控制系統(tǒng)與聯(lián)鎖系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)

1、控制系統(tǒng)與聯(lián)鎖系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)引言在國家工業(yè)建設(shè)快速發(fā)展，能源供應(yīng)日趨嚴(yán)峻、環(huán)保問題逐被關(guān)注的形勢下，流程工業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能、降耗、減排，以及安全等問題，越來越被人們更加重視起來。對(duì)于化工自控設(shè)計(jì)專業(yè)來說，這些問題都涉及到如何提高工廠自動(dòng)化水平、如何搞好生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)問題。室領(lǐng)導(dǎo)安排給室年青人員講講這方面的有關(guān)問題，特別是結(jié)合合成氨裝置的復(fù)雜控制系統(tǒng)(包括先進(jìn)控制系統(tǒng))、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題作些介紹。根據(jù)室里 安排意見，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，我先介紹流程工業(yè)中自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與先進(jìn)控制系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀，然后介紹國外大型合成氨裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)應(yīng)用情況。在安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，介紹下

2、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則、基本設(shè)計(jì)要求、SIS配置要求，以及合成氨裝置聯(lián)鎖系統(tǒng)邏輯框圖設(shè)計(jì)的有關(guān)問題。對(duì)于上述介紹中涉及到的一些新技術(shù)，如先進(jìn)控制系統(tǒng)、管控一體化系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)等，由于缺少實(shí)用經(jīng)驗(yàn)，一知半解，認(rèn)識(shí)膚淺，只能給大家起個(gè)拋磚引玉作用，期望大家今后結(jié)合工程多加探討，抓住機(jī)會(huì)積極實(shí)踐，為我公司自控設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展而努力。第一部分 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)化工裝置中的自動(dòng)控制系統(tǒng)有的起到生產(chǎn)過程物料平衡，有的起到生產(chǎn)安全保護(hù)，有的直接關(guān)系生產(chǎn)裝置的節(jié)能、降耗、保質(zhì)、增產(chǎn)問題。工程設(shè)計(jì)中，研討、制訂自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及控制策略，使自控系統(tǒng)能發(fā)揮精確、有效、可靠、穩(wěn)定控制作用，是自控工程設(shè)計(jì)一項(xiàng)重要

3、任務(wù)?；ぱb置自控工程設(shè)計(jì)，按照化工行業(yè)自控設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)計(jì)分工，先由工藝專業(yè)向自控專業(yè)提交工藝流程圖(PFD)、主要控制系統(tǒng)說明、物料平衡表等設(shè)計(jì)條件，再由自控專業(yè)制訂控制方案、確定控制系統(tǒng)有關(guān)配置，完成工藝控制圖(PCD)。然后在系統(tǒng)專業(yè)發(fā)表的初步P&ID的基礎(chǔ)上完成自控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。并據(jù)此完成儀表回路圖、復(fù)雜控制系統(tǒng)原理圖、DCS監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表等設(shè)計(jì)文件。目前，由于絕大多數(shù)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的工藝流程是套用現(xiàn)有流程，也就不再繪制PCD，即使流程與控制系統(tǒng)有變化，也只在P&ID上面作修改即可。在這種情況下，雖然節(jié)省很多人工時(shí)，但對(duì)老流程的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否需要改進(jìn)，對(duì)新流程控制系統(tǒng)的控

4、制方案與控制策略是否體現(xiàn)新形勢要求等問題則缺少研究。然而隨著工業(yè)建設(shè)形勢的發(fā)展，前述的一些研究工作是不可忽視的。1 當(dāng)前國內(nèi)流程工業(yè)中自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)狀況流程工業(yè)中的典型行業(yè)是化工、石化、石油等行業(yè)，目前，這些行業(yè)設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)基本上都屬于以反饋控制為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制論范疇，采用PID控制規(guī)律。隨著現(xiàn)代控制論問世，先進(jìn)控制系統(tǒng)中的多變量預(yù)測控制策略在流程工業(yè)中得到應(yīng)用。相對(duì)于經(jīng)典控制論而言，現(xiàn)代控制論的特點(diǎn)是用狀態(tài)方程式的一階微分方程來描述控制對(duì)象，運(yùn)用力學(xué)等數(shù)學(xué)成果建立多輸入輸出的系統(tǒng)，解決反饋控制的穩(wěn)定性、時(shí)間響應(yīng)特性以及頻率響應(yīng)特性等問題。經(jīng)典控制與現(xiàn)代控制比較經(jīng)典控制 現(xiàn)代控制 傳遞

