VCM復(fù)雜控制和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)

1、VCM復(fù)雜控制和安全聯(lián)鎖系統(tǒng) 蒸汽壓力控制系統(tǒng) 1.1 串級控制系統(tǒng)的組成1.串級控制系統(tǒng)兩個控制器串在一起，控制一個執(zhí)行器的控制系統(tǒng)，稱為串級控制系統(tǒng)。1.2 串級控制系統(tǒng)方框圖投用過程：先投運副回路，再投運主回路，副回路打cas，主回路打auto串級回路投用過程：先投運副回路，再投運主回路，副回路打cas，主回路打auto1、由于副回路的快速性，對進入副回路的擾動有很強的克服能力。1.3 串級控制系統(tǒng)的特點2、串級控制系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，特別是當(dāng)干擾作用于副環(huán)的情況下，系統(tǒng)的抗干擾能力會更強。3、串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力，因主環(huán)是一個定值系統(tǒng)，而副環(huán)卻是一個隨動系統(tǒng)。對象的控

2、制通道遲延時間較長。 對象的時間常數(shù)大。 負(fù)荷變化較大，且被控對象又具有較大的非線性。 系統(tǒng)存在變化劇烈和幅值很大的干擾。 1.4 串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍2. 分程控制系統(tǒng) 分程控制系統(tǒng):是將一個控制器的輸出分成若干個信號范圍，由各個信號段去控制相應(yīng)的控制閥，從而實現(xiàn)了一個控制器對多個控制閥的控制，有效地提高了過程控制系統(tǒng)的控制能力。2.1概述 單回路控制系統(tǒng)中，通常是一個控制器的輸出只用來控制一個控制閥，一般工作在較小的工作區(qū)域內(nèi)，在系統(tǒng)出現(xiàn)較小的干擾時可以達到較好的控制效果。 如果系統(tǒng)的工作條件不滿足于較小調(diào)節(jié)范圍或系統(tǒng)受到較大干擾甚至出現(xiàn)事故時，系統(tǒng)的控制質(zhì)量就可能滿足不了生產(chǎn)過程的控制

3、要求。2.2 分程控制系統(tǒng)應(yīng)用場合：2.分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)a.用于控制不同的介質(zhì)，以滿足工藝生產(chǎn)的要求。b.擴大控制閥的可調(diào)范圍，改善控制品質(zhì)。c.用作生產(chǎn)安全的防護措施。2.3控制不同介質(zhì)應(yīng)用T CT T冷 水蒸 汽圖2-5-30 釜式間歇反應(yīng)器溫度分程控制系統(tǒng)2.分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)100單元 PICEB1081;PICEB2441;400單元PICTK450;PICTK451兩個控制閥一個為氣開式，一個為氣關(guān)式。 1006020100%0ABAB閥開度控制閥輸出/kPa1006020100%0ABB閥開度控制閥輸出/kPaAab控制閥異向動作分程曲線圖分程控制中控制閥同向或異向

4、的選擇，要根據(jù)生產(chǎn)工藝的實際需要來確定。 2.分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng) 例如:閥A在控制器的輸出信號為0.02MPa0.06MPa范圍內(nèi)工作，閥B則在控制器輸出信號為0.06MPa0.1MPa范圍內(nèi)工作，每個控制閥的動作信號范圍都是相同的（0 100%）。2.分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥A調(diào)節(jié)閥B控制器過程溫度變送器r+_zy設(shè)定值2.4擴大控制閥的可調(diào)范圍應(yīng)用擴大控制閥可調(diào)范圍曲線控制閥同向動作曲線。兩個控制閥同為氣開式或同為氣關(guān)式1006020100%0ABAB閥開度控制閥輸出/kPa1006020100%0AB閥開度控制閥輸出/kPaBAab2.分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)2.5用作生產(chǎn)安

5、全的防護措施2.分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)某些化學(xué)品不宜與空氣長期接觸，因空氣中的氧氣會使化學(xué)品變質(zhì)，甚至引起爆炸，因此充以惰性氣體氮，使之與空氣隔絕，即氮封，要求氮氣壓力保持為微正壓。3.選擇性控制系統(tǒng)選擇性控制又叫取代控制，或超馳控制。1.硬保護措施，用于安全保護，聲光報警，或聯(lián)鎖動作保護。2.軟保護措施，通過設(shè)定的選擇性控制系統(tǒng)，生產(chǎn)短期不正常時，對生產(chǎn)自動保護，取代正常情況下的控制方案。開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)混合型選擇性控制系統(tǒng)3.1選擇性控制系統(tǒng)概述3.2應(yīng)用-VCM循環(huán)EDC塔選擇控制 （連續(xù)型）從循環(huán)EDC塔54層塔板采出的液體EDC由DB241液位控制至DB24

