DCS第8章集散控制系統(tǒng)原理及其應(yīng)用[張德泉主編][電子教案]

1、第8章 緊急停車系統(tǒng)第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)知識點：掌握緊急停車系統(tǒng)的基本概念了解緊急停車系統(tǒng)兩種類型的技術(shù)特點了解國際主要通用安全標(biāo)準(zhǔn)了解安全系統(tǒng)的常用指標(biāo)及術(shù)語了解安全系統(tǒng)的基本設(shè)計原則及適用場合了解HIMA冗余控制器的構(gòu)成及工作原理結(jié)合實例理解HIMA緊急停車系統(tǒng)在生產(chǎn)裝置中的應(yīng)用 學(xué)習(xí)目標(biāo)第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)技能點：能夠使用ELOPII組態(tài)軟件進(jìn)行系統(tǒng)的硬件及邏輯組態(tài)能夠根據(jù)中央處理器卡件視窗上的錯誤代碼判斷故障原因在實際應(yīng)用中能夠進(jìn)行工程量程的轉(zhuǎn)換及信號超量程值的切除學(xué)習(xí)目標(biāo)第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)8.1 緊急停車系統(tǒng)的基本概念緊急停車系統(tǒng)的基

2、本概念8.1.1 8.1.1 緊急停車系統(tǒng)的類型和特點緊急停車系統(tǒng)的類型和特點當(dāng)工藝過程某些變量發(fā)生異常時，由控制系統(tǒng)指令工藝過程緊急地安全地停止生產(chǎn)，以免造成巨大財產(chǎn)損失和人員傷亡事故。裝置在運行過程中，安全儀表系統(tǒng)時刻監(jiān)視工藝過程的狀態(tài)，判斷危險條件，并在危險出現(xiàn)時適當(dāng)動作，以防止危險的發(fā)生。工藝過程的控制系統(tǒng)可分為基本過程控制系統(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)?；具^程控制系統(tǒng)是主動的、動態(tài)的，安全儀表系統(tǒng)是被動的、靜態(tài)的。當(dāng)危險情況出現(xiàn)時，安全儀表系統(tǒng)必須能夠由靜到動，正確地完成停車動作。 第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)1. 1. 緊急停車系統(tǒng)的類型緊急停車系統(tǒng)的類型 圖圖8.1 雙重化冗余結(jié)構(gòu)

3、的雙重化冗余結(jié)構(gòu)的ESD系統(tǒng)系統(tǒng)CPU-中央處理器模件；中央處理器模件；COM-通信模件；通信模件；MEM-存儲器模件；存儲器模件；WD-看門狗模件；看門狗模件； VBD-垂直總線驅(qū)動器；垂直總線驅(qū)動器；DBM-電池與診斷模件；電池與診斷模件；PSU-電源供電模件電源供電模件緊急停車系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)來分，可分為雙重化冗余和三重化冗余兩種。第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng) 圖8.2 三重化冗余方式的ESD系統(tǒng)第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)(1)系統(tǒng)的最終目標(biāo)都是為了確保工藝生產(chǎn)的安全，保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備和操作人員不受傷害。(2)開關(guān)量輸入檢出元件選擇正常狀態(tài)下閉合，線路斷開等同于聯(lián)鎖動作，即系統(tǒng)

4、為故障安全型。(3)輸出電磁閥或繼電器選擇為正常勵磁，只有當(dāng)輸出線路發(fā)生故障時才產(chǎn)生動作。(4)當(dāng)無論何種原因使生產(chǎn)裝置停車（Shutdown）時，ESD系統(tǒng)所控制的目標(biāo)元件所處的狀態(tài)都要確保生產(chǎn)安全。2. 2. 緊急停車系統(tǒng)的特點緊急停車系統(tǒng)的特點第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng) ESD系統(tǒng)主要的通用安全標(biāo)準(zhǔn)如下。(1)DIN V 19250 標(biāo)準(zhǔn)是德國的標(biāo)準(zhǔn)，在這個標(biāo)準(zhǔn)中建立了一個概念：安全系統(tǒng)的設(shè)計等級必須符合生產(chǎn)過程現(xiàn)場的危險性等級AK1AK8（18級）。該標(biāo)準(zhǔn)力圖使它的用戶必須考慮工藝現(xiàn)場的危險級別，并強制使用具有相應(yīng)安全等級認(rèn)證的安全控制設(shè)備。(2)DIN V VDE 0801