5、函數(shù) 狀態(tài)方程式、解析時(shí)間域只針對(duì)系統(tǒng)的輸入輸出解析 除輸入輸出外，還考慮內(nèi)部狀態(tài)解析單輸入、單輸出 多輸入、多輸出時(shí)間不變線性系統(tǒng) 時(shí)變系統(tǒng)，非線性系統(tǒng)簡單單一的控制對(duì)象 更復(fù)雜多樣的控制對(duì)象1.1 先進(jìn)控制含義在動(dòng)態(tài)環(huán)境中，基于模型借助計(jì)算機(jī)的充分計(jì)算能力，為工廠獲得最大利潤而實(shí)施的運(yùn)行和技術(shù)策略。這種策略實(shí)施后，系統(tǒng)運(yùn)行在最佳工況，實(shí)現(xiàn)所謂“卡邊生產(chǎn)”。先進(jìn)控制能夠適應(yīng)復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性、時(shí)間滯后、多變量、不可測變量、變量受約束等情況，在操作條件變化時(shí)仍然有良好的控制效果。1.2 先進(jìn)控制策略的類型·多變量預(yù)測控制·自適應(yīng)控制·推理控制·專家控制

6、3;模糊推理控制·神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等多變量預(yù)測控制是比較適合流程工業(yè)應(yīng)用的一種控制策略，也是流程工業(yè)中應(yīng)用锝最多的一種控制策略。1.3 多變量預(yù)測控制 預(yù)測控制是一種基于模型的計(jì)算機(jī)算法。它利用預(yù)測模型來預(yù)估過程未來的輸出狀態(tài)與設(shè)定值之間的偏差，采用滾動(dòng)式的最優(yōu)化策略計(jì)算當(dāng)前的控制輸入。 預(yù)測控制是先進(jìn)過程控制技術(shù)中最有代表性的一種策略，因?yàn)樗鼘?duì)數(shù)學(xué)模型要求不高，能直接處理具有純滯后的對(duì)象，有良好的跟蹤性能等優(yōu)點(diǎn)。(1) 多變量預(yù)測控制的基本原理 基本原理是模型預(yù)測、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正，它需要過程的動(dòng)態(tài)模型。 模型預(yù)測基于預(yù)測模型，預(yù)測模型可以是狀態(tài)方程、傳遞函數(shù)、線性穩(wěn)定對(duì)象的階躍響應(yīng)與

7、脈沖響應(yīng)非參數(shù)模型等。 預(yù)測控制的最主要特征是在線優(yōu)化，在線優(yōu)化是即在過程的每一時(shí)刻計(jì)算出相對(duì)于該時(shí)刻的優(yōu)化性能指標(biāo)來實(shí)施控制，滾動(dòng)優(yōu)化即優(yōu)化功能是反復(fù)進(jìn)行的。 反饋校正用來彌補(bǔ)預(yù)測模型控制的不足。由于預(yù)測模型只是對(duì)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的粗略描述，實(shí)際系統(tǒng)中存在非線性、事變、模型失配、干擾等，這些因素造成的影響只有采用反饋校正來克服。(2) 多變量預(yù)測控制的基本算法 預(yù)測控制的基本算法包括5個(gè)方面： 預(yù)測模型：描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的基礎(chǔ)模型 參考軌線：避免過程急劇變化，要求輸出按期望的平緩曲線達(dá)到設(shè)定值 在線校正方式：克服預(yù)估值不可能與實(shí)際值相符的問題 控制輸入的優(yōu)化方式：時(shí)域優(yōu)化在線“滾動(dòng)”實(shí)現(xiàn)方式：輸

8、入一組優(yōu)化值1.4 先進(jìn)控制在石化、石油行業(yè)應(yīng)用情況近十來年國內(nèi)石化、石油行業(yè)在新建工程項(xiàng)目以及技術(shù)改造項(xiàng)目上應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)的實(shí)例很多，其應(yīng)用業(yè)績?cè)趪鴥?nèi)處于領(lǐng)先水平。到2008年底的不完全統(tǒng)計(jì)，中石化已在20多家煉化企業(yè)的100多套重點(diǎn)生產(chǎn)裝置上實(shí)施先進(jìn)控制技術(shù)，中石油在38套生產(chǎn)裝置上實(shí)施先進(jìn)控制技術(shù)。實(shí)施先進(jìn)控制技術(shù)的煉油裝置有常減壓、重油催化裂化、蠟油催化裂化、連續(xù)重整、芳烴抽提、延遲焦化、加氫裂化、氣體分餾 環(huán)丁砜抽提 油品調(diào)和等，實(shí)施先進(jìn)控制技術(shù)的石化裝置有乙烯裂解、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈、輕烴分離、丁二烯、苯乙烯、二甲苯分離、對(duì)二甲苯、氯乙烯，以及甲醇、丁辛醇、合成氨、聚甲醛、有