6、1，通過TB240塔塔底液位控制去TK455的循環(huán)EDC產(chǎn)品采出量。低選器防止從54層塔板采出產(chǎn)品超過90%75層塔板回流量，導(dǎo)致TB240塔液位不平衡，從而防止54層塔板以下回流量不足。當(dāng)檢測出回流量低時，TB240塔底液位控制輸出轉(zhuǎn)向控制去，EB240的蒸汽流量。3.選擇性控制系統(tǒng)3.3應(yīng)用-VCM 分離器SB301選擇控制 （開關(guān)型）SB301液位控制，在開車期間用LV-SB301-1B控制，正常操作期間用LV-SB301-1A控制。3.選擇性控制系統(tǒng)4.安全儀表系統(tǒng)概述安全儀表系統(tǒng)概述4.1安全儀表系統(tǒng)主要構(gòu)成4.1.1 IEC61511的定義l傳感器l邏輯控制單元l最終執(zhí)行機構(gòu)4.1

7、.2 SIS系統(tǒng)各單元的故障概率(PFDavg)l傳感器：42%l邏輯控制單元：8%l最終執(zhí)行機構(gòu)：50%4.2 功能安全儀表系統(tǒng)的概念 IEC61511提出,系統(tǒng)故障時,1l不傷亡人員l不損傷設(shè)備l不對環(huán)境造成破壞4.3 SIS與DCS的區(qū)別l與DCS所處層面不同l與DCS工作性質(zhì)不同l與DCS對可靠性要求不同4.4安全度等級的劃分IEC61508將一個裝置的安全度等級劃分為4級:SIL1-4級(Safety Integrity Level):lSIL 1 級lSIL 2 級lSIL 3 級lSIL 4 級 根據(jù)IEC61511”功能安全”的要求，綜述這4級的不同內(nèi)容。4.5 安全度等級與系

8、統(tǒng)發(fā)生故障概率(PFDavg)4.5.1 IEC61508與IEC61511對不同的安全度等級所要求的系統(tǒng)發(fā)生故障的概率作出了規(guī)定。 如下表所示。SIL系統(tǒng)發(fā)生故障的概率(PFDavg)(Probability of Failure on Demand)風(fēng)險降低因子(RRF).(Risk Reduction Factor)410-510-4104105310-410-3103104210-310-2102103110-210-110100可見，裝置所要求的安全度等級越高，則要求它所采用的安全儀表系統(tǒng)發(fā)生故障的概率越低，相應(yīng)地，要求系統(tǒng)所具有的風(fēng)險降低因子越高。4.5.2 安全儀表系統(tǒng)的工作模式

9、 SIS系統(tǒng)分為兩種類型，具有不同的工作模式l連續(xù)操作模式(System with a Continuous Mode of Operation) 其故障率(Failure Rates)以每年中的每小時故障次數(shù)表示。l按指令操作模式(Systems Operating on Demand) 其故障率按每個指令發(fā)生的故障次數(shù)表示。4.5.3. 安全儀表的故障模式(Failure Model)l安全故障(Safe Failure)可以檢測到的安全故障(Safe Detected)，其故障率為sd不可以檢測到的安全故障(Safe UnDetected)，其故障率為sul危險故障(Dangerous

10、Failure)可以檢測到的危險故障(Dangerous Detected)，其故障率為dd不可以檢測到的危險故障(Dangerous UnDetected)，其故障率為dul安全故障率為s= sd + su l危險故障率為d= dd + du l顯性故障(Over Fault)即為安全故障,(對出現(xiàn)的故障能夠報警顯示)l隱性故障(Cover Fault)即為危險故障。(對產(chǎn)生的危險性及故障不報警,并任危險性發(fā)展下去).l檢測SIS系統(tǒng)故障的三種方式:通過正常的過程操作,人為使SIS系統(tǒng)某一局部發(fā)生S/D,來檢測系統(tǒng)。通過定期測試(Test)：例如 Stuck On/Stuck Off功能。通