5、標(biāo)準(zhǔn)是針對用于安全系統(tǒng)的計算機(jī)，來判定某種控制器從設(shè)計、編碼、程序執(zhí)行到確定是否完全符合上述DIN V 19250的要求。第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)(3)IEC 61508 是國際電工委員會制定的國際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)廣泛用于確定過程、交通、醫(yī)藥工業(yè)等的安全周期，它不僅要求設(shè)備的完整性，同時對設(shè)計、操作、測試和維護(hù)都有要求。本標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)發(fā)生故障的可能性來分為4個SIL等級。第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)石油化工裝置的專利商通過對工藝過程危險進(jìn)行安全性分析，來確定過程的安全等級。分析的內(nèi)容包括：評估危險事件發(fā)生的可能性及其后果；評估除采用安全聯(lián)鎖系統(tǒng)外，其他能預(yù)防、保護(hù)及能減輕事件后果的

6、安全措施；確認(rèn)采用安全聯(lián)鎖系統(tǒng)是否合適；確定安全聯(lián)鎖系統(tǒng)需達(dá)到的安全等級；決定其他與過程安全有關(guān)的內(nèi)容與設(shè)計原則等。其中，確定安全等級是通過對所有事件發(fā)生的可能性與后果的嚴(yán)酷度及其他安全措施的有效性進(jìn)行定性的評估，從而確定合適的安全等級。 SIL1級用于事故可能很少發(fā)生，一旦發(fā)生后，不會立即造成界區(qū)內(nèi)環(huán)境污染、人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失不大的情況； 第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng) SIL2級用于事故可能偶爾發(fā)生，一旦發(fā)生后，不會造成界區(qū)外環(huán)境污染、人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失較大的情況； SIL3級用于事故可能經(jīng)常發(fā)生，一旦發(fā)生后，會造成界區(qū)外環(huán)境污染、人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重的情況。(4)ANSI/ISA

7、 S84.01-1996 是美國對于工業(yè)過程的安全系統(tǒng)所制定的標(biāo)準(zhǔn)。它沿用了IEC61508 標(biāo)準(zhǔn)并保留了DIN V 19250標(biāo)準(zhǔn)，ANSI/SIA S84.01-1996標(biāo)準(zhǔn)不包括SIL 4這一最高級別。S84委員會認(rèn)為SIL 4僅適用于醫(yī)藥、交通的保護(hù)性儀表這一層次。而對應(yīng)的工藝流程則可以在設(shè)計中融合多個層次的保護(hù)性儀表。第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)(5)Draft IEC 61511第14部分，是適用于工藝過程工業(yè)的安全儀表系統(tǒng)的國際化標(biāo)準(zhǔn)，是IEC 61508的補充。IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)主要針對制造商和設(shè)備供應(yīng)商，IEC 61511是適用于工業(yè)過程控制SIS的設(shè)計者、系統(tǒng)集

8、成商、最終用戶的。第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)8.4 幾種國際標(biāo)準(zhǔn)中風(fēng)險等級的比較第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)1.平均故障間隔時間 平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure，MTBF）是指各次故障間隔時間ti的平均值，即各段連續(xù)工作時間的平均值。即 8.1.3 8.1.3 安全系統(tǒng)的常用指標(biāo)安全系統(tǒng)的常用指標(biāo)nthMTBFnii1)(nthMTTRnii1)( MTBF是一個經(jīng)過多次采樣檢測，長期統(tǒng)計后求出的平均數(shù)值。i=1，2，3，n （8-1）第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)2.平均故障修復(fù)時間 平均故障修復(fù)時間（Mean Time To R