9、機(jī)硅、純堿等化工裝置。2 先進(jìn)控制在合成氨裝置上的應(yīng)用美國原凱洛格公司于上世紀(jì)80年代在合成氨裝置上開發(fā)的先進(jìn)控制技術(shù)，在美國及世界上其它地方的一些合成氨裝置上得到應(yīng)用，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。前幾年通過技術(shù)交流，我公司得到一些簡單資料，現(xiàn)將凱洛格合成氨裝置的先進(jìn)控制系統(tǒng)(簡稱APC)介紹如下：2.1 APC控制策略凱洛格合成氨裝置的APC是多變量預(yù)測控制。APC的作用是，減小關(guān)鍵過程參數(shù)的變化，減少外界擾動(dòng)對(duì)過程操作的影響，執(zhí)行較好的操作與管理，提高經(jīng)濟(jì)效益。APC控制策略是H2O/C 控制；H/N 控制；殘余甲烷；合成塔溫度控制；馳放氣控制；原料氣潛氫控制。2.2 APC的效能改進(jìn)生產(chǎn)操作

10、與管理：減少外部條件造成的偏差；減少裝置內(nèi)部相互干擾；減少氣體成分變化造成的偏差；改進(jìn)原料氣利用效率；實(shí)現(xiàn)工廠信息管理。2.3 經(jīng)濟(jì)效益：產(chǎn)量增加12%；能量有效率提高12%。采用APC的投資在半年內(nèi)可收回。2.4 APC的構(gòu)成硬件：DCS(采用有先進(jìn)控制功能的DCS，不需要上位機(jī))；質(zhì)譜儀(9流路以上)。軟件：多變量預(yù)測控制軟件；實(shí)時(shí)計(jì)算軟件；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫軟件；流程圖操作員接口軟件；質(zhì)譜儀和DSC接口軟件。3 實(shí)施先進(jìn)控制系統(tǒng)的幾種方案在新建工程項(xiàng)目中采用先進(jìn)控制系統(tǒng)要滿足的基本條件是，一是工藝操作需要，二是采用的控制方案要有數(shù)學(xué)模型或控制算式，三是要得到業(yè)主的自支持。采用先進(jìn)控制系統(tǒng)要經(jīng)過設(shè)

11、計(jì)方案制訂、先進(jìn)控制軟件組態(tài)、對(duì)象特性測試、系統(tǒng)調(diào)試等環(huán)節(jié)，需要設(shè)計(jì)、DCS廠商、先進(jìn)控制技術(shù)專利方、業(yè)主等單位共同完成?；谏鲜?，采用先進(jìn)控制系統(tǒng)可考慮以下幾種方案：(1) 對(duì)于引進(jìn)技術(shù)的工程項(xiàng)目可成套購買先進(jìn)控制系統(tǒng)軟件國外大型工程公司(包括工藝專利商、過程控制軟件公司)一般都對(duì)合成氨、尿素、甲醇、以及石化裝置等開發(fā)出來先進(jìn)控制系統(tǒng)軟件?？衫靡M(jìn)專利技術(shù)的機(jī)會(huì)，將先進(jìn)控制系統(tǒng)軟件成套購買進(jìn)來。對(duì)于引進(jìn)技術(shù)的工程項(xiàng)目，設(shè)計(jì)人員要作好準(zhǔn)備工作，在了解了該項(xiàng)目具有先進(jìn)控制技術(shù)后，要對(duì)業(yè)主進(jìn)行宣傳介紹，爭取得到業(yè)主的同意。(2) 與國內(nèi)科研部門合作共同開發(fā)先進(jìn)控制系統(tǒng)軟件 國內(nèi)過程控制科研部門(

12、包括大專院校)對(duì)許多典型的化工、石化工藝裝置也都開發(fā)有先進(jìn)控制技術(shù)，如上述的合成氨、尿素、甲醇、以及石化裝置等。在設(shè)計(jì)部門與業(yè)主確定要采用先進(jìn)控制技術(shù)后，可與有關(guān)科研部門合作實(shí)施。(3) 分步實(shí)施典型、獨(dú)立、具有通用控制模型或控制算式的控制系統(tǒng)過程控制中的一些經(jīng)典復(fù)雜控制控制系統(tǒng)，如前饋控制系統(tǒng)、純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、含計(jì)算單元的控制系統(tǒng)(如質(zhì)量流量控制系統(tǒng)、精餾塔內(nèi)回流控制系統(tǒng)、精餾塔進(jìn)料熱焓控制系統(tǒng))等，這些控制系統(tǒng)都有通用的數(shù)學(xué)模型或控制算式，采用時(shí)不需要重新建摸或推導(dǎo)計(jì)算公式。數(shù)學(xué)模型中的對(duì)象靜態(tài)放大系數(shù)k、對(duì)象時(shí)間常數(shù)t、對(duì)象純滯后時(shí)間，可在試車中采用飛升曲線法(階升響應(yīng)