11、過SIS系統(tǒng)內(nèi)部自診斷(Diagnostics),通過內(nèi)置診斷軟件實現(xiàn)。4.6 對SIS系統(tǒng)硬件的容錯要求 為保證SIS系統(tǒng)的可靠性，IEC61511提出了對SIS系統(tǒng)硬件的最少容錯要求。下表主要是對SIS邏輯運算和控制單元（Logic Solvers）的容錯要求。SIL安全度等級硬件容錯要求（Hardware Fault Tolerance）SFF90%1100221033214IEC 61508 規(guī)定的特殊應(yīng)用要求4.7 安全度等級所對應(yīng)的實用性及風(fēng)險降低因子 根據(jù)IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)，安全儀表系統(tǒng)的實用性、風(fēng)險降低因子與安全度等級及相對應(yīng)的德國TV認(rèn)證等級如下所示：TUV是德文“技術(shù)監(jiān)

12、督協(xié)會”的縮寫。TUV的前身是“蒸汽鍋爐監(jiān)督協(xié)會”。150年前第一家“蒸汽鍋爐監(jiān)督協(xié)會”創(chuàng)建于曼海姆。隨后，德國各“省”都有了自己的“蒸汽鍋爐監(jiān)督協(xié)會”，隨著電氣化時代的來到，“蒸汽鍋爐監(jiān)督協(xié)會”的服務(wù)領(lǐng)域逐步擴展到對電氣產(chǎn)品的認(rèn)證，并參與電氣標(biāo)準(zhǔn)的制定，隨后更名為“技術(shù)監(jiān)督協(xié)會”。TUV還是德國政府制定的對汽車進行年檢的機構(gòu)。 APFDRRF TUV AK1-6 SIL實用性(發(fā)生故障的概率) (風(fēng)險降低因子)GERMAN APPL.CLASS (AK)499.99%100007399.9%-99.99%0.001-0.00011000-10000 5-6UtilityBoilers299%

13、-99.9%0.01-0.001100-10004IndustrialBoilers190%-99%0.1-0.0110-1002-3(一般工業(yè)應(yīng)用)ChemicalProcesses(石化裝置) Nuclear Power(核電站工業(yè))典型應(yīng)用領(lǐng)域(Typical Application) 5安全儀表系統(tǒng)設(shè)計原則5.1概述,按照IEC-61511標(biāo)準(zhǔn)，運用LOPA方法分析SIL等級。5.2設(shè)計原則l獨立設(shè)置原則 包括檢測元件、變送器、控制單元、執(zhí)行機構(gòu)均應(yīng)在DCS系統(tǒng)之外 獨立設(shè)置。 關(guān)鍵部位的變送器等宜三取二設(shè)置。特別重要部位的電磁閥可按二取一或三取二設(shè)置。l故障安全型原則 故障安全型原則

14、是指從檢測儀表、控制單元及執(zhí)行機構(gòu)所構(gòu)成的一個系統(tǒng)體系。輸入回路的開關(guān)儀表在正常工況下其接點應(yīng)是閉合或?qū)ǖ模磩畲艩顟B(tài)）?？刂茊卧谡＿\行狀態(tài)下，其輸入輸出模件應(yīng)是勵磁的和對外供電的，在系統(tǒng)故障和失電時應(yīng)是非勵磁的（即失電停車）。輸出回路執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)是帶彈簧復(fù)位的單作用方式（FC或FO），電磁閥或中間繼電器正常工況狀態(tài)下必須是勵磁的。l電源 SIS系統(tǒng)的電源必須十分可靠，可采用三相四線或單相UPS供電，并應(yīng)有蓄電池后備至少30分鐘。l設(shè)置旁路開關(guān) 對重要的 I/O 點，需設(shè)置并聯(lián)旁路維護開關(guān)（應(yīng)為硬線開關(guān)）l實用性原則 安全儀表系統(tǒng)的實用性及可靠性及其安全度等級均應(yīng)符合IEC61508/61

15、511標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。5.3 通訊方式 安全儀表系統(tǒng)的控制單元與其操作員工作站及工程師站之間的通訊連接，以及SIS與DCS之間的通訊連接方式。l串行口方式l以太網(wǎng)方式5.4 RS-232、RS-485串行口通訊簡介。5.5 SIS系統(tǒng)對CPU的技術(shù)指標(biāo)要求:lSIS系統(tǒng)的CPU至少應(yīng)為32位機。l其輸入到輸出的響應(yīng)時間應(yīng)在200ms以下。lSOE的分辨率應(yīng)小于10ms。l其系統(tǒng)負(fù)荷不應(yīng)超過50%。5.6 安全儀表系統(tǒng)分層描述LM,FSC,SMGDS、FDSTPS,PKSBENTLY35005.7 VCM2期 FSC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和安全等級5.8 HONEYWELL FSC在TPS系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)5.9安全