9、epair，MTTR）是指設(shè)備或系統(tǒng)經(jīng)過維修，恢復(fù)功能并投入正常運行所需要的平均時間，即 nthMTBFnii1)(nthMTTRnii1)(式中 ti每次維修所花費的時間。 MTTR也是一個統(tǒng)計值，它遠(yuǎn)小于MTBF。MTBF越大，MTTR越小的系統(tǒng)可靠性越高。i=1，2，3，n （8-2）第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)3.平均失效時間 平均失效時間（MTTF）是指大宗相同部件（或系統(tǒng)）中該部件（或系統(tǒng)）期望發(fā)生故障的時間。MTTRMTTFMTTFMTBFMTTFAtMTTFtR)1(exp)(4.可用性 可用性（A）是一個概率，指系統(tǒng)在任何情況下都可使用的工作期，用百分?jǐn)?shù)計算。即（8-

10、3）第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)5.可靠性 可靠性（R）是一個概率，指系統(tǒng)在規(guī)定時間間隔（t）內(nèi)發(fā)生故障的概率。即 MTTRMTTFMTTFMTBFMTTFA（8-4）第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)6.容錯容錯(Fault Tolerance)是指對失效的控制系統(tǒng)元件進(jìn)行認(rèn)識和補償，并允許在繼續(xù)完成分配的任務(wù)、不中斷過程的情況下進(jìn)行修復(fù)的能力。容錯是通過冗余和故障屏蔽的結(jié)合來實現(xiàn)。7.表決表決（Voting）是指系統(tǒng)中用多數(shù)原則將每個支路的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和修正的一種機(jī)理。如1 OO 2（1 OUT OF 2）表示2取1表決，2 OO 2（2 OUT OF 2）表示2取2表決，2 O

11、O 3（2 OUT OF 3）表示3取2表決等。第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)8.故障安全故障安全是指ESD系統(tǒng)發(fā)生故障時，被控過程能做到安全停車。正常工況時處于勵磁狀態(tài)，故障工況時處于非勵磁狀態(tài)。9.安全完整性級別安全完整性級別（Safety Integrity Level，SIL）是指定性分析ESD系統(tǒng)故障對生產(chǎn)裝置和周圍的人員的傷害程度。根據(jù)IEC61508標(biāo)準(zhǔn)劃分為4級。SIL1級適用于財產(chǎn)和產(chǎn)品的一般保護(hù)；SIL2級適用于主要財產(chǎn)和產(chǎn)品保護(hù)，有可能造成人身傷害；SIL3級適用于保護(hù)人員；SIL4級適用于災(zāi)難性傷害。 第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)8.1.4 8.1.4 安

12、全系統(tǒng)應(yīng)用的場合安全系統(tǒng)應(yīng)用的場合1對檢測元件的要求檢測元件（傳感器）分開獨立設(shè)置，指采用多臺檢測儀表將控制功能與安全聯(lián)鎖功能隔離，即安全儀表系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)的實體分離。傳感器冗余設(shè)置，指采用多臺儀表完成相同的功能，通過冗余提高系統(tǒng)的安全性。不宜采用信號分配器，將模擬信號分別接到安全儀表系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)。安全儀表系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)共用一個傳感器時，宜采用安全儀表系統(tǒng)供電。 第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)2對最終執(zhí)行元件的要求最終執(zhí)行元件（切斷閥，電磁閥）是安全儀表系統(tǒng)中可靠性低的設(shè)備。由于安全儀表系統(tǒng)在正常工況時是靜態(tài)的，被動的，系統(tǒng)輸出不變，最終執(zhí)行元件一直保持在原有的狀態(tài)，很難確