13、曲線法)測得。DCS采用上述控制系統(tǒng)后，在應(yīng)用軟件組態(tài)時(shí)先用功能模塊把系統(tǒng)建立起來，在試車中測得k、t、，然后逐步完善、調(diào)整系統(tǒng)，直至正常投運(yùn)。(參見附件)對(duì)于新建工程項(xiàng)目，無論采用那種實(shí)施方案，都要在項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期階段由設(shè)計(jì)部門與業(yè)主研究確定，并在設(shè)計(jì)前期階段的設(shè)計(jì)文件(如可研報(bào)告、初步設(shè)計(jì)設(shè)計(jì))中反映出來。4 提高DCS應(yīng)用水平所謂提高DCS應(yīng)用水平，可以理解為，根據(jù)工藝過程控制、操作需要，以及企業(yè)信息管理要求，充分發(fā)揮DCS的功能，充分利用DCS的開放性、可擴(kuò)展性、可集成性，除實(shí)施上述先進(jìn)過程策略外，還可在DCS監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)層掛接管理系統(tǒng)，采用多功能控制系統(tǒng)，構(gòu)建企業(yè)信息管理系統(tǒng)或企業(yè)管控自動(dòng)

14、化系統(tǒng)等。4.1 掛接設(shè)備管理、生產(chǎn)管理系統(tǒng)生產(chǎn)裝置大型化以后，生產(chǎn)設(shè)備的維護(hù)和管理、生產(chǎn)狀態(tài)與調(diào)度管理就顯得特別重要，在DCS網(wǎng)絡(luò)上掛接智能設(shè)備管理系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)是必要的，也是可行的。(1) 智能設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)備管理系統(tǒng)（AMS）的功能包括智能儀表設(shè)備組態(tài)、狀態(tài)監(jiān)測及診斷、校驗(yàn)管理和自動(dòng)文檔記錄管理等。該系統(tǒng)自動(dòng)讀取所有HART智能設(shè)備中的有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信號(hào)從DCS的I/O接口上采集。自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，即使用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫，對(duì)智能設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化組態(tài)。其診斷功能是對(duì)設(shè)定的重要數(shù)據(jù)可發(fā)出異常狀態(tài)報(bào)警信號(hào)，其預(yù)測維護(hù)管理功能是根據(jù)儀表運(yùn)行時(shí)間和診斷信息，預(yù)測維護(hù)的時(shí)間、內(nèi)容和計(jì)劃。 智能

15、設(shè)備管理系統(tǒng)在國內(nèi)很多DCS廠商和計(jì)算機(jī)軟件公司都有成套技術(shù)出售。(2) 生產(chǎn)管理系統(tǒng)工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)也稱為制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System-MES）是工廠計(jì)劃層和工廠操作控制層之間的執(zhí)行層，主要功能是負(fù)責(zé)生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行。MES是將物料、設(shè)備、人員、流程指令和設(shè)施在內(nèi)的所有工廠資源集成能實(shí)施諸如質(zhì)量控制、文檔管理、生產(chǎn)調(diào)度等功能的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。MES是各種生產(chǎn)管理功能模塊的集合，其主要功能模塊有：工序詳細(xì)調(diào)度、資源分配和狀態(tài)管理、生產(chǎn)單元分配、過程管理、人力資源管理、維護(hù)管理、質(zhì)量管理、文擋控制、產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理、性能分析和數(shù)據(jù)采集。目前國內(nèi)

