系统配置图 PC机：选用1台DELL工作站作为该装置的工程师站、SOE（Sequence of Event）站兼操作站，采用多串行口卡与FSC机柜中的COM卡件进行通讯，工作站作为工程师站可以进行数据库修改、组态、功能逻辑图修改、设置参数及系统维护和操作功能；作为SOE站可以查询实时操作记录和历史记录、做检索和报表；作为操作站可以通过高速的SOE和动态流程画面进行实时现场监测、存储、打印。 辅操台：在操作室操作站的旁边是系统的辅操台，上面安装着一些硬手操开关及指示灯，开关主要有3类，即： ·停机开关 ·允许启动开关 ·置位开关 　　停机开关都是两位式开关，允许开关和置位开关是回复式开关，即将开关打到“置位”或“允许启动”的位置后松开，它会自动弹回来。要启动机组等设备，停机开关必须置于“正常”位置；设备开起来之后，若因工艺条件造成联锁停车，当工艺状况恢复开机条件后，必须置位才能将设备开起来。 　　辅操台上所有开关的使用，由主风机生产工艺人员根据生产情况使用。 　　FSC机柜：采用的是中央控制元件（Central Part）全冗余，I/O模件部分冗余的系统结构组成该安全联锁系统。CP是FSC系统的核心部分,每个Central Part（简称CP）中都有一个VBD，和一条垂直总线V-Bus，用于控制所有I/O模件，一个VBD可以控制10个I/O rack，即I/O卡笼，各I/O rack由HBD控制H-BUS通讯。控制器和重要I/O双冗余的结构，可以保证当一个CP或I/O卡故障时，另一个CP或I/O继续工作，从而保证系统的连续操作。FSC系统结构如图2所示。图2 FSC101R系统结构图 硬件配置：采用FSC101Ｒ系统，系统主要硬件配置及功能见表1。 根据输入／输出点的分配情况和冗余配置原则，所有联锁保护系统中的所有状态输入点(DI)通过FTA-T-21端子板进入冗余的DI模件；4～20mA模拟信号（AI）经过齐纳式安全栅后进入FTA-T-14端子板，再进入冗余的AI卡；双冗余的DO模件通过FTA-T-02端子板后输出到现场各阀门，或输出到中间继电器到现场电磁阀、泵及电气；单冗余的DO模件通过FTA-T-03端子板后输出到辅助操作台报警指示灯，整套系统的I/O点数如表2所示： 1.2通讯设置 I套催化故障安全系统PC机与FSC机柜采用串行口通信方式，上位机通讯硬件为多串口卡（2－PORT RS232/422/485 PCI HOST ADAPTER），串口端采用RS485接口、带屏蔽双绞通信线以提高干扰、带负载能力及增加通信距离，下位机两个CP中央控制单元共4块相互冗余的COM模件，每一块COM模件提供2个接口，负责完成两个冗余CP之间、FSC与PC机之间、FSC与本特利3500之间的通讯。 FSC系统通讯设置如表3所示： 两个CP之间的通讯在系统集成时固定为两个CP中的COM1模件的A口，用户不得修改； 系统中的一台PC机，既担任工程师站、SOE站又担任操作员站，工程师站和SOE站由Honeywell公司提供的FSC Navigator 和FSC SOE软件完成组态、维护、实时历史记录，两软件与FSC通讯连接：PC机COM4口与FSC的两个CP的COM1（2块COM模件中的第1块）模件的B口相连，组态定义其采用Development SYS协议RS485接口完成通讯连接； 操作员站由INTELLUTION公司提供的Intellution IFIX2.6软件组态完成动态联锁画面、报警画面，IFIX与FSC的通讯连接：PC机的COM3口和FSC两个CP中的COM2模件的A口相连，组态定义采用Modbus 协议RS485接口完成通讯连接。 FSC与本特利3500之间的通讯预留由FSC机柜中两个CP中COM2模件的B口与本特利通讯网关模块相连完成，组态定义采用本特利内华达开发的协议RS232接口完成通讯连接。 1.3 软件实现 系统组态软件由上位机组态监控软件Intellution IFIX2.6和下位机FSC编程软件包组成，均运行在Windows2000环境下，使用方便灵活。 