13、認(rèn)最終執(zhí)行元件是否有危險故障。在正常工況時過程控制系統(tǒng)是動態(tài)的，主動的，控制閥動作是隨控制信號的變化而變化，不會長期停留在某一位置。因此，當(dāng)符合安全度等級要求時，可采用控制閥及配套的電磁閥作為安全儀表系統(tǒng)的最終執(zhí)行元件。當(dāng)安全度等級為3級時，可采用一臺控制閥和一臺切斷閥串聯(lián)連接作為安全儀表系統(tǒng)的最終執(zhí)行元件。 第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)3對ESD邏輯控制器結(jié)構(gòu)選擇要求安全儀表系統(tǒng)故障有兩種：顯性故障（安全故障）和隱性故障（危險故障）。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)顯性故障時，可立即檢測出來，系統(tǒng)產(chǎn)生動作進(jìn)入安全狀態(tài)。顯性故障不影響系統(tǒng)的安全性，但會影響系統(tǒng)的可用性。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)隱性故障時，只能通過自動測試

14、程序檢測出來，系統(tǒng)不能產(chǎn)生動作進(jìn)入安全狀態(tài)。隱性故障影響系統(tǒng)的安全性，但不影響系統(tǒng)的可用性。因此通過對邏輯控制器結(jié)構(gòu)的選擇，克服隱性故障系統(tǒng)安全性的影響，通常選擇2OO3（三取二）或者2OO4D（四取二，帶診斷功能）結(jié)構(gòu)。第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)8.2.1 8.2.1 冗余控制器的構(gòu)成冗余控制器的構(gòu)成8.2 冗余控制器冗余控制器圖8.5 兩個微處理器構(gòu)成的1 OO 2系統(tǒng) 第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)來自現(xiàn)場檢測元件（或傳感器）的信號，通過輸入模件（1oo1D，一取一，帶診斷功能）分別進(jìn)入兩個微處理器單元，在CU1內(nèi)進(jìn)行診斷（1oo2，二取一），其結(jié)果從輸出模件輸送到現(xiàn)場的

15、執(zhí)行元件；當(dāng)其中一個微處理器發(fā)生故障時將被自動切除，與之對應(yīng)的另一個處理器可以繼續(xù)運行。一塊CU模件已經(jīng)構(gòu)成1oo2D結(jié)構(gòu)，而1oo2D結(jié)構(gòu)可以滿足AK6/SIL3的安全標(biāo)準(zhǔn)。第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)圖8.6 兩個1oo 2系統(tǒng)構(gòu)成四重化（QMR）系統(tǒng) 第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)如圖8.6所示，采用雙1oo2D結(jié)構(gòu)，即2oo4D結(jié)構(gòu)，這樣可以提供最大的實用性（即可利用性），其容錯功能使系統(tǒng)中任何一個部件發(fā)生故障時，均不影響系統(tǒng)的正常運行。來自現(xiàn)場檢測元件（或傳感器）的信號，通過兩套輸入模件（1oo2D，二取一，帶診斷功能）分別進(jìn)入兩個CU單元，在CU1和CU2內(nèi)進(jìn)行診斷（

16、2oo4D，四取二，帶診斷功能），其結(jié)果從兩套輸出模件輸送到現(xiàn)場的執(zhí)行元件；當(dāng)其中一個CU發(fā)生故障時將被自動切除，與之對應(yīng)的另一個CU可以繼續(xù)運行。第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)8.2.2 8.2.2 冗余控制器的工作原理冗余控制器的工作原理 H41q/H51q系統(tǒng)對程序的處理過程是周期性循環(huán)的。首先讀取過程輸入信號，再按預(yù)定的邏輯功能進(jìn)行處理，然后依次輸出處理結(jié)果。一個循環(huán)掃描過程由七個驟步完成。(1)周期性自檢 周期性自檢包括硬件檢測和軟件檢測，這個過程是根據(jù)CU發(fā)出的連續(xù)測試信號進(jìn)行的。(2)數(shù)據(jù)接收 檢測并讀取輸入信號（也包括安全以太網(wǎng)來的信號），完成過程變量對應(yīng)數(shù)據(jù)的接收。(3