16、還還沒有成熟的MES軟件產(chǎn)品，當(dāng)要采用MES時(shí)，需要業(yè)主與計(jì)算機(jī)軟件公司共同開發(fā)。4.2 采用多功能過程控制系統(tǒng)(PCS)過程控制系統(tǒng)(Process Control System-PCS)是將DCS、SIS、GDS三系統(tǒng)的現(xiàn)場儀表及I/O卡件按需要各自獨(dú)立設(shè)置，將DCS的控制器、SIS的邏輯運(yùn)算器、GDS的報(bào)警設(shè)備在滿足各自配置規(guī)范的條件下集成和無縫連接在一起控制系統(tǒng)的。PCS可執(zhí)行過程監(jiān)控、生產(chǎn)安全聯(lián)鎖、氣體檢測報(bào)警功能，實(shí)施生產(chǎn)與安全一體化控制。PCS實(shí)現(xiàn)集成和無縫連接技術(shù)，避免DCS、SIS、GDS三系統(tǒng)之間通信連接、硬接線連接所造成的故障，提高了系統(tǒng)安全運(yùn)行的可靠性，方便了操作，也節(jié)

17、省設(shè)備投資。目前DCS市場上已有將DCS、SIS集成、無縫連接在一起的產(chǎn)品，GDS也有與DCS集成、無縫連接的結(jié)構(gòu)特性，這些行情為采用PCS創(chuàng)造了有利條件。4.3 建立企業(yè)控制與管理綜合自動(dòng)化系統(tǒng)企業(yè)綜合管控自動(dòng)化系統(tǒng)(也稱企業(yè)CIMS) 由DCS過程控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息管理技術(shù)等集成構(gòu)建，它將信息技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)結(jié)合起來，應(yīng)用于企業(yè)產(chǎn)品的生命周期的各個(gè)階段，形成一個(gè)能適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境不確定性和市場需求多變的全局優(yōu)化的高質(zhì)量、高效益、高柔性的智能生產(chǎn)控制、管理系統(tǒng)。(1) 綜合管控自動(dòng)化系統(tǒng)作用實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝置的控制、優(yōu)化、調(diào)度一體化，對(duì)保證生產(chǎn)安全、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低整體綜合能耗起重大作

18、用；實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠主要設(shè)備運(yùn)行狀況、備品情況、檢修要求等進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，為科學(xué)安排檢修計(jì)劃，延長大修周期，減少大修開支提供決策依據(jù)；物料平衡與生產(chǎn)決策系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)管理人員進(jìn)行決策分析提供有力的支持；能對(duì)經(jīng)營管理業(yè)務(wù)和生產(chǎn)過程信息進(jìn)行有效集成，完全實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)、采購、銷售、人力資源、財(cái)務(wù)、庫存、質(zhì)量和生產(chǎn)等全過程的管理控制。過程優(yōu)化的含義：通過采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對(duì)過程操作狀況作出在線評(píng)價(jià)和分析，不斷更新模型參數(shù)，不斷修正約束條件，根據(jù)原料、產(chǎn)品、輔助設(shè)備費(fèi)用等信息尋求過程的最佳操作條件并付諸實(shí)施，使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況附近。過程優(yōu)化與先進(jìn)控制的關(guān)系：先進(jìn)控制和過程優(yōu)化是改進(jìn)生產(chǎn)操作和取得更大經(jīng)濟(jì)效益的重要

19、保證。先進(jìn)控制采用動(dòng)態(tài)回路級(jí)模型，過程優(yōu)化采用穩(wěn)態(tài)單元級(jí)或流程級(jí)模型。過程優(yōu)化與先進(jìn)控制是給定與執(zhí)行的關(guān)系，即穩(wěn)態(tài)優(yōu)化得到最佳操作條件作為給定值傳送先進(jìn)控制系統(tǒng)，再由先進(jìn)控制系統(tǒng)實(shí)施過程控制。(2) 綜合管控自動(dòng)化系統(tǒng)體系架構(gòu)CIMS通常由兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)、三個(gè)層次、四個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成，即CIMS的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)是過程控制網(wǎng)和管理信息網(wǎng)；CIMS的數(shù)據(jù)平臺(tái)由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫構(gòu)成；CIMS的三個(gè)管控功能層次即生產(chǎn)操作控制層、生產(chǎn)運(yùn)行管理層、生產(chǎn)經(jīng)營管理層；CIMS的四個(gè)系統(tǒng)即生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)、生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)、生產(chǎn)經(jīng)營管理系統(tǒng)以及綜合信息管理系統(tǒng)。建立CIMS工作將由工程項(xiàng)目業(yè)主、DCS工程設(shè)計(jì)