Intellution IFIX2.6工程组态软件是由美国INTELLUTION公司开发的基于WINDOWS环境下、数据采集和控制的大型应用软件，它集控制技术、人机界面技术、图形技术、数据库技术、网络技术于一身，包含动态显示、报警、趋势、控制策略、控制网络通信等组件，提供一个友好的用户界面。在IFIX中从过程硬件获取数据的节点成为一个SCADA服务器，采用分布式结构传输数据。组态时将所有FLD图中的通讯点输入到IFIX数据库中，通过MODBUS协议从FSC机柜采集各信号点的实时状态，从而完成主机自保、装置自保、备机小机、气压机和报警显示等5幅动态联锁画面的显示，方便工艺人员了解当前联锁情况。 FSC软件包由FSC Navigator 和FSC SOE组成。 FSC Navigator主要进行系统组态、逻辑图设计和系统维护工作：组态FSC参数及其属性定义、应用FLDs建立逻辑控制程序、将应用程序编译成FSC处理器可识别的代码，并检测在组态和设计中产生的错误；诊断系统，监视系统状态；强制FSC参数以切断控制回路，以便进行程序测试或现场设备的维护。 FSC SOE完成系统的事件顺序记录功能，I/O卡件通过HBUS和VBUS给中央控制单元提供事件顺序能力，在每次扫描期间，控制单元检查所有指定变量的状态改变。当一个事件发生时，控制器将变量的当前状态和时间协签存储在缓冲区内，以便组态提取事件顺序。SOE的识别时间间隔为≤1ms，SOE的事件记录存储高达20万条，可实时存贮在硬盘中，并可通过打印机打印出来。 2逻辑控制功能 2．1 逻辑功能 故障安全控制系统的应用程序通过功能逻辑图来实现，功能逻辑图简称FLD，系统提供大量的逻辑、算术、计时、计数、PID等运算模块，用户可根据设计需要，选择相应的I/O符号，直接使用与、或、非的逻辑图的方式实现用户的逻辑功能，此外，用户还可以用系统自带的Function Block模块定义需要的功能块，以子程序的形式在其他程序中调用，实现较为复杂的逻辑控制。I催FSC系统中定义了RS触发器、温压补偿、延时计数器、二取二、三取二等逻辑功能块，多次在其他的子逻辑中得到调用。 以RS触发器和三取二子程序为例的逻辑功能块FB900、FB930结构如图3及图4所示： 图3 RS触发器功能块FB900 RS触发器子程序的功能是：对于A和B这2个条件输入点，产生的结果输出值C用矩阵表说明如表5所示: 表5 FCCU RS触发器矩阵表 图4 三取二功能块FB930 三取二子程序的功能是：当3个报警输入点中，只有一个发生报警时，系统发出三取一报警；若有2个以上发生报警，而又没有置旁通，则系统联锁，如果置旁通了，则系统发出三取二报警。 2．2 自保逻辑的实现 I催组态逻辑图共38张，主要完成主风机的开停车联锁及机组部份的联锁与控制，各子逻辑包括：蜡油自保、两器差压自保、总进料阀自保、外取热器自保、小风机自保、备机自保、主风低流量自保、逆流自保、主机停机自保、主机启动自保、FSC系统报警、气压机启动、气压机自保等13部分。逻辑输入为开关量和模拟量，重要的信号还经过“三取二”或“二取二”表决。“安全运行”和“停车”逻辑设计为故障安全型，即系统正常带电、事故失电。各机组自保之间、机组自保与装置自保之间互有联系，构成既独立又关联的自保逻辑系统。 　 以气压机自保为例的FSC系统功能逻辑图如图5所示： 图5 气压机自保功能逻辑图 图5中，左边为逻辑输入，中间为逻辑部分，右边逻辑输出。PDT4002润滑油压力低低（≤0.15MPa）；XT4003汽轮机位移高高（≥0.8mm）；ST4002/ST4003汽轮机转速高高（≥9044rpm）；PS4001A/B/C润滑油总管压力低低（≤0.1MPa）；XT4001A/B压缩机位移高高（≥0.7mm）；HY4001紧急停机；HY4002紧急停机复位；HY4003现场紧急停机；LAMP4002允许启动至现场指示灯；SV451防喘振电磁阀；SV4001/SV4002气轮机调节系统电磁阀；FB930是三取二功能块；FB900是RS触发器功能块。组态中必须保证所有信号线都与各逻辑块紧密连接。I/O符号为红色，表示该I/O信号为有硬接线的信号，符号为黑色，则表示该点为通讯点，即