16、儀表系統(tǒng)的典型邏輯關(guān)系 (1) 邏輯運算關(guān)系 安全儀表系統(tǒng)的功能是由邏輯運算實現(xiàn)的，在PLC中是由軟件實現(xiàn)的，一般采用布爾代數(shù)運算。輸入信號對輸出的影響，或者說輸出對輸入信號的響應(yīng)，即原因?qū)е陆Y(jié)果，這就是聯(lián)鎖邏輯關(guān)系。 (2) 對觸發(fā)聯(lián)鎖結(jié)果的處理 因為石油化工裝置的很多工藝過程的安全聯(lián)鎖過程，不是隨意可逆的，為了防止工藝過程不能按正常順序或意外地恢復(fù)或啟動，再次形成事故，所以當(dāng)聯(lián)鎖動作后，輸入信號恢復(fù)到正常值時，系統(tǒng)不應(yīng)回到正常狀態(tài)，應(yīng)繼續(xù)保持聯(lián)鎖結(jié)果，待操作員確認(rèn)系統(tǒng)正常后，由人工復(fù)位使系統(tǒng)恢復(fù)正常。 聯(lián)鎖切除（Cut,切除一部分聯(lián)鎖）、自動聯(lián)鎖（Auto）、人工聯(lián)鎖（Manual）的實現(xiàn)

17、可以采用一個三位開關(guān)或兩個兩位開關(guān)。如果用三位開關(guān)，則中 間位置應(yīng)為“自動”位置，兩邊分別為聯(lián)鎖切除和人工聯(lián)鎖。而采用兩個兩位開關(guān)時，應(yīng)該一個開關(guān)用于聯(lián)鎖切除，其位置為聯(lián)鎖切除和正常，另一個開關(guān)用于自動 聯(lián)鎖和人工聯(lián)鎖。由于兩個兩位開關(guān)功能分開互不影響，所以此方案較好一些。 當(dāng)然，也有一些工藝過程的安全聯(lián)鎖動作是可逆過程，其安全聯(lián)鎖不需要設(shè)置自鎖功能，系統(tǒng)在過程恢復(fù)正常時，是自動回到正常狀態(tài)的，也就是沒有人工恢復(fù)過程。 (3) 聯(lián)鎖閥的雙重確認(rèn) 在某些裝置中一些聯(lián)鎖閥在聯(lián)鎖時關(guān)閉后的重新開啟，除了在輔助操作臺進行確認(rèn)以外（硬復(fù)位），為了安全還需操作人員在操作畫面上進行確認(rèn)（軟復(fù)位），即聯(lián)鎖閥的

18、雙重確認(rèn)。 例如在重油催化裂化裝置中，應(yīng)工藝的要求，煙氣蝶閥、煙氣閘閥和主風(fēng)進口止回閥應(yīng)采用雙重確認(rèn)，即在主風(fēng)機復(fù)位后，由操作員界面再次確認(rèn)后方可開閥。 5.10安全聯(lián)鎖系統(tǒng)系統(tǒng)選型時其它注意的問題 SIS選用的PLC一定是有安全證書的PLC。 應(yīng)該充分考慮系統(tǒng)掃描時間，1ms可運行1000個梯形邏輯。 系統(tǒng)必須易于組態(tài)并具有在線修改組態(tài)的功能。 系統(tǒng)必須易于維護和查找故障并具有自診斷功能。 系統(tǒng)必須可與DCS及其它計算機系統(tǒng)通訊。 系統(tǒng)必須有硬件和軟件的權(quán)限人保護。 系統(tǒng)必須有提供第一次事故記錄（SOE）的功能。 6.DCS系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)聯(lián)合使用從安全保護的分層結(jié)構(gòu)圖中，可以看出，DCS和

19、SIS系統(tǒng)在不同的層面工作，起到的作用不同，它們各自發(fā)揮優(yōu)勢完成獨立的工作任務(wù)，但在實際的生產(chǎn)過程控制中，相互配合完成控制和聯(lián)鎖任務(wù)，能有效保證化工生產(chǎn)過程控制的安全性和穩(wěn)定性。6.1 DCS系統(tǒng)的作用內(nèi)容(1)高可靠性 由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在各臺計算機上實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯設(shè)計，因此某一臺計算機出現(xiàn)的故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)其它功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺計算機所承擔(dān)的任務(wù)比較單一，可以針對需要實現(xiàn)的功能采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計算機，從而使系統(tǒng)中每臺計算機的可靠性也得到提高。6.DCS系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)聯(lián)合使用(2)開放性 DCS采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計，系統(tǒng)中各臺計

