GE 90-70 GMR系统在燕山石化造粒机组国产化项目中的应用

一、概述        随着石油化工装置的日趋大型化，工艺过程的不断复杂化，生产过程中发生危险的可能性也呈增大趋势，加之人们对产品的质量、设备、人身、环境的保护等因素的要求使得独立于控制系统的安全联锁显得十分必要，这种专用的安全保护系统就是——ESD紧急停车系统（Emergency Shutdown Device）。ESD适用于高温、高压、易燃、易爆等场合，可以对生产装置可能发生的危险或不采取措施将继续恶化的状态进行及时响应和保护，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、生产装置和环境的安全。在讲究高效安全生产的石油化工行业，如今投入ESD系统已是众多企业的选择，并成为保证生产可靠性与安全性，提高经济效益的必要手段之一。        燕山石化造粒机组项目为发改委重大装备国产化的立项项目，得到了中石化股份燕山石化、大连橡塑股份和中控技术股份有限公司等各相关单位的高度重视。作为一个典型的化工装置，整个造粒机组系统工艺流程复杂，中间环节众多，任何一个环节出错均会导致其他环节不能正常工作，甚至前功尽弃，因此要实现整个装置的安全稳定连续生产，这就要求必须配置先进的、高可靠的设备，配置能充分满足石油化工装置及机组的紧急停车和安全联锁的ESD系统。基于此考虑，其选用了GE公司的90-70 GMR表决系统。GMR（Genius Modular Redundancy）控制系统是基于GE Fanuc公司的90-70 PLC以及先进的智能化输入/输出模块（Genius I/O）构成的三重化表决控制系统。 二、GMR系统结构 1、系统配置的选用         考虑到该项目的重大的社会和经济效应，为了确保系统可靠性。我们在做系统配置时采用了如下的冗余原则： a. 系统应具有完备的冗余和容错技术，包括设备冗余和工作性能冗余。 b. 各级网络通讯设备、部件和总线冗余。 c. 控制站处理器等功能卡冗余。 d. 所有电源设备和部件冗余。 e. 相关的I/O卡冗余。 除了遵循以上原则，系统还可以满足如下的要求： a.系统的可用率应不低于99.99%。 b.系统的设计应是故障安全型的，系统内发生故障时，应能按照故障安全的方式停机。 c.系统必须具有完善的硬件、软件故障诊断及自诊断功能，自动记录故障报警并能提示维护人员进行维护。 d.冗余设备具备在线自诊断，排错报警，无差错切换功能。 e.系统的各种插卡应支持热插拔。         基于以上冗余原则及可用性的考虑，选用GMR系统中的双重化配置，系统包含两个独立的90-70PLC以及运行在每个单独系统中的诊断程序，每个PLC上各配置了2个总线控制器。通过2选2带诊断的表决，系统为用户提供了高可靠性和无误差操作。还包含了输入子系统及输出子系统。输入输出子系统由智能的、可组态的Genius I/O模块组成，每个模块都有微处理器并提供通讯诊断功能，同时对输出和输入通道有电子保护功能，而且模拟量、开关量等所有模块都可以用在同一总线中。传感器信号被引入到隔离的Genius输入模块，设置在独立机架中，各自独立的CPU从每条Genius总线上接受这些输入信号并对这些信号进行表决，然后，两个CPU中的每一个CPU通过冗余的Genius I/O总线将逻辑状态结果送至输出子系统，Genius输出模块对冗余的输出数据进行表决，然后送至负载。 2、系统功能简介和详细配置        在本项目中系统主要实现如下功能：在紧急情况下可以通过中央控制室、现场操作箱和热油单元的急停按钮停止主电机、齿轮泵电机、水下切粒电机、盘车电机、颗粒输送水电机、主减速器润滑电机、换网/开车阀液压站电机、主电机轴承润滑泵、齿轮泵减速器润滑电机、振动筛电机、离心干燥机、除湿电机、热油单元冷却电机、BCW电机、水下切粒液压站电机、热油单元加热电机、热油单元系统电机等。 系统具体配置如下表所示。         根据信号传输、隔离、转换、分离的需要, 而且，现场仪表信号电缆需先经过过渡端子柜后再接到SIS系统的I/O卡上，个别信号还要经过一入二出的信号分配器分出一路接到DCS上，因此对于上述系统，还需设置一定的辅助柜SIS01-SIS02(2个辅助柜)，其中，SIS01柜为90-70PLC机架柜，配置2个9槽机架和开关电源。SIS02为Genius AI、DI、DO模块配置柜。 三、I/O的具体配置方式 1、 输入子系统的配置        由于输入子系统可以灵活配置，工艺信号的引入可以是单信号或双信号。信号可以引入单个输入模块也可以到两个个模块，供PLC CPU主机进行表决，表决结果送给输出模块组再表决后输出。在造粒机组项目的设计中，每个PLC都含有2条总线，如下图1所示；AI采用了单输入方式，一个现场输入信号通过端子排接到一个独立的输入模块IC660BBA026，该模块仅连接在1条Genius总线ELDEN9182上；DI则采用了冗余输入方式一个现场输入信号通过端子排分配到两个独立的输入模块IC660BBD024，这两个模块连接在任意两条不同的Genius总线ELDEN9182上，如下图2所示。

2、输出子系统的配置        GE GMR输出子系统包括四模块“H”型、二模块“I”型和二模块“T”型的模块组配置，可根据项目成本、项目规模等综合考虑选用输出子系统的配置。输出模块组对从CPU来的输出进行表决，将表决结果输出到负载。由于造粒机组项目，在充分满足石油化工装置及机组的紧急停车和安全联锁的需要的前提下，同时综合考虑成本因素，本项目设计中，采用了“T”型输出配置。配置如下图所示。

       每一个现场输出是由两个源型（Source）模块IC660BBD024并联接在负载的一端，另外把24V开关电源的负极直接接在负载的另一端，所有模块都从两个个独立的CPU得到输出，该配置中同样使用两条Genius 总线BELDEN9182，每个模块都连接到单独的 Genius 总线上，这种结构即是失败安全（Fail Safe）的又是容错(Fault Tolerant)的。        在此次设计中，基于实践尝试，由于电路工作环境的不确定性,现场环境的复杂性，在本配置中，在回路中添加了由两个肖特基二极管及一个电容组成的电子电路的保护模块，，以保证输出系统的可靠性。 3、Genius 总线BELDEN9182        整个系统的配置中，所有的I/O模块都接在Genius总线BELDEN9182上，但是每个模块只能接在一条总线上，且同一条总线上不同的模块必须设定不同的地址，否则系统会检测到冲突，每条总线两头需加装终端电阻，其具体接线如下图所示。   

四、结束语        GMR系统可以描述为多模块高度整合且灵活强大的子系统，子系统的数量和参数因系统不同，GMR系统通过灵活运用业界认可的90－70PLC，GENIUS输入、输出模块，VERSAMAX模块及FIELD CONTROL模块，可以组合成单、双、三CPU冗余系统，可以在苛刻环境下选择三重化系统，或者在通常情况下选择单重化或双重化。这种强大的功能和灵活的配置组合广泛应用于在各个工业领域，特别是在紧急刹车上具有独特的优势。在东莞九丰能源有限公司LPG罐区系统、重庆紫光天化蛋氨酸项目、达州大竹玖源化工有限公司40万吨/年合成氨、45万吨/年尿素装置等多个项目的ESD系统中都有较好的应用。