20、方、信息管理系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方共同完成，DCS工程設(shè)計(jì)方除承擔(dān)DCS系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)外，一般情況下要承擔(dān)CIMS的設(shè)計(jì)前期工作，如CIMS的總體設(shè)計(jì)，包括DCS的總體監(jiān)控方案、企業(yè)信息管理系統(tǒng)管理方案、DCS的投資概算、管理系統(tǒng)的投資估算等。管理系統(tǒng)工程方應(yīng)負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)硬、軟件提供，包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、服務(wù)器與工作站、外設(shè)以及全套管理程序。第二部分 聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)化工裝置的聯(lián)鎖系統(tǒng)分為工藝聯(lián)鎖系統(tǒng)和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)兩類。安全聯(lián)鎖系統(tǒng)是指發(fā)生故障時(shí)對(duì)設(shè)備、人身危害大，應(yīng)按照國標(biāo)或行標(biāo)規(guī)范設(shè)計(jì)鎖系統(tǒng)，即按規(guī)范要求配置傳感器、邏輯運(yùn)算器、最終單元以及接口單元(包括過程接口、通信接口、人機(jī)接口)。1 儀表

21、安全、防爆有關(guān)知識(shí)1.1 儀表生命周期從工藝概念設(shè)計(jì)階段開始到所有儀表設(shè)備(包括DCS等)功能停止使用的全部時(shí)間。對(duì)于儀表設(shè)備生命周期內(nèi)的主要活動(dòng)，制造廠商、設(shè)計(jì)單位、用戶等各擔(dān)負(fù)不同的職責(zé)。1.2 安全完整性等級(jí)(SIL)安全儀表系統(tǒng)在規(guī)定的狀態(tài)和規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)，成功完成安全儀表功能的平均概率。安全完整性包括系統(tǒng)安全完整性和硬件安全完整性兩部分。安全儀表功能的SIL等級(jí)，是在工程項(xiàng)目SIL等級(jí)評(píng)估的基礎(chǔ)上確定的。1.3 電氣設(shè)備的防爆形式電氣設(shè)備防爆技術(shù)措施是基于設(shè)法排除爆炸三角形中的一個(gè)或多個(gè)要素，是產(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn)減少到一個(gè)可以接受的程度，到目前為止，我國接受的防爆型式如下：序號(hào) 防爆形

22、式 代號(hào) 國家標(biāo)準(zhǔn) 技術(shù)措施 1 隔爆型 d GB3836.2 隔離存在的點(diǎn)火源 2 增安型 e GB3836.3 設(shè)法防止產(chǎn)生點(diǎn)火源 3 本質(zhì)安全型 ia或ib GB3836.4 限制點(diǎn)火源能量 4 正壓型 p GB3836.5 把危險(xiǎn)物質(zhì)與點(diǎn)火源隔開 5 油浸型 o GB3836.6 把危險(xiǎn)物質(zhì)與點(diǎn)火源隔開6 充砂型 q GB3836.7 防止點(diǎn)燃外部爆炸性氣體環(huán)境7 n型 n GB3836.8 設(shè)法防止產(chǎn)生點(diǎn)火源8 澆封型 m GB3836.9 設(shè)法防止產(chǎn)生點(diǎn)火源9 粉塵防爆型 GB12476 用外殼和限制表面溫度（和限能）保護(hù)1.4 防爆基礎(chǔ)知識(shí)(1) 產(chǎn)生爆炸的三個(gè)條件 具有潛在爆炸

23、危險(xiǎn)的環(huán)境產(chǎn)生爆炸必須具備下列三個(gè)條件：A. 點(diǎn)燃源(點(diǎn)燃能量)點(diǎn)火花、熱表面等；B. 爆炸性物質(zhì)可燃性氣體或粉塵；C. 助燃劑空氣(氧氣)當(dāng)上列三個(gè)條件同時(shí)存在，且當(dāng)爆炸性物質(zhì)與空氣的混合濃度處于爆炸極限范圍內(nèi)(即處于爆炸下限和爆炸上限之間)時(shí)，將不可避免地產(chǎn)生爆炸。為了有效地防止爆炸事故的發(fā)生，就要設(shè)法避免上述三個(gè)條件同時(shí)存在。(2) 爆炸物質(zhì)分類在我國爆炸性物質(zhì)分為三類：類：礦井甲烷；類：爆炸性氣體混合物(含蒸氣、薄霧)；類：爆炸性粉塵和纖維。在北美爆炸性物質(zhì)分為三類：(即“Class”，常譯為“級(jí)”)Class：爆炸性氣體；Class：爆炸性粉塵；Class：釬維。(3) 危險(xiǎn)區(qū)域劃分