20、算機采用局域網(wǎng)方式通信，實現(xiàn)信息傳輸，當(dāng)需要改變或擴充系統(tǒng)功能時，可將新增計算機方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他計算機的工作。 (4)易于維護 功能單一的小型或微型專用計算機，具有維護簡單、方便的特點，當(dāng)某一局部或某個計算機出現(xiàn)故障時，可以在不影響整個系統(tǒng)運行的情況下在線更換，迅速排除故障。6.1 DCS系統(tǒng)的作用 (5)協(xié)調(diào)性 各工作站之間通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送各種數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)信息 共享，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。 (3)靈活性 通過組態(tài)軟件根據(jù)不同的流程應(yīng)用對象進行軟硬件組態(tài)，即確定測量與控制信號及相互間連接關(guān)系、從控制算法庫選擇適用的控制規(guī)律以及從

21、圖形庫調(diào)用基本圖形組成所需的各種監(jiān)控和報警畫面，從而方便地構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)。 (6)控制功能齊全 控制算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實現(xiàn)串級、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測控制等先進控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。 DCS的構(gòu)成方式十分靈活，可由專用的管理計算機站、操作員站、工程師站、記錄站、現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站等組成，也可由通用的服務(wù)器、工業(yè)控制計算機和可編程控制器構(gòu)成。 處于底層的過程控制級一般由分散的現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站等就地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到生產(chǎn)監(jiān)控級計算機。生產(chǎn)監(jiān)控級對來自過程控制級的數(shù)據(jù)進行集中操作管理，如各種優(yōu)化計算、統(tǒng)計報

22、表、故障診斷、顯示報警等。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，DCS可以按照需要與更高性能的計算機設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接來實現(xiàn)更高級的集中管理功能，如計劃調(diào)度、倉儲管理、能源管理等。6.1 DCS系統(tǒng)的作用6.2.1監(jiān)測各種控制層測量信號的高、低報警和偏差報警，在遇到有報警時發(fā)出聲、光提醒操作員注意及時處理工藝波動。6.2 DCS系統(tǒng)在工藝正常運行過程中的安全保護6.2.2監(jiān)測各種控制層測量信號的高高、低低和偏差、比值聯(lián)鎖，在聯(lián)鎖條件發(fā)生時，自動發(fā)出安全保護動作。6.2.3聯(lián)鎖程序?qū)崟r運行監(jiān)控，監(jiān)測到聯(lián)鎖信號 (來自SIS系統(tǒng)硬接線信號）或條件時，將相應(yīng)的進料調(diào)節(jié)閥打到程序控制模式，閥位輸出0%，調(diào)節(jié)器輸出模式為

23、手動，調(diào)節(jié)器處于禁用模式，不允許操作工操作；將相應(yīng)的回流調(diào)節(jié)閥，打到程序控制模式，閥位輸出100%，不允許操作工操作；在操作員界面上發(fā)出警示信息，如“TB203 SHUTDOWN”。6.2 DCS系統(tǒng)在工藝正常運行過程中的安全保護6.2.4聯(lián)鎖邏輯點實時運行監(jiān)控，監(jiān)測到儀表測量信號的報警時，按照邏輯運算關(guān)系，控制關(guān)閉或打開相應(yīng)的電磁閥、泵、風(fēng)機等。或者將聯(lián)鎖信號輸出給程序，由順控程序完成聯(lián)鎖動作。6.2.5串級控制系統(tǒng)監(jiān)測到儀表測量信號的聯(lián)鎖時，解除串級模式，轉(zhuǎn)為單回路或手動控制。6.2.6選擇控制系統(tǒng)監(jiān)測到儀表測量信號波動或異常達到聯(lián)鎖條件時，按照要求自動用高選或低選器控制。6.2.7分程控制系統(tǒng)監(jiān)測到儀表測量信號波動或異常達到聯(lián)鎖條件時，按照設(shè)定條件，進入沖氮或排空模式。6.3.1開車過程中，電磁閥和機泵等，在聯(lián)鎖條件未解除以前會一直處于程序模式開或關(guān)，不允許操作工手動干預(yù)，誤動作閥門。6.3 DCS系統(tǒng)在工藝開車過程中的安全保護6.3.2開車過程中，復(fù)雜控制系統(tǒng)或單回路控制，在聯(lián)鎖條件未解除以前會一直處于聯(lián)鎖保護模式中，如調(diào)節(jié)器處于程序模式或禁用模式，不允許操作工手動干預(yù)，防止輸錯閥位或閥門導(dǎo)致生產(chǎn)或人身事故。6.3.3開車過程中，順控聯(lián)鎖程序，在聯(lián)鎖條件未解除以前會一直處于聯(lián)鎖保護模