17、)數(shù)據(jù)傳送 將系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)傳送到另一個中央處理單元。第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)(4)輸入數(shù)據(jù)處理 把輸入變量的測量值賦予內(nèi)部變量，用戶程序則會對內(nèi)部變量進(jìn)行處理。處理的結(jié)果送到輸出單元（需要以太網(wǎng)傳送的數(shù)據(jù)則被傳送到以太網(wǎng)卡），并在系統(tǒng)內(nèi)存中進(jìn)行雙CPU的點對點比較，如有錯誤則將這對CPU切除。(5)輸出交換比較 將兩個CU的輸出交換并進(jìn)行比較。(6)結(jié)果輸出 主CU通過I/O BUS輸出處理結(jié)果。第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)(7)結(jié)果回讀 從CU中把輸出結(jié)果回讀，與下一個周期的正確邏輯輸出比較。若結(jié)果不相等則將輸出模塊切除，掃描過程跳到第(5)步。冗余的中央處理單元在每個

18、過程循環(huán)完后都進(jìn)行一次時鐘同步，而通過串行通訊和有自檢功能的部分完成檢測不依賴于一個過程循環(huán)。 第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)8.2.3 8.2.3 冗余控制器的特點冗余控制器的特點1.強大的自診斷功能2.一體化安全停車功能第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)8.3 ESD在工業(yè)生產(chǎn)裝置上的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)裝置上的應(yīng)用8.3.1 8.3.1 工藝簡介工藝簡介 乙烯裝置可分為七個單元。10號單元為原料預(yù)熱單元，是將界區(qū)外的不同原料經(jīng)過緩沖罐脫除水和雜質(zhì)，以便降低原料變化對下游生產(chǎn)的影響。20號單元為裂解爐單元。裂解爐區(qū)共有5臺裂解爐，在不同通道都可以同時裂解兩種原料，并且裂解爐的每一通道在其

19、他組進(jìn)行裂解操作時都可以進(jìn)行在線蒸汽清焦，具有裂解原料分配靈活性的特點。第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)將來自預(yù)熱單元的裂解爐原料通過流量控制進(jìn)入裂解爐對流段與煙道氣換熱后，與來自稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的稀釋蒸汽按一定比例混合再換熱后，經(jīng)文丘里管被平行分成8通道進(jìn)入裂解爐輻射段，在輻射室固定熱值的條件下，通過輻射爐管的出口溫度來控制進(jìn)料流量以保證期望的裂解深度。30號單元為急冷單元。急冷單元主要包括急冷油、急冷水和稀釋蒸汽系統(tǒng)。將來自裂解爐單元急冷后的裂解氣冷卻，脫除裂解焦油、焦炭顆粒；在急冷水塔內(nèi)直接與塔中部和頂部的循環(huán)急冷水接觸冷卻，最大限度的回收熱量。40號單元為壓縮堿洗單元，用來提高裂解

20、氣的壓力，脫除裂解氣中的二氧化碳和硫化氫。50號單元為冷熱分單元。第第8章章 緊急停車系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)高壓脫丙烷塔脫除來自裂解氣壓縮機(jī)三段出口裂解氣中的C4和較重組分，低壓脫丙烷塔將來自高壓脫丙烷塔底產(chǎn)品中的C3和C4進(jìn)行最終分離。脫甲烷汽提塔汽提出甲烷及更輕的組分，在脫除甲烷、氫氣過程中設(shè)置了冷箱。脫乙烷塔側(cè)線采出丙烯產(chǎn)品。60號單元為乙烯分離及制冷單元。乙烯壓縮機(jī)是一個開式“A”型熱泵，即乙烯產(chǎn)品連續(xù)進(jìn)入系統(tǒng)同時乙烯產(chǎn)品連續(xù)送出。丙烯制冷系統(tǒng)是一個閉路系統(tǒng)。為分離系統(tǒng)提供-42、-15、7三個溫位等級的冷劑。70號單元為公用單元，主要包括各種等級的蒸汽系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、化學(xué)品注入系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)等