付榮申

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

國(guó)外某大型合成氨尿素項(xiàng)目主裝置為0.67 Mt/a合成氨和1.07 Mt/a尿素，并配套有熱電站、生產(chǎn)水系統(tǒng)、氨罐、包裝儲(chǔ)運(yùn)等輔助裝置，屬于大型化工項(xiàng)目，聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)較為復(fù)雜。根據(jù)危險(xiǎn)與可操作性分析方法(HAZOP)和安全完整性等級(jí)(SIL)的定級(jí)報(bào)告，該項(xiàng)目中部分聯(lián)鎖回路被確定為SIL2及以上等級(jí)，因此這部分回路的安全聯(lián)鎖需要在緊急停車(chē)系統(tǒng)(ESD)中完成[1-2]。本文結(jié)合事件順序記錄(SER)在該大型合成氨尿素項(xiàng)目ESD中的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)SER的概念、變量篩選、變量分組以及時(shí)鐘同步等問(wèn)題進(jìn)行了研究，希望為類(lèi)似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供參考。

1 緊急停車(chē)系統(tǒng)

根據(jù)該項(xiàng)目的特點(diǎn)，結(jié)合ESD負(fù)荷計(jì)算[3-4]，在合成氨裝置、尿素裝置和熱電站分別設(shè)計(jì)了獨(dú)立的ESD，即該項(xiàng)目共采用3套獨(dú)立的ESD，3套系統(tǒng)間通過(guò)冗余的工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，既可以單獨(dú)運(yùn)行，又可以聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行；其中合成氨ESD完成合成氨主裝置和氨罐的ESD聯(lián)鎖，尿素ESD和熱電站ESD則各自完成其裝置內(nèi)的ESD聯(lián)鎖。ESD整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 國(guó)外某合成氨尿素項(xiàng)目ESD結(jié)構(gòu)示意

2 事件順序記錄

3套ESD分別配置有單獨(dú)的SER站，并配套專(zhuān)用的SER軟件，用于記錄故障停車(chē)發(fā)生的時(shí)間和類(lèi)型[5]。SER的目的是幫助分析事件的發(fā)生順序，特別是停車(chē)事故的分析。通常SER能以毫秒級(jí)的分辨率獲取事件信息，能非常精確地反映事件情況，為事故分析提供有力的證據(jù)。

SER是一種帶同步時(shí)間戳的開(kāi)關(guān)量事件，即SER模塊不僅需要采集開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)，還要同步記錄開(kāi)關(guān)量狀態(tài)變位發(fā)生的時(shí)刻；并把采集到的開(kāi)關(guān)量狀態(tài)和變位發(fā)生的時(shí)刻一并發(fā)送給主控制器處理后，再保存于ESD的SER站中。通常SER模塊僅能記錄某分鐘內(nèi)的毫秒值，待上報(bào)控制器后，由控制器將毫秒值與本地事件合成，得到準(zhǔn)確的事件。

2.1 SER分辨率

SER的輸入輸出變量全部為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，它以高分辨率分辨各個(gè)信號(hào)狀態(tài)變化的先后次序，幫助在事故情況下分辨故障的原因并找出首發(fā)故障[6]。開(kāi)關(guān)量事件分辨率是指以2個(gè)連續(xù)的變位信號(hào)接入同一個(gè)開(kāi)關(guān)量通道時(shí)，IO采集模塊對(duì)變位信號(hào)的最小濾波時(shí)間。

為了獲得毫秒級(jí)的分辨率，SER配有專(zhuān)用的硬件支持，以滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，不同標(biāo)準(zhǔn)下的SER分辨率見(jiàn)表1所列。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)下的SER分辨率[7]

2.2 變量的篩選

SER站的輸入輸出變量全部為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，但并不是所有的ESD變量都有作為SER變量的必要。在SER組態(tài)的先期，應(yīng)合理地篩選SER變量，使其數(shù)量精簡(jiǎn)，從而可減少系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷，提高SER的響應(yīng)速度。

該項(xiàng)目ESD的輸入輸出變量共計(jì)490多個(gè)，其中篩選了289個(gè)作為SER變量，包括聯(lián)鎖的觸發(fā)條件變量、聯(lián)鎖的輸出動(dòng)作變量、與其他系統(tǒng)往來(lái)的硬接線變量等，保證了SER查找事故的必要數(shù)據(jù)；而時(shí)間計(jì)時(shí)器、通道狀態(tài)、開(kāi)車(chē)條件、到DCS的指示報(bào)警變量、去輔助操作臺(tái)的報(bào)警燈等，均未加入SER變量中，方便了用戶(hù)的使用。

2.3 變量分組

設(shè)置SER變量分組主要是為了幫助快速查詢(xún)事件產(chǎn)生的原因、執(zhí)行動(dòng)作的先后順序等，但以上查詢(xún)不是同時(shí)用到。如查詢(xún)某個(gè)事件產(chǎn)生的原因，只需查詢(xún)相關(guān)輸入變量的先后順序；查詢(xún)某一串執(zhí)行動(dòng)作的選后順序，只需排列出相關(guān)輸出變量的先后順序。因此，如果事先不對(duì)SER變量進(jìn)行分組，SER記錄可能是輸入變量、輸出變量、中間變量的混合記錄，不利于事件的查找和分析。