24、 危險(xiǎn)區(qū)域是根據(jù)潛在爆炸性環(huán)境可能的概率和持續(xù)時(shí)間劃分的。IEC/CENELEC/中國可能出現(xiàn)：0區(qū)：連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境1區(qū)：在正常情況下，爆炸性氣體混合物有可能出現(xiàn)的場所；2區(qū)：在正常情況下，爆炸性氣體混合物不可能出現(xiàn)，僅僅在不正常情況下，短時(shí)間存在的場所。北美：1區(qū)：在正常情況下，可能出現(xiàn)危險(xiǎn)環(huán)境的場所；2區(qū)：在正常情況下，不可能出現(xiàn)危險(xiǎn)環(huán)境的場所。(4) 爆炸性氣體的引燃溫度與與電氣設(shè)備允許最高表面溫度A. 爆炸性氣體的引燃溫度(AIT)按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法，引燃爆炸性混合物的最低溫度按照IEC標(biāo)準(zhǔn)的推薦，我國將爆炸性氣體按引燃溫度分為T1T6六個(gè)組別。北美對(duì)溫度組別的

25、劃分與IEC基本一致，只是將溫度組別劃分的更細(xì)一些。中國/IEC/歐洲標(biāo)準(zhǔn) 引燃溫度 t() 點(diǎn)燃特性T1 450t 難T2 300t450 T3 200t300 T4 135t200 T5 100t135 T6 85t100 易B. 電氣設(shè)備允許最高表面溫度溫度組別 最高表面溫度 適用危險(xiǎn)氣體引燃溫度 t() 電氣安全性能T1 450 450t 低T2 300 300t450 T3 200 200t300 T4 135 135t200 T5 100 100t135 T6 85 85t100 高2 聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原則2.1 故障安全原則 正常工況時(shí)，安全儀表系統(tǒng)勵(lì)磁(帶電)不動(dòng)作；非正常工況

26、時(shí)，安全儀表系統(tǒng)非勵(lì)磁(失電)動(dòng)作，將過程轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)。一般情況下，正常工況時(shí)現(xiàn)場傳感器的發(fā)訊開關(guān)觸點(diǎn)是閉合的(勵(lì)磁)。2.2 傳感器設(shè)置原則(1) 傳感器獨(dú)立設(shè)置原則 對(duì)于SIL2級(jí)安全儀表功能，現(xiàn)場傳感器宜獨(dú)立于基本過程控制系統(tǒng)。對(duì)于SIL3級(jí)安全儀表功能，現(xiàn)場傳感器應(yīng)獨(dú)立于基本過程控制系統(tǒng)。(2) 傳感器冗余設(shè)置原則 對(duì)于SIL1級(jí)安全儀表功能，可采用單一現(xiàn)場傳感器。對(duì)于SIL2級(jí)安全儀表功能，宜采用冗余現(xiàn)場傳感器。對(duì)于SIL3級(jí)安全儀表功能，應(yīng)采用冗余現(xiàn)場傳感器。當(dāng)系統(tǒng)要求高安全性時(shí)，宜采用二取一方式，采用二個(gè)現(xiàn)場傳感器。當(dāng)系統(tǒng)要求高可用性時(shí)，宜采用二取二方式，采用二個(gè)現(xiàn)場傳感器。當(dāng)系

27、統(tǒng)的安全性和可用性均需保障時(shí)，宜采用三取二方式，采用三個(gè)現(xiàn)場傳感器。2.3 邏輯運(yùn)算器獨(dú)立設(shè)置原則 對(duì)于SIL1級(jí)安全儀表功能，邏輯運(yùn)算器宜與基本控制系統(tǒng)分開；對(duì)于SIL2級(jí)安全儀表功能，邏輯運(yùn)算器應(yīng)與基本控制系統(tǒng)分開；對(duì)于SIL3級(jí)安全儀表功能，邏輯運(yùn)算器必須與基本控制系統(tǒng)分開。2.4 輔助開關(guān)設(shè)置原則 (1) 緊急停車開關(guān) 緊急停車開關(guān)應(yīng)獨(dú)立于邏輯控制器，采用硬手動(dòng)開關(guān)，安裝在輔助操作臺(tái)上面。 (2) 維護(hù)旁路開關(guān)傳感器宜設(shè)置維護(hù)旁路開關(guān)，此開關(guān)可為軟開關(guān)。 (3) 輸出旁路開關(guān)(聯(lián)鎖切除開關(guān)) 輸出旁路開關(guān)可分為聯(lián)鎖系統(tǒng)旁路開關(guān)和聯(lián)鎖回路旁路開關(guān)兩種。聯(lián)鎖系統(tǒng)旁路開關(guān)可根據(jù)聯(lián)鎖系統(tǒng)大小和