此外，有時(shí)1套ESD將同時(shí)容納多套相對(duì)獨(dú)立的裝置或功能分區(qū)的邏輯，也需要對(duì)SER變量進(jìn)行分組。需要說(shuō)明的是，很多系統(tǒng)的SER變量在定義時(shí)就需要分組，因此在該項(xiàng)目組態(tài)初期，就對(duì)SER變量提前進(jìn)行了分組。

首先根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的不同功能區(qū)域進(jìn)行分組，如并行的幾個(gè)生產(chǎn)系列、相對(duì)獨(dú)立的幾臺(tái)機(jī)組的控制等。即使這些生產(chǎn)系列或機(jī)組控制分布在不同的ESD控制器中，由于這幾套ESD控制器可能共用1套SER服務(wù)器，因此SER變量的分組也是必要的。該項(xiàng)目中把SER變量按照裝置及聯(lián)鎖功能的不同進(jìn)行了分組，例如氨罐進(jìn)出口閥門(mén)的ESD聯(lián)鎖，分組為氨罐ESD組；一段爐進(jìn)出口風(fēng)機(jī)的ESD聯(lián)鎖，分組為一段爐組。

對(duì)于有嚴(yán)格時(shí)序控制的聯(lián)鎖，順序步序號(hào)也是分析事件過(guò)程的重要參數(shù)，應(yīng)單獨(dú)分組。例如合成氨裝置緊急停車(chē)聯(lián)鎖，其步序號(hào)也進(jìn)行了必要的分組，方便后期分析是哪一步觸發(fā)了聯(lián)鎖跳車(chē)。

2.4 時(shí)鐘同步

為保證同一裝置不同系統(tǒng)間歷史趨勢(shì)、SER數(shù)據(jù)時(shí)間的一致，需要在系統(tǒng)間做時(shí)鐘同步[8]。比如SER記錄中的變量觸發(fā)時(shí)間是從控制器中帶來(lái)的時(shí)間標(biāo)簽(time stamp)，它以控制器時(shí)鐘為基準(zhǔn)；而SER站的時(shí)鐘可能是當(dāng)前工程師站PC機(jī)的時(shí)鐘，兩者未必一致；同樣，它與操作員站的時(shí)鐘也不一定相同。因此，只有在時(shí)間基準(zhǔn)相同的前提下，才可以對(duì)模擬量的趨勢(shì)記錄和SER事件記錄進(jìn)行比較、判斷，時(shí)鐘同步方法有很多，比如GPS受時(shí)、NPT受時(shí)、DCS糾偏受時(shí)等，有時(shí)需要幾種受時(shí)方法同時(shí)配合使用，時(shí)鐘同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 時(shí)鐘同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

在該項(xiàng)目中，DCS配置了時(shí)鐘同步服務(wù)器和時(shí)鐘信號(hào)分配器，DCS控制節(jié)點(diǎn)、操作節(jié)點(diǎn)和二級(jí)時(shí)鐘服務(wù)器的時(shí)鐘將與一級(jí)服務(wù)器同步。ESD和其他第三方系統(tǒng)采用Modbus通信方式與DCS之間進(jìn)行時(shí)鐘同步，DCS每天通過(guò)Modbus向所有與DCS通信的第三方包發(fā)送1個(gè)同步脈沖信號(hào)完成時(shí)鐘同步，該項(xiàng)目時(shí)鐘同步系統(tǒng)可達(dá)到1 ms級(jí)控制站的時(shí)間同步精度。

2.5 SER的測(cè)試

在調(diào)試過(guò)程中，可以人為改變開(kāi)關(guān)量信號(hào)的邏輯值，然后在SER程序中查看記錄是否正確[9]，也可將同一個(gè)開(kāi)關(guān)量的變位信號(hào)同時(shí)接入相同主控器管轄下的不同SER模塊，計(jì)算各模塊之間記錄事件時(shí)刻的最大與最小時(shí)刻之差。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該項(xiàng)目在合成氨裝置、尿素裝置和熱電站裝置分別設(shè)計(jì)了ESD的SER站，采用高分辨率的SER卡件，精確地反映了事件發(fā)生的情況；對(duì)SER輸入變量進(jìn)行篩選和分組，提高了SER的響應(yīng)速度，也方便了用戶(hù)的使用；通過(guò)合理的時(shí)鐘同步方案，確保了SER數(shù)據(jù)時(shí)間的一致。上述SER方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施，有利于裝置緊急停車(chē)后對(duì)停車(chē)原因的分析和問(wèn)題的排查。ESD中的 SER作為重要的非正常停車(chē)事故的分析工具，越來(lái)越多地被應(yīng)用于現(xiàn)代化工項(xiàng)目中。