28、該系統(tǒng)操作維護(hù)需要設(shè)置，宜為硬手動(dòng)開關(guān)，安裝在輔助操作臺(tái)上面。聯(lián)鎖回路旁路開關(guān)為每個(gè)聯(lián)鎖回路設(shè)置的輸出旁路開關(guān)，宜為軟開關(guān)。 (4) 復(fù)位開關(guān)重要的聯(lián)鎖系統(tǒng)要設(shè)置聯(lián)鎖復(fù)位開關(guān)，如全廠聯(lián)鎖系統(tǒng)、工序聯(lián)鎖系統(tǒng)等。2.5 與其它控制裝置接線原則 當(dāng)需要從DCS或其它輔助單元輸送聯(lián)鎖信號(hào)到SIS系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)采用硬接線連接。2.7 輸出信號(hào)隔離原則 聯(lián)鎖系統(tǒng)輸出最終單元或至電氣專業(yè)的接點(diǎn)信號(hào)，應(yīng)采用繼電器或隔離器隔離。3 聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本要求3.1 過程危險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 在有條件的情況下，要根據(jù)相應(yīng)國標(biāo)要求對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行過程危險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以正確識(shí)別和控制過程及相關(guān)設(shè)備引起的危險(xiǎn)。3.2 安全完整性等級(jí)(S

29、IL)評(píng)估在有條件的情況下，要根據(jù)國標(biāo)要求對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行SIL等級(jí)評(píng)估及審查，確定安全儀表功能的SIL等級(jí)。3.3 確定SIS配置方案根據(jù)確定的SIL等級(jí)儀表功能要求，確定傳感器、邏輯運(yùn)算器、最終元件、接口單元等的配置，獨(dú)立配置與冗余配置要具體化。3.4 確定主要輔助開關(guān)設(shè)置方案全廠緊急停車開關(guān)、現(xiàn)場旁路維修開關(guān)等硬手動(dòng)開關(guān)要根據(jù)工藝專業(yè)意見設(shè)置。硬手動(dòng)復(fù)位開關(guān)、旁路開關(guān)(聯(lián)鎖功能切除開關(guān))僅設(shè)置在復(fù)雜聯(lián)鎖系統(tǒng)中。3.5 要確保聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件的完整性與準(zhǔn)確性 把好聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件的質(zhì)量關(guān)。4 合成氨裝置的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)4.1 聯(lián)鎖系統(tǒng)分類合成氨裝置的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)分為三類，第一類是全廠聯(lián)鎖系統(tǒng)，

30、第二類是工序聯(lián)鎖系統(tǒng)，第三類是局部聯(lián)鎖系統(tǒng)。三類聯(lián)鎖系統(tǒng)均按化工行業(yè)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)規(guī)范設(shè)計(jì)。(1) 全廠聯(lián)鎖系統(tǒng) 包括一段爐燃燒系統(tǒng)、水/碳系統(tǒng)、汽包液為位等引起的全廠聯(lián)鎖。(2) 工序聯(lián)鎖系統(tǒng) A. 轉(zhuǎn)化工序聯(lián)鎖系統(tǒng) B. 甲烷化工序爐聯(lián)鎖系統(tǒng) C. 氨合成工序聯(lián)鎖系統(tǒng)(3) 局部聯(lián)鎖系統(tǒng) A. 轉(zhuǎn)化工序的主要聯(lián)鎖系統(tǒng)一段爐頂部燒嘴燃料氣壓力低聯(lián)鎖系統(tǒng)輔鍋燒嘴燃料氣壓力低聯(lián)鎖系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)故障聯(lián)鎖系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)故障聯(lián)鎖系統(tǒng)一段爐風(fēng)門擋板聯(lián)鎖系統(tǒng)B. 脫碳工序主要聯(lián)鎖系統(tǒng)低變氣分離器液位高聯(lián)鎖系統(tǒng)低變氣分離器液位低聯(lián)鎖系統(tǒng)貧液流量低聯(lián)鎖系統(tǒng)半貧液流量高聯(lián)鎖系統(tǒng)二氧化碳吸收塔液位聯(lián)鎖系統(tǒng)D 合成工序液氨排放槽壓力二氧化碳吸收塔液位聯(lián)鎖系統(tǒng)5 聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件編制5.1 聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件類型配合系統(tǒng)專業(yè)完成聯(lián)鎖系統(tǒng)在P&ID上繪制工作； 完成聯(lián)鎖系統(tǒng)因果表；(可利用工藝專業(yè)提供的聯(lián)鎖系統(tǒng)因果表) 完成聯(lián)鎖系統(tǒng)邏輯圖，對(duì)于多層次、邏輯關(guān)系復(fù)雜的聯(lián)鎖系統(tǒng)，必須要